微控制器在提高機(jī)器人電機(jī)控制設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)性能方面發(fā)揮的作用

機(jī)器人系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行重復(fù)性任務(wù)，執(zhí)行復(fù)雜或耗電的運(yùn)動(dòng)，并且可以在對(duì)人類危險(xiǎn)或有害的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。更高集成度、更高性能的微控制器(MCU)可提高能效，并以更高的精度實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)、更安全的操作，從而提高生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度。例如，在涉及激光焊接、精密噴漆、噴墨打印和3D打印的應(yīng)用中， 0.1 毫米以內(nèi)的精度有時(shí)至關(guān)重要。

最終，機(jī)器人手臂中的軸數(shù)量和所需的控制架構(gòu)類型(集中式或分布式)將決定系統(tǒng)合適的微控制器或電機(jī)控制集成電路(IC) ?，F(xiàn)代工廠使用不同類型的機(jī)器人，這些機(jī)器人具有不同數(shù)量的軸以及在x、y和z平面上不同的運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)范圍，以處理不同的制造階段。因此，整個(gè)工廠車間混合了不同的控制架構(gòu)。

選擇微控制器時(shí)，重要的是選擇具有性能改進(jìn)空間、未來可擴(kuò)展并允許附加功能的微控制器。規(guī)劃可擴(kuò)展性和添加功能，以減少設(shè)計(jì)過程的成本、時(shí)間和復(fù)雜性。

本文介紹了兩種類型的電機(jī)控制架構(gòu)：集中式和分布式(分散式)，并討論了支持這些架構(gòu)的集成實(shí)時(shí)微控制器的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

集中式架構(gòu)

集中式系統(tǒng)使用一個(gè)微控制器來控制多個(gè)軸。當(dāng)處理需要大型散熱器和冷卻風(fēng)扇的大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(通常為2-3kW或更大)的散熱時(shí)，這種方法非常有用。在此架構(gòu)中，位置數(shù)據(jù)通常通過旋轉(zhuǎn)變壓器板或連接到編碼器的聚合器從外部獲取。

圖1：多軸系統(tǒng)的集中式電機(jī)控制架構(gòu)框圖。

這種架構(gòu)通常在同一個(gè)PCB上或非常接近的地方具有多個(gè)輸出級(jí)，從而允許單個(gè)微控制器控制多個(gè)軸。使用這種方法，可以輕松實(shí)現(xiàn)多軸之間的實(shí)時(shí)控制和同步，因?yàn)槎鄠€(gè)電機(jī)控制微控制器之間不需要長(zhǎng)通信線路。

集中式架構(gòu)的電機(jī)控制微控制器/MPU主要需要R5F內(nèi)核和DSP等高性能實(shí)時(shí)處理內(nèi)核、 EtherCAT等實(shí)時(shí)通信接口、足夠數(shù)量的PMW通道以及用于電壓和電流感測(cè)的外設(shè)。 Am243x等微控制器有助于實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的多軸系統(tǒng)，在單芯片上提供多達(dá)六軸的實(shí)時(shí)控制外設(shè)和實(shí)時(shí)通信。

傳統(tǒng)上，自動(dòng)化系統(tǒng)中的集中式電機(jī)控制主要依賴于FPGA或ASIC設(shè)備。然而，最近，基于ARM Cortex 的現(xiàn)代微控制器(例如AM243x)變得越來越流行。這些高度集成、經(jīng)濟(jì)高效的微控制器使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)可擴(kuò)展性和靈活性，同時(shí)滿足系統(tǒng)性能要求。

集中控制架構(gòu)可以滿足高功率自動(dòng)化系統(tǒng)的性能和效率設(shè)計(jì)要求，例如具有大有效負(fù)載的工業(yè)機(jī)器人，但它們也需要添加電纜。這些電線不僅增加了成本，而且還會(huì)磨損并需要維護(hù)。

分散式或分布式架構(gòu)

分散式或分布式架構(gòu)(圖2)最近在低功耗要求的系統(tǒng)中變得流行，并已成為協(xié)作機(jī)器人( cobot )操縱器的標(biāo)準(zhǔn)方法。

圖2：?jiǎn)屋S系統(tǒng)分散式電機(jī)控制架構(gòu)框圖。

分散式架構(gòu)在機(jī)器人內(nèi)的每個(gè)連接點(diǎn)集成了多個(gè)單軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并通過EtherCAT等實(shí)時(shí)通信接口連接和同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器通?？刂埔粋€(gè)軸并在本地處理特定的安全功能。因此，每個(gè) MCU 都需要具有實(shí)時(shí)控制和通信功能、一軸電機(jī)控制外設(shè)、三到六個(gè)PWM通道、片上SAR(逐次逼近)A/D轉(zhuǎn)換器或 Delta-Sigma 調(diào)制器輸入。

在這些應(yīng)用中，位置傳感器通常位于微控制器旁邊，因此這些微控制器需要數(shù)字或模擬接口來從位置傳感器讀取數(shù)據(jù)。盡管這種架構(gòu)需要多個(gè)微控制器，但它可以在系統(tǒng)級(jí)顯著節(jié)省成本，因?yàn)樗枰俚碾娫纯偩€和通信接口之間的布線?，F(xiàn)代實(shí)時(shí) MCU(例如F28P65x)內(nèi)置了所有必要的外設(shè)以及安全外設(shè)。這使得小型、高性能的單芯片或兩芯片解決方案能夠集成到分散式架構(gòu)中。

概括

在機(jī)器人領(lǐng)域，電機(jī)并沒有引起太多關(guān)注，特別是與人工智能系統(tǒng)相比，但它們是維持工廠運(yùn)轉(zhuǎn)的“肌肉”。電機(jī)可以被認(rèn)為是現(xiàn)代制造現(xiàn)場(chǎng)最重要的部分，值得花時(shí)間考慮選擇正確的控制設(shè)備。此外，這些設(shè)備的集成度越來越高，允許將邊緣計(jì)算和無線連接等附加功能納入電機(jī)控制設(shè)計(jì)中。