机器人系统自动执行重复性任务，承担复杂而费力的任务，并在对人类危险或有害的环境中工作。 集成度更高的高性能微控制器 （MCU） 可实现更高的能效、更平稳、更安全的运动以及更高的精度，从而提高生产力和自动化程度。 例如，更高的精度（有时为 0.）。1mm以内）对于处理激光焊接、精密涂层、喷墨或3D打印等应用非常重要。
机械臂的轴数和所需的控制架构类型（集中式或分布式）决定了哪种MCU或电机控制集成电路（IC）适合系统。 现代工厂使用具有不同轴和运动自由度（在 x、y 或 z 平面上移动和旋转）的机器人组合，以满足不同制造阶段的需求; 因此，整个工厂车间都使用不同的控制架构。
在选择MCU时，选择具有额外性能余量的MCU可以实现未来的可扩展性和对附加功能的支持。 提前规划可扩展性和附加组件还可以在设计过程中节省成本、时间和复杂性。
本文探讨了集中式和分布式（或分散式）电机控制架构，以及实现这些架构的集成实时MCU的设计注意事项。
集中式架构
在集中式系统中，一个MCU用于控制多个轴。 这种方法有效地解决了需要大型散热器和冷却风扇的高功率电机驱动器（通常超过 2kW 至 3kW）的散热问题。 在这种架构中，位置数据通常通过连接到编码器的旋转变压器板或聚合器从外部获取。
通常，在这种架构中，多个功率级位于同一 PCB 上或距离很近，因此单个 MCU 可以控制多个轴。 这种方法简化了多个轴之间的实时控制和同步，因为多个电机控制MCU之间不需要长通信线路。
集中式架构中的电机控制 MCU MPU 需要高性能实时处理内核（如 R5F 内核或 DSP）、实时通信接口（如 EtherCAT）、充足的 PMW 通道以及用于电压和电流检测的外设。 AM243X 等 MCU 支持可扩展的多轴系统，为多达六个轴提供实时控制外设，并在单个芯片中实现实时通信。
过去，FPGA或ASIC器件主要用于自动化系统中的集中式电机控制。 然而，基于 ARM Cortex 的现代 MCU（如 AM243X）近年来越来越受欢迎。 这些 MCU 具有高度集成度和成本效益，可帮助设计人员满足其系统的性能要求，同时实现设计可扩展性和灵活性。
虽然集中控制架构可以满足大功率自动化系统（如重载工业机器人）的性能和效率设计要求，但这些系统需要使用额外的电缆、连接机柜和接头的机械电机以及位置传感器和聚合器。 这些电线不仅成本高昂，而且容易磨损并需要维护。
图 1：多轴系统的分散式电机控制架构框图。
分散式或分布式架构
最近，分散式或分布式架构（图 2）在功耗要求较低的系统中越来越受欢迎，并已成为协作机器人机械手的标准方法。
分散式架构将多个单轴电机驱动器集成到机器人的每个关节中，并通过 EtherCAT 等实时通信接口进行连接和同步。 通常，每个驱动器控制一个轴，并在本地处理某些安全功能。 因此，每个MCU都需要实时控制和通信功能、单轴电机控制外设、3至6个PWM通道、片上逐次逼近寄存器模数转换器或δ调制器输入。
在这些应用中，位置传感器通常位于MCU附近，因此这些MCU需要数字或模拟接口来读取位置传感器的数据。 虽然这种架构需要更多的MCU，但由于电源总线和通信接口之间的布线需要更少，因此可以显著降低系统级成本。 现代实时 MCU（如 F28P65X）不仅集成了所有必要的外设，还集成了安全外设，为分散式架构中的集成轴提供了单芯片或双芯片解决方案，以小尺寸实现高性能。
图 2：单轴系统的分散式电机控制架构框图。
结论
虽然电动机可能不是目前机器人技术中最热门的选择（尤其是与人工智能系统相比），但它们是维持工厂运转的“肌肉”，也是现代制造业的重要组成部分，因此选择合适的控制设备需要很多考虑。 随着这些器件的集成度越来越高，边缘计算和无线连接等附加功能可能会被整合到电机控制设计中。
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