人形机器人中的电机控制

制造业和服务行业对更高自动化水平的需求不断增长，推动了人形机器人的开发。人形机器人变得更加复杂和精确，自由度 (DOF) 变得更高，并且对周围环境的响应时间（按毫秒计）缩短，从而能更好地模仿人类的动作。图 1 展示了人形机器人的典型电机和运动功能。

图 1：显示人形机器人 DOF 变得更高的位置

具有更高的 DOF 意味着人形机器人需要更多的电机驱动器。机器人设计中的驱动器位置决定了不同的驱动器要求。部分关键规格是：

· 通信接口架构

· 位置感测

· 电机类型

· 电机控制算法

· 功率级要求

· 电子电路尺寸

· 功能安全注意事项

目前，虽然针对协作机器人和工业机器人制定了相关标准，但没有规定人形机器人功能安全要求的标准。随着需求的持续增长，预计标准机构将来会为人形机器人规定安全要求。在规定安全要求之前，人形机器人设计人员必须对当前系统设计进行相应调查，从而在将来尽可能减少因重新设计所带来的工作。ISO 13482、ISO 10218 和 ISO 3691-4 可以阐明未来的预期。

由于人形机器人用电池供电，因此电机驱动器旨在更大限度地提高效率，从而延长机器人的工作时间范围。

当使用高功率级别时，人形机器人可以集成 PMSM 之类的电机。有刷直流电机可用于一些低功耗情况，例如手部控制和手指控制。但是，当前的设计趋势表明，所有电机未来都将是无刷式电机。

PMSM 电机有两种绕组选择：梯形绕组或正弦绕组。对绕组和控制算法的选择会影响电机控制的精确度。

电机设计的另一个关键要素是更快地切换 FET，这样就可以使用能提高电机单位重量扭矩的新设计选项。

选择电机类型后，用户可以确定控制电机的方法。实现控制回路有多种备选方法，但电机控制通常与图 4 中所示类似，其中显示了所需的模拟子系统和处理器外设。

图 4：机器人控制的实时通信时序需求

使用图 4 作为通用模板，表 1 列出了在选择算法 FOC 或阻塞换向时所需的外设和性能。

表 1：电机控制类型的外设和电路需求

TI 具有许多不同的 MCU，可满足算法和角度传感器的要求。重要的因素包括 IC 的大小和实现高性能驱动系统的实时能力。在电机控制算法中使用了 C2000 实时微控制器和基于 ARM 的微控制器。