機械人系統自動執行重複性任務，承擔複雜而費力的任務，並在對人類危險或有害的環境中工作。 整合度更高的高效能微控制器 （MCU） 可實現更高的能效、更平穩、更安全的運動以及更高的精度，從而提高生產力和自動化程度。 例如，更高的精度（有時為 0.）。1mm以內）對於處理雷射焊接、精密塗層、噴墨或3D列印等應用非常重要。
機械臂的軸數和所需的控制架構型別（集中式或分布式）決定了哪種MCU或電機控制積體電路（IC）適合系統。 現代工廠使用具有不同軸和運動自由度（在 x、y 或 z 平面上移動和旋轉）的機械人組合，以滿足不同製造階段的需求; 因此，整個工廠車間都使用不同的控制架構。
在選擇MCU時，選擇具有額外效能餘量的MCU可以實現未來的可擴充套件性和對附加功能的支援。 提前規劃可擴充套件性和附加元件還可以在設計過程中節省成本、時間和複雜性。
本文探討了集中式和分布式（或分散式）電機控制架構，以及實現這些架構的整合實時MCU的設計注意事項。
集中式架構
在集中式系統中，乙個MCU用於控制多個軸。 這種方法有效地解決了需要大型散熱器和冷卻風扇的高功率電機驅動器（通常超過 2kW 至 3kW）的散熱問題。 在這種架構中，位置資料通常通過連線到編碼器的旋轉變壓器板或聚合器從外部獲取。
通常，在這種架構中，多個功率級位於同一 PCB 上或距離很近，因此單個 MCU 可以控制多個軸。 這種方法簡化了多個軸之間的實時控制和同步，因為多個電機控制MCU之間不需要長通訊線路。
集中式架構中的電機控制 MCU MPU 需要高效能實時處理核心（如 R5F 核心或 DSP）、實時通訊介面（如 EtherCAT）、充足的 PMW 通道以及用於電壓和電流檢測的外設。 AM243X 等 MCU 支援可擴充套件的多軸系統，為多達六個軸提供實時控制外設，並在單個晶元中實現實時通訊。
過去，FPGA或ASIC器件主要用於自動化系統中的集中式電機控制。 然而，基於 ARM Cortex 的現代 MCU（如 AM243X）近年來越來越受歡迎。 這些 MCU 具有高度整合度和成本效益，可幫助設計人員滿足其系統的效能要求，同時實現設計可擴充套件性和靈活性。
雖然集中控制架構可以滿足大功率自動化系統（如過載工業機械人）的效能和效率設計要求，但這些系統需要使用額外的電纜、連線機櫃和接頭的機械電機以及位置感測器和聚合器。 這些電線不僅成本高昂，而且容易磨損並需要維護。
圖 1：多軸系統的分散式電機控制架構框圖。
分散式或分布式架構
最近，分散式或分布式架構（圖 2）在功耗要求較低的系統中越來越受歡迎，並已成為協作機械人機械手的標準方法。
分散式架構將多個單軸電機驅動器整合到機械人的每個關節中，並通過 EtherCAT 等實時通訊介面進行連線和同步。 通常，每個驅動器控制乙個軸，並在本地處理某些安全功能。 因此，每個MCU都需要實時控制和通訊功能、單軸電機控制外設、3至6個PWM通道、片上逐次逼近暫存器模數轉換器或δ調製器輸入。
在這些應用中，位置感測器通常位於MCU附近，因此這些MCU需要數字或模擬介面來讀取位置感測器的資料。 雖然這種架構需要更多的MCU，但由於電源匯流排和通訊介面之間的佈線需要更少，因此可以顯著降低系統級成本。 現代實時 MCU（如 F28P65X）不僅整合了所有必要的外設，還整合了安全外設，為分散式架構中的整合軸提供了單晶元或雙晶元解決方案，以小尺寸實現高效能。
圖 2：單軸系統的分散式電機控制架構框圖。
結論
雖然電動機可能不是目前機械人技術中最熱門的選擇（尤其是與人工智慧系統相比），但它們是維持工廠運轉的“肌肉”，也是現代製造業的重要組成部分，因此選擇合適的控制裝置需要很多考慮。 隨著這些器件的整合度越來越高，邊緣計算和無線連線等附加功能可能會被整合到電機控制設計中。
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