重點(diǎn)內容速覽：

·BLDC電機控制可使用專(zhuān)用芯片（ASSP）和通用MCU
·無(wú)傳感器的BLDC電機更普遍，控制算法硬件化
·集成化趨勢：整合預驅動(dòng)、柵極驅動(dòng)、電源管理
 
12月13日馬斯克發(fā)布了新一代人形機器人原型Optimus Gen 2，距離量產(chǎn)又近了一步。我國也在加速發(fā)展人形機器人，近期，工信部印發(fā)《人形機器人創(chuàng )新發(fā)展指導意見(jiàn)》，指出人形機器人有望成為繼計算機、智能手機、新能源汽車(chē)后的顛覆性產(chǎn)品，并且明確了人形機器人發(fā)展的目標與時(shí)間點(diǎn)。

目前，我國人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈中游的本土制造廠(chǎng)商不在少數，包括優(yōu)必選、達闥科技、小米、騰訊、傅利葉智能、小鵬汽車(chē)、追覓、宇樹(shù)、智元機器人等，其中只有優(yōu)必選推出量產(chǎn)化產(chǎn)品，但成本昂貴。上游核心零部件廠(chǎng)商包括無(wú)框力矩電機廠(chǎng)商步科股份，空心杯電機廠(chǎng)商鳴志電器，減速器廠(chǎng)商綠的諧波、中大力德、雙環(huán)傳動(dòng)，控制系統廠(chǎng)商匯川技術(shù)，編碼器與傳感器廠(chǎng)商昊志機電，行星滾柱絲杠廠(chǎng)商長(cháng)盛軸承、秦川機床等。（備注：無(wú)框表示電機無(wú)外殼；空心杯表示電機沒(méi)有鐵芯轉子）

圖注：國內幾家主要人形機器人的關(guān)節電機對比（不完全統計，芯查查制表）

無(wú)框力矩電機、空心杯電機是機器人關(guān)節的關(guān)鍵部件，相比這2種電機，無(wú)刷直流電機（下文BLDC）是更廣義、普遍的電機類(lèi)型，有分析認為常見(jiàn)的人形機器人關(guān)節電機屬于BLDC。

BLDC并不是新鮮事物，其幾乎無(wú)處不在，家用電器、辦公設備、電動(dòng)工具、汽車(chē)電子系統等不勝枚舉，而諸如無(wú)人機、電動(dòng)汽車(chē)，以及上述的機器人等新興應用也離不開(kāi)BLDC。Allied Market Research估計，到2030年全球BLDC市場(chǎng)規模將從2020年的332億美元增長(cháng)到722億美元。

圖注：2020-2030年BLDC電機的增長(cháng)（圖源：Allied Market Research）

BLDC優(yōu)勢包括能效高（通常高達92%）；由于沒(méi)有任何電刷摩擦，可以更高速度運行；尺寸更緊湊、噪聲屬性更低，EMI曲線(xiàn)更佳等。但這些優(yōu)勢也有代價(jià)，其控制的設計更加復雜，下面講述BLDC控制芯片在應用中的幾個(gè)趨勢。

專(zhuān)用芯片，還是通用MCU？

BLDC電機控制可以使用專(zhuān)用芯片（ASSP），也可以使用通用MCU。

專(zhuān)用芯片通常集成電機控制所需的硬件模塊，比如PWM控制器、電流感應、位置傳感接口（通常是霍爾效應傳感器或編碼器接口）、以及保護電路等。專(zhuān)用芯片通常具有高效率、低功耗和小尺寸的優(yōu)點(diǎn)，而且因為專(zhuān)門(mén)針對電機控制設計，往往提供優(yōu)秀性能和穩定性。

圖注：BLDC電機控制系統（圖源：中電港）

對于BLDC電機控制專(zhuān)用芯片，供應商通常提供了門(mén)類(lèi)齊全的專(zhuān)用芯片產(chǎn)品組合，例如ADI提供的模數/數模轉換器、放大器、嵌入式處理器、iCoupler®數字隔離器、電源管理器件和實(shí)時(shí)以太網(wǎng)解決方案。

在電機的伺服控制系統中，高精度電流和電壓檢測可提高速度和扭矩控制性能。使用電阻進(jìn)行電流采樣的伺服系統中，采樣信號質(zhì)量對電控制性能的影響至關(guān)重要，ADI提供基于Σ-Δ調制器的高性能解決方案。

位置檢測性能是伺服控制的關(guān)鍵，常常使用光學(xué)編碼器和旋轉變壓器作為位置傳感器。伺服控制技術(shù)從模擬向數字的轉換推動(dòng)了現代伺服系統的發(fā)展，也滿(mǎn)足了對于電機控制的性能和效率的高要求。

從優(yōu)先考慮安全和保護的角度，信號采樣和功率器件驅動(dòng)應采用隔離技術(shù)。ADI的iCoupler數字隔離器產(chǎn)品可滿(mǎn)足高壓安全隔離要求。

相比專(zhuān)用芯片，基于通用MCU的BLDC電機控制有其優(yōu)點(diǎn)——靈活、可編程。MCU通常包含一個(gè)或多個(gè)CPU核心以及各種外圍接口和外設，通過(guò)軟件編程實(shí)現電機控制算法。32位MCU具有足夠處理能力實(shí)現復雜電機控制算法，比如磁場(chǎng)定向控制（FOC,Field Oriented Control）。

例如Microchip AVR EB系列MCU可在BLDC電機系統中提供復雜的波形控制，調整速度、時(shí)序和波形形狀創(chuàng )建正弦波和梯形波形；片上外設只需極少編程即可實(shí)現多種功能，快速響應工作條件變化，可即時(shí)進(jìn)行調整，延遲幾乎為零。此外可以獨立于CPU執行多項任務(wù)，例如讀取環(huán)境傳感器和串行通信，可降低整體BOM成本。

圖注：MCU可以在BLDC電機系統中提供復雜波形控制（圖源：Microchip）

選擇專(zhuān)用芯片還是通用MCU，取決于應用需求：

- 如果應用對成本敏感，且電機控制需求相對簡(jiǎn)單，專(zhuān)用芯片ASSP可能是一個(gè)更好選擇，因為具有較低成本和較高集成度。
- 如果應用需要更高靈活性、可擴展性或者需要執行復雜任務(wù)，那么通用MCU可能更適合。雖然初始開(kāi)發(fā)成本較高，但MCU的靈活性可以適應未來(lái)設計變更和功能升級。

在實(shí)際應用中，設計可能會(huì )結合專(zhuān)用電機控制芯片和通用MCU，各司其職，專(zhuān)用芯片處理電機控制的特定任務(wù)，MCU負責更高層次的系統控制和通信功能，這種混合方案可以兼顧性能、成本和靈活性。

無(wú)傳感器或更加普遍，控制算法硬件化
無(wú)傳感器的BLDC電機或許會(huì )更加普遍，這就需要通過(guò)控制算法實(shí)現電機運行狀態(tài)的監測和控制。

從性能和復雜度來(lái)看，電機控制算法發(fā)展路線(xiàn)從最初的120度方波控制，到有感SVPWM、逐步發(fā)展到有感FOC、最后到無(wú)感FOC控制算法——控制算法越來(lái)越復雜，開(kāi)發(fā)門(mén)檻越來(lái)越高。為了便于用戶(hù)使用最新和最優(yōu)控制方案，電機控制算法通過(guò)硬件化降低開(kāi)發(fā)門(mén)檻是必然趨勢。

早期的MCU純軟件算法開(kāi)發(fā)方式，迅速被智能集成的硬件化替代，從方波算法ASIC化、類(lèi)正弦算法ASIC化、集成MDU、Cordic等，到最后無(wú)感FOC算法ASIC化等一系列的變化，實(shí)現電機控制算法硬件化的演變。

圖注：Renesas MPU+Lattice FPGA雙芯片架構，在實(shí)現算法加速的同時(shí)支持EtherCAT開(kāi)放架構（圖源：中電港）

除了ASIC，FPGA也被用于實(shí)現FOC控制算法，例如中電港聯(lián)合全球知名半導體解決方案供應商瑞薩電子及萊迪思半導體推出高性能EtherCAT伺服驅動(dòng)解決方案，采用Renesas MPU+Lattice FPGA雙芯片架構。

在這個(gè)方案中，電流環(huán)控制放在FPGA里進(jìn)行硬件加速，大幅降低延時(shí)，讓電流環(huán)更快速，提高精確度。FPGA在實(shí)現多軸同步控制、電流環(huán)控制、PWM控制和輸出等方面更具優(yōu)勢，此外，FPGA可靈活搭配不同型號，實(shí)現1-6軸電機控制，成本上更具優(yōu)勢。Renesas RZ/T1 MPU內部集成了EtherCAT硬核控制器，集成度更高，控制的實(shí)時(shí)性更好。

集成化趨勢：整合預驅動(dòng)、柵極驅動(dòng)、電源管理等
高集成是BLDC電機控制芯片的另一個(gè)趨勢，從完全分離、到集成運放和比較器、集成預驅動(dòng)、集成電源和MOSFET、再到全集成模塊。在人形機器人設計中，高度集成的芯片有助于實(shí)現小型化和輕量化。以安森美ecoSpin BLDC電機控制器系列為例，將控制和驅動(dòng)器集成在一個(gè)芯片，簡(jiǎn)化HVAC、制冷和機器人等應用中高壓電機控制系統的開(kāi)發(fā)，該系列產(chǎn)品之一ECS640A集成6個(gè)柵極驅動(dòng)器輸出，為外部功率器件提供350mA/650mA（典型值）柵極電流灌/拉電流，霍爾傳感器輸入支持有傳感器或無(wú)傳感器操作。

圖注：BLDC電機控制MCU集成柵極驅動(dòng)有助于簡(jiǎn)化人形機器人設計，圖例安森美ecoSpin系列產(chǎn)品（圖源：安森美）

小 結

人形機器人是當前高科技領(lǐng)域的熱點(diǎn)應用之一，高精度動(dòng)作控制和姿態(tài)調整要求其使用的電機具有極高的精度和動(dòng)態(tài)響應能力，同時(shí)要求系統處理多個(gè)電機的控制任務(wù)，確保協(xié)調和同步，此外，人形機器人需要在有限的空間內集成大量的電子和機械組件，比如電機和控制器。綜合來(lái)看，BLDC電機相比傳統電機更符合上述人形機器人的需求，這勢必帶動(dòng)BLDC電機控制芯片的發(fā)展，本文概括了這類(lèi)芯片的產(chǎn)品和方案的應用。