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3月29日，在IIC Shanghai 2024國(guó)際集成電路展覽會(huì)暨研討會(huì)同期舉辦的“2024年中國(guó)IC領(lǐng)袖峰會(huì)”上，峰岹科技(深圳)股份有限公司首席技術(shù)官畢超博士發(fā)表了“基于RISC-V的機(jī)器人電機(jī)控制芯片”主題演講。

峰岹科技首席技術(shù)官畢超博士

一、機(jī)器人對(duì)電機(jī)控制芯片的挑戰(zhàn)

很多人希望了解，電機(jī)控制和機(jī)器人控制到底有什么區(qū)別?它們的內(nèi)在聯(lián)系是什么?特別是現(xiàn)在人形機(jī)器人很火。其實(shí)中間一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)，就是它電機(jī)控制是什么樣的?它對(duì)芯片產(chǎn)生了什么樣的挑戰(zhàn)?畢超博士在會(huì)上和大家分享了該公司做的考慮、布局以及一些所取得的結(jié)果。

“機(jī)器人控制系統(tǒng)”和“電機(jī)控制系統(tǒng)”到底是什么關(guān)系?據(jù)介紹，所謂電機(jī)控制系統(tǒng)在機(jī)器人里面，接到運(yùn)動(dòng)的指令后讓機(jī)器人的具體關(guān)節(jié)產(chǎn)生指令所要求的運(yùn)動(dòng)的這一塊叫伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，是機(jī)器人子系統(tǒng)。讓機(jī)器人進(jìn)行什么樣的運(yùn)動(dòng)牽扯到機(jī)械方面、力學(xué)方面、計(jì)算機(jī)方面的知識(shí)，機(jī)器人的主控制系統(tǒng)根據(jù)整體機(jī)器人系統(tǒng)狀況的分析相每個(gè)關(guān)節(jié)發(fā)出要求的運(yùn)動(dòng)指令。

機(jī)器人控制系統(tǒng)接到使用者運(yùn)動(dòng)的要求后，要進(jìn)行和解析，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)指令，并且把指令傳給各個(gè)關(guān)節(jié)，就是控制自由度的電機(jī)。電機(jī)控制器根據(jù)所收到的指令以預(yù)定的控制模式讓電機(jī)產(chǎn)生所需要的運(yùn)動(dòng)。例如速度是多少?轉(zhuǎn)向是多少?位置是什么?等等。“我按照你的命令產(chǎn)生所需要的運(yùn)動(dòng)，所以是服從的單位”。

但是，對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)而言，技術(shù)上的難點(diǎn)是，接到命令以后如何快、準(zhǔn)、好地完成指令，這就牽扯到許多的算法。怎么樣快?還有芯片技術(shù)、電機(jī)技術(shù)，以及行業(yè)里面所謂電機(jī)控制的architecture。怎么樣去做這件事?這就是“峰岹科技”所做的事情。

人形機(jī)器人這個(gè)概念的定義不是很清晰。很多場(chǎng)合叫足立機(jī)器人，它的運(yùn)動(dòng)不是輪子而是腳步運(yùn)動(dòng)。這個(gè)機(jī)器人有點(diǎn)像人形或者是其他支持感知和運(yùn)動(dòng)的智能機(jī)械架構(gòu)，學(xué)術(shù)上叫具身機(jī)器人。

為了讓大家比較容易接受，這里暫且叫它人形機(jī)器人。人形機(jī)器人有一個(gè)特點(diǎn)，自由度特別多。機(jī)器手要運(yùn)動(dòng)得真正像一個(gè)手需要27個(gè)DOF，就是27個(gè)關(guān)節(jié)，每一個(gè)關(guān)節(jié)都是電機(jī)。現(xiàn)在大家比較關(guān)注的一款機(jī)器人，一個(gè)手有11個(gè)自由度，兩個(gè)手就是22個(gè)自由度。不要忘了我們還有腰部要運(yùn)動(dòng)，腿部也要運(yùn)動(dòng)，腳趾一般處理比較簡(jiǎn)單，都是一個(gè)板。但如果機(jī)器人要做到發(fā)達(dá)，腳趾也一定要考慮，這樣才更加穩(wěn)定，靈活性更好。

根據(jù)市場(chǎng)上公開(kāi)的信息，該機(jī)器人總的自由度不低于30個(gè)，也有人認(rèn)為是40個(gè)。不管怎么樣，自由度都很多。一個(gè)機(jī)器人體中有很多電機(jī)在運(yùn)行，需要控制，怎么樣對(duì)這些電機(jī)實(shí)現(xiàn)高、精、準(zhǔn)的控制?現(xiàn)在有一些客戶已經(jīng)在進(jìn)行50多個(gè)自由度的機(jī)器人的調(diào)試。網(wǎng)上也能看到有63個(gè)DOF的機(jī)器人問(wèn)世了。因此，對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，伺服電機(jī)控制系統(tǒng)非常重要。

我們?nèi)绾胃鶕?jù)伺服指令做出快速準(zhǔn)確的反應(yīng)?以手的運(yùn)動(dòng)為例，要做到協(xié)調(diào)性非常好，非常有挑戰(zhàn)性。

還有一些特別的要求，比如轉(zhuǎn)矩密度要求比較高。有人可能聽(tīng)到機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)發(fā)出一些奇怪的聲音，實(shí)際上這是因?yàn)樗锩娉穗姍C(jī)運(yùn)動(dòng)，通常還要加一個(gè)微型齒輪。在同樣功率下，電機(jī)速度越高，電機(jī)的體積越小。這個(gè)概念用在別的地方也合適。現(xiàn)在很多電動(dòng)汽車公司在比，電機(jī)轉(zhuǎn)速越來(lái)越高。意義在哪?在同樣的功率下，電機(jī)體積比較小，同樣的空間下就可以放更多的東西。

但是，我們的手不需要這樣復(fù)雜快速的運(yùn)動(dòng)。很多情況下手的力量很大，但是運(yùn)動(dòng)速度并不快，通常加一個(gè)齒輪箱，這樣一結(jié)合，就能夠減小整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的體積，并且放大了轉(zhuǎn)矩。其實(shí)齒輪箱上有很多因素也電機(jī)控制必須要考慮的。

機(jī)器人的整個(gè)運(yùn)動(dòng)中間需要高精度的傳感器。要理解傳感器的信號(hào)，這就和IC有關(guān)系。另外，關(guān)于無(wú)感控制現(xiàn)在也是熱門的話題，現(xiàn)在很多機(jī)器人的電機(jī)系統(tǒng)上，要放傳感器，價(jià)格就是個(gè)問(wèn)題，空間也是個(gè)問(wèn)題，可靠性也是個(gè)問(wèn)題。能不能利用電機(jī)本體的電信號(hào)來(lái)檢測(cè)它的轉(zhuǎn)矩、位置和健康狀態(tài)等指標(biāo)，這就給電機(jī)控制芯片帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。

一般而言，機(jī)器人對(duì)電機(jī)控制芯片的要求有：

1、高性能?？梢钥焖贉?zhǔn)確地完成轉(zhuǎn)矩的控制。

2、高穩(wěn)定性。為什么要搞人形機(jī)器人?就是讓它做我們不大喜歡做或者不大適合做的一些比較危險(xiǎn)的、重復(fù)性的工作。這個(gè)事情比較麻煩的是，它可能要在一些很惡劣的環(huán)境下工作。在這樣的情況下如何保證電機(jī)的穩(wěn)定性不出問(wèn)題?所以，它對(duì)芯片本體的穩(wěn)定性要求非常高。這件事情看起來(lái)容易，但實(shí)際上也要考慮在高電壓、大電流下的工作，就是件非常麻煩的事情。

3、低功耗。芯片本體要求功耗比較小，發(fā)熱就會(huì)好一些。還有，它產(chǎn)生的控制模式要求電機(jī)的效率比較高，這不光是芯片本身的問(wèn)題，還有電機(jī)控制架構(gòu)的問(wèn)題。低功耗可以延長(zhǎng)電機(jī)的工作時(shí)間和減少系統(tǒng)發(fā)熱，這些對(duì)機(jī)器人特別重要。

4、多功能。高轉(zhuǎn)速、頻繁的正反轉(zhuǎn)，機(jī)器人也有這樣的要求，還需要有高爆發(fā)力。

5、安全性。要求芯片能夠提供保護(hù)。因?yàn)樾酒姆磻?yīng)還是快的，特別是電保護(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多重保護(hù)，保證電機(jī)系統(tǒng)的安全。

6、高集成。因?yàn)楝F(xiàn)在整個(gè)機(jī)器人的控制用到了很多的電子器件，有沒(méi)有可能把一些器件(比如傳感器)結(jié)合在一起?目前已經(jīng)有部分做到了。另外，像功率半導(dǎo)體能不能放在里面，這和一般的信號(hào)處理芯片又不一樣。MCU當(dāng)然也是重要的。

7、可編程性。者對(duì)于拓展機(jī)器人的應(yīng)用訪問(wèn)很重要。

8、尺寸小。手部這樣的東西本身沒(méi)有多少空間，控制系統(tǒng)做得很大當(dāng)然不合適。

9、高性價(jià)比。手上運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜?，F(xiàn)在許多機(jī)器人手上用的電機(jī)是空心杯電機(jī)，直徑是可能只有6mm，是由美國(guó)和德國(guó)公司提供的。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)價(jià)格甚至達(dá)到1萬(wàn)塊人民幣一個(gè)。“如此高的價(jià)格。再帶上控制芯片和帶上傳感器，2只手就是22個(gè)，這個(gè)機(jī)器人的價(jià)格你能接受嗎?對(duì)控制器的一個(gè)重要要求是，成本一定要控制的好?！?/p>

二、基于RISC-V架構(gòu)的伺服控制芯片

畢超博士認(rèn)為，利用RISC-V做控制芯片是有很多好處的。首先，用它進(jìn)行設(shè)計(jì)很靈活，設(shè)計(jì)高性能的芯片，設(shè)計(jì)效率提高很多。

其次，RISC-V本身具有精簡(jiǎn)的指令、高效的執(zhí)行方式。“因?yàn)槲覀兊乃惴ㄔ絹?lái)越復(fù)雜，怎么樣能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確、高效的電機(jī)控制模式?我們公司用RISC-V架構(gòu)設(shè)計(jì)電機(jī)控制芯片，感覺(jué)它是非常好的架構(gòu)?！碑叧┦空f(shuō)。

RISC-V上在實(shí)現(xiàn)低功耗的芯片上面也有優(yōu)勢(shì)。如前所述，電機(jī)控制芯片上的要求非常高，在這方面，RISC-V在ASIC芯片上也用得很成功?，F(xiàn)在很多像ASSP的芯片已經(jīng)顯示出非常大的優(yōu)越性?？紤]到機(jī)器人用的電機(jī)控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，RISC-V的優(yōu)勢(shì)更加能得到體現(xiàn)。

三、多核架構(gòu)：伺服控制芯片的有效解決方案

雖然多核架構(gòu)現(xiàn)在并不罕見(jiàn)，但在電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面，峰岹科技還是走在比較前面。意義在哪呢?高密度芯片的制程有些風(fēng)險(xiǎn)。也就是說(shuō)，如何用對(duì)制程要求不高的芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能的控制?多核是一條路。電機(jī)控制要求越來(lái)越復(fù)雜，功能越來(lái)越多，性能越來(lái)越強(qiáng)，用傳統(tǒng)的芯片制程來(lái)設(shè)計(jì)芯片，非常困難。多核的架構(gòu)能使得電機(jī)芯片能夠以比較低制程的成本實(shí)現(xiàn)高性能的控制。

峰岹科技目前不考慮40nm以下的工藝，太貴，客戶接受不了。

怎么樣去做這樣的芯片呢?傳統(tǒng)的單核電機(jī)控制芯片，所有的運(yùn)算和要執(zhí)行的功能都是在一個(gè)核中完成的，即使在處理多個(gè)任務(wù)時(shí)也只能串行處理。因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)速越來(lái)越高，功能越來(lái)越多，所以靠單核的芯片，很多友商用28nm以下的工藝在做，這是可以理解的。但以目前對(duì)電機(jī)控制芯片的要求，你不用14nm做，不用高制程就沒(méi)法做出來(lái)。這對(duì)許多中國(guó)內(nèi)地的芯片公司就很困難，風(fēng)險(xiǎn)非常大。

“我們和很多公司一樣就考慮用雙核結(jié)構(gòu)。怎么做呢?就是有兩個(gè)MCU內(nèi)核分擔(dān)工作，一個(gè)內(nèi)核專門應(yīng)對(duì)電機(jī)控制模式。電機(jī)轉(zhuǎn)速很高，比如戴森的吸塵器電機(jī)已經(jīng)到了15萬(wàn)rpm。峰岹科技里處理20萬(wàn)rpm的電機(jī)是經(jīng)常的事。用一個(gè)專門的內(nèi)核處理電機(jī)的控制模式，因?yàn)樗乃惴ㄟ€是比較固定的。另外一個(gè)通用內(nèi)核則用于實(shí)現(xiàn)通信的處理、保護(hù)和參數(shù)辨識(shí)等通用功能。信號(hào)處理可以進(jìn)行雙核并行處理，速度大大加快。

從目前的趨勢(shì)看，即使雙核架構(gòu)也可能很快就不能滿足要求，因此峰岹科技也打算用三核來(lái)做。除了ME和GPP內(nèi)核又加了一個(gè)，比如把參數(shù)辨識(shí)和健康狀態(tài)的檢測(cè)放在新的核內(nèi)。畢超博士認(rèn)為，多核是重要的方向。有很多研究機(jī)構(gòu)甚至干脆用GPU做電機(jī)控制。盡管這樣做成本是個(gè)大問(wèn)題，但是誰(shuí)知道呢?跟現(xiàn)在大模型人工智能的發(fā)展一樣。我們公司比較現(xiàn)實(shí)，先用多核的架構(gòu)來(lái)做”。

ME內(nèi)核，簡(jiǎn)單來(lái)看，它目前能實(shí)現(xiàn)的FOC計(jì)算時(shí)間是4.5μs(用友商數(shù)據(jù)比較一下，用Cortex-M3做的話大概是20-30μs)。PWM最高頻率為100kHz，這用單一芯片來(lái)做也是比較難實(shí)現(xiàn)的。

四、智能功率模塊：機(jī)器人電機(jī)控制系統(tǒng)的方向

傳統(tǒng)的智能功率模塊(IPM)把預(yù)驅(qū)和功率器件放在一起。IPM本身發(fā)展得很快。“我們?cè)趥鹘y(tǒng)的芯片中把MCU也放進(jìn)去，甚至為了機(jī)器人用把傳感器也全部往里面放。已經(jīng)做成和傳統(tǒng)的IPM結(jié)構(gòu)差別比較大的芯片了，因?yàn)闋砍兜焦β噬系膯?wèn)題。

現(xiàn)代化的IPM設(shè)計(jì)，因?yàn)闄C(jī)器人對(duì)空間要求特別高，對(duì)成本要求也特別高，非常重要的方向就是用IPM來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)。使用IPM可以使機(jī)器人整個(gè)運(yùn)作、整個(gè)控制系統(tǒng)得到很大的簡(jiǎn)化。這是很多公司愿意考慮用我們公司產(chǎn)品的原因?！?br />

“這種事情講起來(lái)容易，做起來(lái)卻面臨很多的挑戰(zhàn)，他要把MOS、diode、HVIC等很多的功率器件放在一起，這就要考慮各個(gè)器件的兼容性。

散熱管理對(duì)于IPM更重要。每個(gè)器件都會(huì)產(chǎn)生熱，功率器件發(fā)熱很嚴(yán)重，怎樣形成有效的散熱機(jī)制和散熱界面，確保模塊的運(yùn)作，可靠性是非常困難的一件事情。它在保護(hù)上的要求非常高，因?yàn)楹芏嗥骷诶锩姹舜嘶ハ酄恐?。峰岹科技內(nèi)部現(xiàn)在提出了各種各樣的想法。它到底能不能實(shí)現(xiàn)?要跟很多公司配合，包括封裝公司。特別是量產(chǎn)能不能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，不然成本控制也是大問(wèn)題，這也是很大的挑戰(zhàn)。

最后還是成本，如何平衡性能和成本?“大家有時(shí)候想得很好，最后做出來(lái)成本很高又是一個(gè)問(wèn)題，都是挑戰(zhàn)”。

五、峰岹科技的伺服控制芯片及模塊

峰岹科技基于RISC-V和雙核設(shè)想設(shè)計(jì)的芯片，目前電流、帶寬和適配性等都非常好，在很多主流產(chǎn)品上也得到使用?，F(xiàn)在這個(gè)器件已經(jīng)開(kāi)始在用于機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的方案采用分立器件實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在峰岹科技已經(jīng)把傳感器、通用內(nèi)核和專用內(nèi)核以及pre-driver都放在了一起。“沒(méi)敢放的是功率部分，因?yàn)闄C(jī)器人類型和應(yīng)用場(chǎng)景差別很大，所以我們的游戲產(chǎn)品干脆把它放外面，讓大家靈活選不同電壓、不同電流和不同功率。

機(jī)器狗關(guān)節(jié)方案是直接把控制系統(tǒng)放在電機(jī)上。峰岹科技也有模塊，它的結(jié)構(gòu)是雙核的，把MOS管和預(yù)驅(qū)都往里放，這也是一種應(yīng)用。要跟特定的公司合作形成這個(gè)產(chǎn)品。關(guān)于機(jī)器人主動(dòng)輪的關(guān)節(jié)，人形機(jī)器人的手上運(yùn)動(dòng)，具身或者人形機(jī)器人，峰岹科技也都有具體的應(yīng)用。

六、總結(jié)

對(duì)機(jī)器人，特別是人形機(jī)器人的電機(jī)控制來(lái)說(shuō)，無(wú)論是傳感器還是通信系統(tǒng)都越來(lái)越復(fù)雜，因此，對(duì)電機(jī)芯片的設(shè)計(jì)和制程都形成了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

另外就是尺寸限制，對(duì)尺寸要求越來(lái)越高。RISC-V架構(gòu)使得設(shè)計(jì)非常靈活，能夠跟得上市場(chǎng)的變化。多核架構(gòu)也是減少成本的一個(gè)重要手段。

設(shè)計(jì)研發(fā)適用于機(jī)器人的高性能伺服用IPM芯片對(duì)于人形機(jī)器人非常有意義。

文：趙明燦 資深技術(shù)分析師