根據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）發(fā)布的《世界機(jī)器人報(bào)告》，目前全球約有428萬(wàn)臺(tái)機(jī)器人在各類工廠中為我們“打工”，而且隨著智能制造的發(fā)展，這個(gè)數(shù)據(jù)還在不斷地攀升。

回顧歷史，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了三次浪潮。第一次浪潮催生了我們極為熟悉的傳統(tǒng)的“重型”工業(yè)機(jī)器人，它們都是一些體型龐大、具有多個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或轉(zhuǎn)軸的機(jī)械臂，被部署在生產(chǎn)線上，完成焊接、噴漆、裝配等人類力所不及或危險(xiǎn)的“重體力”勞動(dòng)，大大提升了生產(chǎn)效率。

工業(yè)機(jī)器人的第二次浪潮是伴隨著協(xié)作機(jī)器人的發(fā)展而興起的。與傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人不同，協(xié)作機(jī)器人雖然大都也是機(jī)械臂的形態(tài)，但體型較小，具有一定的自主行為和協(xié)作能力，可在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中與人配合完成復(fù)雜的任務(wù)。它們適用范圍廣泛，便于靈活調(diào)配和作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)一種兼具效率和靈活性的創(chuàng)新生產(chǎn)模式。因此在過(guò)去十年間，協(xié)作機(jī)器人成為了工業(yè)機(jī)器人中發(fā)展勢(shì)頭更為強(qiáng)勁的一個(gè)品類。

目前，我們正在迎來(lái)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的第三次浪潮，主導(dǎo)這新一波浪潮的是“人形機(jī)器人”。作為具有類似人類身體結(jié)構(gòu)的機(jī)器人“新物種”，人形機(jī)器人通過(guò)仿效人類的姿態(tài)和活動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)更為自然的人機(jī)交互。雖然對(duì)于人形機(jī)器人及其應(yīng)用的定義還在探索中，但其發(fā)展無(wú)疑會(huì)開(kāi)拓出機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的新疆界。

值得一提的是，上述各類工業(yè)機(jī)器人之間并非彼此替代，而是相互補(bǔ)充，讓機(jī)器人滲透進(jìn)入越來(lái)越多的工業(yè)場(chǎng)景。

面向工業(yè)機(jī)器人的電機(jī)控制挑戰(zhàn)

工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的持續(xù)升溫，勢(shì)必也會(huì)拉動(dòng)相關(guān)賦能技術(shù)的發(fā)展。精密的運(yùn)動(dòng)控制，就是其中關(guān)鍵的技術(shù)之一。

從本質(zhì)上來(lái)講，所有工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，都是由電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化而來(lái)的。因此電機(jī)控制也就成了決定機(jī)器人是否能夠按照預(yù)定程序，或者通過(guò)自主學(xué)習(xí)和判斷，完成行動(dòng)和任務(wù)的關(guān)鍵。

所謂電機(jī)控制，就是通過(guò)測(cè)量電機(jī)中電流值、轉(zhuǎn)子位置等參數(shù)，計(jì)算其與所需設(shè)定值之間的偏差，并據(jù)此調(diào)節(jié)電機(jī)速度、扭矩和轉(zhuǎn)子位置，以達(dá)到精確控制的過(guò)程。具體到工業(yè)機(jī)器人中，想要讓其行動(dòng)達(dá)到擬人甚至超越人類的效果，其任何一個(gè)“關(guān)節(jié)”的動(dòng)作，都需要一個(gè)或多個(gè)電機(jī)精準(zhǔn)協(xié)同工作才能完成。因此電機(jī)控制也是工業(yè)機(jī)器人開(kāi)發(fā)中，尤為重要的一塊技術(shù)基石。

當(dāng)然，與更高性能訴求相關(guān)聯(lián)的，肯定是更大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。歸納起來(lái)，想要驅(qū)動(dòng)今天或未來(lái)的工業(yè)機(jī)器人，在電機(jī)控制方面面臨的挑戰(zhàn)主要包括以下這些方面：

高精度與低時(shí)延

工業(yè)機(jī)器人需實(shí)現(xiàn)極為精密的運(yùn)動(dòng)控制及快速的響應(yīng)能力，以應(yīng)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格的操作要求。這就需要電機(jī)控制技術(shù)在算力、算法、信號(hào)鏈和電源管理等方面不斷地優(yōu)化。

模塊化設(shè)計(jì)

模塊化已經(jīng)成為當(dāng)今工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的一個(gè)主流趨勢(shì)。以協(xié)作機(jī)器人為例，其會(huì)在一個(gè)關(guān)節(jié)中整合電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)、諧波減速器、電機(jī)端編碼器、關(guān)節(jié)端位置傳感器和力矩傳感器等完整的系統(tǒng)，這對(duì)于提升方案的多場(chǎng)景適應(yīng)性以及降低系統(tǒng)成本，都大有裨益。當(dāng)然，高集成度的模塊化設(shè)計(jì)，也會(huì)在電機(jī)控制的小型化設(shè)計(jì)上帶來(lái)不小的挑戰(zhàn)。

能效優(yōu)化

據(jù)估算，全球工業(yè)用電的70%與電機(jī)系統(tǒng)相關(guān)，因此提升電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)的效率、降低能耗也是機(jī)器人電機(jī)控制的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。高能效的計(jì)算和高效率的電源管理，是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的兩個(gè)關(guān)鍵抓手。

工業(yè)連接與安全

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使得機(jī)器人“身上”的電機(jī)不再是一個(gè)個(gè)孤立的部件，而是需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)或是無(wú)線技術(shù)，與智能制造系統(tǒng)連接為一個(gè)整體。同時(shí)，信息安全和功能安全，也是確保工業(yè)機(jī)器人可靠工作必不可少的技術(shù)要素。這也就意味著，在開(kāi)發(fā)工業(yè)機(jī)器人電機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，也需要考慮上述連接和安全功能的集成。

面對(duì)多維度的設(shè)計(jì)要求， 加之工業(yè)應(yīng)用日趨多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景，在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，擁有一款性能優(yōu)異、功能全面、容易上手的電機(jī)控制開(kāi)發(fā)平臺(tái)，就顯得十分必要了。

Kria KD240驅(qū)動(dòng)器入門套件

AMD推出的Kria KD240驅(qū)動(dòng)器入門套件就是能夠滿足工業(yè)機(jī)器人這一設(shè)計(jì)要求的一款端到端的電機(jī)控制開(kāi)發(fā)解決方案。

從外觀架構(gòu)上看，Kria KD240驅(qū)動(dòng)器入門套件非常簡(jiǎn)潔，僅包括K24 SOM和載板兩個(gè)部分，但其中卻囊括了高性能電機(jī)控制開(kāi)發(fā)所需的完整資源，其“技術(shù)內(nèi)核”并不簡(jiǎn)單。

下面我們就從四個(gè)層面，對(duì)Kria KD240驅(qū)動(dòng)器入門套件進(jìn)行一次全面的解析。

01理想的算力平臺(tái)

Kria KD240驅(qū)動(dòng)器開(kāi)發(fā)套件的核心，是AMD的Zynq UltraScale+ MPSoC，這是一款集成了嵌入式處理器和可編程邏輯的異構(gòu)器件，即FPGA SoC，在電機(jī)控制方面可以說(shuō)是一種理想的算力平臺(tái)。具體來(lái)講，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

提升能效：FPGA SoC靈活的架構(gòu)，使其可以支持優(yōu)化的特定算法，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的精確控制，讓電機(jī)以更高效率的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，減少無(wú)謂的電流消耗，提升電機(jī)控制系統(tǒng)的能效。

降低故障率：FPGA SoC可用于預(yù)測(cè)性維護(hù)，即通過(guò)電機(jī)繞組連續(xù)獲取轉(zhuǎn)子的電流測(cè)量值并實(shí)時(shí)處理相關(guān)數(shù)據(jù)，以檢測(cè)轉(zhuǎn)子是否處于正常狀態(tài)，或判斷電機(jī)是否存在其他問(wèn)題，以消除故障隱患。

減少EMI：FPGA靈活的硬件可編程邏輯，有助于通過(guò)內(nèi)建的脈寬調(diào)制（PWM）來(lái)調(diào)制電壓并減少電磁干擾（EMI），以降低EMI噪聲。這對(duì)于復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境應(yīng)用十分必要。

02小而強(qiáng)的K24 SOM

基于Zynq UltraScale+ MPSoC，AMD開(kāi)發(fā)出了K24 SOM——這也是Kria KD240驅(qū)動(dòng)器開(kāi)發(fā)套件中的核心模塊。這一SOM對(duì)Zynq UltraScale+ MPSoC的硬件進(jìn)行抽象，有助于開(kāi)發(fā)者從更高層次的板級(jí)設(shè)計(jì)入手，而無(wú)需從復(fù)雜的芯片級(jí)開(kāi)發(fā)起步，令整個(gè)電機(jī)控制的開(kāi)發(fā)過(guò)程大為簡(jiǎn)化。

K24 SOM的外形極為緊湊，只有信用卡的一半大小，但卻“內(nèi)有乾坤”。其針對(duì)高能效電機(jī)控制和DSP應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，延遲更低，確定性強(qiáng)。同時(shí)，它提供了132個(gè)I/O可供使用，可連接多達(dá)三個(gè)帶編碼器的中型BLDC電機(jī)，提供4個(gè)1G以太網(wǎng)（2個(gè)PS GEM、2個(gè)PL GEM）并支持TSN網(wǎng)絡(luò)。此外，它還可以通過(guò)Zynq UltraScale+ MPSoC的硬件信任根和分立式TPM 2.0器件提供增強(qiáng)的安全功能，并具有適應(yīng)惡劣環(huán)境的魯棒性，十分適合于各類工業(yè)應(yīng)用。

03資源豐富的載板

觀察Kria KD240驅(qū)動(dòng)器開(kāi)發(fā)套件，與K24 SOM相連的就是載板。載板包含一個(gè)電源解決方案、三個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口、一個(gè)microSD卡、一個(gè)三相電源逆變器和多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器通道，提供了豐富的板載資源和可擴(kuò)展性，與K24 SOM一起，再加上散熱裝置，就構(gòu)成了一個(gè)完整的驅(qū)動(dòng)器開(kāi)發(fā)硬件平臺(tái)。

具體來(lái)講，Kria KD240驅(qū)動(dòng)器開(kāi)發(fā)套件載板具有以下幾個(gè)為電機(jī)控制而優(yōu)化的特性：

包括1個(gè)三相逆變器和正交編碼器，以及制動(dòng)控制、扭矩傳感器接口，有利于驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。

支持PMOD擴(kuò)展，可充分利用PMOD生態(tài)系統(tǒng)，在方案中整合各種兼容傳感器組件。

提供豐富的網(wǎng)絡(luò)及通用連接，包括3個(gè)1Gb以太網(wǎng)（1個(gè)PS、2個(gè)支持PLTSN的以太網(wǎng)）、CAN、RS-485、USB 3.0（2端口集線器）、USB 2.0等。

04完備的軟件生態(tài)

不過(guò)，想要打造一個(gè)開(kāi)箱即用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，僅有硬件是不夠的，還要有完備的軟件生態(tài)的支撐，以便讓沒(méi)有FPGA專業(yè)知識(shí)的嵌入式軟件和控制系統(tǒng)工程師，也能夠快速上手進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)，更大限度地降低電機(jī)控制開(kāi)發(fā)的技術(shù)門檻。

得益于AMD在軟件生態(tài)方面多年的深耕，Kria KD240開(kāi)發(fā)套件支持多種開(kāi)發(fā)環(huán)境（包括Python、MATLAB Simulink環(huán)境等），并提供預(yù)置的加速應(yīng)用；其支持Ubuntu和基于PYNQ的開(kāi)發(fā)流程，為開(kāi)發(fā)者帶來(lái)更大的靈活性；同時(shí)，開(kāi)發(fā)者還可通過(guò)Kria應(yīng)用商店提供的各種資源，加速應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，并不斷從相關(guān)開(kāi)發(fā)生態(tài)中獲益。

本文小結(jié)

總之，從性能優(yōu)異的FPGA SoC器件，到“濃縮精華”的K24 SOM，再到資源豐富的載板，以及完善的軟件生態(tài)，Kria KD240開(kāi)發(fā)套件驅(qū)動(dòng)器入門套件在不同層面上，整合了AMD的先進(jìn)技術(shù)資源，為工業(yè)機(jī)器人以及更為廣泛的電機(jī)控制應(yīng)用開(kāi)發(fā)，提供了一個(gè)開(kāi)箱即用的技術(shù)平臺(tái)。