机器人工程师很少抱怨空间过剩——事实往往恰恰相反。每一代新机器人系统都被期望比上一代更轻、更小、更快、能力更强。无论是工业自动化、仓储物流、医疗设备还是协作机器人，缩小外形尺寸的压力都在持续增加。

挑战在于，控制电机所需的电子元件并不会随着系统变小而自然简化。精确的运动控制仍然需要处理能力、电流检测、保护电路、栅极驱动器、通信接口和电源管理功能。传统上，这些功能分布在多个器件中。然而，随着机器人关节和执行器变得越来越紧凑，这种传统方法开始占据可用空间中越来越大的比例。

一种解决方案是更高度的集成。通过将电机控制、传感、保护和电源管理功能整合到单个器件中，设计人员可以在不牺牲性能的情况下减少元件数量并简化实现。

传统架构的问题

机械设计师通常会寻找机会消除重复功能。例如，无框电机可以利用机器人现有的轴承结构，而无需自带独立的轴承组件。同样的思路也适用于电子设计。

传统的电机控制设计通常需要微控制器、栅极驱动器、精密模拟电路、反馈补偿网络和多个电源管理组件。每个器件都有其用途，但组合在一起会占用宝贵的电路板面积并增加设计复杂性。布局变得更加困难，验证耗时更长，调试多个器件之间的交互可能耗费大量工程精力。

这正是高度集成电机控制器件开始发挥作用的地方。

Qorvo 的 Power Application Controller (PAC) 系列将微控制器、栅极驱动器、电源管理电路和可配置模拟前端集成到单个封装中。显而易见的好处是减少了元件数量。不太明显但通常同样重要的是，消除了大量外部连接和支持电路所带来的设计开销。

对于机器人应用，PAC55xx 系列尤其相关。这些器件集成了 150 MHz Arm Cortex-M4F 处理器，配备浮点单元和单周期乘除功能。该处理性能非常适合磁场定向控制 (FOC)，因为在这种控制中，控制回路计算必须快速且一致地执行。

可配置模拟前端 (CAFE) 集成了三个精密差分可编程放大器以及专用的过流比较器和 DAC。这种配置使设计人员能够使用同一器件实现极快的故障保护和更重滤波的保护方案。

另外还有四个额外的单端可编程放大器可用于通用传感任务。温度监测和直流母线电压测量是典型的应用示例。

电流检测是另一个通过集成简化实现的领域。同步采样保持功能允许在板载 12 位 SAR ADC 转换之前在同一时刻捕获相电流。凭借约 400 ns 的转换时间和高达 2.5 MSPS 的吞吐量，控制器可以获取精确 FOC 操作所需的数据。

PAC55xx 系列还集成了四个 16 位 PWM 外设，提供死区时间生成、互锁功能和正交编码器解码。通信接口(包括 CAN 2.0A/B)进一步简化了集成到更大机器人系统中的过程。

此外，还包含具有低 RDS(on) 图腾柱输出的集成栅极驱动器。内部多模式电源管理器提供电压调节、高侧栅极驱动支持、降压和 SEPIC 转换器的开关模式控制以及自举电源管理。

单独来看，这些功能中的每一项都不罕见。重要的是它们都位于同一器件中。通常需要多个 IC 和众多无源元件的功能被整合到单个封装中。

其中有效从 PCB 上移除的电路包括：

高侧和低侧栅极驱动器

精密放大器级

过流保护电路

通用和相位比较器

DC-DC 控制电路和补偿网络

电压监控功能

减少元件数量本身就很有价值。但在实践中，许多工程师发现更大的好处来自于更短的开发周期和更少的集成相关问题。

保持现有固件投资

尽管集成解决方案具有明显优势，但将成熟的固件基础迁移到全新的微控制器平台并不总是可行的。

许多机器人制造商花费多年时间完善控制算法、验证程序和软件开发流程。仅仅为了获得更高的硬件集成度而替换这些资产可能不是一个有吸引力的选择。

为了解决这种情况，Qorvo 提供了 ACT72350。该器件源自 PAC5532B 架构，保留了集成的电机驱动、模拟前端和电源管理功能，同时省去了嵌入式微控制器。

这使得设计人员能够继续使用他们现有的 MCU 和软件环境，同时仍然受益于集成的电机控制硬件。

该器件作为三相电机驱动器，能够提供和吸收高达 2 A 的电流。它包括集成的电源管理、可配置模拟电路、基于 DAC 的保护功能以及用于配置和状态报告的 SPI 通信。

内置的降压转换器控制器为内部栅极驱动电路和稳压器供电。第二个降压转换器集成了内部开关和二极管，可产生稳压 5 V 输出，为外部微控制器供电。

附加功能包括：

输入电压工作范围 25 V 至 160 V

逐周期电流限制

电压锁定保护

热保护

休眠模式

制动模式

驱动器禁用功能

与 PAC 系列一样，专用的过流比较器和 DAC 提供快速故障响应和滤波电流限制保护。集成放大器的输出以及复位、时钟和故障信号均可供外部控制器使用。

对于致力于 IEC 60730 B 类认证的设计人员，看门狗定时器和时钟输出功能可以简化合规工作。

直接驱动的机械优势

电子集成只是故事的一部分。机械简化同样可以产生显著的好处。

一种方法是同时取消电机外壳和齿轮箱。无框直接驱动电机使用机器人自身的轴承结构，而不是在内部重复设置。由此带来的质量和关节尺寸的减小可能是相当可观的。

当与高度集成的电机控制器-驱动器相结合时，结果是一个包含更少元件和更少潜在故障点的紧凑关节组件。

直接驱动系统通常以相对较低的转速运行。因此，通常首选采用正弦换向的永磁同步电机。其平滑的扭矩输出和精确定位特性使其非常适合机器人应用。

然而，加速过程仍可能需要大电流，因此电机效率仍然是一个重要的考虑因素。

示例：直接驱动机器人关节

为了说明设计过程，我们考虑一个由 Qorvo PAC55710 控制的无框直接驱动 PMSM。

在本示例中，所选电机为 Magnetic Innovations 型号 110-75-3-N1-T2，这是一款风冷电机，具有以下规格：

连续扭矩：13.3 Nm

峰值扭矩：48.5 Nm

堵转扭矩：9.8 Nm

连续电流：23 A rms

峰值电流：54 A rms

扭矩常数：20 °C 时为 1.60 Nm/A rms

电机常数：20 °C 时为 1.7 Nm/√W

反电动势常数：0.097 V/rpm 线间

热阻：1.26 K/W

假设机器人手臂长 0.3 米，在 1.25 秒内将 2 公斤的有效载荷垂直提升 0.15 米。释放有效载荷后，手臂短暂暂停，然后返回起始位置，每五秒重复一次循环。

手臂本身重 1.2 公斤，其质心位于长度中点。

乍一看，运动轨迹似乎相对温和。但电机必须克服重力载荷和转动惯量。如果没有配重、弹簧辅助或其他重力补偿机制，整个负担完全落在电机上。

图1

从 -75° 的角度开始，手臂在加速约 120.9°/s² 的情况下移动 47.23°，以在规定时间内完成提升。

由此产生的扭矩曲线揭示了一些有用的设计见解。

图2

在循环开始和结束时，手臂在支撑有效载荷时处于静止状态。在这种情况下，堵转扭矩变得尤为重要。堵转扭矩常被误解为使电机停止所需的扭矩。实际上，它代表在零速且不超过热极限的情况下可以持续承受的最大扭矩。

由于堵转条件下损耗集中在单相，堵转扭矩通常低于峰值扭矩。

在本示例中，所需的保持扭矩仍然远低于电机额定风冷堵转扭矩 9.8 Nm。

在加速过程中，惯性增加了重力负载，产生工作循环中的最高扭矩需求。一旦手臂到达目标位置，扭矩回落到支撑有效载荷所需的水平。

返回行程带来了不同的挑战。手臂在移回拾取位置的过程中必须受控以防止自由落体。

机械功率遵循类似的模式，因为它取决于扭矩和角速度。在向下运动期间，功率变为负值，表明电机正在作为发电机运行。

这部分能量并不会消失，而是回流到电源。因此，如果要有效利用再生制动，功率架构必须支持双向能量流动。

在本示例中，平均电机损耗估计约为 4.3 W。这种损耗水平相对适中，通常只需很小的温升即可管理。

峰值电流也出奇地低，仅达到约 4.2 A rms，尽管电机的容量要大得多。最大电机转速约为 12.6 rpm。

低工作速度导致低反电动势和相应的低逆变器调制指数。在这种情况下，窄 PWM 脉冲宽度变得更加重要。快速开关 mosfet 和相对适中的开关频率有助于最小化相电流中的死区时间失真。

假设使用 48 VDC 母线，额定 100 V 的 MOSFET 是合适的选择。一种可能的选项是 Vishay 的 Si7322ADN，尽管许多替代方案同样适用。

每个 MOSFET 的平均耗散远低于 1 W，而其 8.4 nC 栅极电荷对于电机控制驱动器来说只是轻负载。

简化功率级

由 PAC55710 控制的典型逆变器桥臂展示了该器件内部已经集成了多少功能。

剩下的外部电路相对简单。自举电路支持栅极驱动器，而电流检测电阻直接连接到差分放大器。PAC55710 还管理降压转换器功能。

从设计人员的角度来看，完成功率级在很大程度上涉及选择合适的电感、MOSFET、二极管和无源元件。传统上与电机控制硬件相关的大部分复杂性已经被集成。

应对有限的电路板面积

随着机器人系统不断缩小，必须在给定体积内容纳的功能数量持续增加。电机控制、传感、保护、通信和电源管理都在争夺有限的电路板面积。

PAC55xx 系列等高度集成的器件通过将其中许多功能整合到单个封装中来应对这一挑战。结果是更小的硬件占用面积、更少的支持元件和更简单的开发流程。

本文讨论的直接驱动机器人关节示例仅代表一种可能的应用。实际工作条件因系统而异。但根本的教训是相同的：减少集成开销可以让工程师专注于运动性能，而不是板级实现细节。

对于在日益严格的空间限制下工作的机器人设计人员来说，这可能是所有好处中最有价值的一项。