畢超博士：基于RISC-V的機器人電機控制芯片

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

峰岹科技首席技術官畢超博士

一、機器人對電機控制芯片的挑戰

很多人希望了解，電機控制和機器人控制到底有什么區別?它們的內在聯系是什么?特別是現在人形機器人很火。其實中間一個非常關鍵的技術，就是它電機控制是什么樣的?它對芯片產生了什么樣的挑戰?畢超博士在會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果。

“機器人控制系統”和“電機控制系統”到底是什么關系?據介紹，所謂電機控制系統在機器人里面，接到運動的指令后讓機器人的具體關節產生指令所要求的運動的這一塊叫伺服電機控制系統，是機器人子系統。讓機器人進行什么樣的運動牽扯到機械方面、力學方面、計算機方面的知識，機器人的主控制系統根據整體機器人系統狀況的分析相每個關節發出要求的運動指令。

機器人控制系統接到使用者運動的要求后，要進行和解析，產生運動指令，并且把指令傳給各個關節，就是控制自由度的電機。電機控制器根據所收到的指令以預定的控制模式讓電機產生所需要的運動。例如速度是多少?轉向是多少?位置是什么?等等?！拔野凑漳愕拿町a生所需要的運動，所以是服從的單位”。

但是，對電機控制系統而言，技術上的難點是，接到命令以后如何快、準、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、電機技術，以及行業里面所謂電機控制的architecture。怎么樣去做這件事?這就是“峰岹科技”所做的事情。

人形機器人這個概念的定義不是很清晰。很多場合叫足立機器人，它的運動不是輪子而是腳步運動。這個機器人有點像人形或者是其他支持感知和運動的智能機械架構，學術上叫具身機器人。

為了讓大家比較容易接受，這里暫且叫它人形機器人。人形機器人有一個特點，自由度特別多。機器手要運動得真正像一個手需要27個DOF，就是27個關節，每一個關節都是電機?，F在大家比較關注的一款機器人，一個手有11個自由度，兩個手就是22個自由度。不要忘了我們還有腰部要運動，腿部也要運動，腳趾一般處理比較簡單，都是一個板。但如果機器人要做到發達，腳趾也一定要考慮，這樣才更加穩定，靈活性更好。

根據市場上公開的信息，該機器人總的自由度不低于30個，也有人認為是40個。不管怎么樣，自由度都很多。一個機器人體中有很多電機在運行，需要控制，怎么樣對這些電機實現高、精、準的控制?現在有一些客戶已經在進行50多個自由度的機器人的調試。網上也能看到有63個DOF的機器人問世了。因此，對于機器人來說，伺服電機控制系統非常重要。

我們如何根據伺服指令做出快速準確的反應?以手的運動為例，要做到協調性非常好，非常有挑戰性。

還有一些特別的要求，比如轉矩密度要求比較高。有人可能聽到機器人運轉會發出一些奇怪的聲音，實際上這是因為它里面除了電機運動，通常還要加一個微型齒輪。在同樣功率下，電機速度越高，電機的體積越小。這個概念用在別的地方也合適?，F在很多電動汽車公司在比，電機轉速越來越高。意義在哪?在同樣的功率下，電機體積比較小，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雜快速的運動。很多情況下手的力量很大，但是運動速度并不快，通常加一個齒輪箱，這樣一結合，就能夠減小整個電機系統的體積，并且放大了轉矩。其實齒輪箱上有很多因素也電機控制必須要考慮的。

機器人的整個運動中間需要高精度的傳感器。要理解傳感器的信號，這就和IC有關系。另外，關于無感控制現在也是熱門的話題，現在很多機器人的電機系統上，要放傳感器，價格就是個問題，空間也是個問題，可靠性也是個問題。能不能利用電機本體的電信號來檢測它的轉矩、位置和健康狀態等指標，這就給電機控制芯片帶來很大的挑戰。

一般而言，機器人對電機控制芯片的要求有：

1、高性能?？梢钥焖贉蚀_地完成轉矩的控制。

2、高穩定性。為什么要搞人形機器人?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的、重復性的工作。這個事情比較麻煩的是，它可能要在一些很惡劣的環境下工作。在這樣的情況下如何保證電機的穩定性不出問題?所以，它對芯片本體的穩定性要求非常高。這件事情看起來容易，但實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，發熱就會好一些。還有，它產生的控制模式要求電機的效率比較高，這不光是芯片本身的問題，還有電機控制架構的問題。低功耗可以延長電機的工作時間和減少系統發熱，這些對機器人特別重要。

4、多功能。高轉速、頻繁的正反轉，機器人也有這樣的要求，還需要有高爆發力。

5、安全性。要求芯片能夠提供保護。因為芯片的反應還是快的，特別是電保護，能夠實現多重保護，保證電機系統的安全。

6、高集成。因為現在整個機器人的控制用到了很多的電子器件，有沒有可能把一些器件(比如傳感器)結合在一起?目前已經有部分做到了。另外，像功率半導體能不能放在里面，這和一般的信號處理芯片又不一樣。MCU當然也是重要的。

7、可編程性。者對于拓展機器人的應用訪問很重要。

8、尺寸小。手部這樣的東西本身沒有多少空間，控制系統做得很大當然不合適。

9、高性價比。手上運動很復雜?，F在許多機器人手上用的電機是空心杯電機，直徑是可能只有6mm，是由美國和德國公司提供的。國內市場價格甚至達到1萬塊人民幣一個?！叭绱烁叩膬r格。再帶上控制芯片和帶上傳感器，2只手就是22個，這個機器人的價格你能接受嗎?對控制器的一個重要要求是，成本一定要控制的好?！?/p>

二、基于RISC-V架構的伺服控制芯片

畢超博士認為，利用RISC-V做控制芯片是有很多好處的。首先，用它進行設計很靈活，設計高性能的芯片，設計效率提高很多。

其次，RISC-V本身具有精簡的指令、高效的執行方式?！耙驗槲覀兊乃惴ㄔ絹碓綇碗s，怎么樣能夠實現快速、準確、高效的電機控制模式?我們公司用RISC-V架構設計電機控制芯片，感覺它是非常好的架構?！碑叧┦空f。

RISC-V上在實現低功耗的芯片上面也有優勢。如前所述，電機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在很多像ASSP的芯片已經顯示出非常大的優越性?？紤]到機器人用的電機控制系統非常復雜，RISC-V的優勢更加能得到體現。

三、多核架構：伺服控制芯片的有效解決方案

雖然多核架構現在并不罕見，但在電機驅動方面，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險。也就是說，如何用對制程要求不高的芯片來實現高性能的控制?多核是一條路。電機控制要求越來越復雜，功能越來越多，性能越來越強，用傳統的芯片制程來設計芯片，非常困難。多核的架構能使得電機芯片能夠以比較低制程的成本實現高性能的控制。

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?傳統的單核電機控制芯片，所有的運算和要執行的功能都是在一個核中完成的，即使在處理多個任務時也只能串行處理。因為電機轉速越來越高，功能越來越多，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。但以目前對電機控制芯片的要求，你不用14nm做，不用高制程就沒法做出來。這對許多中國內地的芯片公司就很困難，風險非常大。

“我們和很多公司一樣就考慮用雙核結構。怎么做呢?就是有兩個MCU內核分擔工作，一個內核專門應對電機控制模式。電機轉速很高，比如戴森的吸塵器電機已經到了15萬rpm。峰岹科技里處理20萬rpm的電機是經常的事。用一個專門的內核處理電機的控制模式，因為它的算法還是比較固定的。另外一個通用內核則用于實現通信的處理、保護和參數辨識等通用功能。信號處理可以進行雙核并行處理，速度大大加快。

從目前的趨勢看，即使雙核架構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做。除了ME和GPP內核又加了一個，比如把參數辨識和健康狀態的檢測放在新的核內。畢超博士認為，多核是重要的方向。有很多研究機構甚至干脆用GPU做電機控制。盡管這樣做成本是個大問題，但是誰知道呢?跟現在大模型人工智能的發展一樣。我們公司比較現實，先用多核的架構來做”。

ME內核，簡單來看，它目前能實現的FOC計算時間是4.5μs(用友商數據比較一下，用Cortex-M3做的話大概是20-30μs)。PWM最高頻率為100kHz，這用單一芯片來做也是比較難實現的。

四、智能功率模塊：機器人電機控制系統的方向

傳統的智能功率模塊(IPM)把預驅和功率器件放在一起。IPM本身發展得很快?！拔覀冊趥鹘y的芯片中把MCU也放進去，甚至為了機器人用把傳感器也全部往里面放。已經做成和傳統的IPM結構差別比較大的芯片了，因為牽扯到功率上的問題。

現代化的IPM設計，因為機器人對空間要求特別高，對成本要求也特別高，非常重要的方向就是用IPM來實現電機控制系統。使用IPM可以使機器人整個運作、整個控制系統得到很大的簡化。這是很多公司愿意考慮用我們公司產品的原因?！?br />

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

散熱管理對于IPM更重要。每個器件都會產生熱，功率器件發熱很嚴重，怎樣形成有效的散熱機制和散熱界面，確保模塊的運作，可靠性是非常困難的一件事情。它在保護上的要求非常高，因為很多器件在里面彼此互相牽制。峰岹科技內部現在提出了各種各樣的想法。它到底能不能實現?要跟很多公司配合，包括封裝公司。特別是量產能不能實現量產，不然成本控制也是大問題，這也是很大的挑戰。

最后還是成本，如何平衡性能和成本?“大家有時候想得很好，最后做出來成本很高又是一個問題，都是挑戰”。

五、峰岹科技的伺服控制芯片及模塊

峰岹科技基于RISC-V和雙核設想設計的芯片，目前電流、帶寬和適配性等都非常好，在很多主流產品上也得到使用?，F在這個器件已經開始在用于機器人伺服控制系統。

傳統的方案采用分立器件實現，現在峰岹科技已經把傳感器、通用內核和專用內核以及pre-driver都放在了一起?！皼]敢放的是功率部分，因為機器人類型和應用場景差別很大，所以我們的游戲產品干脆把它放外面，讓大家靈活選不同電壓、不同電流和不同功率。

機器狗關節方案是直接把控制系統放在電機上。峰岹科技也有模塊，它的結構是雙核的，把MOS管和預驅都往里放，這也是一種應用。要跟特定的公司合作形成這個產品。關于機器人主動輪的關節，人形機器人的手上運動，具身或者人形機器人，峰岹科技也都有具體的應用。

六、總結

對機器人，特別是人形機器人的電機控制來說，無論是傳感器還是通信系統都越來越復雜，因此，對電機芯片的設計和制程都形成了嚴重的挑戰。

另外就是尺寸限制，對尺寸要求越來越高。RISC-V架構使得設計非常靈活，能夠跟得上市場的變化。多核架構也是減少成本的一個重要手段。

設計研發適用于機器人的高性能伺服用IPM芯片對于人形機器人非常有意義。

文：趙明燦 資深技術分析師