機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動芯片如何選擇

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）工業(yè)機器人發(fā)展到現(xiàn)在，細分的種類不在少數(shù)，目前最為常見的是Delta機器人、SCARA機器人、多關(guān)節(jié)機器人以及新興的協(xié)作機器人。隨著國內(nèi)制造業(yè)升級，相當多此前工業(yè)機器人未曾涉足的場景開始涌現(xiàn)自動化改造需求。在這些新的改造需求里，大都和多關(guān)節(jié)機器人與協(xié)作機器人有關(guān)。這些名稱不同應(yīng)用場景不同的工業(yè)機器人，說到底仍然是一種多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器裝置。

既然是多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，那么就離不開伺服驅(qū)動。不管工業(yè)機器人如何發(fā)展如何與其他技術(shù)結(jié)合，它的伺服驅(qū)動決定了它最基礎(chǔ)的運動能力。低成本通用的伺服驅(qū)動就不多提了，這個市場上產(chǎn)品太多太多，只要能滿足基本的控制要求就行，剩下的就是打價格戰(zhàn)。換作現(xiàn)在開始起量的多關(guān)節(jié)多自由度機器人，它對驅(qū)動能力的要求更考驗驅(qū)控芯片的整體性能。

STM32G4與STM32F4

單芯片仍然是國內(nèi)做工業(yè)機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動最常見的方案，在這里STM32G4是一個備受大家認可的選擇。STM32G4系列作為一個混合信號MCU，自帶了DSP和FPU指令。

ST的各個系列想必大家已經(jīng)不陌生了，主流系列都有適配機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動的產(chǎn)品。而STM32G4系列170 MHz的32位Arm Cortex-M4內(nèi)核不僅支持DSP指令與FPU，還配置了ART Accelerator、CCM-SRAM程序執(zhí)行加速器以及數(shù)學運算加速器這三款硬件加速器。

這里拎一款G4系列高性能的MCU來看。STM32G473xC屬于G4系列里的高配型，除了支持所有Arm單精度數(shù)據(jù)處理指令和所有數(shù)據(jù)類型，還配置了內(nèi)存保護單元（MPU）以確保應(yīng)用程序的安全性。

高配版除了嵌入了更大容量的高速存儲器（512KB閃存與128KB SRAM），ST還在這個系列里加入了多種保護機制，如讀出保護、寫入保護、安全存儲區(qū)域和專有代碼讀出保護。功能強大的指令集與存儲的嵌入，極大加快處理能力。這些顯然還不夠，STM32G473xC還提供了五個快速12bit ADC、七個比較器、六個運算放大器、七個DAC、一個內(nèi)部電壓基準緩沖器、一個低功耗RTC、兩個三個通用32位定時器、三個專用于電機控制的16位PWM定時器、七個通用16位定時器和一個16位低功耗定時器。所有的配置，都只為了一個目標——精準的電機控制。

F4系列可能比G4系列更為機器人工程師熟知。作為ST旗下高性能MCU的代表系列，在國內(nèi)外很多機器人應(yīng)用中都已經(jīng)證明了它自身出色的實力。在以前機器人芯片應(yīng)用較為保守的階段，F(xiàn)4系列無疑是口碑與性能俱佳的選擇。

F4系列同樣采用了Arm Cortex-M4內(nèi)核，而且同樣帶有DSP與FPU指令，與G4系列不同的是它采用了ST的NVM工藝。在最高180 MHz的工作頻率下通過閃存執(zhí)行時其處理性能達到225 DMIPS/608 CoreMark，用ST自己的話來描述這一性能是這樣的，“這是迄今所有基于Cortex-M內(nèi)核的微控制器產(chǎn)品所達到的最高基準測試分數(shù)”。

STM32F469xx是F4系列里高端產(chǎn)品，除開更高的主頻，它嵌入的高速存儲器中，閃存就高達2 MB，SRAM則高達384 KB，這還不算上備份SRAM。F4本身優(yōu)異的性能就能勝任關(guān)節(jié)驅(qū)動，如果機器人對功能可拓展性要求更高，那么用F4加上FPGA組成異構(gòu)架構(gòu)也是常見的做法。

Zynq-7000 SoC

XILINX集成ARM處理器軟件可編程性與FPGA硬件可編程性的Zynq-7000在多軸控制上可以說風頭正勁。不想做DSP加FPGA這么麻煩的話這個方案就是最好的選擇，只要廠商“不差錢”。

Zynq-7000集成了雙核ARM Cortex-A9處理器與28nm可編程邏輯，比起傳統(tǒng)的分立式處理器和FPGA系統(tǒng)，在功耗和性能上都有大的提升。根據(jù)XILINX給出的數(shù)據(jù)，ARM Cortex-A9比同類SoC處理性能上快25%，F(xiàn)PGA邏輯比同類競爭架構(gòu)快66%，而功耗則比同類方案低了50%以上。

采用CoreSight技術(shù)的雙核A9支持單精度與雙精度浮點，運行速率高達1GHz，拔群的性能與低功耗的結(jié)合罕有對手。存儲器系統(tǒng)也是大得嚇人，且不說集成式的存儲控制器，光512KB的高速緩存已經(jīng)夠大了，片上的256KB存儲又容納了整個實時操作系統(tǒng)。

這類器件中處理系統(tǒng)和可編程邏輯之間的互連是極其關(guān)鍵的。Zynq-7000使用了AMBA開放標準互聯(lián)端口，PS與PL之間帶寬高達100Gb/s，且64位AXI ACP端口為附加的軟處理器實現(xiàn)了增強的硬件加速性能和緩存一致性。為了實現(xiàn)大量并行信號的處理，Zynq-7000中有著超過2020個DSP模塊。

如果對視覺的要求沒有那么高，Zynq-7000s也不失為一個沒有那么貴的選擇。單核ARM Cortex-A9處理器加上28nm可編程邏輯，對于多軸控制也足夠了。

小結(jié)

隨著國內(nèi)工業(yè)機器人廠商的增多，機器人廠商都開始尋求最適合自己的主控芯片，這不僅要考慮性能，功能，還有成本等多方面因素。所以以前保守的廠商現(xiàn)在也都愿意嘗試一下不同的芯片。今天列出的僅僅是機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動芯片里的兩個為人熟知的系列，在這個應(yīng)用領(lǐng)域里，還大有優(yōu)秀的產(chǎn)品值得挖掘。

原文標題：從保守到開放，機器人如何選擇關(guān)節(jié)驅(qū)動器

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