根據(jù)國際機器人聯(lián)合會（IFR）發(fā)布的《世界機器人報告》，目前全球約有428萬臺機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，這個數(shù)據(jù)還在不斷地攀升。

回顧歷史，工業(yè)機器人的發(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)機器人，它們都是一些體型龐大、具有多個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或轉(zhuǎn)軸的機械臂，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的“重體力”勞動，大大提升了生產(chǎn)效率。

工業(yè)機器人的第二次浪潮是伴隨著協(xié)作機器人的發(fā)展而興起的。與傳統(tǒng)的工業(yè)機器人不同，協(xié)作機器人雖然大都也是機械臂的形態(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。因此在過去十年間，協(xié)作機器人成為了工業(yè)機器人中發(fā)展勢頭更為強勁的一個品類。

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

值得一提的是，上述各類工業(yè)機器人之間并非彼此替代，而是相互補充，讓機器人滲透進(jìn)入越來越多的工業(yè)場景。

面向工業(yè)機器人的電機控制挑戰(zhàn)

工業(yè)機器人市場的持續(xù)升溫，勢必也會拉動相關(guān)賦能技術(shù)的發(fā)展。精密的運動控制，就是其中關(guān)鍵的技術(shù)之一。

從本質(zhì)上來講，所有工業(yè)機器人的運動，都是由電機的直接驅(qū)動轉(zhuǎn)化而來的。因此電機控制也就成了決定機器人是否能夠按照預(yù)定程序，或者通過自主學(xué)習(xí)和判斷，完成行動和任務(wù)的關(guān)鍵。

所謂電機控制，就是通過測量電機中電流值、轉(zhuǎn)子位置等參數(shù)，計算其與所需設(shè)定值之間的偏差，并據(jù)此調(diào)節(jié)電機速度、扭矩和轉(zhuǎn)子位置，以達(dá)到精確控制的過程。具體到工業(yè)機器人中，想要讓其行動達(dá)到擬人甚至超越人類的效果，其任何一個“關(guān)節(jié)”的動作，都需要一個或多個電機精準(zhǔn)協(xié)同工作才能完成。因此電機控制也是工業(yè)機器人開發(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)計挑戰(zhàn)。歸納起來，想要驅(qū)動今天或未來的工業(yè)機器人，在電機控制方面面臨的挑戰(zhàn)主要包括以下這些方面：

高精度與低時延

工業(yè)機器人需實現(xiàn)極為精密的運動控制及快速的響應(yīng)能力，以應(yīng)對工業(yè)現(xiàn)場嚴(yán)格的操作要求。這就需要電機控制技術(shù)在算力、算法、信號鏈和電源管理等方面不斷地優(yōu)化。

模塊化設(shè)計

模塊化已經(jīng)成為當(dāng)今工業(yè)機器人設(shè)計的一個主流趨勢。以協(xié)作機器人為例，其會在一個關(guān)節(jié)中整合電機、伺服驅(qū)動、諧波減速器、電機端編碼器、關(guān)節(jié)端位置傳感器和力矩傳感器等完整的系統(tǒng)，這對于提升方案的多場景適應(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，也會在電機控制的小型化設(shè)計上帶來不小的挑戰(zhàn)。

能效優(yōu)化

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

工業(yè)連接與安全

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

面對多維度的設(shè)計要求， 加之工業(yè)應(yīng)用日趨多樣化的應(yīng)用場景，在設(shè)計工業(yè)機器人的運動控制系統(tǒng)時，擁有一款性能優(yōu)異、功能全面、容易上手的電機控制開發(fā)平臺，就顯得十分必要了。

Kria KD240驅(qū)動器入門套件

AMD推出的Kria KD240驅(qū)動器入門套件就是能夠滿足工業(yè)機器人這一設(shè)計要求的一款端到端的電機控制開發(fā)解決方案。

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

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

01理想的算力平臺

Kria KD240驅(qū)動器開發(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，在電機控制方面可以說是一種理想的算力平臺。具體來講，其優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：

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，并實現(xiàn)實時的精確控制，讓電機以更高效率的方式運轉(zhuǎn)，減少無謂的電流消耗，提升電機控制系統(tǒng)的能效。

降低故障率：FPGA SoC可用于預(yù)測性維護(hù)，即通過電機繞組連續(xù)獲取轉(zhuǎn)子的電流測量值并實時處理相關(guān)數(shù)據(jù)，以檢測轉(zhuǎn)子是否處于正常狀態(tài)，或判斷電機是否存在其他問題，以消除故障隱患。

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

02小而強的K24 SOM

基于Zynq UltraScale+ MPSoC，AMD開發(fā)出了K24 SOM——這也是Kria KD240驅(qū)動器開發(fā)套件中的核心模塊。這一SOM對Zynq UltraScale+ MPSoC的硬件進(jìn)行抽象，有助于開發(fā)者從更高層次的板級設(shè)計入手，而無需從復(fù)雜的芯片級開發(fā)起步，令整個電機控制的開發(fā)過程大為簡化。

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”。其針對高能效電機控制和DSP應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，延遲更低，確定性強。同時，它提供了132個I/O可供使用，可連接多達(dá)三個帶編碼器的中型BLDC電機，提供4個1G以太網(wǎng)（2個PS GEM、2個PL GEM）并支持TSN網(wǎng)絡(luò)。此外，它還可以通過Zynq UltraScale+ MPSoC的硬件信任根和分立式TPM 2.0器件提供增強的安全功能，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)動器開發(fā)套件，與K24 SOM相連的就是載板。載板包含一個電源解決方案、三個網(wǎng)絡(luò)接口、一個microSD卡、一個三相電源逆變器和多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器通道，提供了豐富的板載資源和可擴展性，與K24 SOM一起，再加上散熱裝置，就構(gòu)成了一個完整的驅(qū)動器開發(fā)硬件平臺。

具體來講，Kria KD240驅(qū)動器開發(fā)套件載板具有以下幾個為電機控制而優(yōu)化的特性：

包括1個三相逆變器和正交編碼器，以及制動控制、扭矩傳感器接口，有利于驅(qū)動應(yīng)用的開發(fā)。

支持PMOD擴展，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1Gb以太網(wǎng)（1個PS、2個支持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，想要打造一個開箱即用的開發(fā)平臺，僅有硬件是不夠的，還要有完備的軟件生態(tài)的支撐，以便讓沒有FPGA專業(yè)知識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)用開發(fā)，更大限度地降低電機控制開發(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開發(fā)套件支持多種開發(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的開發(fā)流程，為開發(fā)者帶來更大的靈活性；同時，開發(fā)者還可通過Kria應(yīng)用商店提供的各種資源，加速應(yīng)用程序的開發(fā)，并不斷從相關(guān)開發(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開發(fā)套件驅(qū)動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)機器人以及更為廣泛的電機控制應(yīng)用開發(fā)，提供了一個開箱即用的技術(shù)平臺。