隨著全身人形機(jī)器人的興起，支撐其運(yùn)動(dòng)的電機(jī)控制器、功率電子器件和散熱系統(tǒng)，必須提供比以往更強(qiáng)的動(dòng)力、更高的精度和更高的效率。

為了實(shí)現(xiàn)與人類相近的活動(dòng)范圍，機(jī)器人全身通常需要部署約40 個(gè)伺服電機(jī)—— 一般是永磁同步電機(jī)（PMSM）或無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）。這些電機(jī)分布在身體不同部位，主要集中在頸部、軀干、手臂、腿部、腳趾及其他關(guān)節(jié)（手部除外）。為模擬人類的靈巧性，單只機(jī)械手可集成超過(guò) 10 個(gè)額外電機(jī)，用于控制獨(dú)立手指與抓取機(jī)構(gòu)。

這些電機(jī)的功率需求因具體功能而異。驅(qū)動(dòng)手腕或手指精細(xì)動(dòng)作的電機(jī)可能只需幾安培電流，而嵌入髖部或膝蓋的電機(jī)為支撐全身重量，電流需求可超過(guò) 100A。大多數(shù)情況下，這類機(jī)器人采用48V 配電架構(gòu)，每塊功率板為電機(jī)提供約500W～1kW功率。在這樣的功率等級(jí)下，熱管理成為首要挑戰(zhàn)。

面對(duì)日益提升的功率密度要求，這些電機(jī)必須緊湊、輕量化且高效，才能裝進(jìn)人類尺寸的關(guān)節(jié)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)人類級(jí)別的精準(zhǔn)動(dòng)作。通常由磁場(chǎng)定向控制（FOC）實(shí)現(xiàn)的高帶寬、實(shí)時(shí)控制，對(duì)協(xié)調(diào)不同關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、保持平衡至關(guān)重要。同時(shí)，由每個(gè)關(guān)節(jié)內(nèi)的緊湊型傳感器提供的精準(zhǔn)位置檢測(cè)，是保證動(dòng)作流暢、靈巧的關(guān)鍵。

TI人形機(jī)器人手臂解決方案參考設(shè)計(jì)板

德州儀器（TI）系統(tǒng)工程與市場(chǎng)總監(jiān)王瑞恩（Ryan Wang）表示，氮化鎵（GaN）正越來(lái)越多地被用于應(yīng)對(duì)這些獨(dú)特需求。得益于更低的開關(guān)損耗，GaN 功率場(chǎng)效應(yīng)管可處理超過(guò) 100kHz的脈寬調(diào)制（PWM）頻率，從而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的電機(jī)控制。

同樣重要的是，GaN 能夠在保持高效率的同時(shí)不產(chǎn)生過(guò)多熱量，這讓功率電子器件更容易裝進(jìn)空間緊湊的電機(jī)關(guān)節(jié)。

在上方視頻中，德州儀器展示了其 GaN 功率級(jí)產(chǎn)品：每個(gè)器件都將半橋電路與柵極驅(qū)動(dòng)器集成在單一封裝內(nèi)，與 MOSFET 方案相比，占位面積減少50% 以上。該演示展示了由一對(duì)基于 GaN 的功率板驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂：一塊用于驅(qū)動(dòng)嵌入肘關(guān)節(jié)的電機(jī)，另一塊控制手部的指關(guān)節(jié)。

這些功率板均基于 TI 的C2000 實(shí)時(shí)微控制器（MCU）。嵌入機(jī)器人肘關(guān)節(jié)的電機(jī)控制器控制三個(gè)半橋，為三相電機(jī)供電。TI 表示，這些 MCU 通過(guò)EtherCAT與系統(tǒng)其他部分通信 —— 這是一種基于以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)工業(yè)級(jí)通信技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化。

王瑞恩指出：“對(duì)機(jī)器人臂關(guān)節(jié)而言，最重要的是盡可能做得小巧、同時(shí)盡可能高效，同時(shí)不損失對(duì)速度、轉(zhuǎn)矩和位置進(jìn)行精確、動(dòng)態(tài)控制的能力。”

圖：傳統(tǒng)伺服電機(jī)控制環(huán)路結(jié)構(gòu)示意圖

人形機(jī)器人關(guān)節(jié)內(nèi)部的電機(jī)控制挑戰(zhàn)

對(duì)于嵌入每個(gè)關(guān)節(jié)深處的電機(jī)，電機(jī)控制通常分為多個(gè)控制環(huán)路層級(jí)：轉(zhuǎn)矩環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)，以及協(xié)調(diào)所有環(huán)路的運(yùn)動(dòng)控制環(huán)。上層控制環(huán)為下層提供參考輸入。因此，每個(gè)控制環(huán)都依賴前后環(huán)節(jié)，且必須滿足實(shí)時(shí)處理要求，才能保證機(jī)器人動(dòng)作流暢、平衡。

轉(zhuǎn)矩環(huán)（也稱電流環(huán)）是系統(tǒng)的核心。電流環(huán)直接調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，在大多數(shù)情況下，其工作頻率與功率級(jí)中的 FET 開關(guān)頻率相同，約為8kHz～32kHz，其他所有控制環(huán)均工作在更低頻率。TI 表示，電流環(huán)的速度直接影響電機(jī)的精度和響應(yīng)時(shí)間。

人形機(jī)器人哪怕邁出一步，都需要多達(dá) 40 個(gè)電機(jī)關(guān)節(jié)協(xié)同控制，才能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)與良好平衡。哪怕一個(gè)關(guān)節(jié)動(dòng)作出現(xiàn)延遲，平衡都可能被打破。TI 稱，要同步全身所有電機(jī)并保持機(jī)器人整體穩(wěn)定性，每個(gè)關(guān)節(jié)的電機(jī)控制器都必須實(shí)現(xiàn)高精度、快響應(yīng)。

這些需求可通過(guò)提高控制環(huán)速度與 PWM 頻率來(lái)滿足。100kHz 量級(jí)的開關(guān)頻率可實(shí)現(xiàn)更高分辨率的電機(jī)電流，對(duì)應(yīng)更小的電流紋波與更精準(zhǔn)的控制。高分辨率電流波形也意味著更接近理想正弦波，從而提升效率、減少發(fā)熱。

雖然 DC-DC 轉(zhuǎn)換器需要更高帶寬，但電機(jī)控制算法主要基于平均電流工作，因此帶寬要求相對(duì)寬松。

此外，提高 PWM 頻率可縮小系統(tǒng)中的直流母線電容。更高頻率降低了母線電容需求，使傳統(tǒng)功率級(jí)中大型圓柱形電解電容可被更小的陶瓷電容替代。

電機(jī)內(nèi)的功率 FET 會(huì)通過(guò) PWM 信號(hào)周期性地從母線電容抽取電流。提高 PWM 頻率時(shí)，單次抽取的電荷量減少，從而降低所需母線電容值。

TI 解釋稱，即便將 PWM 頻率從 20kHz 提升到 80kHz，也可用同等容值的陶瓷電容替代電解電容，實(shí)現(xiàn)相近的母線電壓紋波。

然而，向更高開關(guān)頻率、更快電流環(huán)過(guò)渡也會(huì)帶來(lái)新挑戰(zhàn)。對(duì)于基于 MOSFET 的功率驅(qū)動(dòng)器，僅單純提高 PWM 開關(guān)頻率會(huì)帶來(lái)巨大額外損耗，導(dǎo)致過(guò)熱。例如，TI 數(shù)據(jù)顯示，將開關(guān)頻率從 10kHz 小幅提升至 20kHz，整體損耗會(huì)增加20%～30%，這種低效率對(duì)電池供電的人形機(jī)器人而言十分不利。

圖 10K和100KHzPWM調(diào)制電流示意

氮化鎵改寫人形機(jī)器人功率規(guī)則

GaN 憑借其獨(dú)特的功率處理特性成為潛在解決方案，可在高頻下實(shí)現(xiàn)更低的開關(guān)損耗。TI 表示，GaN 功率器件具有更小的柵極電容（Cg）和輸出電容（COSS），開關(guān)速度可比硅基 MOSFET 快高達(dá) 100 倍。

憑借更快的開通與關(guān)斷時(shí)間，GaN 功率器件可將死區(qū)時(shí)間控制在 10～20ns范圍，而硅基 MOSFET 通常需要約 1μs 的較長(zhǎng)死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間減小可降低開關(guān)損耗。

此外，GaN FET沒有體二極管。在高頻開關(guān)場(chǎng)景中，MOSFET 的體二極管會(huì)造成巨大的反向恢復(fù)損耗。通過(guò)消除體二極管，GaN 功率器件降低了通常由其引發(fā)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴和電磁干擾（EMI）風(fēng)險(xiǎn)。TI 稱，這有助于避免噪聲干擾塞進(jìn)人形機(jī)器人內(nèi)部的其他電子系統(tǒng)。

人形關(guān)節(jié)內(nèi)部空間也極為有限。功率板通常是直徑僅5～10cm的環(huán)形 PCB，以適配肘關(guān)節(jié)；手指關(guān)節(jié)的尺寸則更小。除功率電子器件外，關(guān)節(jié)還必須集成電機(jī)本身，且在很多情況下需要多個(gè)傳感器，包括用于檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的傳感器。許多設(shè)計(jì)中還會(huì)集成力傳感器，以判斷機(jī)器人抓取或提起物體的重量。

至關(guān)重要的是，工程師必須在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高功率與更穩(wěn)定的電機(jī)控制。GaN 在這方面優(yōu)勢(shì)明顯：其單位面積導(dǎo)通電阻（RDS (on)）顯著更低，與硅 MOSFET 相比可實(shí)現(xiàn)更小的芯片面積。TI 表示，通過(guò)將功率晶體管與柵極驅(qū)動(dòng)器集成到小至 4.5×5.5mm的單一封裝中，并集成保護(hù)功能，可進(jìn)一步節(jié)省空間。

TI 稱，將柵極驅(qū)動(dòng)器與功率 FET 集成，可最小化柵極振鈴，提升運(yùn)行可靠性；這種集成還能減小功率環(huán)路電感，進(jìn)一步降低 EMI 并提高效率。