AMD Kria KD240驱动器助力工业机器人电机控制设计

根据国际机器人联合会（IFR）发布的《世界机器人报告》，目前全球约有428万台机器人在各类工厂中为我们“打工”，而且随着智能制造的发展，这个数据还在不断地攀升。

回顾历史，工业机器人的发展经历了三次浪潮。第一次浪潮催生了我们极为熟悉的传统的“重型”工业机器人，它们都是一些体型庞大、具有多个旋转关节或转轴的机械臂，被部署在生产线上，完成焊接、喷漆、装配等人类力所不及或危险的“重体力”劳动，大大提升了生产效率。

工业机器人的第二次浪潮是伴随着协作机器人的发展而兴起的。与传统的工业机器人不同，协作机器人虽然大都也是机械臂的形态，但体型较小，具有一定的自主行为和协作能力，可在非结构化的环境中与人配合完成复杂的任务。它们适用范围广泛，便于灵活调配和作业，可实现一种兼具效率和灵活性的创新生产模式。因此在过去十年间，协作机器人成为了工业机器人中发展势头更为强劲的一个品类。

目前，我们正在迎来工业机器人发展的第三次浪潮，主导这新一波浪潮的是“人形机器人”。作为具有类似人类身体结构的机器人“新物种”，人形机器人通过仿效人类的姿态和活动，可实现更为自然的人机交互。虽然对于人形机器人及其应用的定义还在探索中，但其发展无疑会开拓出机器人在工业领域应用的新疆界。

值得一提的是，上述各类工业机器人之间并非彼此替代，而是相互补充，让机器人渗透进入越来越多的工业场景。

面向工业机器人的电机控制挑战

工业机器人市场的持续升温，势必也会拉动相关赋能技术的发展。精密的运动控制，就是其中关键的技术之一。

从本质上来讲，所有工业机器人的运动，都是由电机的直接驱动转化而来的。因此电机控制也就成了决定机器人是否能够按照预定程序，或者通过自主学习和判断，完成行动和任务的关键。

所谓电机控制，就是通过测量电机中电流值、转子位置等参数，计算其与所需设定值之间的偏差，并据此调节电机速度、扭矩和转子位置，以达到精确控制的过程。具体到工业机器人中，想要让其行动达到拟人甚至超越人类的效果，其任何一个“关节”的动作，都需要一个或多个电机精准协同工作才能完成。因此电机控制也是工业机器人开发中，尤为重要的一块技术基石。

当然，与更高性能诉求相关联的，肯定是更大的设计挑战。归纳起来，想要驱动今天或未来的工业机器人，在电机控制方面面临的挑战主要包括以下这些方面：

高精度与低时延

工业机器人需实现极为精密的运动控制及快速的响应能力，以应对工业现场严格的操作要求。这就需要电机控制技术在算力、算法、信号链和电源管理等方面不断地优化。

模块化设计

模块化已经成为当今工业机器人设计的一个主流趋势。以协作机器人为例，其会在一个关节中整合电机、伺服驱动、谐波减速器、电机端编码器、关节端位置传感器和力矩传感器等完整的系统，这对于提升方案的多场景适应性以及降低系统成本，都大有裨益。当然，高集成度的模块化设计，也会在电机控制的小型化设计上带来不小的挑战。

能效优化

据估算，全球工业用电的70%与电机系统相关，因此提升电机控制和驱动的效率、降低能耗也是机器人电机控制的一个关键指标。高能效的计算和高效率的电源管理，是实现这一目标的两个关键抓手。

工业连接与安全

工业物联网的发展，使得机器人“身上”的电机不再是一个个孤立的部件，而是需要通过现场总线、工业以太网或是无线技术，与智能制造系统连接为一个整体。同时，信息安全和功能安全，也是确保工业机器人可靠工作必不可少的技术要素。这也就意味着，在开发工业机器人电机控制系统时，也需要考虑上述连接和安全功能的集成。

面对多维度的设计要求， 加之工业应用日趋多样化的应用场景，在设计工业机器人的运动控制系统时，拥有一款性能优异、功能全面、容易上手的电机控制开发平台，就显得十分必要了。

Kria KD240驱动器入门套件

AMD推出的Kria KD240驱动器入门套件就是能够满足工业机器人这一设计要求的一款端到端的电机控制开发解决方案。

从外观架构上看，Kria KD240驱动器入门套件非常简洁，仅包括K24 SOM和载板两个部分，但其中却囊括了高性能电机控制开发所需的完整资源，其“技术内核”并不简单。

下面我们就从四个层面，对Kria KD240驱动器入门套件进行一次全面的解析。

01理想的算力平台

Kria KD240驱动器开发套件的核心，是AMD的Zynq UltraScale+ MPSoC，这是一款集成了嵌入式处理器和可编程逻辑的异构器件，即FPGA SoC，在电机控制方面可以说是一种理想的算力平台。具体来讲，其优势体现在以下几个方面：

提升能效：FPGA SoC灵活的架构，使其可以支持优化的特定算法，并实现实时的精确控制，让电机以更高效率的方式运转，减少无谓的电流消耗，提升电机控制系统的能效。

降低故障率：FPGA SoC可用于预测性维护，即通过电机绕组连续获取转子的电流测量值并实时处理相关数据，以检测转子是否处于正常状态，或判断电机是否存在其他问题，以消除故障隐患。

减少EMI：FPGA灵活的硬件可编程逻辑，有助于通过内建的脉宽调制（PWM）来调制电压并减少电磁干扰（EMI），以降低EMI噪声。这对于复杂的工业环境应用十分必要。

02小而强的K24 SOM

基于Zynq UltraScale+ MPSoC，AMD开发出了K24 SOM——这也是Kria KD240驱动器开发套件中的核心模块。这一SOM对Zynq UltraScale+ MPSoC的硬件进行抽象，有助于开发者从更高层次的板级设计入手，而无需从复杂的芯片级开发起步，令整个电机控制的开发过程大为简化。

K24 SOM的外形极为紧凑，只有信用卡的一半大小，但却“内有乾坤”。其针对高能效电机控制和DSP应用进行了优化，延迟更低，确定性强。同时，它提供了132个I/O可供使用，可连接多达三个带编码器的中型BLDC电机，提供4个1G以太网（2个PS GEM、2个PL GEM）并支持TSN网络。此外，它还可以通过Zynq UltraScale+ MPSoC的硬件信任根和分立式TPM 2.0器件提供增强的安全功能，并具有适应恶劣环境的鲁棒性，十分适合于各类工业应用。

03资源丰富的载板

观察Kria KD240驱动器开发套件，与K24 SOM相连的就是载板。载板包含一个电源解决方案、三个网络接口、一个microSD卡、一个三相电源逆变器和多个模数转换器通道，提供了丰富的板载资源和可扩展性，与K24 SOM一起，再加上散热装置，就构成了一个完整的驱动器开发硬件平台。

具体来讲，Kria KD240驱动器开发套件载板具有以下几个为电机控制而优化的特性：

包括1个三相逆变器和正交编码器，以及制动控制、扭矩传感器接口，有利于驱动应用的开发。

支持PMOD扩展，可充分利用PMOD生态系统，在方案中整合各种兼容传感器组件。

提供丰富的网络及通用连接，包括3个1Gb以太网（1个PS、2个支持PLTSN的以太网）、CAN、RS-485、USB 3.0（2端口集线器）、USB 2.0等。

04完备的软件生态

不过，想要打造一个开箱即用的开发平台，仅有硬件是不够的，还要有完备的软件生态的支撑，以便让没有FPGA专业知识的嵌入式软件和控制系统工程师，也能够快速上手进行应用开发，更大限度地降低电机控制开发的技术门槛。

得益于AMD在软件生态方面多年的深耕，Kria KD240开发套件支持多种开发环境（包括Python、MATLAB Simulink环境等），并提供预置的加速应用；其支持Ubuntu和基于PYNQ的开发流程，为开发者带来更大的灵活性；同时，开发者还可通过Kria应用商店提供的各种资源，加速应用程序的开发，并不断从相关开发生态中获益。

本文小结

总之，从性能优异的FPGA SoC器件，到“浓缩精华”的K24 SOM，再到资源丰富的载板，以及完善的软件生态，Kria KD240开发套件驱动器入门套件在不同层面上，整合了AMD的先进技术资源，为工业机器人以及更为广泛的电机控制应用开发，提供了一个开箱即用的技术平台。