自从春晚扭秧歌、转手帕的宇树机器人火了，人形机器人这一概念再次深入人心。无论是人形机器人，还是工业机器人，让它们能够如此灵活运动的关键在于“机器人驱动系统”。

机器人驱动系统堪称运动的“心脏”，负责将其他能量转化为机械能，并输送给机器人的各个关节，使其能够执行各种精密、复杂的运动。

去年4月，波士顿动力宣布液压版Atlas正式退役，人形机器人转向电机驱动。自此，再一次确立了电机驱动方案的主流地位。本文将就电机驱动进行重点的介绍。

机器人的驱动系统

首先，我们要知道，机器人根据应用领域分为多种类型，每种机器人结构差异较大，所用的驱动系统也不尽相同。主要分为以下几种：

工业机器人：在工业环境中处理、组装或加工工件的可编程机器，大多由机械臂、夹持器、各种传感器和控制单元组成，它们可以根据编程方式自主执行作业；汽车行业的工业机器人：机器在汽车自动化生产过程中发挥了重要作用，使工作流程更高效、更安全、更快速、更灵活；协作机器人：与传统的工业机器人相比，协作机器人体积更小，使用更灵活，编程更容易，越来越多工业领域，传统工业机器人正在被协作机器人取代或提供支持，它在生产过程中与人类一起工作，不需要通过保护装置与人类同事分开；自动导引车/AGV：一种无人驾驶运输车辆，自带驱动器，无需接触即可自动控制和引导。AGV 通常用于在生产设施中运输材料；服务机器人：包括家用机器人、安全机器人、酒店机器人、农业机器人、医学机器人、手术机器人、玩具机器人，用于个人和专业应用程序之间的服务机器人有一定区别，吸尘器和割草机机器人已经在个人领域站稳脚跟；类人机器人（人形机器人）：近几年最火的领域，研发的主要动力是人工智能 （AI），也就是具身智能。

机器人始终分三个阶段进行控制——感知、处理和行动。目前，多数机器人类型都由预编程或学习算法控制。机器人可通过传感器感知周围环境和重要信息，机器人处理这些信息并将其作为信号传递给电机，从而使机械元件开始工作。人工智能 （AI） 是机器人确定如何在其环境中以最佳方式行事的另一种方式。在人机交互，控制系统可分为不同的自主性级别：

直接控制：人类可以通过触摸、远程控制或通过为控制单元编程的算法直接控制机器人；监督：人类指定基本位置和运动顺序，然后机器人确定在规格范围内以最佳方式使用其电机；半自主机器人：通过这些系统，人类指定了一项一般任务，机器人自主确定最佳位置和运动顺序以完成任务；自主机器人：机器人可以自主识别其任务并完全自行执行。

机器人的驱动系统，按动力源分为液压，气动和电动三大类。根据需要也可由这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。

液压驱动系统：成熟的技术，但近年来在负荷为100kz以下的机器人中往往被电动系统所取代。其动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适用于承载能力大，惯量大以及在防焊环境中工作的这些机器人中应用。但液压系统需进行能量转换(电能转 换成液压能)，速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低。液压系统的液体泄泥会对环境产生污染，工作噪声也较高；气动驱动系统：速度快、系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适于在中、小负荷的机器人中采用。但因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械人中，如在上、下料和冲压机器人中应用较多；电动驱动系统：目前，许多现代机器人都使用电动机。这类系统不需能量转换，使用方便，控制灵活。多数电机需在其后安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的环境中，成本也较上两种驱动系统的高，但这类驱动系统优点比较突出，因此在机器人中被广泛的选用。

对于现代机器人来说，电动驱动是主流，因此本文将就电动驱动进行主要介绍和解析。

细数机器人用到的电机

在机器人上使用的电机种类也极为复杂，按照电源类型分为直流电机和交流电机两大类；按照应用类型一般可分为直流伺服电动机驱动、交流伺服电动机驱动、步进电动机驱动等。

直流电机（DC Motor）：机器人使用非常多的电机类型，其使用和控制简单，具备良好的速度范围；有刷直流电机（BDC）：由旋转电枢、固定定子和换向器组成，电刷与换向器进行物理接触，因此相对容易控制，但电刷会随着时间的推移而磨损，因此需要时常更换，从而导致维护成本较高；无刷直流电机（BLDC）：使用控制器来改变电流的方向，由于去除了电刷，唯一磨损的部件只有轴承，因此拥有更好的性能、更低的电噪声以及更高的可靠性，使用寿命更长，且几乎无需维护，但需要硬件/软件控制系统来进行正确的速度和扭矩调节，在成本上可能要高于有刷电机；伺服电机（Servo Motor）：伺由直流电机、齿轮箱、电位计和控制电路组成，以精确度高著称，其位置可以使用脉宽调制（PWM）信号进行非常精确的控制，特别适合那些需要精确运动控制的应用；步进电机（Stepping Motor）：以较高的移动精度提供了对位置和速度的卓越控制，采用数字控制方案，在低速时具有高扭矩，非常适合需要将负载长时间保持在特定位置的应用；力矩电机（Moment Motor）：具有软机械特性和宽调速范围的特种电机，这种电机的轴不以恒功率输出动力就是以恒力矩输出动力，直流力矩电机、交流力矩电机、和无刷直流力矩电机；交流电机（AC Motor）：交流电机在机器人中用量较小，这是因为交流电机相比只留电机控制更加复杂，同时大多机器人使用直流作为主要电源，所以电源效率太低，另外交流电机在尺寸和重量上没有优势。

工业机器人中，交流伺服电动机、直流伺服电动机、直接驱动电动机（DD）都采用闭环控制，常用于位置精度和速度要求高机器人中。目前，一般负载1000N以下工业机器人大多采用电伺服驱动系统。关节驱动电动机主要是AC伺服电动机，步进电动机和DC伺服电动机。交流伺服电动机由于采用电子换向，无换向火花，在易燃易爆环境中得到了广泛使用。步进电动机主要适于开环控制系统，一般用于位置和速度精度要求不高的环境。机器人关节驱动电动机的功率范围-般为0.1~10kW。

服务机器人因为需要进行精准定位，所以一般来说行走电机都是采用伺服轮毂。此外，服务机器人还会利用微型有刷和无刷直流电机以及减速箱来实现高扭矩，并使用编码器实现位置反馈。

人形机器人中，主要包括无框力矩电机、空心杯电机两种。无框力矩电机是力矩电机的一种，与有框电机相比其具有更高的转矩密度、更强的散热能力及针对定制系统的灵活性，由于无框力矩电机的中空结构便于走线，适用于集成度较高的人形机器人，相关厂商包括科尔摩根（美）、威腾斯坦（德）、尼得科（日）、派克汉尼汾（美）、MAXONMOTOR（瑞士）、步科股份、昊志机电、伟创电气、禾川科技、微精电机、卧龙电驱；空心杯电机属于直流永磁伺服控制电机，是一种较为特殊的直流电机、伺服电机，它具备高电机转速、能量转化效率极高、高加速度、高动态响应、体积小、重量轻等优点，进而成为机器人手的主要构成，相关厂商包括Maxon Motor（瑞）、Portescap（瑞）、Faulhaber（德）、尼得科（日）、兆威机电、鸣志电器、鼎智科技、雷赛智能、拓邦股份等。

电机驱动芯片，百花齐放

电机驱动芯片分为分立和集成两种方案。集成解决方案可通过器件集成达成缩短设计时间、简化采购流程以及节省成本的目的，进而确保电机系统更可靠、高效，该方案主要涵盖完全分立、部分集成、完全集成等类型。此外，用于电机驱动的单片解决方案集成了逻辑、支持和保护电路以及功率器件，与分立方案相比，其占用的 PCB 面积更小。

电机驱动芯片的拓扑结构主要包括单通道低边 / 高边、半桥和全桥，通常配合 PWM（脉宽调制）调速技术来实现电机的驱动与调速。在 MOSFET 驱动电路中，半桥驱动芯片应用广泛，这是因为它具备易于设计驱动电路、外围元器件少、驱动能力强、可靠性高以及灵活性好等优点。与之相比，全桥电路虽然在某些方面有独特性能，但成本较高，电路也相对复杂，且不容易产生泻流；半桥电路则存在缺点，在振荡转换过程中容易使波形变差，进而产生干扰 。

电机驱动芯片行业在硬件和软件方面均存在一定壁垒：

硬件方面，随着工艺的提升，集成化创新架构将成为未来主流。头部厂商有希望在单芯片上实现预驱、MOS、LDO、运放等器件的全集成或部分集成，为下游客户提供全套解决方案。此外，栅极会根据不同的下游应用，采用不同的器件拓扑结构。

软件方面，电机主流控制算法主要包括120度传导控制（方波控制）、SVPWM、FOC（矢量控制）。其中，FOC虽能实现高精度、高效率的控制，但需要复杂处理，软件负载较高。控制算法的实现主要有两条路径：一是以英飞凌、ST 等为代表的企业，在通用芯片上通过软件编程实现电机控制算法；二是以TI、峰岹等为代表的企业，在芯片设计阶段通过逻辑电路在硬件层面实现控制算法。后者更有利于缩短客户开发周期，并且在特定场景算法固化后，成本更低。

芯片厂商在每种电机的驱动上的布局均有所不同，一般都是提供一个非常全的方案。

BLDC电机驱动

与有刷电机相比，无刷直流电机（BLDC）具有多个优势，包括效率高、噪声低且高度可靠等，可以减少维护工作，因此广泛被应用于机器人行业中。在许多应用中，由于最近半导体技术的进步、永磁体的改进以及对更高效率的需求增加，很多BDC已被BLDC取代。

BLDC在机器人的多个部位都有广泛应用。比如，人形机器人的手腕、肘部、膝盖和脚趾等关节处经常会使用BLDC；Py-Apple-BLDC 四足机器人通过 BLDC 电机为其腿部关节提供动力，配合高级伺服驱动器，实现了精确的速度和位置控制；Franka Emika公司的Franka Emika机器人（例如Franka Emika Panda），主要采用的BLDC，这些电机被广泛应用于机器人手臂等高性能设备中；大疆的一些无人机产品高性能的BLDC电机为旋翼提供了强大而稳定的动力。

然而，相比传统电机方案，BLDC的电机驱动更为复杂，控制此类电机需要复杂的算法和适当的驱动器。

选择BLDC的驱动，有几个考虑的因素：首先，确定电流和电压，通常，无刷电机驱动器最大电流和最大电压应该大于无刷电机的额定电流和额定电压；其次，无刷电机驱动器有多种控制方式，如PWM控制、脉冲方向控制等；另外，无刷电机驱动器通常具有过电流保护、过热保护等保护功能，需要确定应用是否需要这些保护功能，以选择相应的无刷电机驱动器。

目前有两种主要的电机驱动器技术——硅绝缘栅双极晶体管（Si-IGBT）和硅金属氧化物半导体场效应晶体管（Si-MOSFET）。Si-IGBT为稳健且具有成本效益的电机驱动方案，适合低速开关应用；当开关频率超过16kH时，则会改用高速的Si-MOSFET。目前，新一代Si-MOSFET显著降低了漏极-源极导通电阻RDS(on)，极大限度地减少了传导损耗，从而实现功率密度的大幅提升。

典型的产品包括ONsemi（安森美）的N沟道MOSFET NTTFS012N10MD，其采用先进的PowerTrench工艺设计，以极低的导通电阻RDS(on)实现了极低的传导损耗，同时还能保持优异的开关性能。NTTFS012N10MD MOSFET具有的低QG和电容可很大限度地减少电机驱动器的损耗，低QRR、软恢复体二极管和低QOSS可提高轻负载效率，非常适用于BLDC电机驱动方案。

值得一提的是，集成驱动电路是目前市场另一种满足大多数应用的需求，具有简化设计、缩短上市时间以及降低应用开发和测试成本优点的方案。

比如说，TI（德州仪器）的MCT8316Z就是集成电机驱动器的一个例子。它款三个半H桥集成MOSFET驱动器，用于12V/24VDC、8A峰值电流驱动的三相无刷直流（BLDC）电机的感应梯形控制。在单芯片上集成了三个用于转子位置传感的模拟霍尔比较器，以实现感应梯形无刷直流电机控制，具有极低的RDS（on），仅为95mΩ（高侧和低侧组合）。因为电流是利用电流检测功能在内部测量的，在设计中可以省去外部感测电阻。

再比如，Infineon（英飞凌）的新型三相电机智能驱动芯片MOTIX TM 6EDL7141是一个智能三相电机控制栅极驱动器，能用于各种不同场合的电池供电的电机控制应用，其中一个典型应用场景就是机器人。

在机器人驱动方案中，氮化镓场效应晶体管（GaN FET）是一项正在逐渐取得应用的新兴技术。不过，GaN FET技术相对较新，驱动电路相对复杂，还需要非常仔细地控制栅极节点激励，因此多数现代工业机器人驱动方案目前仍以Si-MOSFET为主。

TI一直是GaN领域坚实的拥趸，比如其典型产品LMG5200提供了一个带有增强型GaN FET的80V GaN半桥功率级。该器件由两个GaN FET组成，由一个采用半桥布置的高频GaN FET驱动器供电。

今年2月，EPC创建了基于GaN的新型电机驱动参考设计，以支持人形机器人的精确运动，特别是手腕、手指和脚趾关节。EPC91104 评估板是一款高性能、三相无刷直流电机驱动逆变器，使用EPC23104 ePower Stage IC，具有最大RDS（on）的11 mΩ，支持高达80 V的直流总线电压。对于那些寻求更高功率解决方案的人，EPC还提供EPC9176，这是另一种设计，更适合需要更强大的电流处理的应用，例如人形机器人中的肘部和膝部电机。

BDC电机驱动

老派的BDC电机仍然是低成本应用的可靠选择。BDC电机配置合适的控制器，MOSFET / IGBT开关，就可以实现足够好的性能。同时，由于它们几乎不需要电子控制装置，所以整个电机控制系统会相当便宜。此外，还能节省配线和连接器所需的空间，降低电缆和连接器的成本。所以在能够满足必要的性能前提下，低成本和足够的可靠性让有刷电机依旧是一个很好的选择。

有刷直流电机（BDC）是最易于驱动的电机类型。其运行原理是在电机端子上施加电压，通过改变转子上的磁场来产生连续的旋转运动。尽管存在热耗散、高转子惯性和电磁干扰等缺点，但由于其不需要电流反馈且易于控制，有刷直流电机在许多应用中仍然具有广泛适用性。

H桥驱动电路是控制步进电机和BDC电机的常用方案。该电路由四个开关（固态或机械）组成，通过控制这些开关的通断状态，可以实现电机的正转、停止和反转操作。H桥驱动电路既可以作为集成电路提供，也能够通过分立式元件构建。

比较典型的产品包括TI针对扫地机器人的电机驱动器系列，包括具有集成电流检测和电流检测反馈功能的40V、3.5A H桥电机驱动器DRV8876；具有集成电流调节和锁存 OCP 功能的 50V、4.1A H 桥电机驱动器DRV8251；其具有集成电流调节功能的 35V、3.7A H 桥电机驱动器DRV8231。

伺服电机驱动

伺服电机的类型较为多样，包含有刷永磁直流电机、无刷永磁交流电机以及交流感应电机。伺服或伺服机构本质上是一种借助反馈机制来精准控制位置和扭矩的装置，其动力来源涵盖电动、液压、气动等多种形式。不过，在工业自动化领域中，最常用的伺服系统大多是以电机作为驱动源。

相对来说，工业机器人对精度、使用寿命要求较高，更适合采用伺服电机。不过，Tesla Optimus的关节模组采用无框力矩电机，灵巧手采用了空心杯电机。空心杯电机就是一种特殊的伺服电机，是直流永磁伺服微特电机的一类，从原理上来说属于旋转关节的范畴，具有新颖的转子结构、独特的线圈制造工艺和较小的尺寸。

TI用在机器人领域的典型伺服电机驱动芯片为DRV8301，它是一款用于三相电机驱动应用的栅极驱动集成电路。该器件提供三个半桥驱动器，每个半桥驱动器都能够驱动两个N沟道MOSFET。DRV8301的源极电流支持高达1.7 A，峰值电流能力可达2.3 A。

力矩电机驱动

力矩电机相对于伺服电机能提供更加稳定的力矩和运转速度，且由于不需要使用齿轮减速箱，能够有效降低其成本和体积，减少误差及提升效率，更能够满足人形机器人的需求。

Tesla Optimus采用了无框力矩电机，带火了无框力矩电机。随着无框力矩电机的广泛使用，使得半直驱原理（QDD， Quasi-Direct-Drive）的关节驱动器在四足机器人领域得到应用——MITCheetah系列、宇树科技的AlienGo&Laikago、云深处的绝影系列、前沿驱动INNFOS的新四足、智元远征A1，都采用了QDD原理或者类似的关节驱动方案。

步进电机驱动

步进电机属于无刷直流电机，其结构独特。电机的定子由多个电磁铁环绕齿轮状的转子排列构成，环形排列的磁体被划分成不同的组，这些组就是所谓的 “相” 。工作时，每相按照特定顺序依次通电，驱动电机逐步 “步进” 至下一个位置。

在人形机器人中，步进电机有诸多应用，如头部控制、小型附属机构（如视觉系统或小臂末端）、眼睛部位的控制。

头部旋转运动，通过发送脉冲信号能准确控制头部转动角度，实现机器人与外界的交互和观察；在小型附属机构方面，它能实现视觉系统中的微调运动，比如调整摄像头的角度、焦距以获取更清晰图像，也适用于小型机械臂末端执行器、实验室设备微调装置等轻负载精确运动场景；在眼睛部位，步进电机精确的角度控制和较小的体积具有较好的适配性，配合适当的传动机构，可实现眼睛灵活运动，增强机器人的人机交互能力。

步进电机可以提供连续运动或保持固定的转子位置，具体取决于系统要求。为了控制步进电机的扭矩或可闻噪声，根据步进算法的复杂性来实施“步进”模式。

基本步进驱动器通常使用PWM接口进行步进控制，其中特定的PWM模式可以在控制步进电机位置的同时提供扭矩控制。此外，许多步进驱动器包括来自模拟输入信号的电流调节。

TI的具有电流调节功能和1/32微步进的45V、2.5A双极步进电机驱动器DRV8825的典型应用便包括机器人。

ADI在工业机器人领域主推“步进电机闭环驱动解决方案”Trinamic，它采用的位置全闭环控制模式，模块集成了总线接口、运动控制功能、输入输出、电机驱动和程序存储，编码器的信号反馈到模块内部完成闭环控制，具有布线简单、控制精确、售后维护方便等诸多优势。

高性价比方案为TMC4361+TMC2130/TMC5130（小功率）；TMC4361+TMC2160/TMC5160（大功率）；模块化方案为TMCM-3312，用于3个步进电机轴，带可选闭环操作，用于无传感器负载相关电流控制的三轴步进电机控制器/驱动器模块。

写在最后

事实上，很多芯片公司并没有在应用中专门标注电机驱动，很多电机驱动也并非专用芯片，而是通用芯片。不过，随着工业机器人和人形机器人的爆火，很多公司开始推出专注优化的新产品。

作为机器人灵活运动的“心脏”，电机驱动系统及其核心芯片的创新发展正成为推动机器人进化的关键力量。随着国内外厂商在无框力矩电机、空心杯电机等领域的加速布局，以及Si-MOSFET、GaN等半导体技术的持续迭代，电机驱动系统正朝着高效化、轻量化、智能化的方向迈进，为具身智能时代的人形机器人提供了澎湃动力。欢迎关注EEWorld旗下订阅号：机器人开发圈（ID：RoboticsDevelopers）阅读原文：