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人形机器人动力与执行单元解决方案

人形机器人动力与执行单元解决方案

动力执行运动控制人形机器人电机驱动电流反馈编码器数字隔离
发布时间:2026-10-22阅读:18

方案简介

动力执行单元是机器人的“运动系统”。它接收中央主控的高层指令,完成步态规划、全身协调和力矩分配,通过EtherCAT或CAN FD下发给各关节,驱动电机精准执行。从腰部、肩部到手指,每一个动作都依赖这一层的实时性、精度和可靠性。

方案详情

人形机器人的动力执行单元,是一条从中央主控到关节电机的完整链路。它覆盖全身几十个自由度,按功能分为几个层次。 动力域总控是这条链路的“小脑”。它接收中央主控下发的高层目标——步态、轨迹、抓握意图——完成步态生成、全身协调、力矩分配和关节调度,通过EtherCAT或CAN FD把具体目标下发给各关节,并汇总关节状态回传中央。 电机驱动与控制是关节的“肌肉与运动神经”。它在本地完成FOC电流环闭环,并与上层协同完成速度环和位置环控制。按集成方式分为三种架构:MCU集成驱动外置功率桥,适合中小功率关节;MCU加独立驱动芯片再驱动功率桥,适合中大功率关节;MCU直接控制内置功率桥的驱动芯片,适合微型关节。 电流反馈是运动控制的“内环眼睛”。它实时采集电机相电流,经电流检测放大器放大、比较器过流保护、基准源提供参考、ADC转换为数字量,反馈给MCU完成电流环闭环。电流采样精度直接影响转矩脉动和力控精度。 数字隔离是驱动与采样链路中的“安全边界”。它在MCU与功率级之间、高压侧与低压侧之间建立电气隔离,切断地环路、阻断共模噪声,确保PWM信号和电流采样数据在强干扰下可靠传输。核心指标是CMTI、传播延迟和通道间匹配。 编码器与编码器前端是关节的“本体感觉”。芯片级编码器基于霍尔、AMR、GMR、TMR等磁传感技术,实时检测转子角度和位置。编码器前端由运放、ADC、比较器和基准源构成,把编码器输出的原始信号调理成MCU能用的干净数字量,完成从模拟到数字的转换。 整条链路的核心要求是一致的:实时性、精度、可靠性和确定性。控制周期要在1ms甚至更低,电流环周期在10到100微秒;通信要支持EtherCAT或CAN FD,保证全身关节同步响应;隔离要扛住几十kV/μs的共模干扰;编码器分辨率要满足从大关节到灵巧手的全范围需求。

技术架构

工业运动控制与机器人控制器方案技术架构

推荐型号

动力与执行单元处理器

动力执行单元的核心主控芯片,负责步态生成、全身协调、力矩分配和关节调度。要求高算力、硬实时、支持EtherCAT/CAN FD通信,部分场景需要功能安全机制。通常采用高性能MCU或跨界MCU,集成多路CAN FD、以太网和电机控制外设,工作温度覆盖工业级。

型号品牌描述参考设计数据手册
R9A07G075M24GBG#AC0RENESAS(瑞萨)/IDTRZ 基于 ARM 的高端 32 位和 64 位微处理器参考设计
F28386DPTPSTI(德州仪器)具有连接管理器、2 个 C28x+CLA CPU、1.5MB 闪存、FPU64、CLB、以太网的 32 位 MCU参考设计
F28386DPTPQRTI(德州仪器)F28386DPTPQR参考设计
F28386SPTPSTI(德州仪器)具有连接管理器、1 个 C28x+CLA CPU、1.0MB 闪存、FPU64、CLB、以太网的 32 位 MCU参考设计
F28386SPTPQRTI(德州仪器)F28386SPTPQR参考设计
F28386DPTPQTI(德州仪器)具有连接管理器、2x C28x+CLA CPU、1.5MB 闪存、FPU64、CLB、以太网的汽车类 C2000™ 32 位 MCU参考设计
F28384DZWTSTI(德州仪器)具有连接管理器、2 个 C28x+CLA CPU、1.5MB 闪存、FPU64、以太网的 32 位 MCU参考设计
F28384DZWTQRTI(德州仪器)具有连接管理器、2 个 C28x+CLA CPU、1.5MB 闪存、FPU64、以太网的汽车类 C2000™ 32 位 MCU参考设计
F28384SZWTSTI(德州仪器)具有连接管理器、1 个 C28x+CLA CPU、1.0MB 闪存、FPU64、以太网的 32 位 MCU参考设计
AM2632CPDFHMZCZRQ1TI(德州仪器)Sitara微控制器,支持多核运行、工业通信及功能安全参考设计
电机控制MCU(内置驱动)

集成了栅极驱动的电机控制MCU,可直接输出驱动信号控制外部功率桥,无需独立驱动芯片。集成度高、BOM简洁、PCB面积小,适合手指、手腕等中小功率关节。

型号品牌描述参考设计数据手册
ADL5725ACPZN-R7ADI(亚德诺)17.7 GHz至19.7 GHz低噪声放大器参考设计
STSPIN32G4ST(意法半导体)集成STM32G4微控制器的高性能三相电机控制器参考设计
STSPIN32G4TRST(意法半导体)高性能三相电机控制器参考设计
FU6861NFortior Tech(峰岹)嵌入式可配置三相永磁同步电机(PMSM)微控制器(MCU)参考设计
FU6818QFortior Tech(峰岹)三相电机控制MCU参考设计
FU6832SFortior Tech(峰岹)集成电路参考设计
FU6831NFortior Tech(峰岹)三相电机控制MCU参考设计
FU6332NFortior Tech(峰岹)三相电机控制MCU参考设计
LKS32MC034FLK6Q8CLINKOSEMI(凌鸥创芯)32位电机控制紧凑型MCU参考设计
电机控制MCU

通用电机控制MCU,运行FOC算法并输出PWM信号,需外接独立驱动芯片和功率桥。算力灵活、接口丰富,适合肩、肘、髋等中大功率关节,以及对散热和扩展性有要求的场景。

型号品牌描述参考设计数据手册
CH32F205RBT6WCH(南京沁恒)32位工业级通用微控制器参考设计
R7FA6T2AB3CFM#AA1RENESAS(瑞萨)/IDTR7FA6T2AB3CFM#AA1参考设计
R7FA6T2AB3CFM#AA0RENESAS(瑞萨)/IDT高性能240 MHz Arm Cortex - M33内核微控制器参考设计
R7FA6T2AB3CFM#BA0RENESAS(瑞萨)/IDT高性能240 MHz Arm Cortex - M33内核微控制器参考设计
R7FA6T2AB3CFM#BA1RENESAS(瑞萨)/IDTR7FA6T2AB3CFM#BA1参考设计
R7FA4T1B93CFL#BA0RENESAS(瑞萨)/IDT采用 Arm Cortex-M33 内核的 MCU 达 100 MHz CPU 性能参考设计
TMS320F28377SPTPSTI(德州仪器)具有 400MIPS、1xCPU、1xCLA、FPU、TMU、1024KB 闪存、EMIF、16 位 ADC 的 C2000™ 32 位 MCU参考设计
TMS320F28377SPTPTTI(德州仪器)具有 400MIPS、1xCPU、1xCLA、FPU、TMU、1024KB 闪存、EMIF、16 位 ADC 的 C2000™ 32 位 MCU参考设计
TMS320F28377SPTPQTI(德州仪器)具有 400MIPS、1xCPU、1xCLA、FPU、TMU、1024KB 闪存、EMIF、16 位 ADC 的汽车类 C2000™ 32 位 MCU参考设计
TMS320F28027FPTTTI(德州仪器)具有 60MHz 频率、64KB 闪存、InstaSPIN-FOC 的 C2000™ 32 位 MCU参考设计
TMS320F28027FPTQTI(德州仪器)具有 60MHz 频率、64KB 闪存、InstaSPIN-FOC 的汽车类 C2000™ 32 位 MCU参考设计
TMS320F28027FPTTRTI(德州仪器)具有 60MHz 频率、64KB 闪存、InstaSPIN-FOC 的 C2000™ 32 位 MCU参考设计
FU6812NFortior Tech(峰岹)集成电路参考设计
电机驱动芯片(内置功率桥)

独立的栅极驱动芯片,将MCU的低压PWM信号转换为足以驱动功率桥的高压/大电流信号。内置过流、过温、欠压保护,适合中大功率关节的驱动级,与外部功率桥配合使用。

型号品牌描述参考设计数据手册
MP6543HGL-ZMPS(芯源)2A 无刷直流BLDC电机驱动芯片 22V参考设计
MP6543HGL-A-ZMPS(芯源)2A 无刷直流BLDC电机驱动芯片 22V参考设计
MP6543HGL-B-ZMPS(芯源)2A 无刷直流BLDC电机驱动芯片 22V参考设计
MP6540HGU-ZMPS(芯源)50V、5A三相功率级参考设计
MP6540HGU-A-ZMPS(芯源)50V、5A三相功率级参考设计
MP6540HGU-PMPS(芯源)5A 无刷直流BLDC电机驱动芯片 50V参考设计
MP6501AGF-ZMPS(芯源)集成MOSFET的步进电机驱动器,具备微步进翻译器和多种安全保护功能参考设计
MP6631HGL-0000-ZMPS(芯源)MP6631HGL-0000-Z参考设计
MP6603GV-ZMPS(芯源)MP6603GV-Z参考设计
DRV8317HREERTI(德州仪器)DRV8317 三相 PWM 电机驱动器参考设计
DRV8376SNLGRTI(德州仪器)三相集成FET电机驱动器参考设计
POWERSTEP01TRST(意法半导体)10A 3.3V电机驱动芯片 5V电机驱动芯片参考设计
POWERSTEP01ST(意法半导体)10A 3.3V电机驱动芯片 5V电机驱动芯片参考设计
STSPIN830ST(意法半导体)紧凑型多功能三相三感测电机驱动器参考设计
MS8313杭州瑞盟2.5A 36V电机驱动芯片参考设计
电机驱动芯片

将栅极驱动和功率桥集成于一体的驱动芯片,MCU直接通过它控制电机,外围器件最少。适合手指、灵巧手等微型关节,追求小封装、低功耗和多通道集成。

型号品牌描述参考设计数据手册
MP1918GQE-ZMPS(芯源)100V高频半桥GaN/MOSFET驱动器参考设计
MP6532GR-ZMPS(芯源)无刷直流BLDC电机驱动芯片 60V参考设计
MP6530GR-ZMPS(芯源)5V至60V三相无刷直流电机预驱动器参考设计
DRV8323HRTARTI(德州仪器)5mA 无刷直流BLDC电机驱动芯片 60V参考设计
DRV8323SRTARTI(德州仪器)5mA 无刷直流BLDC电机驱动芯片 60V参考设计
DRV8323SRTATTI(德州仪器)5mA 无刷直流BLDC电机驱动芯片 60V参考设计
DRV8323HRTATTI(德州仪器)5mA 无刷直流BLDC电机驱动芯片 60V参考设计
DRV8300DRGERTI(德州仪器)100V三相BLDC栅极驱动器参考设计
DRV8304HRHARTI(德州仪器)38V三相智能栅极驱动器参考设计
DRV8304HRHATTI(德州仪器)38V三相智能栅极驱动器参考设计
DRV8304SRHARTI(德州仪器)38V三相智能栅极驱动器参考设计
DRV8350FHRTVRTI(德州仪器)100V三相智能栅极驱动器参考设计
DRV8350HRTVTTI(德州仪器)100V三相智能栅极驱动器参考设计
DRV8353SRTARTI(德州仪器)100V三相智能栅极驱动器参考设计
DRV8353SRTATTI(德州仪器)25mA 无刷直流BLDC电机驱动芯片 95V参考设计
CA-IS3221ANChipanalog(川土微)6A灌电流/5A拉电流、3.75kVRMs隔离双通道栅极驱动器参考设计
STDRIVE101ST(意法半导体)三路半桥栅极驱动器参考设计
STDRIVE101TRST(意法半导体)三路半桥栅极驱动器参考设计
FD2606SFortior Tech(峰岹)600V半桥栅极驱动器参考设计
MP1921HS-A-LF-ZMPS(芯源)100V、2.5A高频半桥栅极驱动器参考设计
霍尔电流传感器

基于霍尔效应,通过感应电流产生的磁场输出与电流成正比的电压信号。天然隔离、安装灵活,适合中大功率关节的电流检测,需注意温度补偿。

型号品牌描述参考设计数据手册
MCS1823GQTE-320BRN-ZMPS(芯源)超小型霍尔效应线性电流传感器,带过流检测参考设计
MCS1823GQTE-330BRN-ZMPS(芯源)MCS1823GQTE-330BRN-Z参考设计
MCS1806GS-3-40-ZMPS(芯源)3kVrms隔离霍尔效应电流传感器,工作电压500Vrms,精度±2.5%参考设计
ACS712ELCTR-20A-TALLEGRO(美国埃戈罗)基于霍尔效应的全集成线性电流传感器IC,具备2.1 kVRMS隔离和低电阻电流导体参考设计
电流检测放大器

信号链的核心,将分流电阻上的毫伏级压降精确放大,供ADC采样。要求高共模电压范围、高PWM抑制能力和低传播延迟,部分场景需隔离。

型号品牌描述参考设计数据手册
INA240A1DRTI(德州仪器)电流检测放大器参考设计
INA240A1DTI(德州仪器)电流检测放大器指南参考设计
INA240A1QDRQ1TI(德州仪器)4V至80V、具有增强型PWM抑制的双向、超精密电流检测放大器参考设计
INA240A1EDRQ1TI(德州仪器)4V至80V、具有增强型PWM抑制的双向、超精密电流检测放大器参考设计
INA241A3IDDFRTI(德州仪器)5 V 至 110 V 双向超精密电流检测放大器,增强 PWM 抑制参考设计
INA241A3QDDFRQ1TI(德州仪器)-5V 至 110V 双向超精密电流检测放大器,增强 PWM 抑制参考设计
INA281B2IDBVRTI(德州仪器)-4-V至110-V、1.3-MHz电流检测放大器参考设计
INA281B2QDBVRQ1TI(德州仪器)适用于汽车应用的高精度宽共模电压电流检测放大器,支持高速应用参考设计
INA381A3IDSGRTI(德州仪器)具有集成比较器的26V高速电流感应放大器参考设计
INA381A3IDSGTTI(德州仪器)具有集成比较器的高速电流感应放大器,可检测过流情况,支持透明和锁存模式参考设计
TSC2020IYSTST(意法半导体)100V精密双向电流检测放大器参考设计
TSC2020ISTST(意法半导体)精密双向电流检测放大器,支持宽共模电压,具备高共模抑制比和内部固定增益参考设计
TSC2020IYDTST(意法半导体)100V精密双向电流检测放大器参考设计
TSC2020IDTST(意法半导体)精密双向电流检测放大器,支持宽共模电压,具备高共模抑制比和内部固定增益参考设计
TSC213ICTST(意法半导体)高低侧、双向、零漂移电流检测放大器参考设计
TSC213IQTST(意法半导体)TSC213IQT参考设计
TSC213IYCTST(意法半导体)高低侧、双向、零漂移电流检测放大器参考设计
TSC212IYCTST(意法半导体)高低侧、双向、零漂移电流检测放大器参考设计
比较器

用于过流保护。电流超过阈值时快速输出故障信号,直接触发PWM关断,实现微秒级硬件保护,不依赖软件响应。

型号品牌描述参考设计数据手册
TL331IDBVRTI(德州仪器)单通道差分比较器参考设计
TL331IDBVRQ1TI(德州仪器)汽车单比较器参考设计
TL331IDBVRG4TI(德州仪器)TL331IDBVRG4参考设计
TL331IDBVTTI(德州仪器)Op Amps-Comparators参考设计
TL331IDBVRE4TI(德州仪器)TL331IDBVRE4参考设计
TS391ILTST(意法半导体)低功耗单电源电压比较器参考设计
基准源

为ADC和比较器提供稳定电压参考。其精度和温漂直接影响电流测量精度,是保证采样一致性的关键器件。

型号品牌描述参考设计数据手册
TLV431BQDBZRQ1TI(德州仪器)1.24V~6V 并联参考设计
TLV431BQDBZRTI(德州仪器)1.24V~6V 并联 80uA参考设计
TLV431BIDBZRTI(德州仪器)并联 80uA参考设计
TLV431BCDBZRTI(德州仪器)1.24V~6V 并联参考设计
TLV431BCDBZTTI(德州仪器)并联参考设计
TLV431BIDBZTTI(德州仪器)并联参考设计
TLV431BQDBZTTI(德州仪器)并联参考设计
REF3040AIDBZRTI(德州仪器)4.097V~5.5V 串联 42uA 75ppm/℃参考设计
REF3040AIDBZTTI(德州仪器)4.096V~5.5V 串联 42uA 75ppm/℃参考设计
MAX6126AASA25+TADI(亚德诺)/MAXIM(美信)2.7V~12.6V 串联 725uA 5ppm/℃参考设计
ADR03BRZADI(亚德诺)4.5V~36V 串联 650uA 3ppm/℃参考设计
ADC(电流采样)

将模拟电流信号转换为数字量,供MCU的FOC算法使用。主流要求14到16位精度、1MSPS以上采样率,且触发时序需与PWM严格同步。

型号品牌描述参考设计数据手册
ADS1015LIDGSRTI(德州仪器)具有PGA、比较器和1.8V I²C总线电压支持的超小型、低功耗、12位3.3kSPS ADC参考设计
ADS131M02IRUKRTI(德州仪器)24 位、32kSPS、2 通道同步采样 ADC参考设计
ADS131M02IRUKTTI(德州仪器)24 位、32kSPS、2 通道同步采样 ADC参考设计
ADS112C04IPWRTI(德州仪器)具有I²C接口的16位4通道2kSPS△-∑ADC参考设计
ADS112C04IPWTI(德州仪器)ADS112C04IPW参考设计
AMC0106M25DENRTI(德州仪器)AMC0106M25DENR参考设计
PAMC0106M25DENRTI(德州仪器)双向I2C隔离器,带单向数字通道参考设计
数字隔离器

在MCU与功率级之间、高压侧与低压侧之间建立电气隔离,用于隔离栅极驱动信号和电流反馈信号。核心指标是CMTI、传播延迟和通道间匹配,要求高抗共模干扰、低延迟、高可靠性。

型号品牌描述参考设计数据手册
ISO7760FDWRTI(德州仪器)高速、增强型六通道数字隔离器参考设计
ISO7760FQDWRQ1TI(德州仪器)ISO776x-Q1高速、增强型六通道数字隔离器参考设计
ADUM1401BRWZ-RLADI(亚德诺)四通道数字隔离器(3/1通道方向性)参考设计
ADUM1401BRWZADI(亚德诺)四通道数字隔离器(3/1通道方向性)参考设计
CA-IS3763LNChipanalog(川土微)CA-IS376x 高速六通道数字隔离器参考设计
CA-IS3730HWChipanalog(川土微)CA-IS373x 高速三通道数字隔离器参考设计
ISO7760N0-YYLPTEC(易川)六通道隔离器-窄体参考设计
CA-IS3721CHSChipanalog(川土微)通用双通道数字隔离器参考设计
角度编码器

集成磁敏感单元、信号调理和角度解算的单芯片位置传感器,配合一颗旋转永磁体即可工作。按磁敏元件分霍尔、AMR、GMR、TMR四条路线:霍尔主打性价比,AMR兼顾性能与成本,GMR和TMR面向超高精度。芯片级方案体积小、功耗低、抗污染抗振动,适合灵巧手、腕部等空间受限关节及分布式全身反馈系统。

型号品牌描述参考设计数据手册
NCS32100XMNTXGonsemi(安森美)带备用电池的电感式位置传感器参考设计
MA730GQ-ZMPS(芯源)带ABZ增量式和PWM输出的14位数字式非接触式角度传感器参考设计
MA734GQ-ZMPS(芯源)8位至12.5位,3μs低延迟非接触式角度传感器参考设计
MA735GGU-ZMPS(芯源)9至13位数字式非接触式角度传感器,带ABZ和PWM输出参考设计
MA736GGU-ZMPS(芯源)8位至12.5位、3μs低延迟、超小型非接触式数字角度传感器参考设计
MT6826SGT-STD-RNOVOSENSE(纳芯微)15位高分辨率、高精度磁性角度编码器IC参考设计
TLE5012BE1000Infineon(英飞凌)基于GMR的角度传感器参考设计
TAS2143-AAAATDKTMR角度传感器参考设计
MA600GQE-0000-ZMPS(芯源)高精度、高带宽、可配置数字磁角度传感器参考设计
运放

编码器前端的信号调理核心,负责将编码器输出的微弱正余弦信号放大、缓冲和滤波,供ADC采样。要求低噪声、低失调、足够的带宽和压摆率,部分场景需要全差分输出来驱动差分ADC。封装和功耗也是关节空间受限场景的关键考量。

型号品牌描述参考设计数据手册
OPA855IDSGRTI(德州仪器)8GHz增益带宽积、7VV稳定增益、双极输入放大器参考设计
OPA855IDSGTTI(德州仪器)8GHz增益带宽积、7V/V稳定增益、双极输入放大器参考设计
OPA836IDBVRTI(德州仪器)超低功耗、轨到轨输出、负轨输入 VFB 运算放大器参考设计
OPA836IDBVTTI(德州仪器)极低功耗、轨到轨输出、负轨输入、电压反馈运算放大器参考设计
THS4551IDGKRTI(德州仪器)低噪声精密全差分放大器参考设计
THS4551IDGKTTI(德州仪器)低噪声精密全差分放大器参考设计
ADC(编码器前端)

将运放调理后的模拟信号转换为数字量,供MCU解算角度和位置。要求高分辨率(14到16位以上)、低噪声、采样率与编码器信号频率匹配,且触发时序需与MCU的PWM或编码器接口严格同步。部分高端场景需要多通道同步采样。

型号品牌描述参考设计数据手册
ADS7042IDCURTI(德州仪器)ADS7042 超低功耗、超小尺寸、12 位、1MSPS、SAR ADC参考设计
ADS7042IDCUTTI(德州仪器)ADS7042 超低功耗、超小尺寸、12 位、1MSPS、SAR ADC参考设计
MAX11198ATE+TADI(亚德诺)/MAXIM(美信)12/14/16位,2Msps,双通道同步采样SAR ADC,内置参考电压参考设计