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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，人形机器人的电机驱动系统正朝着高效化、轻量化、智能化的方向迈进。
电机驱动，正在为“具身智能”时代的到来，注入澎湃而可靠的动力。那么，在这样的背景下，有哪些趋势和技术值得我们关注？本文将聚焦这个问题进行解析。
人形机器人有大量功率器件
在双足人形机器人的核心部件——关节驱动器中，存在多种技术路线。这些驱动器根据动力来源，可以大致分为液压、气动、电机驱动、记忆金属以及生物类（如心肌细胞）等。其中，电机驱动和液压驱动是目前最常见的两种主流形式，它们各自的侧重点和优势也大不相同。
电机驱动运动控制拥有显著优势，因为提供了更成熟的解决方案。通过处理器和编码器，电机驱动系统能相对容易地获取运动状态的实时反馈，这为高精度的运动控制提供了坚实的保障。此外，相较于复杂的液压系统，电机驱动方案在成本上也更具优势。
所以，目前大部分人形机器人都在加大电机驱动的投入。人形机器人平均有30~50个活动环节，这些关节都需要电机驱动，这就需用到很多的功率器件。
重要的空心杯电机和无框力矩电机
目前，特斯拉人形机器人Optimus是业界的一个标杆方案。其手部采用了经典的六电机驱动方案。其中，拇指由两个电机分别控制弯曲和侧摆，其余四指则由各自独立的电机驱动。
这种方案中的核心组件是空心杯电机，它是一种微型伺服电机，特别适合用于仿生手等对体积和性能有严格要求的应用。空心杯电机使用永磁铁产生磁场，直接通过直流供电。其独特之处在于转子无铁芯，这显著降低了损耗和摩擦，并提供了出色的散热性能，使其成为依赖电池供电设备的理想选择。
在Optimus的其他关节部分，特斯拉使用了无框力矩电机。Optimus全身共配备了28个执行器，均匀分布在肩部（6个）、肘部（2个）、腕部（6个）、躯干（2个）、髋部（6个）、膝部（2个）和踝部（4个），其中旋转和线性执行器各占14个。
这种旋转执行器主要由无框力矩电机、谐波减速器、扭矩传感器、位置传感器、轴承和编码器等组件构成。无框力矩电机是一种没有外壳的永磁电机，仅由定子和转子组成。这种设计使其具备体积小、重量轻、惯量低、结构紧凑和功率高等优点，非常适合集成在机器人关节、无人机推进系统等设备中。由于没有传统电机外壳的限制，机器人可以利用自身的轴承来支撑电机转子，实现电机的无缝内置。
这种技术路线并非特斯拉独有。目前，宇树 H1、小米 CyberOne、优必选 X1、傅里叶 GR-1 等多款国产人形机器人的关节也都采用了无框力矩电机。
人形机器人对于电机驱动的要求
人形机器人的设计以高自由度为显著特征，总自由度通常不低于30个，这意味着全身有近30个电机需要进行高效、精准的控制。为了满足这一复杂的控制需求，电机驱动芯片必须具备更高性能与更强稳定性。
高可靠性与稳定性：人形机器人工作环境可能非常复杂，特别是在工厂等生产场景中，它们可能面临高电压和大电流的工作环境。这要求芯片本身必须具备极高的稳定性，以确保机器人能可靠地完成任务。
高性能：为了实现高自由度运动以及频繁的正反转和高转速，电机和驱动芯片必须具备卓越的性能。这能帮助机器人快速而精准地完成扭矩控制。
更高集成度：人形机器人的运动控制系统包含了多种电子器件，如传感器、MCU和功率器件。因此，将驱动芯片与这些功能模块进行更高程度的集成是未来的重要发展方向。
低功耗与小尺寸：机器人关节空间有限且依赖电池供电，低功耗的设计能有效延长机器人的工作时间并减少系统发热。同时，芯片的小型化对节省空间也至关重要。
高性价比、安全性和可编程性：这些也是人形机器人电机驱动芯片未来发展的重要方向。
不同功率等级的电机驱动器设计
事实上，人形机器人中存在不同的功率需求，这取决于电机需要移动的负载量和功率水平。通常，功率范围在10W~4kW之间，其中大部分驱动器的功率介于10W~1.5kW。
典型的功率需求可分为以下几类：
10W至100W：手腕和手
通常每只手需要8个以上电机来配合手和手腕的关键动作，如此小空间内安装如此大量的电机，尺寸至关重要，集成IC可以帮助缩小设计尺寸。设计过程，需考虑如何将该系统划分为不同的模块，以便通过集成来获得最佳的尺寸优化。典型电机驱动器是将FET、栅极驱动器和所有三相电流检测集成在一个设备中。该设备连接到电机控制器，电机控制器可以接收来自集成电机的信号，并与机器人控制器进行通信。
100W至300W：脚踝、肩部、颈部
这些系统所在的位置有更多的空间，因此为驱动器的设计提供了更多的选择。设计这些驱动器时，需要选择既能满足功率需求又能满足尺寸限制的电机驱动器。在这种情况下，可以使用集成FET的栅极驱动器解决方案，也可以选择带有外部FET的选项，因为这里的尺寸并不像之前那样关键，但必须进行热量考量以确保机器人的整体温度足够低。
1kW至1.9kW：肘部
这个系统需同时满足功能安全和更高功率的要求。由于关节机械重量更高，驱动器的热性能和效率至关重要，因此设计人员必须开发具有高功率密度的设计。提高效率的一种方法是通过增加电机驱动器的工作频率来改善驱动器的扭矩和电流脉动。可以考虑使用GaN FET等选项，因为这些FET具有更低的损耗和更小的设计尺寸。
2.5kW至4kW：膝盖、臀部、臀部中心
这类电机具有最高的功率需求，功率密度至关重要。此处关键考量是高效率和小尺寸。通常需要并联FET来构建系统设计。这意味着对栅极驱动器的电流能力提出了额外的要求，以实现快速开关，从而提高系统的整体效率。快速开关时间还能实现更高的PWM频率，从而改善系统的扭矩和电流脉动。
GaN被人形机器人带火了
机器人本身的重量会影响到续航，而机器人本身拥有大量的电机和驱动，所以业界开始使用氮化镓（GaN）技术，将驱动做到更小，并提高能效，整体的这些部件也会减轻，进一步有助于提升续航。
伺服驱动系统是机器人的动力核心，而GaN器件凭借高频、低损耗、小尺寸和高功率密度等优势，正成为其核心支撑。
人形机器人全身有数十个关节电机，GaN器件用量巨大。一个机器人可装配约300颗GaN器件，而当加入更复杂的功能（如五指灵巧手）后，用量可增至1000颗以上。在髋关节等大功率核心承重关节中，GaN器件能将芯片面积缩小50%以上，使得在有限空间内集成更多器件成为可能，这是传统硅基器件难以实现的。
此外，GaN的高频开关、超低死区时间和高集成度优势，解决了多轴协同控制中的延迟累积和热管理难题。这使得机器人能实现快速、精准的动作控制。例如，中科阿尔法发布的GaN关节模组，具备250Hz高频神经反射和5ms全链路时延，能确保机器人在复杂环境中快速反应，并控制数十个关节同步运动，大大提升了稳定性和训练效率。
目前，TI、英飞凌、英诺赛科、EPC、纳微等企业都在积极布局GaN在人形机器人的应用，尤其是电机驱动。
参考文献
[1]TI：https://www.ti.com/lit/ab/slvag23/slvag23.pdf
[2]Infineon：https://www.infineon.com/assets/row/public/documents/24/54/infineon-article-cover-story-servicerobots-psd-magazine-novel-robots-rely-on-sufficient-power-semiconductors-art-en.pdf?fileId=5546d46265f064ff016638cc52224eda
[3]德邦证券：https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202311161611029242_1.pdf?1700150548000.pdf
[4]中国半导体协会：https://web.csia.net.cn/newsinfo/7133450.html
来源：工控论坛