机器人技术正以前所未有的速度演进，更新、更先进的机器人产品持续问世。无论是可与人协同作业的协作机器人，还是能执行复杂动作序列的人形机器人，关节设计始终是决定整机性能的核心关键。本白皮书将围绕机器人关节技术展开系统性深度分析，全面拆解关节架构的底层复杂性，厘清其对机器人产业发展的核心驱动价值。
本文将拆解机器人关节架构的核心逻辑，覆盖不同机器人的关节特性差异、芯片在关节控制驱动中的核心作用，详解电机换向与位置传感器、电机驱动器、电流传感器等核心组件的设计权衡，同时结合相关技术的最新迭代成果，探讨其如何赋能更智能、更强大的机器人产品研发。
机器人架构多种多样，每种架构都有其独特的挑战和设计要求。例如，协作机器人和机械臂通常配备 6 个关节，而人形机器人则可能需要配备 24 个甚至更多个关节。以人形机器人为例，最基础的架构可能在每条手臂上设置 4 个关节、每条腿上设置 5 个关节；而更复杂的架构则会进一步集成髋部、躯干、头部乃至手部的精细运动。
每个机器人关节的核心，都有一套由集成电路构成的精密系统，负责控制与驱动该关节的运动。典型的机器人关节框图包含以下组件：
电机换向传感器：感测电机转子的位置
关节位置传感器：感测关节的实际位置
电机驱动器：驱动电机运转
电机相电流传感器：感测电机各相电流
电源：为整个系统供电
关节制动驱动器：控制关节制动器
图 1：机器人关节框图
电机换向传感器
电机换向传感器是磁场定向控制 (FOC) 环路中的关键元件，用于精确控制电机的转速与转矩。其主要功能是感测电机转子的位置，并将该角度乘以电机的极对数，从而计算出电机的电角度。
01尺寸要求
传感器的物理集成方式对其设计影响显著。电机换向传感器通常与电机及驱动器组件封装在一起，因此小尺寸始终是优先考虑的因素。对于带有转轴的电机，传感器可安装在转轴一侧，另一侧则与减速箱或关节进行机械连接。而对于需要将线缆穿过电机内部的中空轴电机，则需采用轴侧或穿轴感测方式，这可以通过磁传感器或电感式传感器实现。
02输出要求
电机换向传感器的输出协议必须足够快，以满足约 20kHz 的 FOC 控制环路更新速率要求。此外，诊断功能对于系统安全性以及与关节传感器的数据比对也极具价值。输出类型多种多样，其中最常见的是 SPI 接口和模拟输出。
SPI 协议需要 4 个引脚，可配置为高速模式 (10MHz)，能提供芯片本身的状态信息。此外，多个元器件还可在同一条总线上协同工作。但在高速传输时，不良的 PCB 板布局和噪声干扰可能破坏信号，这一问题可通过协议内置的安全诊断机制来捕捉。部分元器件还允许设置角度采样时间，确保其与电流测量保持同步。
模拟 Sin/Cos 输出可采用单端或差分形式。元器件输出两路正交信号，代表被测角度的三角函数值。差分输出可有效抑制信号路径上的共模噪声。采样速度取决于传感器的带宽和外部 ADC 的采样速度。通过合理配置微控制器，可实现高效采样，有时还需进行信号补偿或校准。这为客户提供了灵活的信号处理方案。对于 FOC 控制，信号的 Sin/Cos 值可直接获取，从而减少三角函数运算需求，缩短计算时间。
03分辨度与精度
除了速度，区分分辨率和精度这两个常被混淆的概念也至关重要。高分辨率并不等同于高精度。高精度能提升系统效率，因为在 FOC 控制中，需要利用位置信息将相电流精确转换为轴电流，此处的误差会导致电流纹波。低分辨率也会产生类似影响，因为转子在两次测量之间可能处于未知状态；但如果精度足够高，则可通过插值算法进行补偿。若精度较低，则必须借助外部补偿或查表方式来校正误差。从传感器换能器层面而言，基于霍尔效应的磁传感技术精度高，但分辨率较低。基于 TMR 的磁传感技术噪声低，因此分辨率更高；相比之下，电感式位置传感器可获得最高的分辨率。每种传感器的精度最终取决于其采用的内部/外部信号处理方案。针对各类感测技术，市场均有不同处理级别的产品可供选择，以满足不同精度需求。
04抗杂散磁场干扰
电机换向传感器通常紧密集成于电机附近，且所在 PCB 板敷设有承载电机功率的大电流走线。因此，对电机本身或大电流产生的杂散磁场具备抗干扰能力，是实现可靠设计的关键。选择适当的传感器类型可防御杂散磁场干扰。光学编码器和电感式传感器因其工作原理，天然具备抗杂散磁场干扰的优势。此外，通过对磁传感器进行智能信号处理与优化布局，可采用差分感测方法抑制共模杂散磁场干扰。
关节位置传感器
关节位置传感器是机器人关节的另一核心组件。它用于感测关节的实际位置，机器人控制系统会依据该信息来规划和执行精确动作。
01抗杂散磁场干扰
与换相传感器类似，关节位置传感器的布局位置决定了其对杂散磁场的抗干扰需求。如果靠近电机组件，电机所产生的磁场会对它造成干扰。然而，如果安装在运动链更下游的位置，例如减速器之后，则容易受到不可预测的外部磁场干扰。例如，人形机器人在抓握带有强磁体的电动工具时，其关节传感器就可能受到干扰。在此类不可预测的环境中，光学或电感式传感器固有的抗干扰能力具有显著优势。
02小关节
机器人系统中最小的关节可能仅能容纳一个传感器，该传感器需要同时兼顾电机换向和关节位置感测。电感式技术具有高分辨率，这在需要计入减速比和电机极对数时非常有利，但其物理尺寸有一定的局限性。磁电流传感器能够集成到极小的空间内，是尺寸受限应用的理想选择。在传感器成本和机器人关节性能之间，设计人员需要审慎权衡。
03大关节
对于大关节，传感器的分辨率直接决定了运动的重复精度。假设系统分辨率为 0.1 度，手臂长度为 80mm，在不考虑其他运动学约束的情况下，末端位置的理论分辨率可能只有 8mm。
关节位置传感器所在的控制环路，其更新频率通常低于换相传感器。位置控制环路通常以 1kHz 到 5kHz 的频率运行。标准数字通信协议即可轻松满足数据传输需求。SPI 是常用的标准协议，但如果传感器距离控制器较远，则可能更适合采用高速差分通信方式。
电机驱动器
电机驱动器的核心目标是以高效、安全的方式开关 FET，从而驱动电机运转。安全性通过两方面实现：
一是防止半桥上下的 FET 同时导通造成直通电流；二是耐受电机电感在三相线上可能引起的瞬态电压。效率的提升则通过 FET 开关频率与导通/关断时间之间的最佳平衡来实现。更高的开关频率能带来更平滑的运动控制，但也会导致更高的开关损耗。快速的导通/关断时间能降低开关损耗，但同时会影响 EMI 性能。如果导通/关断时间具有良好可控性且可配置，有助于设计人员在诸多相互制约的因素中找到理想的平衡点。
系统的工作电压是电机驱动器架构的首要决定因素，而功率密度则是关键的性能指标。更高电压的电池通常意味着更高的功率密度。然而，当系统电压超过 60V 时，存在对人体和动物造成伤害的风险。48V 电池系统因其能够兼顾安全性与功率密度而成为主流选择。
为了提升系统功率密度，设计人员需要在高度集成的三相驱动器与使用三个独立半桥驱动器的分布式架构之间做出选择。功率密度也得益于小型化的实现方案。支持 48V 的电机驱动器无需使用外部稳压器或转换器进行电压转换。从实现尺寸来看，将三个栅极驱动器连同诊断功能集成在单一封装内可能是最优解，这是目前最紧凑的方案。与之相对，采用三个独立的半桥驱动器可以在 PCB 板上分散布局，可能实现更灵活的空间利用。这种方式还能使驱动器更靠近对应的 PET，从而减少寄生电感引起的开关损耗。
具有高功率要求的应用需要采用高压系统，这带来了对隔离的严苛要求。通常，这可以通过隔离式栅极驱动器来实现。传统方案采用两侧隔离的芯片，通过光耦实现数据线的信号传输，由外部变压器为两侧提供隔离电源，这种方案整体体积较大。Allegro 的创新技术可以将外部变压器直接集成到封装内部。PWM 信号和电源均通过该变压器传输，不仅实现了空间优化，还减少了外部 DC-DC 匹配的设计工作量。集成的组件同时降低了系统的寄生电感和电容，显著提升了系统效率。
电流感测
电流感测是关节控制中不可或缺的一环。它既是使用 FOC 算法实现高效换相的基础，也用于关节转矩的估算。在低压机器人关节系统中，常用的两种技术是基于磁传感和基于分流电阻的感测方案，它们可被部署在两个主要位置。
01低边感测
低边感测是一种常见的布局方式，传感器在通往接地的低边路径上测量电流。这种传统方法的优势在于工作电压接近于零，无需处理高共模电压抑制问题。其局限在于，信号仅在半桥的低边 FET 导通期间可用，系统需要精确的时序以确保正确采样。此外，高、低占空比运行会受到电流感测放大器带宽的限制。
当使用分流电阻进行低边感测时，电阻值的选取需要在信号强度和功率损耗之间进行权衡。尽管许多电机驱动器集成了电流感测放大器以改善信号匹配度，但电阻固有的功率损耗依然存在。磁传感技术也可用于此场景，但其通常较低的带宽限制了其适用性。磁传感技术的真正优势体现在同相感测中。
同相感测
同相感测是一种更先进、更灵活的方法，它直接在电机的各相上测量电流。这意味着在任何时刻都可以测量电流，与开关状态无关，从而降低了对传感器带宽的要求。然而，使用分流电阻进行同相感测相当复杂且成本高昂，因为它需要具备高共模抑制比且通常要求完全隔离的专用放大器。这正是磁电流传感器大放异彩的领域。
磁电流传感器天生具有电压隔离特性，并提供多种带宽选项以适配不同的系统需求。集成导体式电流传感器具有低阻抗路径，相比基于分流电阻的方案，能有效降低系统损耗。对于高压/大电流系统，磁电流传感器与系统电压完全隔离。不同方案在成本与精度之间的权衡，则取决于采用 C 型磁芯、U 型磁芯还是无磁芯技术。
电源
如上文所述，基于 48V 电池的系统目前最为普遍。尽管如此，给传感器、微控制器和其他低压电路供电时仍需进行电压转换。支持 48V 输入的稳压器和电源管理芯片不仅能完成电压转换，还能监控功耗，并在常规电路出现故障时及时切断系统电源。
关节制动器
一些机器人在关节处设有电磁控制的制动器，以确保机器人在断电或进入故障状态时不会意外移动。这些制动器通常由半桥驱动器控制，根据需要通电或断电。这是一个容易被忽视但却至关重要的功能。体积小巧、性能可靠是实现系统轻松集成的关键。
结论
机器人关节的设计是一个复杂的系统工程，需要全面评估众多相互关联的因素。从传感器和电机驱动器的选型，到系统整体架构的确定，每一个决策都影响着机器人的性能、效率和安全性。随着机器人技术的持续演进，驱动这些精密机器的核心技术也将不断突破。通过深入理解关节各组件的设计权衡与技术考量要素，系统工程师将设计和制造出比以往任何时候都更强大、更可靠、更高效的机器人。
