【導(dǎo)讀】電機(jī)控制系統(tǒng)正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)：既要滿足人形機(jī)器人對(duì)高扭矩、低噪聲及多自由度精密控制的嚴(yán)苛要求，又要適應(yīng)智能家居對(duì)能效、靜音及自適應(yīng)性能的期待。傳統(tǒng)依賴(lài)多個(gè)微控制器和分立式元件的設(shè)計(jì)方案，往往因成本高、功耗大且系統(tǒng)復(fù)雜而難以承載日益增長(zhǎng)的邊緣 AI 需求。德州儀器（TI）推出的 AM13E230x 系列 MCU 應(yīng)運(yùn)而生，它創(chuàng)新性地在單芯片中融合了高性能 Arm? Cortex?-M33 CPU 與專(zhuān)用的 TI TinyEngine? NPU。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員可以使用高度集成的 MCU，如 AM13E230x 系列（包括 AM13E23019），該系列配有用于邊緣 AI 的硬件加速器。該系列 MCU 采用高性能 Arm Cortex?M33 內(nèi)核，并集成了 TinyEngine NPU，可為工程師提供一個(gè)單芯片平臺(tái)，助力實(shí)現(xiàn)精密電機(jī)控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控和本地 AI 推理。

這種集成度可將邊緣 AI 功能引入到更多電機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性故障檢測(cè)、自適應(yīng)控制算法、異常檢測(cè)和智能負(fù)載均衡等功能，而在傳統(tǒng)方法中，成本、尺寸和功耗方面的考量限制了邊緣 AI 在這些領(lǐng)域中的應(yīng)用。TI 免費(fèi)的 CCStudio? Edge AI Studio 作為一套旨在加速邊緣 AI 開(kāi)發(fā)的圖形和命令行工具，也為該系列 MCU 提供支持。

本文探討了 AM13E230x MCU 如何幫助設(shè)計(jì)人員解決人形機(jī)器人執(zhí)行器和智能家用電器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)難題。

人形機(jī)器人：執(zhí)行器

人形機(jī)器人通過(guò)執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)操縱和移動(dòng)，可同時(shí)在多個(gè)自由度上運(yùn)行。此外，高扭矩快速啟動(dòng)（例如，電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)產(chǎn)生大扭矩的能力）需要保持低噪聲運(yùn)行才能實(shí)現(xiàn)出色性能。

本地運(yùn)行的邊緣 AI 模型可以檢測(cè)電機(jī)何時(shí)在最大水平以上運(yùn)行并防止長(zhǎng)期損壞，從而延長(zhǎng)電機(jī)壽命。因此，這些模型可以直接幫助實(shí)現(xiàn)具有寬運(yùn)動(dòng)范圍和多自由度的類(lèi)人關(guān)節(jié)和手指。圖 1 展示了典型人形機(jī)器人手部、手臂和肩部中的電機(jī)數(shù)量。

圖 1 簡(jiǎn)化圖顯示了人形機(jī)器人手部、手臂和肩部中可能存在的電機(jī)分布情況

AM13E230x MCU 中的邊緣 AI 功能在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)應(yīng)用中具有延長(zhǎng)電機(jī)壽命和提供保護(hù)的優(yōu)勢(shì)。本地 AI 模型能夠主動(dòng)監(jiān)測(cè)扭矩、負(fù)載和電流等電機(jī)參數(shù)，從而檢測(cè)到電機(jī)何時(shí)運(yùn)行異常，并及早通知潛在問(wèn)題。

此外，該系列 MCU 專(zhuān)為人形機(jī)器人應(yīng)用而設(shè)計(jì)。在這些應(yīng)用中，成本、緊湊性和精密電機(jī)控制是主要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。通過(guò)使用集成了可編程增益放大器的器件，而不是使用分立式 CAN 和 IGBT 外設(shè)（通常與 MCU 配合使用），設(shè)計(jì)人員可以降低物料清單成本并減少外部元件數(shù)量。對(duì)于在系統(tǒng)層面不要求高精度的應(yīng)用而言，這可以提供更緊湊、更具成本效益的解決方案。AM13E230x MCU 具有 7 × 7mm2 的封裝尺寸，因此可實(shí)現(xiàn)更大的運(yùn)動(dòng)范圍，同時(shí)還能解決人形機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)中的空間限制問(wèn)題。

洗衣機(jī)中支持邊緣 AI 的電機(jī)控制

隨著智能家居應(yīng)用的加速發(fā)展，消費(fèi)者現(xiàn)在希望電器能夠更安靜、更高效且更靈敏地運(yùn)行。AM13E230x MCU 使設(shè)計(jì)人員能夠更輕松地滿足終端用戶對(duì)安靜、快速和可靠運(yùn)行的需求，同時(shí)提供工具幫助構(gòu)建可適應(yīng)實(shí)際使用情況的智能電器。

工程師可以使用 AM13E230x MCU 來(lái)優(yōu)化洗衣機(jī)電機(jī)控制設(shè)計(jì)——通過(guò)運(yùn)行 AI 模型持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)負(fù)載，并根據(jù)衣物重量自動(dòng)調(diào)整扭矩和速度曲線，從而防止電機(jī)應(yīng)變。圖 2 展示了使用 AM13E230x MCU 的洗衣機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方框圖。

圖 2 洗衣機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方框圖

NPU 可分擔(dān)主 CPU 中的電機(jī)控制算法，從而降低了系統(tǒng)延遲和功耗，無(wú)需額外的分立式元件即可改善電機(jī)控制。

優(yōu)化新一代設(shè)計(jì)中的電機(jī)控制

支持邊緣 AI 的 MCU 通過(guò)在電機(jī)層面直接集成智能處理，正在改變各種應(yīng)用中的電機(jī)控制。通過(guò)將高性能處理與神經(jīng)處理能力相結(jié)合，這些解決方案能夠在單芯片實(shí)現(xiàn)方案中實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)、自適應(yīng)控制和精密電機(jī)管理。隨著從人形機(jī)器人到智能電器的應(yīng)用不斷發(fā)展，在實(shí)時(shí)電機(jī)控制 MCU 中集成邊緣 AI 為各行業(yè)打造更高效、更可靠和更智能的系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

AM13E230x MCU 憑借其獨(dú)特的“CPU+NPU”單芯片架構(gòu)，成功克服了傳統(tǒng)電機(jī)控制在成本、尺寸和功耗上的瓶頸，成為推動(dòng)邊緣 AI 在實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域落地的關(guān)鍵引擎。無(wú)論是在需要極致精密與長(zhǎng)壽命的人形機(jī)器人執(zhí)行器中，還是在追求智能負(fù)載適配與靜音運(yùn)行的洗衣機(jī)等家用電器里，該系列器件都能通過(guò)本地 AI 推理實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的參數(shù)監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而顯著降低停機(jī)時(shí)間并提升系統(tǒng)可靠性。