根據國際機器人聯合會（IFR）發布的《世界機器人報告》，目前全球約有428萬臺機器人在各類工廠中為我們“打工”，而且隨著智能制造的發展，這個數據還在不斷地攀升。

回顧歷史，工業機器人的發展經歷了三次浪潮。第一次浪潮催生了我們極為熟悉的傳統的“重型”工業機器人，它們都是一些體型龐大、具有多個旋轉關節或轉軸的機械臂，被部署在生產線上，完成焊接、噴漆、裝配等人類力所不及或危險的“重體力”勞動，大大提升了生產效率。

工業機器人的第二次浪潮是伴隨著協作機器人的發展而興起的。與傳統的工業機器人不同，協作機器人雖然大都也是機械臂的形態，但體型較小，具有一定的自主行為和協作能力，可在非結構化的環境中與人配合完成復雜的任務。它們適用范圍廣泛，便于靈活調配和作業，可實現一種兼具效率和靈活性的創新生產模式。因此在過去十年間，協作機器人成為了工業機器人中發展勢頭更為強勁的一個品類。

目前，我們正在迎來工業機器人發展的第三次浪潮，主導這新一波浪潮的是“人形機器人”。作為具有類似人類身體結構的機器人“新物種”，人形機器人通過仿效人類的姿態和活動，可實現更為自然的人機交互。雖然對于人形機器人及其應用的定義還在探索中，但其發展無疑會開拓出機器人在工業領域應用的新疆界。

值得一提的是，上述各類工業機器人之間并非彼此替代，而是相互補充，讓機器人滲透進入越來越多的工業場景。

面向工業機器人的電機控制挑戰

工業機器人市場的持續升溫，勢必也會拉動相關賦能技術的發展。精密的運動控制，就是其中關鍵的技術之一。

從本質上來講，所有工業機器人的運動，都是由電機的直接驅動轉化而來的。因此電機控制也就成了決定機器人是否能夠按照預定程序，或者通過自主學習和判斷，完成行動和任務的關鍵。

所謂電機控制，就是通過測量電機中電流值、轉子位置等參數，計算其與所需設定值之間的偏差，并據此調節電機速度、扭矩和轉子位置，以達到精確控制的過程。具體到工業機器人中，想要讓其行動達到擬人甚至超越人類的效果，其任何一個“關節”的動作，都需要一個或多個電機精準協同工作才能完成。因此電機控制也是工業機器人開發中，尤為重要的一塊技術基石。

當然，與更高性能訴求相關聯的，肯定是更大的設計挑戰。歸納起來，想要驅動今天或未來的工業機器人，在電機控制方面面臨的挑戰主要包括以下這些方面：

高精度與低時延

工業機器人需實現極為精密的運動控制及快速的響應能力，以應對工業現場嚴格的操作要求。這就需要電機控制技術在算力、算法、信號鏈和電源管理等方面不斷地優化。

模塊化設計

模塊化已經成為當今工業機器人設計的一個主流趨勢。以協作機器人為例，其會在一個關節中整合電機、伺服驅動、諧波減速器、電機端編碼器、關節端位置傳感器和力矩傳感器等完整的系統，這對于提升方案的多場景適應性以及降低系統成本，都大有裨益。當然，高集成度的模塊化設計，也會在電機控制的小型化設計上帶來不小的挑戰。

能效優化

據估算，全球工業用電的70%與電機系統相關，因此提升電機控制和驅動的效率、降低能耗也是機器人電機控制的一個關鍵指標。高能效的計算和高效率的電源管理，是實現這一目標的兩個關鍵抓手。

工業連接與安全

工業物聯網的發展，使得機器人“身上”的電機不再是一個個孤立的部件，而是需要通過現場總線、工業以太網或是無線技術，與智能制造系統連接為一個整體。同時，信息安全和功能安全，也是確保工業機器人可靠工作必不可少的技術要素。這也就意味著，在開發工業機器人電機控制系統時，也需要考慮上述連接和安全功能的集成。

面對多維度的設計要求， 加之工業應用日趨多樣化的應用場景，在設計工業機器人的運動控制系統時，擁有一款性能優異、功能全面、容易上手的電機控制開發平臺，就顯得十分必要了。

Kria KD240驅動器入門套件

AMD推出的Kria KD240驅動器入門套件就是能夠滿足工業機器人這一設計要求的一款端到端的電機控制開發解決方案。

從外觀架構上看，Kria KD240驅動器入門套件非常簡潔，僅包括K24 SOM和載板兩個部分，但其中卻囊括了高性能電機控制開發所需的完整資源，其“技術內核”并不簡單。

下面我們就從四個層面，對Kria KD240驅動器入門套件進行一次全面的解析。

01理想的算力平臺

Kria KD240驅動器開發套件的核心，是AMD的Zynq UltraScale+ MPSoC，這是一款集成了嵌入式處理器和可編程邏輯的異構器件，即FPGA SoC，在電機控制方面可以說是一種理想的算力平臺。具體來講，其優勢體現在以下幾個方面：

提升能效：FPGA SoC靈活的架構，使其可以支持優化的特定算法，并實現實時的精確控制，讓電機以更高效率的方式運轉，減少無謂的電流消耗，提升電機控制系統的能效。

降低故障率：FPGA SoC可用于預測性維護，即通過電機繞組連續獲取轉子的電流測量值并實時處理相關數據，以檢測轉子是否處于正常狀態，或判斷電機是否存在其他問題，以消除故障隱患。

減少EMI：FPGA靈活的硬件可編程邏輯，有助于通過內建的脈寬調制（PWM）來調制電壓并減少電磁干擾（EMI），以降低EMI噪聲。這對于復雜的工業環境應用十分必要。

02小而強的K24 SOM

基于Zynq UltraScale+ MPSoC，AMD開發出了K24 SOM——這也是Kria KD240驅動器開發套件中的核心模塊。這一SOM對Zynq UltraScale+ MPSoC的硬件進行抽象，有助于開發者從更高層次的板級設計入手，而無需從復雜的芯片級開發起步，令整個電機控制的開發過程大為簡化。

K24 SOM的外形極為緊湊，只有信用卡的一半大小，但卻“內有乾坤”。其針對高能效電機控制和DSP應用進行了優化，延遲更低，確定性強。同時，它提供了132個I/O可供使用，可連接多達三個帶編碼器的中型BLDC電機，提供4個1G以太網（2個PS GEM、2個PL GEM）并支持TSN網絡。此外，它還可以通過Zynq UltraScale+ MPSoC的硬件信任根和分立式TPM 2.0器件提供增強的安全功能，并具有適應惡劣環境的魯棒性，十分適合于各類工業應用。

03資源豐富的載板

觀察Kria KD240驅動器開發套件，與K24 SOM相連的就是載板。載板包含一個電源解決方案、三個網絡接口、一個microSD卡、一個三相電源逆變器和多個模數轉換器通道，提供了豐富的板載資源和可擴展性，與K24 SOM一起，再加上散熱裝置，就構成了一個完整的驅動器開發硬件平臺。

具體來講，Kria KD240驅動器開發套件載板具有以下幾個為電機控制而優化的特性：

包括1個三相逆變器和正交編碼器，以及制動控制、扭矩傳感器接口，有利于驅動應用的開發。

支持PMOD擴展，可充分利用PMOD生態系統，在方案中整合各種兼容傳感器組件。

提供豐富的網絡及通用連接，包括3個1Gb以太網（1個PS、2個支持PLTSN的以太網）、CAN、RS-485、USB 3.0（2端口集線器）、USB 2.0等。

04完備的軟件生態

不過，想要打造一個開箱即用的開發平臺，僅有硬件是不夠的，還要有完備的軟件生態的支撐，以便讓沒有FPGA專業知識的嵌入式軟件和控制系統工程師，也能夠快速上手進行應用開發，更大限度地降低電機控制開發的技術門檻。

得益于AMD在軟件生態方面多年的深耕，Kria KD240開發套件支持多種開發環境（包括Python、MATLAB Simulink環境等），并提供預置的加速應用；其支持Ubuntu和基于PYNQ的開發流程，為開發者帶來更大的靈活性；同時，開發者還可通過Kria應用商店提供的各種資源，加速應用程序的開發，并不斷從相關開發生態中獲益。

本文小結

總之，從性能優異的FPGA SoC器件，到“濃縮精華”的K24 SOM，再到資源豐富的載板，以及完善的軟件生態，Kria KD240開發套件驅動器入門套件在不同層面上，整合了AMD的先進技術資源，為工業機器人以及更為廣泛的電機控制應用開發，提供了一個開箱即用的技術平臺。