工业机器人的控制器设计正迎来技术变革：挑战、方案及趋势

芝能智芯出品

工业机器人和控制器的设计是工业自动化领域的核心课题，发展受到系统复杂性、通信效率、成本控制以及可持续性需求的深刻影响。作为芯片设计领域的领军企业，当前工业系统设计中的关键挑战与趋势。

我们从功能整合、通信优化和时间敏感网络（TSN）应用的角度，探讨如何简化设计流程、提升系统性能并满足未来智能工厂的需求。在保持高性能与可靠性的同时，降低复杂性和成本，并推动绿色可持续发展，是工业设计的重要方向。

工业机器人和控制器的设计需要应对多重技术难题，这些挑战源于系统架构的复杂性、通信标准的多样性以及硬件开发的现实约束，从实际应用场景出发，剖析这些挑战并提出切实可行的解决方案。

现代工业系统通常依赖多个芯片组件，例如微处理器（MPU）、微控制器（MCU）和现场可编程门阵列（FPGA），以满足高性能计算和实时控制的需求。

然而，这种多芯片架构显著增加了设计的复杂性。每个组件都需要独立的开发、测试和集成流程，导致开发周期延长。

此外，多芯片系统在电路板布局、功耗管理和散热设计上也面临更多限制，整体系统的可靠性因此受到威胁。例如，一个典型的工业机器人可能需要单独的芯片处理运动控制、数据处理和通信任务，增加了硬件设计的难度，还提高了出错的可能性。

工业自动化依赖设备间的高效通信，但不同的工业以太网标准（如EtherCAT、PROFINET和EtherNet/IP）以及接口规范的差异，阻碍了组件间的无缝协作。

在多厂商环境下，设备可能采用不同的通信协议，迫使工程师开发定制化的接口或协议转换模块。

这种额外的开发工作不仅增加了时间成本，还可能引入潜在的兼容性问题，支持EtherCAT的控制器可能无法直接与使用PROFINET的传感器通信，这种通信壁垒限制了系统的灵活性和扩展性。

为满足特定工业应用的性能需求，定制芯片成为许多系统的选择。然而，定制芯片的生产面临交货周期长、供应链协调复杂和高成本的挑战。

专业封装的开发需要与供应商密切合作，任何环节的延误都可能导致项目进度受阻，定制芯片的高昂开发费用对中小型企业构成显著的经济压力，使得这一方案的普及受到限制。

工业系统设计需要在功率、性能和面积（PPA）之间找到最佳平衡点。高性能往往伴随着高功耗和更大的芯片面积，而低功耗设计可能牺牲计算能力或控制精度。

高性能的工业机器人控制器可能需要强大的处理能力来实现多轴同步控制，但随之而来的功耗增加会提高运行成本和散热需求，工业设备通常要求紧凑的设计，芯片面积的限制进一步加剧了设计的难度。

优化工业机器人和控制器的设计，将多种功能整合到单一芯片中是降低复杂性和成本的有效途径。通过高集成度的芯片解决方案，系统所需的组件数量大幅减少，从而简化硬件设计并降低物料清单（BOM）成本。

开发的高性能MPU能够同时处理实时控制、应用程序运算和外设管理，支持多轴电机控制和多种通信协议。这种单芯片架构不仅减少了对额外芯片的需求，还通过专用外设提升了系统的效率和可靠性。

为解决通信标准的多样性问题，芯片设计支持多种工业以太网协议，并兼容时间敏感网络（TSN）。TSN技术通过在标准以太网上实现实时、确定性的数据传输，确保设备间的高同步性和低延迟通信。

这种多协议支持使得系统能够无缝集成不同供应商的设备，提升了互操作性和设计灵活性。例如，一个支持TSN的控制器可以同时与EtherCAT和PROFINET设备通信，消除了传统设计中的通信障碍。

软件工具在现代工业设计中扮演着越来越重要的角色。提供的灵活软件包和预测试协议，能够加速系统开发并减少集成错误。例如，通过通用软件平台，工程师可以重用代码和框架，快速完成从硬件到软件的迁移。

这种方法特别适用于将传统FPGA方案升级为以软件为核心的架构，不仅缩短了开发周期，还提高了系统的可维护性。

时间敏感网络（TSN）作为工业自动化的关键技术，正在重塑工业机器人和控制器的设计格局，TSN不仅提升了系统的实时性和互操作性，还为可持续发展和智能化趋势提供了技术支撑。

在工厂自动化中，设备间的实时同步是确保生产效率和精度的基础。TSN通过时间同步和流量调度技术，在标准以太网上实现了确定性通信，消除了传统网络中的延迟和抖动问题。

这对于需要高精度控制的工业机器人尤为关键。例如，在多轴机器人系统中，各轴的运动必须精确协调，TSN能够将同步精度提升至微秒级，从而避免生产中的偏差或故障。

支持TSN和多种工业以太网标准的芯片设计显著提升了系统的互操作性。制造商可以灵活集成不同供应商的设备，而无需担心协议兼容性问题。这种能力降低了系统集成的复杂性，并为企业提供了更大的选择空间。例如，一个基于TSN的控制器可以同时连接来自不同厂商的传感器、执行器和PLC，形成一个高度协同的自动化网络。

可持续性是工业设计的重要趋势。TSN支持的精确电机控制能够优化能源使用，在保证性能的同时降低功耗。此外，功能整合减少了硬件组件的数量，从而降低了材料消耗和电子垃圾的产生。一个高集成度的芯片可以替代多个传统组件，不仅节约资源，还延长了系统的使用寿命，符合全球环保标准。

工业机器人和控制器的设计将更加模块化和智能化。模块化架构将允许制造商根据具体需求定制系统，提升灵活性和可扩展性。同时，TSN技术的持续演进将支持更复杂的实时通信需求，确保系统与下一代智能工厂设备的兼容性。

此外，人工智能和机器学习的引入将赋予工业系统更高的自主性，例如通过预测性维护优化运行效率，或通过自适应算法提升生产灵活性。未来的工业系统将在智能化、网络化和绿色化的方向上迈出更大步伐。

工业机器人和控制器的设计正迎来技术革新的浪潮，复杂性、成本和可持续性的挑战推动着行业不断探索新路径，通过功能整合、通信优化和TSN技术的应用，为简化设计、提升效率和满足未来需求提供了创新解决方案。