新火種
2025-04-08 
工業機器人的控制器設計迎來技術變革：挑戰、方案及趨勢
芝能智芯出品
工業機器人和控制器的設計是工業自動化領域的核心課題，發展受到系統復雜性、通信效率、成本控制以及可持續性需求的深刻影響。作為芯片設計領域的領軍企業，當前工業系統設計中的關鍵挑戰與趨勢。
我們從功能整合、通信優化和時間敏感網絡（TSN）應用的角度，探討如何簡化設計流程、提升系統性能并滿足未來智能工廠的需求。在保持高性能與可靠性的同時，降低復雜性和成本，并推動綠色可持續發展，是工業設計的重要方向。
Part 1
設計挑戰與解決方案
工業機器人和控制器的設計需要應對多重技術難題，這些挑戰源于系統架構的復雜性、通信標準的多樣性以及硬件開發的現實約束，從實際應用場景出發，剖析這些挑戰并提出切實可行的解決方案。
現代工業系統通常依賴多個芯片組件，例如微處理器（MPU）、微控制器（MCU）和現場可編程門陣列（FPGA），以滿足高性能計算和實時控制的需求。
然而，這種多芯片架構顯著增加了設計的復雜性。每個組件都需要獨立的開發、測試和集成流程，導致開發周期延長。
此外，多芯片系統在電路板布局、功耗管理和散熱設計上也面臨更多限制，整體系統的可靠性因此受到威脅。例如，一個典型的工業機器人可能需要單獨的芯片處理運動控制、數據處理和通信任務，增加了硬件設計的難度，還提高了出錯的可能性。
工業自動化依賴設備間的高效通信，但不同的工業以太網標準（如EtherCAT、PROFINET和EtherNet/IP）以及接口規范的差異，阻礙了組件間的無縫協作。
在多廠商環境下，設備可能采用不同的通信協議，迫使工程師開發定制化的接口或協議轉換模塊。
這種額外的開發工作不僅增加了時間成本，還可能引入潛在的兼容性問題，支持EtherCAT的控制器可能無法直接與使用PROFINET的傳感器通信，這種通信壁壘限制了系統的靈活性和擴展性。
為滿足特定工業應用的性能需求，定制芯片成為許多系統的選擇。然而，定制芯片的生產面臨交貨周期長、供應鏈協調復雜和高成本的挑戰。
專業封裝的開發需要與供應商密切合作，任何環節的延誤都可能導致項目進度受阻，定制芯片的高昂開發費用對中小型企業構成顯著的經濟壓力，使得這一方案的普及受到限制。
工業系統設計需要在功率、性能和面積（PPA）之間找到最佳平衡點。高性能往往伴隨著高功耗和更大的芯片面積，而低功耗設計可能犧牲計算能力或控制精度。
高性能的工業機器人控制器可能需要強大的處理能力來實現多軸同步控制，但隨之而來的功耗增加會提高運行成本和散熱需求，工業設備通常要求緊湊的設計，芯片面積的限制進一步加劇了設計的難度。
優化工業機器人和控制器的設計，將多種功能整合到單一芯片中是降低復雜性和成本的有效途徑。通過高集成度的芯片解決方案，系統所需的組件數量大幅減少，從而簡化硬件設計并降低物料清單（BOM）成本。
開發的高性能MPU能夠同時處理實時控制、應用程序運算和外設管理，支持多軸電機控制和多種通信協議。這種單芯片架構不僅減少了對額外芯片的需求，還通過專用外設提升了系統的效率和可靠性。
為解決通信標準的多樣性問題，芯片設計支持多種工業以太網協議，并兼容時間敏感網絡（TSN）。TSN技術通過在標準以太網上實現實時、確定性的數據傳輸，確保設備間的高同步性和低延遲通信。
這種多協議支持使得系統能夠無縫集成不同供應商的設備，提升了互操作性和設計靈活性。例如，一個支持TSN的控制器可以同時與EtherCAT和PROFINET設備通信，消除了傳統設計中的通信障礙。
軟件工具在現代工業設計中扮演著越來越重要的角色。提供的靈活軟件包和預測試協議，能夠加速系統開發并減少集成錯誤。例如，通過通用軟件平臺，工程師可以重用代碼和框架，快速完成從硬件到軟件的遷移。
這種方法特別適用于將傳統FPGA方案升級為以軟件為核心的架構，不僅縮短了開發周期，還提高了系統的可維護性。
Part 2
TSN的作用與未來趨勢
時間敏感網絡（TSN）作為工業自動化的關鍵技術，正在重塑工業機器人和控制器的設計格局，TSN不僅提升了系統的實時性和互操作性，還為可持續發展和智能化趨勢提供了技術支撐。
在工廠自動化中，設備間的實時同步是確保生產效率和精度的基礎。TSN通過時間同步和流量調度技術，在標準以太網上實現了確定性通信，消除了傳統網絡中的延遲和抖動問題。
這對于需要高精度控制的工業機器人尤為關鍵。例如，在多軸機器人系統中，各軸的運動必須精確協調，TSN能夠將同步精度提升至微秒級，從而避免生產中的偏差或故障。
支持TSN和多種工業以太網標準的芯片設計顯著提升了系統的互操作性。制造商可以靈活集成不同供應商的設備，而無需擔心協議兼容性問題。這種能力降低了系統集成的復雜性，并為企業提供了更大的選擇空間。例如，一個基于TSN的控制器可以同時連接來自不同廠商的傳感器、執行器和PLC，形成一個高度協同的自動化網絡。
可持續性是工業設計的重要趨勢。TSN支持的精確電機控制能夠優化能源使用，在保證性能的同時降低功耗。此外，功能整合減少了硬件組件的數量，從而降低了材料消耗和電子垃圾的產生。一個高集成度的芯片可以替代多個傳統組件，不僅節約資源，還延長了系統的使用壽命，符合全球環保標準。
工業機器人和控制器的設計將更加模塊化和智能化。模塊化架構將允許制造商根據具體需求定制系統，提升靈活性和可擴展性。同時，TSN技術的持續演進將支持更復雜的實時通信需求，確保系統與下一代智能工廠設備的兼容性。
此外，人工智能和機器學習的引入將賦予工業系統更高的自主性，例如通過預測性維護優化運行效率，或通過自適應算法提升生產靈活性。未來的工業系統將在智能化、網絡化和綠色化的方向上邁出更大步伐。
小結
工業機器人和控制器的設計正迎來技術革新的浪潮，復雜性、成本和可持續性的挑戰推動著行業不斷探索新路徑，通過功能整合、通信優化和TSN技術的應用，為簡化設計、提升效率和滿足未來需求提供了創新解決方案。
原文標題:工業機器人的控制器設計正迎來技術變革：挑戰、方案及趨勢
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