1、前言

人形机器人，作为人工智能和自动化领域的尖端技术，承载着许多复杂的工程挑战。要实现其自主移动、动态平衡、智能感知等功能，需要融合高级控制算法、传感器集成、实时反馈与调整以及人工智能等技术。而作为实现这些目标的关键，主控芯片的选择起着至关重要的作用。

今天我们将探讨人形机器人面临的技术难点，以及为什么上海先楫半导体 HPM6E00 系列芯片因其体积小、性能强大、丰富的外设功能而成为该领域的理想选择。

2、人形机器人核心技术难点

1）动态平衡与高级控制算法

人形机器人的动态平衡是其能否实现稳定行走、站立、甚至跑步和跳跃的核心技术。为了保持平衡，机器人必须实时采集自身和环境的各种数据，并通过动态平衡算法（如逆运动学、状态反馈控制等）调整各关节的动作。

机器人在不同环境中行走时，其重心会随时变化，如何让机器人在不倒下的同时完成复杂动作是一个极为困难的任务。这涉及到多轴运动控制以及复杂的力学计算，通常需要使用模糊控制、PID控制等方法进行动态实时调整。控制系统的实时性要求极高，每毫秒内都需要快速处理数据并做出调整。

2）传感器集成与实时反馈

为了实现精准控制，人形机器人需要集成大量的传感器，包括惯性测量单元（IMU）、力传感器、位置传感器、加速度计和陀螺仪等。这些传感器的数据需要快速传输到主控芯片，并由芯片通过高级算法进行计算和处理。

实时反馈和调整是人形机器人精确动作控制的关键。传感器采集的数据需以毫秒级的速度传输至主控芯片，随后主控芯片对各个关节电机发出调整指令，确保机器人的动作与外部环境变化保持同步。

3）人工智能与机器学习

为了让机器人在复杂环境中具备自主学习能力，人工智能（AI）和机器学习（ML）算法被广泛应用。通过深度学习和强化学习，机器人可以根据环境变化自我调整并优化行为。这些算法需要芯片具备强大的计算能力，以在极短时间内处理大量数据并做出智能决策。

例如，通过视觉识别和行为预测，机器人可以避开障碍物或与人类进行交互，提升其在复杂场景中的适应性和稳定性。

3、上海先楫半导体 HPM6E00 系列芯片的应用优势

面对人形机器人技术中的诸多挑战，选择一款高性能且功能齐全的主控芯片尤为重要。上海先楫半导体的 HPM6E00 系列芯片凭借其小巧的体积、强大的计算能力和丰富的外设支持，为解决这些难点提供了卓越的解决方案。

1）体积小，BGA封装

HPM6E00 系列芯片采用BGA封装，使其体积小巧、便于集成。人形机器人对硬件体积有严格要求，尤其是为了保持平衡和移动灵活性，系统需要在有限的空间内搭载尽可能多的传感器和功能模块。BGA封装不仅节省了空间，还具有良好的散热性能，有助于确保芯片在高强度运算中保持稳定。

2）丰富的性能支持高级控制算法

HPM6E00 系列芯片内置高性能多核处理器，支持实时处理复杂的运动控制算法。芯片内的PWM（脉宽调制）与硬件电流环控制功能，尤其适用于电机驱动与控制，可以实现机器人关节电机的精确调节。结合ADC（模数转换器），HPM6E00 能够高效采集电机和传感器的反馈数据，并通过硬件电流环实现快速闭环控制。

这种高效的实时控制系统能够迅速响应机器人每个关节的状态变化，确保其在行走、站立、转弯等过程中保持稳定。

3）EtherCAT 接口与 TSN（时间敏感网络）支持

HPM6E00 系列集成了EtherCAT接口，它是一种工业级实时通信协议，广泛应用于机器人和自动化控制中。EtherCAT 提供极低的延迟和高带宽，使机器人能够在毫秒级传输传感器数据和控制指令，确保动作控制的准确性和同步性。

同时，HPM6E00 支持TSN（时间敏感网络），可以为机器人内的多种传感器提供精确的时间同步。在动态平衡控制中，各传感器的数据需要实时同步处理，TSN 能够保证多传感器数据的无缝融合，避免因数据不同步而导致的控制误差。

4）多路 CANFD 接口

为了满足机器人复杂模块之间的通信需求，HPM6E00 系列提供了多路 CANFD 接口，这是一种高速、抗干扰能力强的通信协议。CANFD 支持更高的带宽和数据帧，可以快速、稳定地传输关节控制器、传感器和执行器之间的数据。

在人形机器人中，关节电机、传感器和主控单元之间的数据交换至关重要，CANFD 接口能够确保这些模块间的通信可靠性和实时性。

5）硬件电流环与编码器数据处理

HPM6E00 系列芯片包含：4 个 8 通道增强型 PWM 控制器，PWM 调制精度高达100ps；多种运动传感器接口，包括增量式和绝对值位置传感器接口，旋转变压器解码接口和磁编码器接口；脉冲式位置输出接口和绝对值位置输出接口；包括运动控制单元，空间矢量变换和闭环控制器在内的硬件运动控制环路。      

内置的硬件电流环功能，可以极大提高电机控制的精度和响应速度。在人形机器人中，精确控制电机是确保关节灵活性和动作准确性的基础。通过与编码器的集成，HPM6E00 可以实现对关节位置、速度的高精度监测。

4、总结

人形机器人技术的不断发展依赖于先进的控制算法、传感器集成、动态平衡与实时反馈等技术的突破。而上海先楫半导体 HPM6E00 系列芯片凭借其小巧的设计、丰富的外设功能、高性能处理能力和强大的实时通信能力，为人形机器人行业提供了理想的技术支持。

通过集成 PWM 控制、硬件电流环、EtherCAT、TSN 和多路 CANFD 接口，HPM6E00 系列芯片不仅满足了机器人对精确控制和快速响应的需求，还在复杂的实时反馈系统中展现出卓越的稳定性和性能优势。它无疑将为未来人形机器人技术的发展注入强大动力。

2024年6月27日，上海先楫半导体科技有限公司（先楫半导体，HPMicro）宣布中国首款拥有德国倍福公司（Beckhoff）正式授权 EterhCAT 从站控制器 (ESC: EtherCAT Slave Controller) 的高性能MCU产品——HPM6E00系列全面上市。该系列产品具备高性能运动控制、高实时工业以太网互联的特性、 提供RISC-V 双核，多达3端口的千兆以太网交换机，支持多种工业以太网协议和时间敏感网络 (TSN: Time-Sensitive Networking)，支持32 路高分辨率 PWM 输出、16位ADC、Σ∆ 数字滤波，带有专业的编码器管理模块、灵活的外部总线和敏捷的硬件电流环功能，在高精度运动控制系统中具备得天独厚的优势。先楫半导体HPM6E00系列产品实现了高性能MCU与高实时性、低延时工业以太网的完美结合，能够赋能行业客户在工业自动化领域大展拳脚，实现高性能伺服电机控制、机器人运动控制、数据传输系统和监控系统等多样化应用落地开花。

先楫半导体创始人兼CEO，曾劲涛

“HPM6E00内置德国倍福公司授权的正版EtherCAT 从站控制器 IP，为先楫客户全面排除了IP上的风险。先楫MCU是中国定义、中国设计、中国制造、为中国服务的产品。这款产品填补了国内MCU市场的空白，也标志着我国工业MCU已经达到了国际先进水平。”

先楫半导体执行副总裁 市场销售，陈丹（Danny Chen）

“中国产业升级、 企业出海，在这样的市场发展需求中，我们推出了这款市场期待已久的HPM6E00，它的一大亮点是集成高性能和EtherCAT技术，EtherCAT作为最通用和增长最快的工业实时以太网协议在中国和全球拥有大量的用户，先楫会携手更多合作伙伴一起进行资源共享、方案共创和技术创新等合作。”

EtherCAT技术协会（ETG）全球执行董事和主席，Martin Rostan

“EtherCAT Technology Group has more than 7700 member companies from 75 countries. We're also the fastest growing organization in the world with more than 500 new members in the last 12 months.”

广州致远电子股份有限公司董事长兼总经理，周立功

“这是一款市场上呼唤已久的产品，我们期待HPM6E00这款高性能微控制器能够尽快在各个领域应用落地，大放异彩。”

深圳市三旺通信股份有限公司联合创始人，吴健

 “三旺通信在工业领域已深耕20余年，我们深刻感知这款产品的发布在工业互联网时代的意义。”

深圳显控科技股份有限公司董事长，宋斌

“我们之前就有跟先楫合作，先楫的产品性能及稳定性非常不错。从前年开始我们就在找国内具备高主频、高算力、带EtherCAT接口的芯片，先楫HPM6E00产品刚好满足需求，帮助我们快速的推出产品。祝贺先楫产品成功上市，给工业市场创造更好的选择。”

产品性能

主频 600 MHz，RISC-V 双核， 片上内存可达 2 MB。

实时以太网系统：

• 千兆以太网交换机，支持多达 3 个外部端口和 1 个内部端口，支持时间敏感网络。

• EtherCAT 从站控制器，支持多达 3 个端口。

增强运动控制系统：

• 4 个 8 通道增强型 PWM 控制器，PWM 调制精度高达 100ps。

• 多种运动传感器接口，包括增量式和绝对值位置传感器接口，旋转变压器接口和磁编码器接口。

• 脉冲式位置输出接口和绝对值位置输出接口。

• 运动和位置控制单元。

• 硬件空间矢量变换和闭环控制单元。

• 可编程逻辑单元 PLB。

电源系统：

• 集成高效率 DCDC 转换器和 LDO, 支持系统单电源供电，可动态调节输出电压实现性能-功耗平衡，兼顾了电源的灵活性，易用性和效率。

• 多电源域设计，灵活支持各种低功耗模式。

• 超低功耗待机。

丰富外设：

• 多种通讯接口：1 个内置 PHY 的高速 USB，多达 8路 CAN/CAN-FD，以及丰富的 UART、SPI、I2C 等外设。

• Σ∆ 数字滤波 SDM，包含 SINC 数字滤波器，可外接Σ∆ 调制器。

• 4 个 2MSPS 16 位高精度 ADC，配置为 12 位精度时转换率可达 4MSPS，多达 32 个模拟输入通道；8 个模拟比较器。

• 多达 20 路 32 位定时器，5 个看门狗和 RTC。

• 2 个 8 通道 I2S 和数字麦克风。

应用分享

应用分享一：驱控一体多轴伺服驱动器

Samkoon M9是一款模块化可扩展EtherCAT总线伺服驱动器，整流模块支持3-5KW，逆变模块支持400W-750W单双轴以及1500W单轴输出，支持内置抱闸继电器，支持TYPE-C USB调试接口，配合上位机可以实现伺服参数的快速导出导入及曲线波形监视。M9系列伺服以完全国产自主的RISC-V内核的HPM6E80处理器为主控芯片，HPM6E80为双核处理器，每个核主频高达 600MHZ，具有丰富的外设，采用单颗芯片方案即可实现EtherCAT总线伺服系统的应用。

方案优势：

模块化设计，可扩展EtherCAT总线PLC及总线模块。

逆变轴共母线，能量回馈与能量消耗形成动态平衡，节省电能。

体积小,功率密度高，4轴节省25%空间，6轴节省35%空间。

内置MOS控制抱闸通断，抱闸接线更简单。

优化硬件设计，多轴伺服漏电流小。

可搭配EtherCAT总线PLC模块，多轴驱动和驱控一体同时覆盖。

EtherCAT采用单芯片实现，稳定性更好，成本更优。

电流环刷新频率64KHZ，速度环带宽3.1KHZ。

合作伙伴：深圳显控科技股份有限公司

应用分享二：多轴伺服驱动方案

NT6E80是由劲臣电子精心打造的一款高性能多轴伺服驱动方案，核心搭载了国产自主研发的先楫HPM6E80 RISC-V双核处理器，性能强劲，能够无缝支持伺服系统控制、远程IO管理及工业以太网网关等多种应用场景，展现了卓越的兼容性和灵活性。该产品设计精巧，配备1个输入与2个输出的EtherCAT端口，轻松驾驭4轴电机的同时，还内置了8通道数字输入，以满足多样化控制需求。为进一步适应复杂的工业现场，南天NT6E80还配备了CAN总线、RS485通讯以及IO-Link接口，确保了广泛的设备互连性。此外，提供的一路千兆以太网接口，为上位机通讯提供了高速通道，强化了系统的数据交互能力。

NT6E80专为严苛工业环境设计，在关键功能上实施了隔离保护措施并全面采用了高标准工业级元器件，确保了主板的可靠性和耐用性，是现代智能制造领域中不可或缺的高性能驱动解决方案。

合作伙伴：上海劲臣电子科技有限公司

应用分享三：交流伺服驱动平台

QM7E系列伺服采用先楫高性能HM6E00芯片，结合先进伺服软件算法，具备参数自整定、伺服单参数调整、共振抑制等功能，具备高性价比、高性能、高可靠性，调试简单易调整等特点。可以适配多种编码器协议，例如NRZ协议，BISS-c协议，QMA（莫森自有）协议等，支持17/23/25/26位分辨率编码器。基于其优异的性能指标和高可靠性设计，可应用于包括但不限于雕铣雕刻，激光切割，印刷包装，纺织机械，3C制造，机床，机械手机器人等行业。

方案特点：

速度控制范围：1：5000 r/min

速度环响应频率：3k Hz

速度波动：≤ 0.1％

转矩波动: ≤ 2%

合作伙伴：沈阳莫森软件有限公司

HPM6E00开发板

HPM6E00开发板现已全面开售，在先楫半导体官网可购买，售价￥498。

HPM6E00EVK提供双百兆网口，实现ESC功能，RGMII千兆网口，CAN接口，音频接口，sigma-detal 转换接口，HS USB接口以及标准的电机接口可以适配先楫的电机驱动板。同时HPM6E00EVK的FEMC/PPI插槽，方便用户实现各类总线接口，并默认提供FEMC/PPI子板，可以实现SDRAM和并口的ADC采样功能。此外，还提供树莓派接口以及板载的调试接口可以方便用户进行调试，同时也提供标准的JTAG接口供用户选择。

先楫HPM6E00 EVK 开发板，官方购买链接：