在機(jī)器人技術(shù)迅猛發(fā)展的當(dāng)下，控制芯片作為機(jī)器人系統(tǒng)的核心大腦，需同時(shí)具備微控制器（MCU）的通用計(jì)算能力和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的高效信號(hào)處理能力，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制、高精度感知、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)和嚴(yán)格功能安全的多樣化需求。珠海極海半導(dǎo)體推出的G32R501芯片，基于Arm Cortex-M52雙核架構(gòu)，融合了MCU的邏輯控制和DSP的實(shí)時(shí)信號(hào)處理功能，通過其獨(dú)特的“兩大腦+兩小腦”設(shè)計(jì)、高安全機(jī)制和硬件加速能力，為機(jī)器人控制系統(tǒng)提供了卓越的性能和可靠性。2025年5月12日，第十五屆松山湖中國(guó)IC創(chuàng)新高峰論壇在東莞市松山湖凱悅酒店盛大召開，匯聚了眾多集成電路領(lǐng)域的專家與企業(yè)代表，共同探討中國(guó)IC產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新路徑。珠海極海半導(dǎo)體實(shí)時(shí)控制產(chǎn)品線高級(jí)經(jīng)理盧鵬升先生受邀發(fā)表演講，主題為《G32R501：高性能、高安全的機(jī)器人MCU/DSP》。他詳細(xì)介紹了G32R501的突破性設(shè)計(jì)，展現(xiàn)了極海半導(dǎo)體在高端機(jī)器人控制領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

G32R501：機(jī)器人控制系統(tǒng)的技術(shù)核心

現(xiàn)代機(jī)器人控制系統(tǒng)面臨著高爆發(fā)力、高動(dòng)態(tài)性、高精度和高安全性的四大挑戰(zhàn)。高爆發(fā)力要求芯片運(yùn)行復(fù)雜控制算法并瞬時(shí)輸出大功率；高動(dòng)態(tài)性要求快速響應(yīng)變化的控制任務(wù)；高精度要求精確感知和執(zhí)行；高安全性則需確保系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的可靠運(yùn)行。G32R501作為一款專為實(shí)時(shí)控制設(shè)計(jì)的芯片，通過其“兩大腦+兩小腦”雙核架構(gòu)、紫電數(shù)學(xué)指令擴(kuò)展單元和高安全機(jī)制，完美應(yīng)對(duì)這些需求，成為機(jī)器人控制領(lǐng)域的技術(shù)標(biāo)桿。

G32R501采用Arm Cortex-M52雙核架構(gòu)，結(jié)合極海自研的紫電數(shù)學(xué)指令擴(kuò)展單元，實(shí)現(xiàn)了高效的并行處理能力。其核心設(shè)計(jì)理念是“兩大腦+兩小腦”，其中“兩大腦”指雙核處理器，一個(gè)核專注于電機(jī)控制，確保實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性；另一個(gè)核負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、故障診斷和系統(tǒng)監(jiān)控，提升系統(tǒng)靈活性?！皟尚∧X”則是指兩個(gè)專用運(yùn)算單元，針對(duì)電機(jī)和電源控制算法進(jìn)行了深度優(yōu)化，能夠在單周期或雙周期內(nèi)完成復(fù)雜運(yùn)算，相較傳統(tǒng)單核架構(gòu)效率大幅提升。盧鵬升強(qiáng)調(diào)，這一架構(gòu)基于客戶需求，綜合考慮了性能、工作溫度、可靠性和成本，能夠適配汽車底盤125℃或機(jī)器人控制系統(tǒng)105℃以上的苛刻環(huán)境?！皟纱竽X+兩小腦”設(shè)計(jì)通過任務(wù)分擔(dān)和專用運(yùn)算單元的協(xié)同，不僅提升了計(jì)算效率，還降低了系統(tǒng)功耗，為G32R501在高性能場(chǎng)景中構(gòu)筑了核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。紫電數(shù)學(xué)指令擴(kuò)展單元作為極海的獨(dú)家創(chuàng)新，支持矢量控制和場(chǎng)定向控制（FOC）等復(fù)雜算法的高效執(zhí)行，進(jìn)一步強(qiáng)化了芯片在實(shí)時(shí)控制中的技術(shù)護(hù)城河。

在感知能力方面，G32R501集成了高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），支持高精度電流測(cè)量和多種位置接口（如CP口和CAP口），確保機(jī)器人能夠精準(zhǔn)感知外部環(huán)境。芯片支持5納秒的PRD模式和150皮秒的高性能模式，能夠快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)控制任務(wù)，滿足高精度運(yùn)動(dòng)控制的需求。內(nèi)置的高精度DAC比較器為故障診斷和實(shí)時(shí)保護(hù)提供了硬件支持，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。針對(duì)協(xié)作機(jī)器人等場(chǎng)景中常見的編碼er失效問題，G32R501內(nèi)置觀測(cè)器，通過算法推算位置和速度，確保系統(tǒng)在編碼器失效時(shí)仍能安全運(yùn)行。這種無感控制方案通過硬件與算法的深度結(jié)合，不僅提升了控制精度，還顯著增強(qiáng)了系統(tǒng)魯棒性，為客戶提供了獨(dú)特的安全保障。

安全性是G32R501的核心護(hù)城河。芯片內(nèi)置代碼安全保護(hù)模塊，防止第三方讀取客戶代碼，有效保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，同時(shí)支持安全加密啟動(dòng)，滿足機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)安全的高要求。G32R501通過了IEC 61508 SIL2硬件級(jí)別認(rèn)證，結(jié)合軟件診斷和STL庫，系統(tǒng)級(jí)功能安全可達(dá)到CL3最高標(biāo)準(zhǔn)。此外，芯片通過AEC-Q100 Grade 1認(rèn)證，能夠在125℃高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，適應(yīng)機(jī)器人高爆發(fā)場(chǎng)景帶來的溫升挑戰(zhàn)。這種將功能安全與高溫可靠性深度融合的設(shè)計(jì)，使G32R501在無人駕駛、協(xié)作機(jī)器人等安全敏感場(chǎng)景中具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

G32R501集成了Arm Helium矢量擴(kuò)展技術(shù)，大幅提升了機(jī)器學(xué)習(xí)矢量運(yùn)算性能。結(jié)合紫電數(shù)學(xué)指令擴(kuò)展單元，芯片能夠在單周期或雙周期內(nèi)完成復(fù)雜算法運(yùn)算，相較傳統(tǒng)總線方式效率提升數(shù)倍。盧鵬升特別提到，紫電數(shù)學(xué)指令通過硬件加速實(shí)現(xiàn)了高效的電機(jī)控制算法，顯著降低了運(yùn)算周期數(shù)。相較德州儀器C2000系列，G32R501在相同代碼條件下實(shí)現(xiàn)翻倍實(shí)時(shí)性能，尤其在從數(shù)據(jù)采集到算法執(zhí)行再到控制輸出的全鏈路性能上表現(xiàn)出色。這種優(yōu)勢(shì)源于M52內(nèi)核的實(shí)時(shí)控制優(yōu)化和極海對(duì)指令級(jí)擴(kuò)展的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為芯片在高端應(yīng)用場(chǎng)景中構(gòu)筑了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)壁壘。

性能驗(yàn)證與應(yīng)用實(shí)踐：超越TI F2800xx

為驗(yàn)證G32R501的性能，極海半導(dǎo)體開發(fā)了準(zhǔn)量產(chǎn)級(jí)高壓伺服控制器參考設(shè)計(jì)，并在六軸機(jī)械臂應(yīng)用中進(jìn)行了全面測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，G32R501在多項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)上顯著優(yōu)于現(xiàn)有方案。芯片實(shí)現(xiàn)了90%的慣量比提升，展現(xiàn)了卓越的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力；在3000rpm高速運(yùn)行條件下，轉(zhuǎn)速波動(dòng)較原有方案大幅降低，體現(xiàn)了高精度控制能力；系統(tǒng)極限頻率提升了1.3倍，運(yùn)算效率顯著提高；伺服控制預(yù)算時(shí)間從40微秒縮短至17微秒，極大優(yōu)化了實(shí)時(shí)性能。單核快速電流環(huán)達(dá)到0.76微秒，優(yōu)于TI C2000系列，證明了其在高性能運(yùn)動(dòng)控制中的領(lǐng)先地位。這些數(shù)據(jù)為客戶提供了從傳統(tǒng)方案升級(jí)到高性能控制的可靠路徑。

G32R501的實(shí)際應(yīng)用展現(xiàn)了其強(qiáng)大適應(yīng)性。芯片支持一顆芯片控制兩個(gè)電機(jī)，顯著減小控制器體積，為緊湊型機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了便利。其無感高精度控制方案通過內(nèi)置觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)位置和速度的算法推算，確保系統(tǒng)在編碼器失效時(shí)仍能安全運(yùn)行。這一功能在協(xié)作機(jī)器人中尤為關(guān)鍵，能夠降低故障風(fēng)險(xiǎn)，保障操作安全。極海半導(dǎo)體與工業(yè)領(lǐng)域頭部客戶建立了深度合作，其編碼器解碼芯片在市場(chǎng)中占據(jù)較高份額，超聲波雷達(dá)芯片也在汽車和機(jī)器人領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)。G32R501的協(xié)處理接口設(shè)計(jì)降低了雙核間通信開銷，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)效率，為客戶提供了高性能與低功耗的平衡解決方案。這種全鏈路優(yōu)化能力，使G32R501在機(jī)器人控制單元、電機(jī)專用SoC和編碼器解碼芯片等場(chǎng)景中得到了廣泛應(yīng)用。

極海半導(dǎo)體通過“芯片+算法+參考設(shè)計(jì)”的一站式平臺(tái)，為客戶提供了全面支持。這一模式降低了開發(fā)門檻，加速了產(chǎn)品上市進(jìn)程。盧鵬升提到，G32R501的參考設(shè)計(jì)已應(yīng)用于六軸機(jī)械臂等實(shí)際項(xiàng)目，客戶反饋表明其在動(dòng)態(tài)響應(yīng)、控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面均實(shí)現(xiàn)了顯著提升。這種全鏈路支持能力，結(jié)合G32R501的“兩大腦+兩小腦”架構(gòu)和紫電數(shù)學(xué)指令擴(kuò)展單元，構(gòu)成了極海半導(dǎo)體在機(jī)器人控制市場(chǎng)中的核心護(hù)城河。

結(jié)語

在演講的最后，盧鵬升預(yù)告了極海半導(dǎo)體的兩款新品，展現(xiàn)了公司在技術(shù)創(chuàng)新上的持續(xù)投入。APM32F427工業(yè)級(jí)高性能MCU在運(yùn)算性能和實(shí)時(shí)控制能力上達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，有望進(jìn)一步鞏固極海在工業(yè)控制領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。G32R430編碼器解碼專用MCU集成高精度ADC，專為高精度編碼器解碼設(shè)計(jì)，將在機(jī)器人和自動(dòng)化設(shè)備中實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。這些新品的發(fā)布表明，極海半導(dǎo)體正通過技術(shù)創(chuàng)新不斷拓展產(chǎn)品線，滿足多樣化的市場(chǎng)需求。

G32R501的“兩大腦+兩小腦”雙核架構(gòu)、Helium矢量擴(kuò)展及紫電數(shù)學(xué)指令擴(kuò)展單元，為國(guó)產(chǎn)控制芯片注入了強(qiáng)大的實(shí)時(shí)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)能力，滿足了數(shù)字電源、機(jī)器人及高性能運(yùn)動(dòng)控制等高端應(yīng)用場(chǎng)景的需求。這款芯片以其高性能、高安全性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，構(gòu)筑了極海半導(dǎo)體在機(jī)器人控制市場(chǎng)的技術(shù)護(hù)城河，不僅代表了公司在技術(shù)創(chuàng)新上的重大突破，也為中國(guó)集成電路行業(yè)在全球高端市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)注入了新的動(dòng)能。借助松山湖論壇這一平臺(tái)，極海半導(dǎo)體的技術(shù)成果和未來愿景得到了充分展示，為推動(dòng)國(guó)產(chǎn)IC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展增添了亮眼的一筆。