无框力矩电机走入人形关节，驱动芯片要过哪几关

拆开当前主流人形机器人的关节模组，你会看到一个高度一致的机电一体化方案：“永磁同步无框力矩电机+高精度谐波减速器+伺服驱动器+双绝对值位置传感器”。

无框力矩电机(Frameless Torque Motor)是一种去掉外壳、轴承和输出轴的永磁同步电机，由定子和转子两部分组成，可直接嵌入关节结构内部。它广泛分布于人形机器人的肩、肘、腕、腰、髋、膝、踝等关键关节，凭借高扭矩密度和紧凑结构，与谐波减速器配合，逐渐取代了传统有框伺服电机方案，成为人形机器人关节的主流驱动方案｡

一、为什么是无框力矩电机

人形机器人一身几十个关节，从负担体重的大关节到末端灵巧手的小关节，对电机的要求差别很大。但有几个硬需求，正好对上无框力矩电机的特性：

1、空间薄、要中空。关节是环形、扁平的结构，留给电机的直径有限、轴向厚度也薄，往往还需要中空孔走传动轴或线缆。无框电机去掉了外壳、轴承和输出轴，只留定子和转子，可以直接嵌进整机厂自己设计的关节结构里，用关节壳当机壳、用关节轴当转轴。带壳伺服则很难贴合地塞进去。

2、低速大扭矩、力控。关节要在低转速下输出大扭矩来支撑身体、扛负载，力矩电机天生适合低速大扭矩工况，便于通过电流环实现力控，正好对应关节需求。

3、紧凑、可按关节空间定制。无框形态让电机按关节的可用空间去定制绕组和外形，而不是让关节去迁就一个标准电机的尺寸。

二、关节约束下的电机电气特征

在关节里工作的无框力矩电机，主流整机的工作电压集中在48V左右，电压被压在较低水平，靠大电流出扭矩；关节空间小，即使无框，电机尺寸依旧受限；同时又要高动态响应和力控带宽。几股约束叠加，绕组通常只能少匝数、粗线径，于是电机呈现几个电气特征：

1、低电感

少匝粗线直接带来低电感、低电阻。传统伺服电机的电感通常在几毫亨（mH）到几十毫亨，而无框力矩电机的线电感普遍在1mH以内，以市面产品的公开参数为例：

（数据来源：强和电机Mosrac U系列公开参数）

2、低电阻、大电流

同样从上表可见，无框力矩电机的线电阻一般在0.1~2Ω级别，低电阻意味着同样电压下电流更大。以85mm外径电机为例，线电阻0.065~0.23Ω，额定电流约10A~23.5A，额定输出功率覆盖380W~848W。

三、驱动芯片的“三道关”

第一关：电流纹波控制

无框力矩电机的低电感意味着它的电流变化率极高。以单相半桥连续导通模式为例，电流纹波峰峰值近似为ΔI=V×D×(1-D)×T/L，其中V为母线电压，D为占空比，T为PWM周期。在相同占空比下，电感越小，纹波越大。同样的电压、同样的占空比、同样的PWM频率下，电机电感从1mH降到0.2mH，电流纹波放大5倍，过大的电流纹波会导致：

• 转矩波动增大，影响关节运动的平滑度；
• 增加电机铁损和铜损，降低效率；
• 产生可听噪声（audible noise）。

解法方向：更高的PWM频率可以有效降低电流纹波（频率翻倍，纹波减半）。但PWM频率提高又带来开关损耗增加的问题——需要驱动芯片在频率和效率之间找到平衡。

第二关：电流环带宽

无框力矩电机的低电感和低电阻带来了极小的电气时间常数（τ=L/R）。以85mm电机为例：τ=0.16mH/0.17Ω≈0.94ms。相比之下，传统伺服电机的电气时间常数通常在数毫秒到十几毫秒范围。

因为电流环的控制周期必须远小于电机的电气时间常数，通常要求是τ的1/10到1/20，电流闭环才能稳定收敛并跟上电流的快速变化。因此，为了精准控制这种“快变量”，驱动芯片的电流环必须有足够高的带宽，控制周期通常要求在10~100μs（即采样频率10kHz~100kHz）。延迟过大会直接导致电机抖动或过流。

第三关：电流采样

无框力矩电机的两个电气特征叠加，对电流采样的精度和速度都提出了更高要求：低电感让电流变化极快（di/dt 高），要求采样速度快；大电流让电流幅度大、分流电阻上的共模电压高，要求采样范围宽、分辨率够、大电流时不能削顶。两者叠加，传统外置运放方案很容易出问题。

传统的外置运放方案容易受温漂和噪声影响，在低电感场景下问题会被放大。更关键的是，在底部分流架构中，电流采样正输入端（CSP_引脚）同时也是低侧栅极驱动电流的返回路径，而外置RC滤波会在该路径上引入额外阻抗，直接影响栅极驱动性能。电流采样与栅极驱动在低侧返回路径上共用引脚，外置方案难以同时兼顾两者。

四、TMC9660的答案——三道关，三个解法

第一解：100kHz PWM，把电流纹波压下去

TMC9660集成了快速空间矢量PWM（SVPWM）引擎，支持2kHz至100kHz的PWM频率范围，时钟高达120MHz。在相同母线电压和占空比下，100kHz意味着电流纹波幅度仅为20kHz方案的1/5。对于电感极低的无框力矩电机，能够有效把电流纹波控制在可接受范围内。

此外，TMC9660集成了涓流电荷泵（Trickle Charge Pump），支持100%PWM占空比。在100%占空比下低侧MOSFET持续关断，自举电容无法通过正常路径充电，涓流电荷泵可为高

侧栅极驱动提供维持电压，使高侧MOSFET持续导通，从而将母线电压尽可能多地施加到电机

绕组上。

第二解：硬件FOC，100kHz电流环，跟上电机的“快”

TMC9660内置硬件级运动控制核心（MCC），集成磁场定向电流控制器（FOC）。控制环路的

最高频率达到100kHz。

传统软件FOC运行在MCU上，受限于中断延迟、上下文切换和运算负荷，电流环频率通常在8~20kHz区间，要推到更高频率会面临实时性与计算资源的显著压力。TMC9660用硬件逻辑实现FOC，把电流环频率推到了100kHz。就拿上一章提到的85mm电机来讲，τ约等于0.94ms，100kHz的电流环，则每10μs就能完成一次完整的电流调节，足以“跟上”电机的“快”。

第三解：集成可编程电流采样放大器，把噪声拒之门外

TMC9660内部集成了可编程电流检测放大器（CSA）和ADC，用于底部分流电流测量。

传统方案需要用外置运放放大分流电阻上的小信号，再送给ADC采样，会引入温漂、噪声和PCB布线带来的干扰。TMC9660把CSA集成在芯片内部，支持5x/10x/20x/40x可编程增益，增益带宽积最高达9.5MHz，信号路径更短、噪声更低、一致性更好。

同样上一章提到，外置方案中，采样滤波与栅极驱动低阻抗返回路径在引脚层面存在矛盾。TMC9660将CSA集成在芯片内部，从架构上避免了外置RC滤波对栅极驱动回路的阻抗干扰，同时满足了高精度电流采样与低阻抗栅极驱动返回的双重需求。

简化框图

TMC9660的“额外”工程价值

首先，一套方案即可满足不同需求。人形机器人不同关节的功率需求差异巨大——手指几瓦、肘关节几百瓦、髋关节上千瓦。TMC9660采用“栅极驱动器+外部MOSFET”架构，通过选择不同规格的外部MOSFET，一套控制方案可以覆盖从几十瓦到上千瓦的不同功率需求。

其次，硬件FOC降低了开发门槛。传统FOC开发需要工程师写大量代码、反复调参。在大电流场景下，调参失误的代价是烧管甚至烧板。TMC9660把FOC算法固化在硬件中，开发者只需配置参数即可实现高级电机控制。对于无框力矩电机这种低电感、难控制的电机类型，硬件FOC的“确定性”执行比软件FOC的“不确定性”执行（受中断干扰）更可靠。

五、结语

无框力矩电机正在成为人形机器人关节的“标配”。电机本体变了，扭矩密度更高了、体积更小了、重量更轻了，驱动芯片的要求也跟着变了——低电感意味着高电流纹波、高di/dt、高带宽要求。传统的伺服驱动方案（8~20kHz PWM、软件FOC、外置运放）在无框力矩电机面前捉襟见肘。TMC9660用100kHz PWM + 100kHz硬件FOC + 集成CSA这套组合拳，给出了一个系统性的答案。

如需了解更多有关TMC9660的信息或申请样品，可联系：sales@chiplinkstech.com；陈工，13924675549。

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