通過電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制使自動(dòng)化更加智能

曾敏

越來越低的生產(chǎn)成本，推動(dòng)了無刷直流電機(jī)的廣泛使用和普及，尤其是當(dāng)消費(fèi)類無人機(jī)和電動(dòng)自行車的引入，導(dǎo)致了無刷直流電機(jī)的大規(guī)模生產(chǎn)，在此之前，無刷直流電機(jī)曾一度只在高端工業(yè)中使用。隨著即插即用模塊在硬件上提供磁場(chǎng)定向控制或矢量控制，一度復(fù)雜的伺服驅(qū)動(dòng)器的開發(fā)變得更加容易。即便伺服驅(qū)動(dòng)器并被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療和保健設(shè)備中，我們?nèi)圆粦?yīng)該忘記步進(jìn)電機(jī)。

許多工程師認(rèn)為步進(jìn)電機(jī)不如伺服驅(qū)動(dòng)器。但是，步進(jìn)電機(jī)控制已經(jīng)從簡(jiǎn)單的“無需調(diào)諧”控制方案取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。步進(jìn)電機(jī)不僅僅只應(yīng)用在某些簡(jiǎn)單的應(yīng)用里，越來越多的依賴于高扭矩和低速的高端應(yīng)用也由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，比如從實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化到半導(dǎo)體處理，從3D打印再到4K監(jiān)控?cái)z像頭，這些應(yīng)用要求工程師能夠使用無需額外變速箱的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。沒有變速箱意味著更少的磨損、更少的噪音和更低的開銷。

雖然步進(jìn)電機(jī)提供了低成本的魯棒性和精度，但仍有噪音、振動(dòng)，以及并不是很節(jié)能的缺點(diǎn)，但其驅(qū)動(dòng)程序一點(diǎn)也不復(fù)雜；同時(shí)，微步操作與先進(jìn)的電流斬波器和電壓斬波器相結(jié)合，允許步進(jìn)電機(jī)使用自適應(yīng)電流進(jìn)行平穩(wěn)、無噪聲的操作；再加上診斷功能和no hunting（即在靜止?fàn)顟B(tài)下完全沒有運(yùn)動(dòng)），你可以輕松擁有一個(gè)實(shí)現(xiàn)完美的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用程序的業(yè)界領(lǐng)先的解決方案。對(duì)于需要閉環(huán)操作的應(yīng)用，你只需要添加一個(gè)編碼器，它可以是一個(gè)作為一個(gè)位置傳感器的霍爾組件，這樣，你就擁有了一個(gè)沒有變速箱的完整的伺服驅(qū)動(dòng)器！

就像電機(jī)控制在過去二十年里發(fā)生了變化一樣，開發(fā)應(yīng)用程序的工程師的要求也在進(jìn)步。今天，每個(gè)工程師都想使他們?cè)O(shè)計(jì)具備獨(dú)特之處，而不是開發(fā)一個(gè)看似復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。簡(jiǎn)約的外形設(shè)計(jì)、直觀的用戶界面、實(shí)時(shí)功能、功能安全性以及與云的數(shù)據(jù)收集和共享是工程師們新的關(guān)注點(diǎn)。坦率地說，工程師可能會(huì)認(rèn)為電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制是阻礙了他的構(gòu)想，所以他們更需要開發(fā)工具套件直接跨越這些障礙。

但是，用開發(fā)工具支持馬達(dá)并不是那么容易。原因很簡(jiǎn)單：每個(gè)馬達(dá)都是不同的。電機(jī)參數(shù)不同，極數(shù)不同，反饋系統(tǒng)（如果有的話）也不同，電機(jī)可能需要針對(duì)特定的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化和微調(diào)，以及外部接口的多樣性。因此，通常由帶有特殊電機(jī)控制庫的微控制器和通用驅(qū)動(dòng)板組成的“一刀切”解決方案將不起作用。

作為ADI的一部分，Trinamic提供了廣泛的開發(fā)板作為模塊化評(píng)估系統(tǒng)的一部分，并在系統(tǒng)支持軟件、工具和向?qū)С绦蛏线M(jìn)行了大量的投入。這些開發(fā)板幫助工程師快速設(shè)置一個(gè)原型應(yīng)用程序，并嘗試不同的設(shè)置，微調(diào)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。一旦這些設(shè)置條件得到滿足，代碼就可以很容易地用C編譯和導(dǎo)出，以便在它們自己的固件中直接使用。Trinamic的開發(fā)板是經(jīng)過MIT認(rèn)證的開源設(shè)計(jì)，工程師可以免費(fèi)使用這些資源。

電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制未來的第一個(gè)大趨勢(shì)是日益增加的復(fù)雜性導(dǎo)致系統(tǒng)更加智能化，需要系統(tǒng)實(shí)時(shí)做出決定，數(shù)據(jù)需要在源位置收集并在云中共享。第二個(gè)大趨勢(shì)是功能安全，使機(jī)器人可以與人類并肩工作，既可以是協(xié)作機(jī)器人，也可以是獨(dú)立的機(jī)器人，可以是拾取和放置裝置，也可以是吸塵器。為了實(shí)現(xiàn)這些趨勢(shì)，就需要工程師開發(fā)新的硬件，將處理器從實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù)中解放出來，使之實(shí)現(xiàn)更多的診斷、預(yù)測(cè)性維護(hù)和人工智能，并實(shí)現(xiàn)功能安全。