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來源：DigiKey 作者： Kenton Williston 運動控制是我最喜歡的科目之一。我記得在讀大學(xué)時，有個夏天一直在實驗室中研究非穩(wěn)定系統(tǒng)的控制裝置。我用的工具當(dāng)時非常先進(jìn)，不過幸好自此之后運動控制技術(shù)取得了長足進(jìn)步。 全世界的工廠都有壓力，要少花錢多辦事。持續(xù)的供應(yīng)鏈中斷、在岸和近岸外包以及環(huán)境影響因素正在促使制造商不斷增加生產(chǎn)的敏捷性和彈性。 為此，工廠需要更加智能的運動控制。圖 1 說明了為什么會出現(xiàn)這種情況：運動控制是許多制造過程的核心。對于工廠來說，底層運動控制系統(tǒng)必須符合這些同一的標(biāo)準(zhǔn)才能高效運行、響應(yīng)快速和穩(wěn)健可靠。 
圖 1：智能工廠涉及的運動控制應(yīng)用種類繁多。（圖片來源：Analog Devices） 在這篇博客中，將重點介紹如何通過高精度運動控制和機器運行狀況監(jiān)控來實現(xiàn)這些目標(biāo)。同時會解釋這些技術(shù)是如何成為走向真正智能化工廠這一數(shù)字化轉(zhuǎn)型趨勢的關(guān)鍵要素的。 高精度運動控制 如要獲得更智能的運動控制就需要先實現(xiàn)更高精度的電流和位置測量能力，這樣才有機會最大限度地減少浪費，同時獲得最大的響應(yīng)速度和吞吐量。任何控制系統(tǒng)的精度均取決于其傳感器。 盡管在位置檢測方面有許多選擇，但磁性傳感器仍然特別有吸引力，因為相比光學(xué)編碼器，它們提供的分辨率更高且成本更低。它們在有粉塵和振動的應(yīng)用環(huán)境中表現(xiàn)得更穩(wěn)健，其無接觸式天然特性也消除了磨損消耗。 但是，磁性傳感器更易于受外部磁場干擾和周圍材料的影響。其精度亦會受到溫度波動影響，因此為保持其精度可能需要經(jīng)常校準(zhǔn)，這就降低了其在成本和可靠性方面的優(yōu)勢。加上許多磁性傳感器只能在較近的范圍內(nèi)使用，因此限制了其應(yīng)用范圍。 平衡這些考量的一種方式是使用各向異性磁阻 (AMR) 傳感器。與霍爾效應(yīng)、巨磁阻 (GMR) 和隧道磁阻 (TMR) 傳感器不同，AMR 傳感器在磁場惡劣的環(huán)境中表現(xiàn)出很強的穩(wěn)健性，并能在寬氣隙公差的情況下保持精度。由于 AMR 傳感器在這些條件下不會出現(xiàn)衰減和角度誤差，因此校準(zhǔn)和維護(hù)的需求大大降低。 例如 Analog Devices 的 ADA4571 系列角度傳感器就是很好的例子。這些傳感器配備集成式信號調(diào)節(jié)器，有助于實現(xiàn)適合電機驅(qū)動和伺服應(yīng)用的更高絕對位置精度位置檢測能力。ADA4571 采用內(nèi)置校準(zhǔn)引擎，能夠在寬溫度范圍內(nèi)將誤差保持在 <0.5°（圖 2）。
圖 2：圖中所示為 VDD = 5.5 時 ADA4571 傳感器的典型誤差（左），啟用內(nèi)置增益控制 (GC) 功能可改善誤差（右）。（圖片來源：Analog Devices） 機器運行狀況監(jiān)測 在智能工廠中，性能固然重要，但效率和彈性也同樣重要。通過監(jiān)測電機振動和沖擊，工廠中的機器運行狀況傳感器（如振動傳感器）可以減少計劃外停機時間，延長資產(chǎn)的使用壽命，同時降低維護(hù)成本。雖然有許多傳感器可供選擇，但微機電系統(tǒng) (MEMS) 加速計取得了令人滿意的功能平衡。它帶寬高、噪聲低，而價格和功耗只是壓電系統(tǒng)的一小部分（圖 3）。
圖 3：可用于機器運行狀況監(jiān)測的傳感器需要進(jìn)行成本、性能和功耗取舍。（圖片來源：Analog Devices） ADXL1001/ADXL1002 系列傳感器就是一個很好的 MEMS 實例。以 ADXL1002 為例，其顯著特性包括在 ±50 g 范圍內(nèi)每根赫茲的噪聲僅為 25 微克 (μg/√Hz)，并能承受高達(dá) 10,000 g 的外部沖擊。從直流到 11 千赫茲 (kHz) 的線性頻率響應(yīng)使之適用于緩慢旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，而低功耗則為無線傳感設(shè)計提供了便利。對于需要進(jìn)行三軸測量的應(yīng)用，ADXL371 可能就是合適之選。 用于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的實時連接 迄今為止所討論的傳感解決方案的真正威力在于其能夠深入洞察工廠運營狀況。一旦從各種運動控制系統(tǒng)中收集到電壓、電流、位置和溫度等數(shù)據(jù)，自動化系統(tǒng)就可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而優(yōu)化實時制造流程。 如圖 4 所示，確定性數(shù)據(jù)采集目前涉及 EtherCAT 和 PROFINET 等多種現(xiàn)場總線協(xié)議。不過，業(yè)界正在迅速采用時間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 作為下一代網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。這一趨勢是融合信息技術(shù)/運營技術(shù) (IT/OT) 基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)的根本原因，它能夠?qū)⑵髽I(yè)和工廠車間系統(tǒng)整合到單個網(wǎng)絡(luò)上。
圖 4：制造業(yè)正在從獨立的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)向基于千兆位以太網(wǎng) (GbE) 的 TSN 的融合 IT/OT 基礎(chǔ)設(shè)施過渡。（圖片來源：Analog Devices） 這些網(wǎng)絡(luò)需要亞毫秒級的網(wǎng)絡(luò)周期時間來確保確定性，并需要高達(dá)千兆位的帶寬來容納新的高速流量源，如視覺系統(tǒng)的視頻信號。現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)需要像 ADIN1200/1300 系列這樣的以太網(wǎng)物理層 (PHY) 來滿足這些要求。這些堅固耐用、低功耗、低延遲的 PHY 器件支持工業(yè)環(huán)境中的千兆以太網(wǎng) (GbE)。它們可工作在高至 105°C 的環(huán)境溫度下，已通過廣泛的電磁兼容性 (EMC) 測試，并具有斷電保護(hù)等堅固耐用的功能。 結(jié)語 在不斷演變的智能制造領(lǐng)域，智能運動控制是一個關(guān)鍵因素，它能夠讓工廠變得更靈活、更敏捷。實現(xiàn)這種優(yōu)化的核心是運動控制系統(tǒng)的精度和效率。隨著各種傳感器的推陳出新，工程師們有機會改進(jìn)從位置跟蹤到機器運行狀況監(jiān)測的一切因素。通過將這些逐漸龐大、精確的數(shù)據(jù)饋入功能日益強大的工廠網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字化轉(zhuǎn)型的承諾正在迅速變?yōu)楝F(xiàn)實。在這個數(shù)字化的時代，智能運動控制與高級網(wǎng)絡(luò)的精彩融合，有望在未來實現(xiàn)真正的智能制造。 |
