作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

在向智能制造轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，采用先進(jìn)技術(shù)提高了產(chǎn)量、生產(chǎn)率、靈活性、效率和安全性，同時(shí)降低了成本。在這一過(guò)程中，智能運(yùn)動(dòng)控制是關(guān)鍵因素。為此，通常需要對(duì)老舊工廠進(jìn)行更新改造，將定速電機(jī)及控制器更換為性能優(yōu)越的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備。這些設(shè)備依靠先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)和功率控制。為了獲得最佳的工作流程和生產(chǎn)靈活性，設(shè)計(jì)人員還必須在生產(chǎn)設(shè)備和制造執(zhí)行系統(tǒng)之間建立實(shí)時(shí)連接。

目前，有許多先進(jìn)技術(shù)和系統(tǒng)級(jí)解決方案可用于向智能運(yùn)動(dòng)控制的遷移，但設(shè)計(jì)人員往往只能靠自己來(lái)拼湊系統(tǒng)。這種情況正在發(fā)生改變，現(xiàn)在已經(jīng)有了全面的的成套解決方案，可協(xié)助設(shè)計(jì)人員開(kāi)始運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)。其中包括用于多軸控制電機(jī)速度和扭矩的隔離式電流檢測(cè)和位置反饋元件，以及用于機(jī)器健康監(jiān)測(cè)以減少計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間的傳感器。此外，還包括高速網(wǎng)絡(luò)接口，以便在機(jī)器與更高級(jí)別的控制和管理網(wǎng)絡(luò)之間共享數(shù)據(jù)。

本文簡(jiǎn)要討論了改進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制的重要性。然后介紹 [Analog Devices]用于智能運(yùn)動(dòng)控制的解決方案，包括電源、檢測(cè)和網(wǎng)絡(luò)組件，并討論如何使用這些解決方案。

為什么需要更智能化的電機(jī)控制

電機(jī)是工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)，占工業(yè)用電量的 70%。該工業(yè)用電量約占全球用電量的 50%。因此，人們?cè)谔岣哌\(yùn)動(dòng)控制效率方面投入了大量精力，且智能電機(jī)控制帶來(lái)了諸多好處。

早期的運(yùn)動(dòng)控制依賴基本的電網(wǎng)連接式電機(jī)，如今已發(fā)展成為復(fù)雜的多軸伺服電機(jī)機(jī)器人執(zhí)行器。這種演化式發(fā)展跟蹤了日益增長(zhǎng)的復(fù)雜性，以滿足實(shí)現(xiàn)智能制造要求的更高效率、性能、可靠性和自給自足的需求（圖 1）。

[]圖 1：運(yùn)動(dòng)控制從恒速、連網(wǎng)電機(jī)發(fā)展到配備多軸伺服電機(jī)機(jī)器人執(zhí)行器的智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。（圖片來(lái)源：Analog Devices Inc.）

電機(jī)控制類(lèi)型包括：

• 恒速： 最古老、最基本的運(yùn)動(dòng)控制裝置，基于以固定速度運(yùn)行的電網(wǎng)連接式三相 AC 電機(jī)。由開(kāi)關(guān)設(shè)備提供開(kāi)關(guān)控制和保護(hù)電路。通過(guò)機(jī)械方式減少所需的輸出。
• 由變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)： 通過(guò)增加整流器、DC 母線和三相逆變器級(jí)來(lái)產(chǎn)生可變頻率、可變電壓源，然后應(yīng)用于電機(jī)以實(shí)現(xiàn)變速控制。這種由變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)可在適合負(fù)載和應(yīng)用的最佳轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)大幅降低能耗。
• 變速驅(qū)動(dòng)器 (VSD)： VSD 用于需要更加精確地控制電機(jī)速度、位置和扭矩的應(yīng)用，通過(guò)在基本的調(diào)壓型變頻驅(qū)動(dòng)器中增加電流和位置測(cè)量傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)更精確的控制。
• 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)： 多個(gè) VSD 可同步至多軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以完成更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，適用于需要極其精確位置反饋的計(jì)算機(jī)數(shù)控 (CNC) 機(jī)床等應(yīng)用。CNC 加工通常使用五軸協(xié)調(diào)，也可使用多達(dá)十二軸的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

機(jī)器人：工業(yè)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人將多軸運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)械集成和先進(jìn)的控制軟件結(jié)合在一起，通?？梢詫?shí)現(xiàn)沿六軸進(jìn)行三維定位。

協(xié)作機(jī)器人 (cobot) 的目的是與人類(lèi)一起安全運(yùn)行。通過(guò)增加安全檢測(cè)以及功率和力量限制功能，協(xié)作機(jī)器人在工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)上制造，以實(shí)現(xiàn)功能安全的機(jī)器人工作伙伴。

同樣，移動(dòng)機(jī)器人也使用功能安全型機(jī)器控制，但這類(lèi)機(jī)器人在機(jī)器人功能的基礎(chǔ)上增加了定位檢測(cè)、路線控制和防碰撞功能。

在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展的每一個(gè)階段，其復(fù)雜性一直在增加，而且往往是大幅增加。推動(dòng)智能運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵因素有四個(gè)：

• 降低能耗
• 快捷生產(chǎn)
• 數(shù)字化轉(zhuǎn)型
• 減少停機(jī)時(shí)間，確保最大限度地提高資產(chǎn)利用率

采用高效率電機(jī)和低損耗 VSD，以及在運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中增加智能化，是通過(guò)智能制造實(shí)現(xiàn)顯著能效的關(guān)鍵因素。

快捷生產(chǎn)取決于可快速重新配置的生產(chǎn)線。這種靈活性就能滿足消費(fèi)者對(duì)小批量多樣化產(chǎn)品的波動(dòng)需求，從而要求生產(chǎn)設(shè)備具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。工業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行復(fù)雜和重復(fù)性操作方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，從而提高了吞吐量和生產(chǎn)率。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型包含將運(yùn)動(dòng)控制和來(lái)自整個(gè)生產(chǎn)設(shè)施的大量傳感器數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)并實(shí)時(shí)共享這些數(shù)據(jù)的能力。通過(guò)這種連接，基于云的計(jì)算和人工智能 (AI) 算法可以優(yōu)化生產(chǎn)工作流程，提高資產(chǎn)利用率。

資產(chǎn)利用率是各種新型商業(yè)模式的基礎(chǔ)，它關(guān)注的是工廠資產(chǎn)的生產(chǎn)率，而不僅僅是初始安裝成本。系統(tǒng)供應(yīng)商對(duì)根據(jù)這些資產(chǎn)的正常運(yùn)行時(shí)間或生產(chǎn)率來(lái)收取服務(wù)費(fèi)的做法越來(lái)越感興趣。這種方法利用預(yù)見(jiàn)性維護(hù)服務(wù)，依靠對(duì)每臺(tái)機(jī)器資產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控來(lái)提高生產(chǎn)率，最大限度地減少計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間。

智能運(yùn)動(dòng)控制的組件要求

設(shè)計(jì)人員必須認(rèn)識(shí)到，為典型電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)鏈中的多個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供系統(tǒng)級(jí)解決方案，以滿足智能運(yùn)動(dòng)應(yīng)用要求（圖 2）。

[]圖 2：所示組件解決方案可在智能運(yùn)動(dòng)應(yīng)用的六個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域達(dá)到更高水平的性能。（圖片來(lái)源：Analog Devices, Inc.）

設(shè)計(jì)人員必須優(yōu)先考慮的關(guān)鍵領(lǐng)域包括電力電子器件、運(yùn)動(dòng)控制、電流檢測(cè)、位置檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)接口和機(jī)器健康監(jiān)測(cè)。Analog Devices 針對(duì)每個(gè)領(lǐng)域都提供多種器件，以便設(shè)計(jì)人員升級(jí)舊設(shè)計(jì)或重新開(kāi)始設(shè)計(jì)。

電力電子設(shè)備

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電力電子設(shè)備有助于將直流轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制 (PWM) 電源輸入。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的功率轉(zhuǎn)換始于通常來(lái)自交流電源的高壓 DC 電源。如圖 2 所示，電力電子部分采用具有 MOSFET 的三相半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。上方的 MOSFET 的柵極相對(duì)于地是浮動(dòng)的，需要隔離式驅(qū)動(dòng)器。Analog Devices 的 [ADUM4122CRIZ] 便是合適之選。這是一款隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，可提供有效值 (RMS) 高達(dá) 5 kV 的隔離。通過(guò)將高速互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 和單片變壓器技術(shù)相結(jié)合，該器件實(shí)現(xiàn)了高隔離能力。這款柵極驅(qū)動(dòng)器具有可調(diào)壓擺率控制功能，可最大限度地減少開(kāi)關(guān)功率損耗和電磁干擾 (EMI)。如果使用氮化鎵 (GaN) 或碳化硅 (SiC) 器件，則此項(xiàng)功能尤為重要，因?yàn)檫@些器件的開(kāi)關(guān)速度更快。

下方的 MOSFET 的源元件以地為基準(zhǔn)，可使用 Analog Devices 的 [LTC7060IMSE#WTRPBF] 器件（具有浮動(dòng)地的 100 V 半橋驅(qū)動(dòng)器）。

低壓側(cè)和高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)都是浮動(dòng)的，沒(méi)有接地。這種獨(dú)特的雙浮動(dòng)結(jié)構(gòu)使柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出更加穩(wěn)健，對(duì)接地噪聲的敏感度更低。此外，這些器件還集成了具有可編程死區(qū)時(shí)間的自適應(yīng)擊穿保護(hù)功能，以防止兩個(gè)半橋開(kāi)關(guān)器件同時(shí)開(kāi)啟。

運(yùn)動(dòng)控制器

運(yùn)動(dòng)控制器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的大腦。作為中央處理器，運(yùn)動(dòng)控制性器產(chǎn)生可驅(qū)動(dòng)電力電子器件的 PWM 信號(hào)。這種信號(hào)基于中央控制中心的指令和諸如電流、位置和溫度等電機(jī)的反饋信息。控制器會(huì)根據(jù)這些數(shù)據(jù)決定電機(jī)的速度、方向和扭矩?？刂破魍ǔＮ挥谶h(yuǎn)程位置，通過(guò) FPGA 或?qū)Ｓ锰幚砥鲗?shí)現(xiàn)其功能，因此需要隔離式通信鏈路。

為此，可使用 Analog Devices 的 [ADM3067ETRZ-EP]等串行數(shù)據(jù)鏈路。這是一款靜電放電 (ESD) 保護(hù)型全雙工、每秒 50 Mbps RS485 收發(fā)器。經(jīng)過(guò)配置，該器件可提供從位置反饋傳感器返回到運(yùn)動(dòng)控制器的高帶寬串行通信。該串行線路具有高達(dá) ±12 kV 的靜電放電保護(hù)，工作溫度范圍為 -55°C 至 +125°C。

電流檢測(cè)

來(lái)自電機(jī)的電流反饋信息是進(jìn)行控制所需的主要反饋參數(shù)。由于電流反饋決定了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的整體控制帶寬和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此反饋機(jī)制必須具有高精度和高帶寬，以確保精確的運(yùn)動(dòng)控制。

常用的電流測(cè)量技術(shù)有兩種：

• 分流式測(cè)量要求插入一個(gè)低值電阻或分流器，且與被測(cè)導(dǎo)體串聯(lián)。然后測(cè)量分流器上的差壓，通常借助高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 完成測(cè)量。分流式電流測(cè)量受到并聯(lián)電阻器壓降和功率耗散的限制，僅限于中低電流應(yīng)用。
• 磁性電流檢測(cè)技術(shù)采用非接觸式各向異性磁阻 (AMR) 測(cè)量法，通過(guò)評(píng)估導(dǎo)體附近的磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量電流。AMR 器件的電阻使用電阻電橋進(jìn)行測(cè)量。該電阻值隨磁場(chǎng)的變化而變化，因此電流也發(fā)生變化。

磁性電流測(cè)量避免了并聯(lián)電阻器中的壓降和隨之產(chǎn)生的功率損耗，因此更適合大電流測(cè)量。測(cè)量也與待測(cè)導(dǎo)體之間采用了電氣隔離。

需要測(cè)量隔離電流時(shí)，可使用 Analog Devices 的 [ADUM7701-8BRIZ-RL] 器件。這是一款高性能、16 位二階 Σ-Δ ADC，可將來(lái)自檢測(cè)電阻上的電流檢測(cè)壓降的模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為高速、單比特?cái)?shù)字隔離式數(shù)據(jù)流。

[AD8410AWBRZ]高帶寬電流檢測(cè)放大器是另一種電流測(cè)量器件。這是一款增益為 20、帶寬為 2.2 MHz 的差分放大器，具有低失調(diào)漂移（~1 微伏/攝氏度 (μV/°C)）。該器件的直流共模抑制比 (CMRR) 高達(dá) 123 dB，可以在共模輸入電壓高達(dá) 100 V 的情況下進(jìn)行雙向電流測(cè)量。

位置檢測(cè)

以 AMR 磁性位置傳感器為基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)位置檢測(cè)技術(shù)為光學(xué)編碼器提供了性價(jià)比更高的替代方案。這類(lèi)傳感器還具有在工業(yè)環(huán)境中堅(jiān)固耐用的優(yōu)點(diǎn)，適合經(jīng)常暴露在灰塵和振動(dòng)環(huán)境中。電機(jī)軸角反饋可用于伺服系統(tǒng)中的直接控制位置，或用于確定轉(zhuǎn)速。

Analog Devices 的 [ADA4571BRZ-RL] 是一款 AMR 傳感器，在封裝內(nèi)集成了信號(hào)調(diào)節(jié)和 ADC 驅(qū)動(dòng)電路（圖 3）。

[]圖 3：所示為 ADA4571BRZ-RL 角度傳感器的功能框圖，以及正弦和余弦輸出與旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù)關(guān)系圖。（圖片來(lái)源：Analog Devices, Inc.）

ADA4571BRZ-RL 是一款磁阻角度傳感器，使用雙溫度補(bǔ)償 AMR 傳感器檢測(cè) 180° (±90°) 范圍內(nèi)的軸角度，精度誤差 <0.1°（在壽命/溫度范圍內(nèi) <0.5°）。該器件可產(chǎn)生正弦和余弦單端模擬輸出，顯示周?chē)艌?chǎng)的角位置。該器件可在磁場(chǎng)惡劣的環(huán)境中工作，并且不會(huì)因氣隙過(guò)大而導(dǎo)致角度讀數(shù)誤差增大。

角度傳感器的輸出可連接 Analog Devices 的 [AD7380BCPZ-RL7] 雙通道、16 位輸入、逐次逼近寄存器 (SAR) ADC。該 ADC 同時(shí)對(duì)兩個(gè)差分輸入通道進(jìn)行采樣，采樣率高達(dá)每秒 4 MSPS。內(nèi)部超采樣功能可提高性能。過(guò)采樣是提高 ADC 精度的常用技術(shù)。通過(guò)對(duì)模擬輸入的多個(gè)采樣進(jìn)行捕捉和平均，該功能可使用正常平均或滾動(dòng)平均過(guò)采樣模式來(lái)降低噪聲。過(guò)采樣還有助于在較慢的運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)更高的精度。

網(wǎng)絡(luò)接口

智能制造依賴智能運(yùn)動(dòng)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)可在工廠車(chē)間、機(jī)器與中央控制、管理網(wǎng)絡(luò)之間共享數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)共享要求強(qiáng)大的連接能力。為此，設(shè)計(jì)人員可以使用 Analog Devices 的低功耗、低延遲以太網(wǎng)物理層 (PHY)，包括 [ADIN1300CCPZ] 以太網(wǎng) PHY 收發(fā)器。ADIN1300CCPZ 的數(shù)據(jù)傳輸速率為 10 Mbits/s、100 Mbits/s 或 1000 Mbits/s，可在環(huán)境溫度高達(dá) 105°C 的惡劣工業(yè)環(huán)境下工作。

交換機(jī)用于路由以太網(wǎng)連接。Analog Devices 提供了一款工業(yè)以太網(wǎng)第 2 層嵌入式雙端口交換機(jī) [FIDO5200BBCZ]。該交換機(jī)在 10 Mbits/s 和 100 Mbits/s 速度下符合 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)，支持半雙工和全雙工模式，以支持 PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT、Modbus TCP 和 Ethernet POWERLINK 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

機(jī)器健康狀況

進(jìn)行機(jī)器健康狀況監(jiān)測(cè)時(shí)，利用傳感器測(cè)量振動(dòng)、沖擊和溫度等物理參數(shù)，以實(shí)時(shí)了解機(jī)器狀況。通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)行期間記錄這些數(shù)據(jù)并進(jìn)行長(zhǎng)期分析，就能準(zhǔn)確評(píng)估機(jī)器的機(jī)械的健康狀況。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型方法可實(shí)現(xiàn)預(yù)見(jiàn)性維護(hù)計(jì)劃，不僅能延長(zhǎng)機(jī)器的運(yùn)行壽命，還能顯著減少計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間。

應(yīng)用機(jī)器健康狀況時(shí)，需要在電機(jī)上安裝振動(dòng)和沖擊傳感器。這方面的產(chǎn)品如 [ADXL1001BCPZ-RL]±100 g 微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 加速計(jì)，這是一款低噪聲傳感器，其 -3 dB 帶寬為 11 kHz。該器件是壓電傳感器的高帶寬、低功耗替代品。對(duì)于需要沿三個(gè)軸進(jìn)行測(cè)量的應(yīng)用，[ADXL371]是合適之選。

結(jié)束語(yǔ)

智能運(yùn)動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)智能工廠的關(guān)鍵，需要經(jīng)過(guò)精心選擇的電子元件才能有效實(shí)施。如圖所示，這些組件中有許多是經(jīng)過(guò)精心挑選的，可用于啟動(dòng)設(shè)計(jì)。這些元件包括用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電力電子設(shè)備、用于提供精確反饋數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)控制的電流和位置傳感器、用于提供系統(tǒng)層面預(yù)見(jiàn)性以優(yōu)化生產(chǎn)流程的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接，以及用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器健康監(jiān)測(cè)以減少意外停機(jī)時(shí)間并延長(zhǎng)資產(chǎn)運(yùn)行壽命的振動(dòng)和沖擊傳感器。