超越传感器和摄像头之外——将物联网从云端转移到现实世界
作者 | TRINAMIC电机驱动控制系统微信公众号2022-05-31

在早期,物联网 (IoT) 在很大程度上充当了云端服务的“眼睛和耳朵”,收集传感器、摄像头和其他物理世界输入设备的数据,而不太注重操纵或控制它所监视的事物。支持物联网的自动化和机器人应用已经开始合并,但是一般而言,它们的成本使它们只能用于高端工业和商业市场。然而,最近,嵌入式运动控制设备已经开始使智能、安全、低成本的电动产品的开发成为可能,这些产品与物联网的眼睛和耳朵有着同样强大的关节和手指。

什么是嵌入式运动控制?

“嵌入式运动控制”这个术语指的是在一个设备中包含精确电机控制、高性能计算的高度集成设备,而且通常还包含通信功能。它是嵌入式计算发展的下一个阶段,嵌入式计算始于二十世纪七十年代,当时,低成本单芯片微控制器的问世使得智能可以嵌入到一切事物中,包括微波炉、儿童玩具、收银机和医疗器械。现代汽车享有的大部分效率增益都是由嵌入式计算实现的。

大约二十年后,互联网、无线数据和更高水平的硅集成的兴起将嵌入式连接引入日常物品中,如体重秤、健康监视器和家庭娱乐设备。嵌入式连接还应用到了部分机动消费产品中,例如Roomba 清洁机器人。不幸的是,彼此分离的微控制器 (MCU)、电机控制器和模拟电机驱动组件的成本高昂,且开发电机控制软件十分复杂,这意味着联网的运动控制技术只能主要用于制造自动化和其他工业应用。

由于集成程度的不断加深,运动控制平台组件的成本和数量降低至只需要通用微程序控制器和少量模拟组件即可实现完整解决方案的程度(图 1)。

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【图 1:带外部微程序控制器的集成电机控制解决方案。在软件中进一步集成运动控制要求不仅可以实现更小的电子器件,还能将需要大量实时运算的工作从MCU解放出来。】

最近,嵌入式运动控制器已经问世,它将这些功能与强大的微程序控制器集成(图 2)。在大部分情况下,片上处理器有足够的计算能力支持精确控制一个或多个电机所需的复杂算法。在许多情况下,这些设备还包括以太网、控制器局域网路(CAN) 总线或其他用于物联网通信的接口。对于功率较低的应用,甚至可以在单个封装中包含驱动中等规模步进器、无刷 PMM (BLDC/BLAC) 或其他类型电机所需的最终输出级。还可以对微程序控制器进行编程,以驱动其他类型的运动发生设备,如直线驱动器和音圈。

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【图 2:嵌入式运动控制设备在一个封装内集成了高性能嵌入式处理、功能和电机驱动电路一单个器件内。许多嵌入式控制器还包含能用于实施分布式控制系统和支持物联网/工业物联网运行的通信功能。】

为了加速开发,这些控制器通常有开源库支持,开源库为设计人员提供了可以通过标准API 调用的丰富功能集。这些库通常包含几个常用电机控制模式(转矩、速率和位置)的算法,还包括扭矩控制,即磁场定向控制 (FOC) 以及运动模式(位置、速率和扭矩)的算法。

应用

1.医疗产品

医疗器械是嵌入式运动控制技术正在改变产品功能和安全性预期的首要市场之一。例如,输液泵必须为患者提供精确测量的稳定药液流。带物联网功能的嵌入式控制器支持在患者床边或通过集中管理的应用程序对这些泵进行编程和监控。同样,可穿戴胰岛素泵和其他个人给药设备中使用的支持物联网的控制器能够在支持自主运行的同时将患者的健康指标实时提供给云端的分析应用程序。

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【图 3:嵌入式运用控制技术将为个人医疗设备带来更高的准确性、便利性和安全性。】

2.工业产品

工业自动化在嵌入式运动控制技术的早期就已获益。低成本、紧凑的电机控制器可以安装在附近,甚至内置在电机或驱动器。每个模块的嵌入式控制器在本地执行大多数基本的运动控制功能,创建一个分布式控制体系结构,使智能接近于将数据转换为运动的位置。这一特点和控制器监控和记录电机生命迹象的能力能够让嵌入式电机控制系统的响应能力更强,同时以更低的价格实现更高的速度和准确性。

嵌入式运动控制器还能实时监视和记录电机及其驱动的机械的运行状况,提高它们应对故障或警报条件的速度,在部分情况下,还能预测问题,以免造成产品缺陷或成本高昂的宕机。简单地说,这包括持续跟踪每个组件移动的次数并将其与计划对照,以确定是否进行调整、更换零件和其他例行维护。此技术可以与从电机中收集的信息相结合,查找机器某些部位过度摩擦的早期迹象,这些过度摩擦可能很快就会引起更加严重、代价更高的问题。

在这些应用中,控制器的嵌入式通信功能支持通过本地应用程序服务器跨局域网或通过云端应用程序跨工业物联网轻松监视和控制机器。

3.消费产品

高度的硅集成及其带来的嵌入式运动控制组件的成本降低正在促使这一技术走入越来越多的消费品市场新应用中。

部分示例如下:

  • 高性能的智能电动自行车和电动踏板车,它们更加经济且能使用控制器将输出驱动波与电机和所承受负载细致匹配从而更好地利用电池。

  • 物联网连接的智能家居,其特点是可以有效地远程控制活动通风孔、百叶窗、监控摄像机和电器。

  • 配备了智能电机驱动器的3D 打印机,驱动器使用复杂的波形算法提供更快的速度和更高的打印准确性,同时动态降低产生的噪音。

  • 个人机器人,其硬件外围设备中嵌入了时序要求严格的功能,使得处理器可以供 AI 和用户界面使用。

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结论

嵌入式运动控制技术正在使数据转化为运动的过程变得比以往更加简单、更加具有成本效益。在此过程中,它能帮助现有产品变得更好,让新类别的产品成为可能。

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