作者：Art Pini

　　向智能制造的轉變利用先進技術來提高產量、生產率、敏捷性、效率和安全性，同時降低成本。智能運動控制在這一轉變中至關重要。通常需要通過用高級運動控制設備替換定速電機和控制器來更新舊工廠。這些設備依靠先進的傳感來實現精確的運動和功率控制。為了實現最佳的工作流程和生產敏捷性，設計人員還必須在生產機械和制造執行系統之間實現實時連接。

　　許多先進技術和系統級解決方案可用于實現向智能運動控制的遷移，但設計人員通常需要自行將系統拼湊在一起。這種情況正在發生變化，現在可以使用全面的解決方案來幫助啟動運動控制設計。其中包括用于電機速度和扭矩多軸控制的隔離電流傳感和位置反饋組件，以及用于機器健康監控以減少意外停機時間的傳感器。還包括高速網絡接口，促進機器和更高級別控制和管理網絡之間的數據共享。

　　本文簡要討論了改進電機控制的重要性。然后介紹Analog Devices的智能運動控制解決方案，包括電源、傳感和網絡組件，并討論它們的應用方式。

　　為什么需要更智能的電機控制

　　電機是工業運動控制的基礎，占工業用電量的 70%。這一比例的工業用電約占全球電力消耗的 50%。這就是為什么人們在提高運動控制效率方面付出了如此多的努力，而智能電機控制帶來了許多好處。

　　早期的運動控制依賴于基本的并網電機，這已經發展成為當今復雜的多軸伺服電機機器人執行器。這種演進式發展跟蹤了智能制造所需的更高水平的效率、性能、可靠性和自給自足所需的日益復雜性(圖 1)。

　　圖 1：運動控制已從定速并網電機發展到具有多軸伺服電機機器人執行器的智能運動控制系統。 (圖片來源：Analog Devices Inc.)

　　各種類型的電機控制包括：

　　固定速度：最古老和最基本的運動控制基于以固定速度運行的并網三相交流電機。開關設備提供開/關控制和保護電路。任何所需的產量減少都是通過機械方式實現的。

　　逆變器驅動電機：添加整流器、直流母線和三相逆變器級創建了應用于電機的可變頻率和可變電壓源，以實現變速控制。這種逆變器驅動電機可以根據負載和應用以最佳速度運行電機，從而顯著降低能耗。

　　變速驅動器 (VSD)：用于需要額外精度控制電機速度、位置和扭矩的應用，VSD 通過在基本電壓調節逆變器驅動器中添加電流和位置測量傳感器來實現這種控制。

　　伺服驅動系統：多個 VSD 可以同步到多軸伺服驅動系統中，以完成更復雜的運動，適用于需要極其精確的位置反饋的計算機數控 (CNC) 機床等應用。 CNC 加工通常協調五個軸，并且可能使用多達十二個軸的協調運動。

　　機器人：工業、協作和移動

　　工業機器人將多軸運動控制與機械集成和先進的控制軟件相結合，通常可實現沿六軸的三維定位。

　　協作機器人或協作機器人旨在與人類一起安全操作。它們建立在工業機器人平臺上，增加了安全傳感以及功率和力限制功能，以提供功能安全的機器人工友。

　　同樣，移動機器人使用功能安全的機器控制，但它們在機器人功能中添加了定位傳感、路線控制和防撞功能。

　　在運動控制系統開發的每個階段，復雜性都會增加，而且通常會顯著增加。驅動智能運動系統有四個關鍵因素：

　　減少能源消耗

　　敏捷生產

　　數字化轉型

　　減少停機時間以確保資產利用率最大化

　　采用高效電機和低損耗 VSD，以及在運動控制應用中添加智能，是通過智能制造實現顯著能源效率的關鍵因素。

　　敏捷生產取決于快速可重構的生產線。這種靈活性是為了應對消費者對小批量、多樣化產品的不斷變化的需求，從而需要更具適應性的生產設置。工業機器人在執行復雜和重復性操作中發揮著關鍵作用，從而提高吞吐量和生產率。

　　數字化轉型涉及將整個生產設施的運動控制和大量傳感器數據聯網并實時共享這些數據的能力。這種連接使基于云的計算和人工智能 (AI) 算法能夠優化制造工作流程并提高資產利用率。

　　資產利用是各種新業務模式的基礎，重點關注工廠資產的生產力，而不僅僅是初始安裝成本。系統供應商越來越有興趣根據這些資產的正常運行時間或生產力來計費。這種方法利用預測性維護服務，依靠對每臺機器資產的實時監控來提高生產力并最大限度地減少計劃外停機。

　　智能運動控制的元件要求

　　設計人員必須意識到，智能運動應用需要針對典型電機驅動信號鏈中的多個設計領域的系統級解決方案(圖 2)。

　　圖 2：所示組件解決方案可在智能運動應用的六個關鍵領域實現更高水平的性能。 (圖片來源：Analog Devices, Inc.)

　　設計人員必須優先考慮的關鍵領域是電力電子、運動控制、電流傳感、位置傳感、網絡接口和機器健康監測。 Analog Devices 在每個領域提供多種器件，供設計人員在更新舊設計或重新開始時考慮。

　　電力電子

　　電力電子設備有助于將電機驅動系統中的直流電源轉換為脈寬調制 (PWM) 電源輸入。

　　電機驅動系統中的功率轉換從高壓直流電源開始，通常來自交流電源。如圖 2 所示，電力電子部分采用帶有 MOSFET 的三相半橋拓撲進行配置。上部 MOSFET 的柵極相對于地浮動，需要隔離驅動器。 Analog Devices 的ADUM4122CRIZ是一個合適的選擇。這是一款隔離式柵極驅動器，可提供高達 5 kV 的均方根 (rms) 隔離。高水平的隔離是通過結合高速互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 和單片變壓器技術來實現的。該柵極驅動器具有可調節轉換速率控制，可最大限度地減少開關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，這一點尤其重要，因為它們的開關速度更快。

　　下部 MOSFET 的源極元件接地，可以使用 Analog Devices 的LTC7060IMSE#WTRPBF，這是一款具有浮動接地的 100 伏半橋驅動器。

　　低側和高側驅動器的輸出級都是浮動的并且不接地。這種獨特的雙浮置架構使柵極驅動器輸出穩健且對接地噪聲不太敏感。此外，這些器件還結合了自適應直通保護和可編程死區時間，以防止兩個半橋開關器件同時開啟。

　　運動控制器

　　運動控制器作為運動控制系統的大腦。作為中央處理器，它生成驅動電力電子設備的 PWM 信號。這些信號基于中央控制中心的命令和電機的反饋，例如電流、位置和溫度。控制器根據這些數據決定電機的速度、方向和扭矩。控制器通常位于遠程并通過 FPGA 或專用處理器實現，需要隔離的通信鏈路。

　　為此，可以使用Analog Devices 的ADM3067ETRZ-EP等串行數據鏈路。這是一款靜電放電 (ESD) 保護、全雙工、50 兆位每秒 (Mbps) RS485 收發器。它被配置為提供從位置反饋傳感器返回到運動控制器的高帶寬串行通信。該串行線路具有高達 ±12 kV 的 ESD 保護，并且可在 -55 至 +125°C 的溫度范圍內運行。

　　電流檢測

　　電機的電流反饋是控制的主要反饋參數。由于電流反饋決定了運動控制系統的整體控制帶寬和動態響應，因此反饋機制必須具有高精度和高帶寬，以保證精確的運動控制。

　　有兩種常用的電流測量技術：

　　基于分流器的測量需要插入一個低值電阻器或與被測導體串聯的分流器。然后通常借助高分辨率模數轉換器 (ADC) 測量分流器上的差分電壓降。分流電流測量受到分流電阻器中的壓降和功耗的限制，并且僅限于中低電流應用。

　　磁電流傳感通過使用非接觸式各向異性磁阻 (AMR) 測量評估導體附近的磁場來測量電流。 AMR 器件的電阻隨磁場和電流的變化而變化，可使用電阻電橋進行測量。

　　磁電流測量消除了分流電阻器中的電壓降和隨后的功率損耗，使其更適合高電流測量。測量也與被測導體電氣隔離。

　　對于隔離電流測量，可以使用Analog Devices 的ADUM7701-8BRIZ-RL 。這是一款高性能 16 位二階 Σ-Δ ADC，可將模擬輸入信號(來自檢測電阻器上的電流檢測壓降)轉換為高速、單位數字隔離數據流。

　　AD8410AWBRZ高帶寬電流檢測放大器是一種交流電流測量器件。這是一款增益為 20、帶寬為 2.2 兆赫 (MHz) 且失調漂移低(每攝氏度約 1 微伏 (μV/°C))的差分放大器。它的直流共模抑制比 (CMRR) 為 123 分貝 (dB)，可以處理高達 100 伏共模輸入的雙向電流測量。

　　位置感

　　基于 AMR 磁性位置傳感器的旋轉位置傳感為光學編碼器提供了更具成本效益的替代方案。這些傳感器的另一個優點是在工業環境中堅固耐用，因為它們經常暴露在灰塵和振動中。電機軸角度的反饋可用于伺服系統中的直接位置控制或用于確定轉速。

　　Analog Devices 的ADA4571BRZ-RL是一款 AMR 傳感器，其封裝內集成了信號調節和 ADC 驅動器電路(圖 3)。

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　　圖 3：所示為 ADA4571BRZ-RL 角度傳感器的功能框圖，以及作為旋轉角度函數的正弦和余弦輸出圖。 (圖片來源：Analog Devices, Inc.)

　　ADA4571BRZ-RL 是一款磁阻角度傳感器，采用雙溫度補償 AMR 傳感器來檢測 180° (±90°) 范圍內的軸角度，精度誤差 <0.1°(在使用壽命/溫度范圍內誤差 <0.5°)。該器件產生正弦和余弦單端模擬輸出，指示周圍磁場的角位置。該器件可以在惡劣的磁性環境中運行，并且不會因寬氣隙而降低角度讀出誤差。

　　角度傳感器的輸出可連接到 Analog Devices 的AD7380BCPZ-RL7，這是一款雙路 16 位輸入逐次逼近寄存器 (SAR) ADC。該 ADC 在兩個差分輸入通道上同時采樣，速度高達每秒 4 兆采樣 (MSPS)。內部過采樣功能可提高性能。過采樣是提高 ADC 精度的常用技術。通過捕獲并平均模擬輸入的多個樣本，該功能可以使用正常平均或滾動平均過采樣模式來降低噪聲。過采樣還有助于在較慢的操作條件下實現更高的精度。

　　網絡接口

　　智能制造依賴于智能運動應用程序網絡，該網絡在工廠車間的機器與中央控制和管理網絡之間共享數據。這種共享需要強大的連接性。為此，設計人員可以使用 Analog Devices 的低功耗和低延遲以太網物理層 (PHY)，包括 ADIN1300CCPZ以太網PHY 收發器。 ADIN1300CCPZ 的運行數據速率為 10、100 或 1000 兆位每秒 (Mbits/s)，設計用于在惡劣的工業環境中運行，包括高達 105°C 的環境溫度。

　　交換機用于路由以太網連接。 Analog Devices 提供工業以太網第 2 層嵌入式雙端口交換機FIDO5200BBCZ。該交換機符合 10 和 100 Mbits/s 的 IEEE 802.3 標準，支持半雙工和全雙工模式，以支持 PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT、Modbus TCP 和 Ethernet POWERLINK 工業以太網協議。

　　機器健康狀況

　　機器健康監測采用傳感器來測量振動、沖擊和溫度等物理參數，從而實時了解機器的狀況。通過在標準運動控制操作期間記錄這些數據并隨著時間的推移對其進行分析，可以準確評估機器的機械健康狀況。這種數據驅動的方法可以實現預測性維護計劃，不僅可以延長機器的使用壽命，還可以顯著減少計劃外停機時間。

　　應用機器健康要求，將振動和沖擊傳感器安裝到電機中。 ADXL1001BCPZ -RL ±100 g 微機電系統 (MEMS) 加速度計是低噪聲傳感器的一個示例，其 -3 dB 帶寬為 11 kHz。它是壓電傳感器的高帶寬和低功耗替代品。對于需要沿三軸測量的應用，ADXL371可能是合適的選擇。

　　結論

　　智能運動控制對于實現智能工廠至關重要，它需要精心選擇的電子元件才能有效實施。如圖所示，其中許多組件已經經過精心策劃以啟動設計。它們包括用于驅動電機的電力電子設備、用于提供精確反饋數據以實現精準運動控制的電流和位置傳感器、用于提供系統級洞察以優化制造流程的工業網絡連接，以及用于實現機器健康狀況監控的振動和沖擊傳感器。減少計劃外停機并延長資產的使用壽命。