作者：Art Pini

　　向智能制造的转变利用先进技术来提高产量、生产率、敏捷性、效率和安全性，同时降低成本。智能运动控制在这一转变中至关重要。通常需要通过用高级运动控制设备替换定速电机和控制器来更新旧工厂。这些设备依靠先进的传感来实现精确的运动和功率控制。为了实现最佳的工作流程和生产敏捷性，设计人员还必须在生产机械和制造执行系统之间实现实时连接。

　　许多先进技术和系统级解决方案可用于实现向智能运动控制的迁移，但设计人员通常需要自行将系统拼凑在一起。这种情况正在发生变化，现在可以使用全面的解决方案来帮助启动运动控制设计。其中包括用于电机速度和扭矩多轴控制的隔离电流传感和位置反馈组件，以及用于机器健康监控以减少意外停机时间的传感器。还包括高速网络接口，促进机器和更高级别控制和管理网络之间的数据共享。

　　本文简要讨论了改进电机控制的重要性。然后介绍Analog Devices的智能运动控制解决方案，包括电源、传感和网络组件，并讨论它们的应用方式。

　　为什么需要更智能的电机控制

　　电机是工业运动控制的基础，占工业用电量的 70%。这一比例的工业用电约占全球电力消耗的 50%。这就是为什么人们在提高运动控制效率方面付出了如此多的努力，而智能电机控制带来了许多好处。

　　早期的运动控制依赖于基本的并网电机，这已经发展成为当今复杂的多轴伺服电机机器人执行器。这种演进式发展跟踪了智能制造所需的更高水平的效率、性能、可靠性和自给自足所需的日益复杂性(图 1)。

　　图 1：运动控制已从定速并网电机发展到具有多轴伺服电机机器人执行器的智能运动控制系统。 (图片来源：Analog Devices Inc.)

　　各种类型的电机控制包括：

　　固定速度：最古老和最基本的运动控制基于以固定速度运行的并网三相交流电机。开关设备提供开/关控制和保护电路。任何所需的产量减少都是通过机械方式实现的。

　　逆变器驱动电机：添加整流器、直流母线和三相逆变器级创建了应用于电机的可变频率和可变电压源，以实现变速控制。这种逆变器驱动电机可以根据负载和应用以最佳速度运行电机，从而显着降低能耗。

　　变速驱动器 (VSD)：用于需要额外精度控制电机速度、位置和扭矩的应用，VSD 通过在基本电压调节逆变器驱动器中添加电流和位置测量传感器来实现这种控制。

　　伺服驱动系统：多个 VSD 可以同步到多轴伺服驱动系统中，以完成更复杂的运动，适用于需要极其精确的位置反馈的计算机数控 (CNC) 机床等应用。 CNC 加工通常协调五个轴，并且可能使用多达十二个轴的协调运动。

　　机器人：工业、协作和移动

　　工业机器人将多轴运动控制与机械集成和先进的控制软件相结合，通常可实现沿六轴的三维定位。

　　协作机器人或协作机器人旨在与人类一起安全操作。它们建立在工业机器人平台上，增加了安全传感以及功率和力限制功能，以提供功能安全的机器人工友。

　　同样，移动机器人使用功能安全的机器控制，但它们在机器人功能中添加了定位传感、路线控制和防撞功能。

　　在运动控制系统开发的每个阶段，复杂性都会增加，而且通常会显着增加。驱动智能运动系统有四个关键因素：

　　减少能源消耗

　　敏捷生产

　　数字化转型

　　减少停机时间以确保资产利用率最大化

　　采用高效电机和低损耗 VSD，以及在运动控制应用中添加智能，是通过智能制造实现显着能源效率的关键因素。

　　敏捷生产取决于快速可重构的生产线。这种灵活性是为了应对消费者对小批量、多样化产品的不断变化的需求，从而需要更具适应性的生产设置。工业机器人在执行复杂和重复性操作中发挥着关键作用，从而提高吞吐量和生产率。

　　数字化转型涉及将整个生产设施的运动控制和大量传感器数据联网并实时共享这些数据的能力。这种连接使基于云的计算和人工智能 (AI) 算法能够优化制造工作流程并提高资产利用率。

　　资产利用是各种新业务模式的基础，重点关注工厂资产的生产力，而不仅仅是初始安装成本。系统供应商越来越有兴趣根据这些资产的正常运行时间或生产力来计费。这种方法利用预测性维护服务，依靠对每台机器资产的实时监控来提高生产力并最大限度地减少计划外停机。

　　智能运动控制的元件要求

　　设计人员必须意识到，智能运动应用需要针对典型电机驱动信号链中的多个设计领域的系统级解决方案(图 2)。

　　图 2：所示组件解决方案可在智能运动应用的六个关键领域实现更高水平的性能。 (图片来源：Analog Devices, Inc.)

　　设计人员必须优先考虑的关键领域是电力电子、运动控制、电流传感、位置传感、网络接口和机器健康监测。 Analog Devices 在每个领域提供多种器件，供设计人员在更新旧设计或重新开始时考虑。

　　电力电子

　　电力电子设备有助于将电机驱动系统中的直流电源转换为脉宽调制 (PWM) 电源输入。

　　电机驱动系统中的功率转换从高压直流电源开始，通常来自交流电源。如图 2 所示，电力电子部分采用带有 MOSFET 的三相半桥拓扑进行配置。上部 MOSFET 的栅极相对于地浮动，需要隔离驱动器。 Analog Devices 的ADUM4122CRIZ是一个合适的选择。这是一款隔离式栅极驱动器，可提供高达 5 kV 的均方根 (rms) 隔离。高水平的隔离是通过结合高速互补金属氧化物半导体 (CMOS) 和单片变压器技术来实现的。该栅极驱动器具有可调节转换速率控制，可最大限度地减少开关功率损耗和电磁干扰 (EMI)。如果使用氮化镓 (GaN) 或碳化硅 (SiC) 器件，这一点尤其重要，因为它们的开关速度更快。

　　下部 MOSFET 的源极元件接地，可以使用 Analog Devices 的LTC7060IMSE#WTRPBF，这是一款具有浮动接地的 100 伏半桥驱动器。

　　低侧和高侧驱动器的输出级都是浮动的并且不接地。这种独特的双浮置架构使栅极驱动器输出稳健且对接地噪声不太敏感。此外，这些器件还结合了自适应直通保护和可编程死区时间，以防止两个半桥开关器件同时开启。

　　运动控制器

　　运动控制器作为运动控制系统的大脑。作为中央处理器，它生成驱动电力电子设备的 PWM 信号。这些信号基于中央控制中心的命令和电机的反馈，例如电流、位置和温度。控制器根据这些数据决定电机的速度、方向和扭矩。控制器通常位于远程并通过 FPGA 或专用处理器实现，需要隔离的通信链路。

　　为此，可以使用Analog Devices 的ADM3067ETRZ-EP等串行数据链路。这是一款静电放电 (ESD) 保护、全双工、50 兆位每秒 (Mbps) RS485 收发器。它被配置为提供从位置反馈传感器返回到运动控制器的高带宽串行通信。该串行线路具有高达 ±12 kV 的 ESD 保护，并且可在 -55 至 +125°C 的温度范围内运行。

　　电流检测

　　电机的电流反馈是控制的主要反馈参数。由于电流反馈决定了运动控制系统的整体控制带宽和动态响应，因此反馈机制必须具有高精度和高带宽，以保证精确的运动控制。

　　有两种常用的电流测量技术：

　　基于分流器的测量需要插入一个低值电阻器或与被测导体串联的分流器。然后通常借助高分辨率模数转换器 (ADC) 测量分流器上的差分电压降。分流电流测量受到分流电阻器中的压降和功耗的限制，并且仅限于中低电流应用。

　　磁电流传感通过使用非接触式各向异性磁阻 (AMR) 测量评估导体附近的磁场来测量电流。 AMR 器件的电阻随磁场和电流的变化而变化，可使用电阻电桥进行测量。

　　磁电流测量消除了分流电阻器中的电压降和随后的功率损耗，使其更适合高电流测量。测量也与被测导体电气隔离。

　　对于隔离电流测量，可以使用Analog Devices 的ADUM7701-8BRIZ-RL 。这是一款高性能 16 位二阶 Σ-Δ ADC，可将模拟输入信号(来自检测电阻器上的电流检测压降)转换为高速、单位数字隔离数据流。

　　AD8410AWBRZ高带宽电流检测放大器是一种交流电流测量器件。这是一款增益为 20、带宽为 2.2 兆赫 (MHz) 且失调漂移低(每摄氏度约 1 微伏 (μV/°C))的差分放大器。它的直流共模抑制比 (CMRR) 为 123 分贝 (dB)，可以处理高达 100 伏共模输入的双向电流测量。

　　位置感

　　基于 AMR 磁性位置传感器的旋转位置传感为光学编码器提供了更具成本效益的替代方案。这些传感器的另一个优点是在工业环境中坚固耐用，因为它们经常暴露在灰尘和振动中。电机轴角度的反馈可用于伺服系统中的直接位置控制或用于确定转速。

　　Analog Devices 的ADA4571BRZ-RL是一款 AMR 传感器，其封装内集成了信号调节和 ADC 驱动器电路(图 3)。

角度传感器的功能框图（点击放大）" src="https://supp.iczoom.com/home/wwwroot/filedata/hjiczoom/images/public/202311/1699412841736082228.jpg" width="600" height="325"/>

　　图 3：所示为 ADA4571BRZ-RL 角度传感器的功能框图，以及作为旋转角度函数的正弦和余弦输出图。 (图片来源：Analog Devices, Inc.)

　　ADA4571BRZ-RL 是一款磁阻角度传感器，采用双温度补偿 AMR 传感器来检测 180° (±90°) 范围内的轴角度，精度误差 <0.1°(在使用寿命/温度范围内误差 <0.5°)。该器件产生正弦和余弦单端模拟输出，指示周围磁场的角位置。该器件可以在恶劣的磁性环境中运行，并且不会因宽气隙而降低角度读出误差。

　　角度传感器的输出可连接到 Analog Devices 的AD7380BCPZ-RL7，这是一款双路 16 位输入逐次逼近寄存器 (SAR) ADC。该 ADC 在两个差分输入通道上同时采样，速度高达每秒 4 兆采样 (MSPS)。内部过采样功能可提高性能。过采样是提高 ADC 精度的常用技术。通过捕获并平均模拟输入的多个样本，该功能可以使用正常平均或滚动平均过采样模式来降低噪声。过采样还有助于在较慢的操作条件下实现更高的精度。

　　网络接口

　　智能制造依赖于智能运动应用程序网络，该网络在工厂车间的机器与中央控制和管理网络之间共享数据。这种共享需要强大的连接性。为此，设计人员可以使用 Analog Devices 的低功耗和低延迟以太网物理层 (PHY)，包括 ADIN1300CCPZ以太网PHY 收发器。 ADIN1300CCPZ 的运行数据速率为 10、100 或 1000 兆位每秒 (Mbits/s)，设计用于在恶劣的工业环境中运行，包括高达 105°C 的环境温度。

　　交换机用于路由以太网连接。 Analog Devices 提供工业以太网第 2 层嵌入式双端口交换机FIDO5200BBCZ。该交换机符合 10 和 100 Mbits/s 的 IEEE 802.3 标准，支持半双工和全双工模式，以支持 PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT、Modbus TCP 和 Ethernet POWERLINK 工业以太网协议。

　　机器健康状况

　　机器健康监测采用传感器来测量振动、冲击和温度等物理参数，从而实时了解机器的状况。通过在标准运动控制操作期间记录这些数据并随着时间的推移对其进行分析，可以准确评估机器的机械健康状况。这种数据驱动的方法可以实现预测性维护计划，不仅可以延长机器的使用寿命，还可以显着减少计划外停机时间。

　　应用机器健康要求，将振动和冲击传感器安装到电机中。 ADXL1001BCPZ -RL ±100 g 微机电系统 (MEMS) 加速度计是低噪声传感器的一个示例，其 -3 dB 带宽为 11 kHz。它是压电传感器的高带宽和低功耗替代品。对于需要沿三轴测量的应用，ADXL371可能是合适的选择。

　　结论

　　智能运动控制对于实现智能工厂至关重要，它需要精心选择的电子元件才能有效实施。如图所示，其中许多组件已经经过精心策划以启动设计。它们包括用于驱动电机的电力电子设备、用于提供精确反馈数据以实现精准运动控制的电流和位置传感器、用于提供系统级洞察以优化制造流程的工业网络连接，以及用于实现机器健康状况监控的振动和冲击传感器。减少计划外停机并延长资产的使用寿命。