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來(lái)源：DigiKey 作者： Kenton Williston 運(yùn)動(dòng)控制是我最喜歡的科目之一。我記得在讀大學(xué)時(shí)，有個(gè)夏天一直在實(shí)驗(yàn)室中研究非穩(wěn)定系統(tǒng)的控制裝置。我用的工具當(dāng)時(shí)非常先進(jìn)，不過(guò)幸好自此之后運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。 全世界的工廠都有壓力，要少花錢(qián)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(yùn)動(dòng)控制。圖 1 說(shuō)明了為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況：運(yùn)動(dòng)控制是許多制造過(guò)程的核心。對(duì)于工廠來(lái)說(shuō)，底層運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)必須符合這些同一的標(biāo)準(zhǔn)才能高效運(yùn)行、響應(yīng)快速和穩(wěn)健可靠。 
圖 1：智能工廠涉及的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用種類(lèi)繁多。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 在這篇博客中，將重點(diǎn)介紹如何通過(guò)高精度運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器運(yùn)行狀況監(jiān)控來(lái)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。同時(shí)會(huì)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(shì)的關(guān)鍵要素的。 高精度運(yùn)動(dòng)控制 如要獲得更智能的運(yùn)動(dòng)控制就需要先實(shí)現(xiàn)更高精度的電流和位置測(cè)量能力，這樣才有機(jī)會(huì)最大限度地減少浪費(fèi)，同時(shí)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(cè)方面有許多選擇，但磁性傳感器仍然特別有吸引力，因?yàn)橄啾裙鈱W(xué)編碼器，它們提供的分辨率更高且成本更低。它們?cè)谟蟹蹓m和振動(dòng)的應(yīng)用環(huán)境中表現(xiàn)得更穩(wěn)健，其無(wú)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(chǎng)干擾和周?chē)牧系挠绊�。其精度亦�?huì)受到溫度波動(dòng)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(shì)。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(chǎng)惡劣的環(huán)境中表現(xiàn)出很強(qiáng)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(huì)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(hào)調(diào)節(jié)器，有助于實(shí)現(xiàn)適合電機(jī)驅(qū)動(dòng)和伺服應(yīng)用的更高絕對(duì)位置精度位置檢測(cè)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(shí) 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(lái)源：Analog Devices） 機(jī)器運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè) 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(guò)監(jiān)測(cè)電機(jī)振動(dòng)和沖擊，工廠中的機(jī)器運(yùn)行狀況傳感器（如振動(dòng)傳感器）可以減少計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間，延長(zhǎng)資產(chǎn)的使用壽命，同時(shí)降低維護(hù)成本。雖然有許多傳感器可供選擇，但微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 加速計(jì)取得了令人滿(mǎn)意的功能平衡。它帶寬高、噪聲低，而價(jià)格和功耗只是壓電系統(tǒng)的一小部分（圖 3）。
圖 3：可用于機(jī)器運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)的傳感器需要進(jìn)行成本、性能和功耗取舍。（圖片來(lái)源：Analog Devices） ADXL1001/ADXL1002 系列傳感器就是一個(gè)很好的 MEMS 實(shí)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(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感設(shè)計(jì)提供了便利。對(duì)于需要進(jìn)行三軸測(cè)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(shí)時(shí)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(yùn)營(yíng)狀況。一旦從各種運(yùn)動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)就可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而優(yōu)化實(shí)時(shí)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(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。不過(guò)，業(yè)界正在迅速采用時(shí)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(shì)是融合信息技術(shù)/運(yùn)營(yíng)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(chē)間系統(tǒng)整合到單個(gè)網(wǎng)絡(luò)上。
圖 4：制造業(yè)正在從獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(guò)渡。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 這些網(wǎng)絡(luò)需要亞毫秒級(jí)的網(wǎng)絡(luò)周期時(shí)間來(lái)確保確定性，并需要高達(dá)千兆位的帶寬來(lái)容納新的高速流量源，如視覺(jué)系統(tǒng)的視頻信號(hào)�，F(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需要像 ADIN1200/1300 系列這樣的以太網(wǎng)物理層 (PHY) 來(lái)滿(mǎn)足這些要求。這些堅(jiān)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(guò)廣泛的電磁兼容性 (EMC) 測(cè)試，并具有斷電保護(hù)等堅(jiān)固耐用的功能。 結(jié)語(yǔ) 在不斷演變的智能制造領(lǐng)域，智能運(yùn)動(dòng)控制是一個(gè)關(guān)鍵因素，它能夠讓工廠變得更靈活、更敏捷。實(shí)現(xiàn)這種優(yōu)化的核心是運(yùn)動(dòng)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(jī)會(huì)改進(jìn)從位置跟蹤到機(jī)器運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)的一切因素。通過(guò)將這些逐漸龐大、精確的數(shù)據(jù)饋入功能日益強(qiáng)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(shí)。在這個(gè)數(shù)字化的時(shí)代，智能運(yùn)動(dòng)控制與高級(jí)網(wǎng)絡(luò)的精彩融合，有望在未來(lái)實(shí)現(xiàn)真正的智能制造。 |
