在早期，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）在很大程度上充當(dāng)基于云的服務(wù)的“眼睛和耳朵”，從居住在物理世界中的傳感器，攝像頭和其他輸入設(shè)備收集數(shù)據(jù)，不太強(qiáng)調(diào)操縱或控制其監(jiān)控的事物。支持物聯(lián)網(wǎng)的自動化和機(jī)器人應(yīng)用已經(jīng)開始融合，但它們的成本通常限制了它們在高端工業(yè)和商業(yè)市場的使用。然而，最近，嵌入式運(yùn)動控制設(shè)備已經(jīng)開始支持智能、安全、低成本的電動產(chǎn)品的開發(fā)，這些產(chǎn)品通過同樣有能力的手臂和手來補(bǔ)充物聯(lián)網(wǎng)的眼睛和耳朵。

什么是嵌入式運(yùn)動控制？

術(shù)語“嵌入式運(yùn)動控制”是指在單個(gè)設(shè)備中體現(xiàn)精密電機(jī)控制、高性能計(jì)算以及在許多情況下的通信功能的高度集成設(shè)備。這是嵌入式計(jì)算發(fā)展的下一個(gè)階段，始于 1970 年代后期，當(dāng)時(shí)低成本單芯片微控制器的出現(xiàn)使得將智能嵌入到從微波爐和兒童玩具到收銀機(jī)和醫(yī)療設(shè)備的所有事物中成為可能。現(xiàn)代汽車所享有的大部分效率提升都是通過嵌入式計(jì)算實(shí)現(xiàn)的。

近二十年后，互聯(lián)網(wǎng)、無線數(shù)據(jù)和更高水平的硅集成的興起為浴室秤、健身監(jiān)視器和家庭娛樂設(shè)備等日常用品帶來了嵌入式連接。嵌入式連接也應(yīng)用于一些電動消費(fèi)產(chǎn)品，例如Roomba清潔機(jī)器人。遺憾的是，單獨(dú)的MCU、電機(jī)控制器和模擬電機(jī)驅(qū)動器組件的成本以及開發(fā)電機(jī)控制軟件的復(fù)雜性意味著連接的運(yùn)動控制主要用于制造自動化和其他工業(yè)應(yīng)用。

集成度的提高有助于降低運(yùn)動控制平臺的成本和組件數(shù)量，使其只需要一個(gè)通用 MCU 和少量模擬組件即可實(shí)現(xiàn)完整的解決方案（圖 1）。

圖 1：帶有外部 MCU 的集成電機(jī)控制解決方案。在軟件中進(jìn)一步集成運(yùn)動控制要求，不僅可以實(shí)現(xiàn)更小的電子設(shè)備，還可以減輕MCU的實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù)的負(fù)擔(dān)。

最近，嵌入式運(yùn)動控制器應(yīng)運(yùn)而生，它將這些功能與功能強(qiáng)大的MCU集成在一起（圖2）。在大多數(shù)情況下，片上處理器具有足夠的計(jì)算能力來支持精確控制一個(gè)或多個(gè)電機(jī)所需的復(fù)雜算法。在許多情況下，這些設(shè)備還包括以太網(wǎng)、CAN總線或其他用于物聯(lián)網(wǎng)通信的接口。對于低功耗應(yīng)用，單個(gè)封裝甚至可以包含驅(qū)動中等尺寸步進(jìn)電機(jī)、無刷 PMM （BLDC/BLAC） 或其他類型的電機(jī)所需的最終輸出級。MCU還可以編程為驅(qū)動其他類型的運(yùn)動產(chǎn)生設(shè)備，例如線性執(zhí)行器和音圈。

圖 2：嵌入式運(yùn)動控制器件在單個(gè)封裝中集成了高性能嵌入式處理、功能和電機(jī)驅(qū)動電子設(shè)備。許多嵌入式控制器還包括通信功能，可用于實(shí)現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)并支持物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)操作。

為了加速開發(fā)，這些控制器通常由固件庫支持，這些固件庫為設(shè)計(jì)人員提供了一組可通過標(biāo)準(zhǔn) API 調(diào)用的豐富功能。這些庫通常包括幾種常見電機(jī)控制模式（扭矩、速度和位置）、扭矩控制（即磁場定向控制 （FOC））和運(yùn)動模式（例如輪廓位置、曲線速度和曲線扭矩）的算法。

應(yīng)用

醫(yī)療產(chǎn)品

醫(yī)療設(shè)備是嵌入式運(yùn)動控制正在改變對產(chǎn)品功能和安全性期望的首批市場之一。例如，輸液泵必須向患者提供穩(wěn)定的精確計(jì)量的治療藥物。具有物聯(lián)網(wǎng)功能的嵌入式控制器使這些泵能夠在患者床邊或通過集中管理應(yīng)用程序進(jìn)行編程和監(jiān)控。同樣，可穿戴胰島素泵和其他個(gè)人給藥設(shè)備中使用的支持物聯(lián)網(wǎng)的控制器可以支持自主操作，同時(shí)向基于云的分析應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)提供患者的健康指標(biāo)。

工業(yè)產(chǎn)品

工業(yè)自動化一直是嵌入式運(yùn)動控制的早期受益者。低成本、緊湊的電機(jī)控制器可以靠近電機(jī)或執(zhí)行器，甚至可以內(nèi)置于電機(jī)或執(zhí)行器中。每個(gè)模塊的嵌入式控制器在本地執(zhí)行大多數(shù)基本運(yùn)動控制功能，從而創(chuàng)建分布式控制架構(gòu)，使智能接近將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為運(yùn)動的點(diǎn)。這一點(diǎn)，以及控制器監(jiān)控和記錄其電機(jī)生命體征的能力，使嵌入式運(yùn)動控制系統(tǒng)能夠更快地響應(yīng)，并以更低的價(jià)格提供更高的速度和精度。

嵌入式運(yùn)動控制器還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄電機(jī)及其驅(qū)動機(jī)械的健康狀況，使其能夠更快地對故障或警報(bào)條件做出反應(yīng)，并且在某些情況下，在問題導(dǎo)致產(chǎn)品缺陷或代價(jià)高昂的停機(jī)時(shí)間之前預(yù)測問題。簡單來說，這涉及跟蹤每個(gè)子組件進(jìn)行了多少次移動，并將其與調(diào)整、零件更換和其他日常維護(hù)的計(jì)劃進(jìn)行比較。這可以與從電機(jī)收集的信息相結(jié)合，以尋找機(jī)構(gòu)中某處過度摩擦的早期指標(biāo)，這些指標(biāo)可能很快導(dǎo)致更嚴(yán)重、更昂貴的問題。

在這些應(yīng)用中，控制器的嵌入式通信功能使本地應(yīng)用服務(wù)器可以通過局域網(wǎng)輕松監(jiān)控和控制機(jī)器，也可以通過基于云的應(yīng)用程序在IIoT上輕松監(jiān)控和控制機(jī)器。

消費(fèi)品

高水平的硅集成度以及由此帶來的嵌入式運(yùn)動控制組件成本的降低正在幫助該技術(shù)在消費(fèi)市場中找到越來越多的新應(yīng)用。

一些例子包括：

智能、高性能的電動自行車和電動滑板車更實(shí)惠，可以使用控制器從電池中擠出更多續(xù)航里程，這些控制器仔細(xì)地將其輸出驅(qū)動波與電機(jī)及其承受的負(fù)載相匹配。

物聯(lián)網(wǎng)連接的智能家居具有高效的遠(yuǎn)程控制主動通風(fēng)口、窗簾、監(jiān)控?cái)z像頭和電器。

配備智能電機(jī)驅(qū)動器的3D打印機(jī)使用復(fù)雜的波形整形算法來提供更高的速度和品脫精度，同時(shí)顯著降低它們產(chǎn)生的噪音。

個(gè)人機(jī)器人具有嵌入在硬件外圍設(shè)備中的時(shí)間關(guān)鍵功能，使處理器可用于AI和用戶界面。

結(jié)論

嵌入式運(yùn)動控制使將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為運(yùn)動變得比以往任何時(shí)候都更容易、更具成本效益。通過這樣做，它正在幫助使現(xiàn)有產(chǎn)品變得更好，并使新類別的產(chǎn)品成為可能。

審核編輯：郭婷