從TRINAMIC電機(jī)控制技術(shù)看智能制造邊緣化趨勢

TRINAMIC的設(shè)計(jì)理念是盡可能將針對(duì)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制硬件化，有效縮短開發(fā)周期，減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM（物料清單），縮短產(chǎn)品投放時(shí)間。隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、人工智能（AI）、云計(jì)算的迅速發(fā)展，要求生產(chǎn)線更加智能化、靈活可配置，以滿足復(fù)雜多變的生產(chǎn)需求。工業(yè)智能制造與IoT、AI、可配置IO以及云計(jì)算有序地融合，推動(dòng)了自動(dòng)化行業(yè)的變革。

在2021國際電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)論壇上，TRINAMIC資深應(yīng)用工程師高偉表示：“在工廠自動(dòng)化當(dāng)中，按照不同功能，智能制造可分為執(zhí)行層、控制層、工廠控制層和管理層四個(gè)層次。其中執(zhí)行層包含傳感器、執(zhí)行器等，是整個(gè)控制系統(tǒng)的神經(jīng)末梢。因此，如何將智能制造延伸至執(zhí)行層對(duì)整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)有著重要意義?！?

TRINAMIC提供方案齊全的智能工業(yè)自動(dòng)化執(zhí)行端解決方案，包括底層的電機(jī)驅(qū)動(dòng)（集成功率管或者功率管外擴(kuò)）、閉環(huán)算法FOC、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，以及IO-Link和實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)。TRINAMIC的設(shè)計(jì)理念是盡可能將針對(duì)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制硬件化，有效縮短開發(fā)周期，減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM（物料清單），縮短產(chǎn)品投放時(shí)間。

圖：TRINAMIC 產(chǎn)品種類

電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，在智能制造領(lǐng)域起到關(guān)鍵作用。5G、人工智能、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展讓智能制造市場對(duì)電機(jī)有了更加嚴(yán)格、更加復(fù)雜多樣的要求，電機(jī)及其控制技術(shù)朝著高能效、低功耗、智能化、安全可靠的方向迅猛發(fā)展。

“設(shè)計(jì)一套好的運(yùn)動(dòng)控制軌跡曲線，相當(dāng)于完美的運(yùn)動(dòng)控制完成了一半。”高偉表示運(yùn)動(dòng)控制曲線直接決定了電機(jī)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際效果。電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線包括梯形曲線和S型曲線。相較于梯形曲線，S型曲線更加平穩(wěn)，克服了前者加速度突變的不利因素，能夠更有效地減小沖擊。TRINAMIC將傳統(tǒng)軟件算法通過硬件來實(shí)現(xiàn)，從而節(jié)省CPU的負(fù)擔(dān)，讓原本結(jié)構(gòu)復(fù)雜的S型曲線變得易于實(shí)現(xiàn)，減輕了生產(chǎn)研發(fā)的工作量。

圖：S型電機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線

TRINAMIC擁有Stealthchop和Coolstep兩大技術(shù)專利，讓步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，更加節(jié)能高效。在低速大扭矩應(yīng)用中，步進(jìn)電機(jī)擁有比其他電機(jī)更大的優(yōu)勢。在沒有反饋裝置的情況下，步進(jìn)電機(jī)仍可以實(shí)現(xiàn)速度控制和定位控制，具有剛性好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)線傳輸、雕刻、紡織、安防、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但是傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案存在發(fā)熱高、噪聲大、共振強(qiáng)等缺點(diǎn)，無法滿足高端應(yīng)用。

TRINAMIC通過對(duì)電機(jī)電流自調(diào)整控制，使步進(jìn)電機(jī)在低速情況下，將噪音控制在10分貝以內(nèi)，消除電機(jī)抖動(dòng)。通過電流自適應(yīng)負(fù)載控制使電流在不需要主控制干預(yù)的情況下自動(dòng)完成調(diào)節(jié)，避免電機(jī)出現(xiàn)丟步，減少發(fā)熱。

圖：電流自適應(yīng)負(fù)載控制

在高速場合，BLDC（無刷直流電機(jī)）和PMSM(永磁同步電動(dòng)機(jī))等伺服電機(jī)更具優(yōu)勢。FOC（磁場定向控制）是目前伺服控制當(dāng)中效率最高的控制方式。TRINAMIC基于硬件的空間磁場矢量控制能夠精確地控制磁場大小與方向，使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、噪聲小、響應(yīng)迅速，提高了電機(jī)效率和精度。TRINAMIC控制芯片能夠?qū)?fù)雜的算法從MCU里解放出來，減輕處理器對(duì)實(shí)時(shí)計(jì)算的負(fù)擔(dān)。

除了步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)，TRINAMIC將雙向通訊IO-Link與電動(dòng)執(zhí)行器相結(jié)合，進(jìn)一步滿足了智能制造邊緣化的發(fā)展需求。

IO-Link定義了標(biāo)準(zhǔn)的接口、線纜和協(xié)議，基于強(qiáng)大的三線傳感器和執(zhí)行器連接的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，能夠從控制層直接訪問傳感器狀態(tài)信息。TRINAMIC智能執(zhí)行器系統(tǒng)提供了輕便小巧，低功耗的一體機(jī)解決方案，集成了可編程的傳感器和可編程的執(zhí)行器功能，可以自主完成智能控制，減少與主控制器的通訊頻率，降低系統(tǒng)故障率。

圖：支持IO-Link的TRINAMIC電機(jī)系統(tǒng)

從TRINAMIC電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)方案中，我們不難看出，日益增長的市場需求要求電機(jī)控制更加智能化。融合先進(jìn)新興產(chǎn)業(yè)，電機(jī)控制將更加精準(zhǔn)可靠，數(shù)據(jù)處理能力更加強(qiáng)大。智能制造的發(fā)展正朝著邊緣化方向演變，以加速推動(dòng)工廠生產(chǎn)的自動(dòng)、智能、高效。