【導(dǎo)讀】中國(guó)及全球主要工業(yè)國(guó)家都正在推動(dòng)工業(yè)和制造領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型，通過(guò)提升數(shù)字化水平和生產(chǎn)效率來(lái)抵消勞動(dòng)力短缺和成本上漲。國(guó)內(nèi)“十四五”規(guī)劃擬將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用的普及率從15%提高到45%，并在產(chǎn)品研發(fā)、制造執(zhí)行、內(nèi)部運(yùn)營(yíng)、維護(hù)服務(wù)和類(lèi)似的流程中，將管理和運(yùn)營(yíng)的數(shù)字化比例從55%提高到68%。工業(yè)數(shù)字化，制造業(yè)首當(dāng)其沖，下面看看制造業(yè)的幾個(gè)常見(jiàn)場(chǎng)景“樣本”。
車(chē)間裝備線——裝配系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，為高度靈活的模塊化裝配機(jī)器增加了智能。為了將這些機(jī)器提升到一個(gè)新的水平，每個(gè)部件都需要針對(duì)實(shí)時(shí)通信和監(jiān)控進(jìn)行優(yōu)化。畢竟，在整個(gè)裝配過(guò)程中，只有一個(gè)組件發(fā)生故障就可能導(dǎo)致完全關(guān)閉。
數(shù)字化加工——數(shù)字技術(shù)對(duì)原型設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)生了巨大影響。就像3D打印一樣，CNC銑削和激光切割等應(yīng)用被廣泛使用，加快了所有行業(yè)的開(kāi)發(fā)周期。現(xiàn)在，可以直接通過(guò)設(shè)計(jì)軟件制造實(shí)際產(chǎn)品，依靠具有集成安全功能的精確可靠的運(yùn)動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)更安全、更可靠、效率最高的設(shè)備。
自動(dòng)拾取和放置機(jī)器——雖然拾取和放置機(jī)器似乎只進(jìn)行基本運(yùn)動(dòng)，但有些機(jī)器需要最高的靈活性來(lái)完成要求苛刻的任務(wù)，例如將單個(gè)組件放置在PCB上或從傳送帶上拾取物體并相應(yīng)地放置它們。無(wú)論任務(wù)如何，所有拾取和放置機(jī)器都需要高效、可靠和靈活的驅(qū)動(dòng)器。
測(cè)試和測(cè)量設(shè)備——在現(xiàn)代工業(yè)制造技術(shù)和科學(xué)研究中，測(cè)量?jī)x器具有精密化、集成化、智慧化的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于測(cè)試和測(cè)量設(shè)備，準(zhǔn)確性和可重復(fù)性是獲得可靠結(jié)果的關(guān)鍵。例如，對(duì)生產(chǎn)中的所有三維復(fù)雜零件尺寸、形狀和相互位置進(jìn)行高準(zhǔn)確度測(cè)量，三坐標(biāo)測(cè)量就很關(guān)鍵。輸送系統(tǒng)——物料的傳送在工廠運(yùn)營(yíng)中具有非常重要的地位，它是工業(yè)化生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，好的物料流轉(zhuǎn)方式，不僅省時(shí)、省力、降低成本，可保持生產(chǎn)線的運(yùn)轉(zhuǎn)，而且會(huì)大大提高我們的生產(chǎn)效率。在幾乎所有這些工業(yè)應(yīng)用的場(chǎng)景，我們可以發(fā)現(xiàn)幾乎都有電機(jī)在里面發(fā)揮著重要作用。隨著工業(yè)制造的數(shù)字化發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的要求也趨于嚴(yán)苛，不僅要求低噪聲、運(yùn)行平穩(wěn)、高能效、高速度高扭矩，還要求增加對(duì)設(shè)備和過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控異常行為進(jìn)行優(yōu)化。
特別是與系統(tǒng)功能密切關(guān)聯(lián)的步進(jìn)電機(jī)，如果通過(guò)在芯片級(jí)集成高級(jí)診斷，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和力控制與監(jiān)測(cè)，可以提前實(shí)現(xiàn)部分工業(yè)4.0的自動(dòng)診斷功能，提高準(zhǔn)確性、可靠性和效率，無(wú)論是數(shù)字加工、車(chē)間裝配線，還是自動(dòng)拾取與放置機(jī)器或者生產(chǎn)線測(cè)試測(cè)量設(shè)備，將實(shí)現(xiàn)更高的精度和效率，并大大減少停機(jī)時(shí)間。基于創(chuàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器的運(yùn)動(dòng)在步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合如何實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和力控制？傳統(tǒng)的思路可能立即會(huì)想到：第一，增加力矩傳感器；第二，檢測(cè)電機(jī)電流。但是，增加力傳感器會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)成本的增加。對(duì)一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，大多采用恒流斬波控制，其電流是恒定的。檢測(cè)電機(jī)電流只能增加編碼器，這種方法也會(huì)增加控制系統(tǒng)的成本。
步進(jìn)器和 BLDC 等電動(dòng)機(jī)利用磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，從轉(zhuǎn)子的角度來(lái)看，定子的電磁場(chǎng)拉動(dòng)或推動(dòng)轉(zhuǎn)子。這會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子旋轉(zhuǎn)場(chǎng)方向之間的相移，該相移是負(fù)載角，或電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子的兩個(gè)磁場(chǎng)方向之間的角度。在正常負(fù)載條件下，負(fù)載角較低，流入電機(jī)的部分能量也流回電源，從而產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。該反電動(dòng)勢(shì)表示電機(jī)上的機(jī)械負(fù)載，這意味著它可用于監(jiān)控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)載條件，而無(wú)需使用其他組件。
使用電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)原理，ADI Trinamic電機(jī)驅(qū)動(dòng)StallGuard?和CoolStep?為電機(jī)應(yīng)用增加了電機(jī)負(fù)載檢測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器歸位和失速保護(hù)。StallGuard 是步進(jìn)電機(jī)的無(wú)傳感器負(fù)載測(cè)量，可提供有關(guān)負(fù)載角度的經(jīng)濟(jì)高效的反饋，靈敏度可根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整，使其成為無(wú)傳感器歸位、自校準(zhǔn)、距離測(cè)量或驗(yàn)證所有機(jī)械裝置是否仍在安全裕度內(nèi)運(yùn)行的理想選擇，無(wú)需參考或限位開(kāi)關(guān)，并降低了需要精確參考的應(yīng)用的成本和復(fù)雜性。通常，開(kāi)環(huán)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器在過(guò)載情況下會(huì)因失速而丟失步數(shù)，例如當(dāng)軸被阻塞時(shí)。StallGuard 技術(shù)可防止步進(jìn)損失，通過(guò)在達(dá)到設(shè)定負(fù)載值時(shí)停止電機(jī)來(lái)保持步數(shù)完整性。無(wú)傳感器技術(shù)可以檢測(cè)多達(dá) 1024 個(gè)不同的負(fù)載水平，從而提供高分辨率反饋，以便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。
CoolStep提供基于StallGuard值的動(dòng)態(tài)電流控制，最初為醫(yī)療設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化開(kāi)發(fā)的無(wú)傳感器負(fù)載相關(guān)電流控制，始終以實(shí)際負(fù)載條件所需的最小量驅(qū)動(dòng)電機(jī)。基于CoolStep和StallGuard技術(shù)，可以將電機(jī)能耗降低最高達(dá)90%，并有效減少熱量的產(chǎn)生。而且，通過(guò)消除電流安全裕度并允許臨時(shí)電流提升，CoolStep允許更小的電機(jī)，因?yàn)樾枰呐ぞ貎?chǔ)備更少。
適合工業(yè)運(yùn)動(dòng)無(wú)傳感器爭(zhēng)端診斷的電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案基于 StallGuard 和 CoolStep 提供支持，整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控異常行為進(jìn)行優(yōu)化，無(wú)論是機(jī)械磨損還是負(fù)載不在指定裕度內(nèi)，ADI Trinamic的嵌入式解決方案都可以檢測(cè)并標(biāo)記事件，將電機(jī)以及整個(gè)系統(tǒng)變成“傳感器”，通過(guò)向數(shù)據(jù)集添加有價(jià)值的信息來(lái)提高效率，以便實(shí)時(shí)控制生產(chǎn)線。TMC5160就是帶步進(jìn)/方向接口和串行通信接口(SPI) 的高功率步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)芯片，將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)目標(biāo)定位的靈活斜坡發(fā)生器和業(yè)界先進(jìn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器結(jié)合在一起。通過(guò)外置外部晶體管，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)、高扭矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)（高達(dá) 20A 線圈電流），使系統(tǒng)小型化和性能可擴(kuò)展變得可行，從而讓經(jīng)濟(jì)、高效的解決方案得以實(shí)現(xiàn)。完整的解決方案在實(shí)現(xiàn)高性能基礎(chǔ)上，能將學(xué)習(xí)時(shí)間盡可能縮短，加快產(chǎn)品上市時(shí)間。
TMC4671 是另外一款適合工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的完全集成的伺服控制器，為 BLDC/PMSM 和 2 相步進(jìn)電機(jī)以及直流電機(jī)和音圈提供磁場(chǎng)定向控制（FOC）。所有控制功能都在硬件中實(shí)現(xiàn)。集成ADC、位置傳感器接口、位置插補(bǔ)器，使功能齊全的伺服控制器適用于各種伺服應(yīng)用。此外，客戶(hù)也可以采用用于兩相雙極步進(jìn)電機(jī)的三軸電機(jī)控制器/驅(qū)動(dòng)板TMCM-3351，或者用于無(wú)傳感器負(fù)載相關(guān)電流控制六軸步進(jìn)電機(jī)控制器/驅(qū)動(dòng)器模塊TMCM-6110 。簡(jiǎn)單易用和成本效益原則是ADI Trinamic設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)控芯片時(shí)的指導(dǎo)方針。這些方案將強(qiáng)大的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制器集成在一塊芯片上，將數(shù)字信息直接轉(zhuǎn)換為平滑、精確、可靠的物理運(yùn)動(dòng)，被廣泛地用于機(jī)器人、工業(yè)驅(qū)動(dòng)、紡織、縫紉機(jī)、包裝、工廠和實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化、高速 3D 打印機(jī)、液體處理、醫(yī)療、辦公自動(dòng)化、視頻監(jiān)控、自動(dòng)取款機(jī)等應(yīng)用中。
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