智能运动控制造就智能制造

来源：DigiKey
作者： Kenton Williston

运动控制是我最喜欢的科目之一。我记得在读大学时，有个夏天一直在实验室中研究非稳定系统的控制装置。我用的工具当时非常先进，不过幸好自此之后运动控制技术取得了长足进步。

全世界的工厂都有压力，要少花钱多办事。持续的供应链中断、在岸和近岸外包以及环境影响因素正在促使制造商不断增加生产的敏捷性和弹性。

为此，工厂需要更加智能的运动控制。图 1 说明了为什么会出现这种情况：运动控制是许多制造过程的核心。对于工厂来说，底层运动控制系统必须符合这些同一的标准才能高效运行、响应快速和稳健可靠。


图 1：智能工厂涉及的运动控制应用种类繁多。（图片来源：Analog Devices）

在这篇博客中，将重点介绍如何通过高精度运动控制和机器运行状况监控来实现这些目标。同时会解释这些技术是如何成为走向真正智能化工厂这一数字化转型趋势的关键要素的。

高精度运动控制

如要获得更智能的运动控制就需要先实现更高精度的电流和位置测量能力，这样才有机会最大限度地减少浪费，同时获得最大的响应速度和吞吐量。任何控制系统的精度均取决于其传感器。

尽管在位置检测方面有许多选择，但磁性传感器仍然特别有吸引力，因为相比光学编码器，它们提供的分辨率更高且成本更低。它们在有粉尘和振动的应用环境中表现得更稳健，其无接触式天然特性也消除了磨损消耗。

但是，磁性传感器更易于受外部磁场干扰和周围材料的影响。其精度亦会受到温度波动影响，因此为保持其精度可能需要经常校准，这就降低了其在成本和可靠性方面的优势。加上许多磁性传感器只能在较近的范围内使用，因此限制了其应用范围。

平衡这些考量的一种方式是使用各向异性磁阻 (AMR) 传感器。与霍尔效应、巨磁阻 (GMR) 和隧道磁阻 (TMR) 传感器不同，AMR 传感器在磁场恶劣的环境中表现出很强的稳健性，并能在宽气隙公差的情况下保持精度。由于 AMR 传感器在这些条件下不会出现衰减和角度误差，因此校准和维护的需求大大降低。

例如 Analog Devices 的 ADA4571 系列角度传感器就是很好的例子。这些传感器配备集成式信号调节器，有助于实现适合电机驱动和伺服应用的更高绝对位置精度位置检测能力。ADA4571 采用内置校准引擎，能够在宽温度范围内将误差保持在 <0.5°（图 2）。


图 2：图中所示为 VDD = 5.5 时 ADA4571 传感器的典型误差（左），启用内置增益控制 (GC) 功能可改善误差（右）。（图片来源：Analog Devices）

机器运行状况监测

在智能工厂中，性能固然重要，但效率和弹性也同样重要。通过监测电机振动和冲击，工厂中的机器运行状况传感器（如振动传感器）可以减少计划外停机时间，延长资产的使用寿命，同时降低维护成本。虽然有许多传感器可供选择，但微机电系统 (MEMS) 加速计取得了令人满意的功能平衡。它带宽高、噪声低，而价格和功耗只是压电系统的一小部分（图 3）。


图 3：可用于机器运行状况监测的传感器需要进行成本、性能和功耗取舍。（图片来源：Analog Devices）

ADXL1001/ADXL1002 系列传感器就是一个很好的 MEMS 实例。以 ADXL1002 为例，其显著特性包括在 ±50 g 范围内每根赫兹的噪声仅为 25 微克 (μg/√Hz)，并能承受高达 10,000 g 的外部冲击。从直流到 11 千赫兹 (kHz) 的线性频率响应使之适用于缓慢旋转的设备，而低功耗则为无线传感设计提供了便利。对于需要进行三轴测量的应用，ADXL371 可能就是合适之选。

用于数字化转型的实时连接

迄今为止所讨论的传感解决方案的真正威力在于其能够深入洞察工厂运营状况。一旦从各种运动控制系统中收集到电压、电流、位置和温度等数据，自动化系统就可以对这些数据进行分析，从而优化实时制造流程。

如图 4 所示，确定性数据采集目前涉及 EtherCAT 和 PROFINET 等多种现场总线协议。不过，业界正在迅速采用时间敏感网络 (TSN) 作为下一代网络的标准。这一趋势是融合信息技术/运营技术 (IT/OT) 基础设施出现的根本原因，它能够将企业和工厂车间系统整合到单个网络上。


图 4：制造业正在从独立的现场总线网络向基于千兆位以太网 (GbE) 的 TSN 的融合 IT/OT 基础设施过渡。（图片来源：Analog Devices）

这些网络需要亚毫秒级的网络周期时间来确保确定性，并需要高达千兆位的带宽来容纳新的高速流量源，如视觉系统的视频信号。现代运动控制系统需要像 ADIN1200/1300 系列这样的以太网物理层 (PHY) 来满足这些要求。这些坚固耐用、低功耗、低延迟的 PHY 器件支持工业环境中的千兆以太网 (GbE)。它们可工作在高至 105°C 的环境温度下，已通过广泛的电磁兼容性 (EMC) 测试，并具有断电保护等坚固耐用的功能。

结语

在不断演变的智能制造领域，智能运动控制是一个关键因素，它能够让工厂变得更灵活、更敏捷。实现这种优化的核心是运动控制系统的精度和效率。随着各种传感器的推陈出新，工程师们有机会改进从位置跟踪到机器运行状况监测的一切因素。通过将这些逐渐庞大、精确的数据馈入功能日益强大的工厂网络，数字化转型的承诺正在迅速变为现实。在这个数字化的时代，智能运动控制与高级网络的精彩融合，有望在未来实现真正的智能制造。