超越傳感器和相機 – 將物聯(lián)網(wǎng)從云端遷移到物理世界

在早期，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）在很大程度上充當(dāng)了基于云的服務(wù)的“眼睛和耳朵”，從傳感器，攝像機和居住在物理世界的其他輸入設(shè)備收集數(shù)據(jù)，而不太強調(diào)操縱或控制它監(jiān)控的事情。支持物聯(lián)網(wǎng)的自動化和機器人應(yīng)用已開始融合，但其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，嵌入式運動控制設(shè)備已經(jīng)開始開發(fā)智能，安全，低成本的機動產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可以用同樣能力的手臂和手來補充物聯(lián)網(wǎng)的眼睛和耳朵。

什么是嵌入式運動控制？

術(shù)語“嵌入式運動控制”指的是高度集成的設(shè)備，其在單個設(shè)備內(nèi)體現(xiàn)精確的電機控制，高性能計算以及在許多情況下的通信能力。這是嵌入式計算的下一個發(fā)展階段，始于20世紀(jì)70年代后期，當(dāng)時低成本單片微控制器的出現(xiàn)使得從微波爐和兒童玩具到收銀機和醫(yī)療設(shè)備的各種智能都成為可能?，F(xiàn)代汽車所帶來的大部分效率提升都是通過嵌入式計算實現(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嵌入式連接帶來了日常用品，如浴室秤，健身監(jiān)視器和家庭娛樂設(shè)備。嵌入式連接還在一些電動消費產(chǎn)品中得到應(yīng)用，例如Roomba清潔機器人。遺憾的是，單獨的MCU，電機控制器和模擬電機驅(qū)動器組件的成本以及開發(fā)電機控制軟件的復(fù)雜性意味著連接的運動控制主要用于制造自動化和其他工業(yè)應(yīng)用。

提高集成度有助于降低運動控制平臺的成本和組件數(shù)量，使其只需要通用MCU和少數(shù)模擬組件來實現(xiàn)完整的解決方案(圖1):

(圖1):Trinamic TMC4671芯片,帶有外部MCU的集成電機控制解決方案。將動作控制要求進(jìn)一步集成到軟件中不僅可以實現(xiàn)更小的電子設(shè)備，還可以卸載MCU的實時關(guān)鍵任務(wù)。*

最近，嵌入式運動控制器已經(jīng)出現(xiàn)，它將這些功能與功能強大的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算能力，可支持精確控制一個或多個電機所需的復(fù)雜算法。在許多情況下，這些設(shè)備還包括以太網(wǎng)，CAN總線或用于物聯(lián)網(wǎng)通信的其他接口。對于低功率應(yīng)用，單個封裝甚至可以包含驅(qū)動中等尺寸步進(jìn)電機，無刷PMM（BLDC / BLAC）或其他類型電機所需的最終輸出級。MCU還可以編程為驅(qū)動其他類型的運動產(chǎn)生設(shè)備，例如線性致動器和音圈。

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。這些庫通常包括用于幾種常見電機控制模式（轉(zhuǎn)矩，速度和位置）的算法，用于轉(zhuǎn)矩控制，即磁場定向控制（FOC）和運動模式（例如異形位置，異形速度和異形轉(zhuǎn)矩）。

應(yīng)用領(lǐng)域

醫(yī)療產(chǎn)品

醫(yī)療設(shè)備是嵌入式運動控制正在改變對產(chǎn)品能力和安全性的期望的首批市場之一。例如，輸液泵必須向患者提供穩(wěn)定流量的精確計量的治療劑。具有物聯(lián)網(wǎng)功能的嵌入式控制器可以在患者床邊或集中管理應(yīng)用程序中對這些泵進(jìn)行編程和監(jiān)控。同樣，可穿戴式胰島素泵和其他個人藥物輸送設(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，同時為基于云的分析應(yīng)用程序?qū)崟r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動控制的早期受益者。低成本，緊湊型電機控制器可靠近或甚至內(nèi)置于電機或執(zhí)行器中。每個模塊的嵌入式控制器在本地執(zhí)行大多數(shù)基本運動控制功能，創(chuàng)建一個分布式控制架構(gòu)，使智能接近數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為運動的點。這一點，以及控制器監(jiān)控和記錄其電機生命體征的能力，使嵌入式運動控制系統(tǒng)更具響應(yīng)性，并以更低的價格提供更高的速度和準(zhǔn)確性。

嵌入式運動控制器還可以實時監(jiān)控和記錄電機及其驅(qū)動的機器的運行狀況，使其能夠更快地對故障或報警條件做出反應(yīng)，并在某些情況下預(yù)先解決問題，避免造成產(chǎn)品缺陷或代價高昂的停機時間。最簡單的是，這包括跟蹤每個子組件的移動次數(shù)，并將其與調(diào)整，部件更換和其他日常維護(hù)的時間表進(jìn)行比較。這可以與從電機收集的信息相結(jié)合，以尋找機制中某處的過度摩擦的早期指示，這可能很快導(dǎo)致更嚴(yán)重和昂貴的問題。

在這些應(yīng)用中，控制器的嵌入式通信功能使機器能夠通過本地應(yīng)用服務(wù)器或通過基于云的應(yīng)用程序跨越IIoT輕松地監(jiān)控和控制。

消費產(chǎn)品

高水平的硅集成以及由此帶來的嵌入式運動控制組件的低成本正在幫助該技術(shù)在消費者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惠，可以使用精確匹配輸出驅(qū)動波與電機及其負(fù)載的控制器，從電池中擠出更多產(chǎn)品。
• 物聯(lián)網(wǎng)連接智能家居，具有高效的遙控活動通風(fēng)口，窗簾，監(jiān)控攝像頭和電器。
• 3D打印機配備智能電機驅(qū)動器，使用復(fù)雜的波形整形算法，提供更快的速度和品脫精度，同時大大降低它們產(chǎn)生的噪音。
• 具有時間關(guān)鍵功能的個人機器人嵌入在硬件外圍設(shè)備中，使處理器可用于AI和用戶界面。

結(jié)論

嵌入式運動控制使數(shù)據(jù)運動變得更容易，更具成本效益。通過這樣做，它有助于使現(xiàn)有產(chǎn)品更好，并使新類別的產(chǎn)品成為可能。