如何提高運動控制效率？方法是什么？

運動控制是工業(yè)控制領域的核心之一，在焊接、拋光、包裝，裝配等工業(yè)場景中發(fā)揮著巨大作用。運動控制最早起源于電機控制，電機控制的任務是控制單個電機轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速，位置等參數(shù)，使電機完成規(guī)定的動作。而運動控制是在電機控制的基礎上實現(xiàn)了對多個電機控制，控制系統(tǒng)自動協(xié)調(diào)多個電機完成指定的運動。復雜精密運動控制系統(tǒng)的應用在大大降低生產(chǎn)成本的同時也減少了加工中誤操作的發(fā)生，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。如今工業(yè)生產(chǎn)自動化技術飛速發(fā)展，多種多樣的運動控制系統(tǒng)廣泛應用于物流行業(yè)與大型裝配生產(chǎn)線。

工業(yè)運動控制涵蓋一系列應用，包括基于逆變器的風扇或泵控 制、具有更為復雜的交流驅(qū)動控制的工廠自動化以及高級自動 化應用(如具有高級伺服控制的機器人)。這些系統(tǒng)需要檢測和 反饋多個變量，例如電機繞組電流或電壓、直流鏈路電流或電 壓、轉(zhuǎn)子位置和速度。變量的選擇和所需的測量精度取決于終 端應用需求、系統(tǒng)架構(gòu)、目標系統(tǒng)成本或系統(tǒng)復雜度。還有其 他考慮因素，例如狀態(tài)監(jiān)控等增值特性。據(jù)報道，電機占全球 總能耗的 40%，國際法規(guī)越來越注重全體工業(yè)運動應用的系統(tǒng) 效率(參見圖 1)。

各種電機控制信號鏈拓撲中的電流和電壓檢測技術會因電機額 定功率、系統(tǒng)性能要求和終端應用而有所差異。由于這個原 因，不同的傳感器選擇、電流隔離要求、ADC 選擇、系統(tǒng)集成 度和系統(tǒng)電源 / 接地劃分，導致電機控制信號鏈實現(xiàn)方案也不相 同。雖然隔離要求通常對最終電路拓撲和架構(gòu)有著重要影響， 但本文關注的重點是如何改善電流檢測(作為一個影響因素)來實 現(xiàn)更高效的電機控制系統(tǒng)。

電流和電壓測量

圖 2 所示為一個通用電機控制信號鏈。為實現(xiàn)高保真測量而進行 的信號調(diào)理并非易事。相位電流檢測尤其困難，因為該節(jié)點連 接的電路節(jié)點與逆變器模塊核心中的柵極驅(qū)動器輸出的節(jié)點相 同，因此在隔離電壓和開關瞬變方面的需求也相同。

電機控制中最常用的電流傳感器為分流電阻、霍爾效應傳感器 (HES)以及電流互感器(CT)。雖然分流電阻不具有隔離功能且會 引起損耗，但它是所有傳感器中最具線性、成本最低且同時適 用于交流和直流測量的傳感器。為限制分流功率損耗的信號電 平衰減通常將分流應用限制為 50 A 或更低。電流互感器和霍爾效 應傳感器可提供固有的隔離，因此能夠用于電流較高的系統(tǒng)， 但它們的成本更高，并且在精度上不及采用分流電阻的解決方 案，這是由于此類傳感器本身的初始精度較差或者在溫度方面 的精度較差。與傳感器類型不同，電機電流測量節(jié)點有很多選 擇，如圖 3 所示，其中以直接同相繞組電流測量最為理想，可 用于高性能系統(tǒng)。

有許多拓撲可用來檢測電機電流，并需考慮多種因素，例如成 本、功耗以及性能水平，但對大多數(shù)系統(tǒng)設計人員而言，一個 重要目標是在成本控制范圍內(nèi)提高效率。

從霍爾效應傳感器到分流電阻

與隔離式 Σ-Δ調(diào)制器耦合的分流電阻可提供最優(yōu)質(zhì)的電流反 饋，其中的電流電平足夠低。目前，系統(tǒng)設計人員明顯傾向于 從霍爾效應傳感器轉(zhuǎn)移到分流電阻，并且與隔離式放大器方案 相比，設計人員更傾向于采用隔離式調(diào)制器方案。將霍爾效應 傳感器替換為分流電阻的系統(tǒng)設計人員往往會選擇隔離式放大 器，并繼續(xù)使用之前在基于霍爾效應傳感器的設計中使用的模 數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。這種情況下，無論模數(shù)轉(zhuǎn)換性能如何，設計性 能都會受到隔離式放大器的限制。

將隔離式放大器和 ADC 替換為隔離式Σ-Δ調(diào)制器可消除性能瓶 頸，并大大改善設計，通?？蓪⑵鋸?9 到 10 位精度的反饋提升到 12 位水平。此外，還可配置處理Σ-Δ調(diào)制器輸出所需的數(shù)字濾 波器，以實現(xiàn)快速過流保護(OCP)環(huán)路，從而無需模擬過流保護 電路。

現(xiàn)有Σ-Δ調(diào)制器可提供±250 mV (±320 mV 滿量程用于 OCP)的差分輸 入范圍，特別適合阻性分流器測量。模擬調(diào)制器對模擬輸入持 續(xù)采樣，而輸入信息則包含在數(shù)字輸出流內(nèi)，其數(shù)據(jù)速率最高 可達 20 MHz。通過適當?shù)臄?shù)字濾波器可重構(gòu)原始信息。由于可在 轉(zhuǎn)換性能和帶寬或濾波器群延遲之間作出權(quán)衡，因此更粗、更 快的濾波器能夠以 2 μs 的數(shù)量級提供快速 OCP 響應，非常適用于 IGBT 保護。

縮小分流電阻尺寸

從信號測量方面來看，一些主要難題與分流電阻的選擇有關， 因為需要實現(xiàn)靈敏度和功耗之間的平衡。電阻自身的發(fā)熱效應 導致的非線性情況也會是使用較大電阻所面臨的挑戰(zhàn)。因此， 設計人員必須做出權(quán)衡取舍，而更棘手的是，他們往往需要選 擇一個適當大小的分流電阻，以滿足不同電流電平下各種型號 和電機的需求。如果面對數(shù)倍于電機額定電流的峰值電流，并 需要可靠捕獲兩者的值，則保持動態(tài)范圍也是一個難題。

面對這些難題，系統(tǒng)設計人員非常需要具有更寬動態(tài)范圍或 更高信噪比和信納比(SINAD)的優(yōu)異Σ-Δ調(diào)制器。最新的隔離式 Σ-Δ調(diào)制器產(chǎn)品具有 16 位分辨率，并可確保高達 12 位有效位數(shù) (ENOB)的性能。

高性能隔離式Σ-Δ調(diào)制器

更高性能的隔離式Σ-Δ調(diào)制器可滿足工業(yè)電機控制設計中的多 種需求，并可通過縮小分流電阻尺寸來提高電機驅(qū)動器的功 效。ADI 公司的調(diào)制器 AD7403 就是一個很好的工業(yè)應用實例(參見 圖 4)。它是 AD7401A 的新一代產(chǎn)品，可在相同的 20 MHz 外部時鐘 速率下提供更寬的動態(tài)范圍。這使設計人員可以更為靈活地選 擇分流電阻大小，并能夠在更高電流電平下使用分流電阻替換 霍爾效應傳感器。該芯片的 ENOB 典型值為 14.2 位。此外，還可 通過縮短測量延遲改善動態(tài)響應。這款器件的隔離方案支持比 上一代產(chǎn)品更高的連續(xù)工作電壓(VIORM)，從而可通過使用更高 的直流總線電壓和更低的電流來提高系統(tǒng)效率。

不受控制的運動沒有意義，幾乎可以肯定;沒有生產(chǎn)力。工程和工業(yè)運動控制在工廠自動化中發(fā)揮著重要作用，無數(shù)的機器和組件獨立移動，并串聯(lián)移動。除了時間因素外，力、速度、準確性和位置等其他因素在控制和設計運動以實現(xiàn)特定結(jié)果方面也起著至關重要的作用。

早期的運動控制技術主要基于耗時且昂貴的解決方案，如齒輪、凸輪、皮帶傳動等。下一階段見證了機電、液壓和氣動產(chǎn)品的時代，如氣缸、螺線管、夾具、等等?，F(xiàn)在是緊湊、智能和可擴展的電子和基于計算機技術的時代。所謂的可編程運動控制采用由各種性能參數(shù)驅(qū)動的代碼和算法，這些參數(shù)和算法可以嵌入到智能設備的軟件程序和內(nèi)存中。

無數(shù)運動控制算法的主要目標是調(diào)節(jié)速度、扭矩和位置。雖然每種算法都有根據(jù)需要選擇的好處，但下面列出的算法可能是自動化行業(yè)中最受歡迎的。

位置PID算法

該算法的工作原理是輸出輸入比(稱為增益)和在運動控制下以比例、積分和差分模式收到的反饋。它僅適用于目標輪廓的位置反饋，但可以控制運動部件的位置和速度。

位置 PID 算法強調(diào)目標配置文件以定義任何給定時刻的運動軸。所需的運動控制輸出來自目標 Vs 的信息。運動軸的實際位置，以及所需的進給量。由于此類算法根據(jù)閉環(huán)運動控制的反饋原理來計算過程變量，因此可以實現(xiàn)高精度。

由于 PID 算法高效準確的運動控制能力，它被廣泛應用于機器人等專業(yè)自動化以及汽車巡航控制等日常應用。

優(yōu)點

最強大的算法之一，它使用過去、現(xiàn)在和未來的元素來響應微分錯誤的邏輯。

基于高精度邏輯的運動控制具有出色的響應和跟蹤能力。

在工業(yè)自動化中被廣泛使用、接受和理解。

缺點

作為一種反饋算法，除非產(chǎn)生或識別出錯誤，否則控制是不可能的。

從響應滯后中恢復會導致運動控制結(jié)果的性能不佳。

不適合國防和精密機器人等高級應用。

梯形算法

梯形算法是一種應用于無刷直流電機 (BLDC) 的運動控制機制。它根據(jù)定子-轉(zhuǎn)子單元的換向原理運行，并以特定方式使用通過定子的電流的開關。這導致轉(zhuǎn)子根據(jù)其對換向轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場的極性響應而旋轉(zhuǎn)。

旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子由于與誘導其運動的電流相反而引起反電動勢(電磁力)。這種反電動勢導致永久梯形波形，因此得名梯形算法。無論是否使用檢測電機位置的霍爾傳感器，都會影響這種連續(xù)的電力換向。

這種換向技術也稱為六步算法，可在相對于定子的六個不同方向上產(chǎn)生平滑的旋轉(zhuǎn)。

優(yōu)點

在設計和性能方面簡單、低成本且可靠。

運動控制機制需要低處理能力。

高效適用于電動工具和無人機等高速和高扭矩應用。

缺點

低速運動控制效率低下。

連續(xù)換向引起的轉(zhuǎn)矩波動問題。

電噪聲和聲學噪聲。

場定向控制(FOC)

FOC 也稱為矢量控制，是一種用于運動控制的高計算算法，其基本目標是在給定速度下實現(xiàn)最大扭矩。隨著集成電路 (IC) 的快速發(fā)展，F(xiàn)OC 的實際應用在最近已呈多方面增長。如此之多，以至于它已將其優(yōu)勢商品化為日常機器，如鉆床、切割機和磨床(電動工具)，在這些機器中，電池和性能始終很重要。

有趣的是，F(xiàn)OC 是第一項用于控制電機的兩個最重要變量——扭矩和磁通的技術。這一實際優(yōu)勢使 FOC 成為最適合高性能電機應用的算法。此外，能夠在各種速度范圍內(nèi)提供平穩(wěn)運行，即使在零速時也能產(chǎn)生最大扭矩，產(chǎn)生快速加速或減速，使 FOC 成為各種工業(yè)應用的首選。

從技術上講，在 FOC 中，電流分為兩個垂直分量。引起垂直拉力的部分是產(chǎn)生扭矩的部分。導致不希望的向外拉動的另一部分是通量。FOC 以實現(xiàn)最大扭矩的方式對齊這兩個組件。

優(yōu)點

寬電流范圍內(nèi)的最大轉(zhuǎn)矩響應

動態(tài)響應快，性能穩(wěn)定

更好地控制扭矩和速度

缺點

需要傳感器來確定轉(zhuǎn)子的精確位置

低負載條件下的控制和效率降低

設計無傳感器 FOC 需要專業(yè)知識，并且需要大量成本

雖然一些運動控制算法不斷發(fā)展，但它們的網(wǎng)絡包容性和與設備的連接性是最困難的任務之一。使用 EtherNet/IP 和 EtherCAT 技術的應用控制協(xié)議的最新進展將此類智能算法與現(xiàn)場設備和設備結(jié)合在一起。這有助于為使用智能傳感器和網(wǎng)關的變頻驅(qū)動器提供精確通信。

用于工業(yè)自動化的基于云的遠程運動控制是下一件大事。目前，一些運動控制算法已經(jīng)在云應用中實現(xiàn)。然而，觀察這些算法在分布式網(wǎng)絡和系統(tǒng)中的執(zhí)行效率會很有趣。很快，將配備復雜的算法來遠程控制和監(jiān)控旋轉(zhuǎn)電機的位置，并進行自我調(diào)整以克服由周圍干擾引起的諧波失真。

由于對速度、準確性、遠程可能性和可負擔性的需求不斷增加，運動控制算法的未來和范圍正在上升。然而，這項利基技術需要領先企業(yè)和研究學者的更大推動力。此外，由于5G技術已經(jīng)影響到許多工業(yè)應用，運動控制