什麼是嵌入式運動控製？

 

“嵌入式運動控製”這個術語指的是在一個設備中包含精確電機控製
、高(gao)性(xing)能(neng)計(ji)算(suan)的(de)高(gao)度(du)集(ji)成(cheng)設(she)備(bei)

，而(er)且(qie)通(tong)常(chang)還(hai)包(bao)含(han)通(tong)信(xin)功(gong)能(neng)。它(ta)是(shi)嵌(qian)入(ru)式(shi)計(ji)算(suan)發(fa)展(zhan)的(de)下(xia)一(yi)個(ge)階(jie)段(duan)
，嵌(qian)入(ru)式(shi)計(ji)算(suan)始(shi)於(yu)二(er)十(shi)世(shi)紀(ji)七(qi)十(shi)年(nian)代(dai)，當(dang)時(shi)，低(di)成(cheng)本(ben)單(dan)芯(xin)片(pian)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)問(wen)世(shi)使(shi)得(de)智(zhi)能(neng)可(ke)以(yi)嵌(qian)入(ru)到(dao)一(yi)切(qie)事(shi)物(wu)中(zhong)，包(bao)括(kuo)微(wei)波(bo)爐(lu)、兒童玩具
、收銀機和醫療器械。現代汽車享有的大部分效率增益都是由嵌入式計算實現的。

 

大約二十年後，互聯網、無線數據和更高水平的矽集成的興起將嵌入式連接引入日常物品中
，如體重秤、健康監視器和家庭娛樂設備。嵌入式連接還應用到了部分機動消費產品中，例如Roomba 清潔機器人。不幸的是，彼此分離的微控製器 (MCU)、電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)模(mo)擬(ni)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)組(zu)件(jian)的(de)成(cheng)本(ben)高(gao)昂(ang)

，且(qie)開(kai)發(fa)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)軟(ruan)件(jian)十(shi)分(fen)複(fu)雜(za)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)聯(lian)網(wang)的(de)運(yun)動(dong)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)隻(zhi)能(neng)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)製(zhi)造(zao)自(zi)動(dong)化(hua)和(he)其(qi)他(ta)工(gong)業(ye)應(ying)用(yong)。

 

由(you)於(yu)集(ji)成(cheng)程(cheng)度(du)的(de)不(bu)斷(duan)加(jia)深(shen)，運(yun)動(dong)控(kong)製(zhi)平(ping)台(tai)組(zu)件(jian)的(de)成(cheng)本(ben)和(he)數(shu)量(liang)降(jiang)低(di)至(zhi)隻(zhi)需(xu)要(yao)通(tong)用(yong)微(wei)程(cheng)序(xu)控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)少(shao)量(liang)模(mo)擬(ni)組(zu)件(jian)即(ji)可(ke)實(shi)現(xian)完(wan)整(zheng)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)程(cheng)度(du)（圖 1）。

 

【圖 1：帶dai外wai部bu微wei程cheng序xu控kong製zhi器qi的de集ji成cheng電dian機ji控kong製zhi解jie決jue方fang案an。在zai軟ruan件jian中zhong進jin一yi步bu集ji成cheng運yun動dong控kong製zhi要yao求qiu不bu僅jin可ke以yi實shi現xian更geng小xiao的de電dian子zi器qi件jian，還hai能neng將jiang需xu要yao大da量liang實shi時shi運yun算suan的de工gong作zuo從congMCU解放出來。】

 

最近，嵌入式運動控製器已經問世，它將這些功能與強大的微程序控製器集成（圖 2）。在zai大da部bu分fen情qing況kuang下xia，片pian上shang處chu理li器qi有you足zu夠gou的de計ji算suan能neng力li支zhi持chi精jing確que控kong製zhi一yi個ge或huo多duo個ge電dian機ji所suo需xu的de複fu雜za算suan法fa。在zai許xu多duo情qing況kuang下xia

，這zhe些xie設she備bei還hai包bao括kuo以yi太tai網wang
、控製器局域網路(CAN) 總線或其他用於物聯網通信的接口。對於功率較低的應用，甚至可以在單個封裝中包含驅動中等規模步進器、無刷 PMM (BLDC/BLAC) 或其他類型電機所需的最終輸出級。還可以對微程序控製器進行編程，以驅動其他類型的運動發生設備
，如直線驅動器和音圈。

 

【圖 2：嵌入式運動控製設備在一個封裝內集成了高性能嵌入式處理、功能和電機驅動電路一單個器件內。許多嵌入式控製器還包含能用於實施分布式控製係統和支持物聯網/工業物聯網運行的通信功能。】

 

為了加速開發，這些控製器通常有開源庫支持，開源庫為設計人員提供了可以通過標準API 調用的豐富功能集。這些庫通常包含幾個常用電機控製模式（轉矩

、速率和位置）的算法，還包括扭矩控製
，即磁場定向控製 (FOC) 以及運動模式（位置
、速率和扭矩）的算法。

 

應用

 

1 醫療產品

 

醫(yi)療(liao)器(qi)械(xie)是(shi)嵌(qian)入(ru)式(shi)運(yun)動(dong)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)正(zheng)在(zai)改(gai)變(bian)產(chan)品(pin)功(gong)能(neng)和(he)安(an)全(quan)性(xing)預(yu)期(qi)的(de)首(shou)要(yao)市(shi)場(chang)之(zhi)一(yi)。例(li)如(ru)，輸(shu)液(ye)泵(beng)必(bi)須(xu)為(wei)患(huan)者(zhe)提(ti)供(gong)精(jing)確(que)測(ce)量(liang)的(de)穩(wen)定(ding)藥(yao)液(ye)流(liu)。帶(dai)物(wu)聯(lian)網(wang)功(gong)能(neng)的(de)嵌(qian)入(ru)式(shi)控(kong)製(zhi)器(qi)支(zhi)持(chi)在(zai)患(huan)者(zhe)床(chuang)邊(bian)或(huo)通(tong)過(guo)集(ji)中(zhong)管(guan)理(li)的(de)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)對(dui)這(zhe)些(xie)泵(beng)進(jin)行(xing)編(bian)程(cheng)和(he)監(jian)控(kong)。同(tong)樣(yang)，可(ke)穿(chuan)戴(dai)胰(yi)島(dao)素(su)泵(beng)和(he)其(qi)他(ta)個(ge)人(ren)給(gei)藥(yao)設(she)備(bei)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)支(zhi)持(chi)物(wu)聯(lian)網(wang)的(de)控(kong)製(zhi)器(qi)能(neng)夠(gou)在(zai)支(zhi)持(chi)自(zi)主(zhu)運(yun)行(xing)的(de)同(tong)時(shi)將(jiang)患(huan)者(zhe)的(de)健(jian)康(kang)指(zhi)標(biao)實(shi)時(shi)提(ti)供(gong)給(gei)雲(yun)端(duan)的(de)分(fen)析(xi)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)。

 

【圖 3：嵌入式運用控製技術將為個人醫療設備帶來更高的準確性
、便利性和安全性。】

 

2 工業產品

 

工業自動化在嵌入式運動控製技術的早期就已獲益。低成本
、緊jin湊cou的de電dian機ji控kong製zhi器qi可ke以yi安an裝zhuang在zai附fu近jin，甚shen至zhi內nei置zhi在zai電dian機ji或huo驅qu動dong器qi。每mei個ge模mo塊kuai的de嵌qian入ru式shi控kong製zhi器qi在zai本ben地di執zhi行xing大da多duo數shu基ji本ben的de運yun動dong控kong製zhi功gong能neng，創chuang建jian一yi個ge分fen布bu式shi控kong製zhi體ti係xi結jie構gou，使shi智zhi能neng接jie近jin於yu將jiang數shu據ju轉zhuan換huan為wei運yun動dong的de位wei置zhi。這zhe一yi特te點dian和he控kong製zhi器qi監jian控kong和he記ji錄lu電dian機ji生sheng命ming跡ji象xiang的de能neng力li能neng夠gou讓rang嵌qian入ru式shi電dian機ji控kong製zhi係xi統tong的de響xiang應ying能neng力li更geng強qiang
，同tong時shi以yi更geng低di的de價jia格ge實shi現xian更geng高gao的de速su度du和he準zhun確que性xing。

 

嵌(qian)入(ru)式(shi)運(yun)動(dong)控(kong)製(zhi)器(qi)還(hai)能(neng)實(shi)時(shi)監(jian)視(shi)和(he)記(ji)錄(lu)電(dian)機(ji)及(ji)其(qi)驅(qu)動(dong)的(de)機(ji)械(xie)的(de)運(yun)行(xing)狀(zhuang)況(kuang)，提(ti)高(gao)它(ta)們(men)應(ying)對(dui)故(gu)障(zhang)或(huo)警(jing)報(bao)條(tiao)件(jian)的(de)速(su)度(du)，在(zai)部(bu)分(fen)情(qing)況(kuang)下(xia)，還(hai)能(neng)預(yu)測(ce)問(wen)題(ti)，以(yi)免(mian)造(zao)成(cheng)產(chan)品(pin)缺(que)陷(xian)或(huo)成(cheng)本(ben)高(gao)昂(ang)的(de)宕(dang)機(ji)。簡(jian)單(dan)地(di)說(shuo)，這(zhe)包(bao)括(kuo)持(chi)續(xu)跟(gen)蹤(zong)每(mei)個(ge)組(zu)件(jian)移(yi)動(dong)的(de)次(ci)數(shu)並(bing)將(jiang)其(qi)與(yu)計(ji)劃(hua)對(dui)照(zhao)，以(yi)確(que)定(ding)是(shi)否(fou)進(jin)行(xing)調(tiao)整(zheng)、更geng換huan零ling件jian和he其qi他ta例li行xing維wei護hu。此ci技ji術shu可ke以yi與yu從cong電dian機ji中zhong收shou集ji的de信xin息xi相xiang結jie合he

，查zha找zhao機ji器qi某mou些xie部bu位wei過guo度du摩mo擦ca的de早zao期qi跡ji象xiang，這zhe些xie過guo度du摩mo擦ca可ke能neng很hen快kuai就jiu會hui引yin起qi更geng加jia嚴yan重zhong、代價更高的問題。

 

在zai這zhe些xie應ying用yong中zhong，控kong製zhi器qi的de嵌qian入ru式shi通tong信xin功gong能neng支zhi持chi通tong過guo本ben地di應ying用yong程cheng序xu服fu務wu器qi跨kua局ju域yu網wang或huo通tong過guo雲yun端duan應ying用yong程cheng序xu跨kua工gong業ye物wu聯lian網wang輕qing鬆song監jian視shi和he控kong製zhi機ji器qi。

 

3 消費產品

 

高度的矽集成及其帶來的嵌入式運動控製組件的成本降低正在促使這一技術走入越來越多的消費品市場新應用中。

 

部分示例如下：

 

●     gaoxingnengdezhinengdiandongzixingchehediandongtabanche
，tamengengjiajingjiqienengshiyongkongzhiqijiangshuchuqudongboyudianjihesuochengshoufuzaixizhipipeicongergenghaodiliyongdianchi。

●     物聯網連接的智能家居，其特點是可以有效地遠程控製活動通風孔、百葉窗、監控攝像機和電器。

●     配備了智能電機驅動器的3D 打印機，驅動器使用複雜的波形算法提供更快的速度和更高的打印準確性，同時動態降低產生的噪音。

●     個人機器人，其硬件外圍設備中嵌入了時序要求嚴格的功能
，使得處理器可以供 AI 和用戶界麵使用。

 

 

結論

 

嵌入式運動控製技術正在使數據轉化為運動的過程變得比以往更加簡單、更加具有成本效益。在此過程中，它能幫助現有產品變得更好，讓新類別的產品成為可能。

 

來源：TRINAMIC電機驅動控製係統，作者：Corné Bekkers

 

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