如何從電機控制轉(zhuǎn)換為運動控制？

隨著越來越多的技術廣泛應用于工業(yè)自動化，我們已經(jīng)進入了工業(yè)4.0時代。新技術不斷涌現(xiàn)，賦能人工智能和機器學習、數(shù)據(jù)分析、工業(yè)網(wǎng)絡、網(wǎng)絡安全和功能安全。然而，大多數(shù)工業(yè)自動化作為其他所有技術的核心，仍然依靠機器人和運動控制。

運動控制與電機控制經(jīng)常同時出現(xiàn)，有點讓人混淆。這兩個概念有什么區(qū)別？在工業(yè)自動化中，我們?nèi)绾螌⑶‘數(shù)慕鉀Q方案應用于其中一個概念，或同時應用于這兩個概念？歡迎繼續(xù)閱讀，了解運動控制和電機控制的區(qū)別以及如何使它們協(xié)同工作。

什么是運動控制？

運動控制是工業(yè)自動化系統(tǒng)的子系統(tǒng)。它同步化控制多個電機來完成一系列運動。例如，多軸機械臂需要多個電機無縫地協(xié)同運行才能做出特定的動作。運動控制主要用于軌跡規(guī)劃、速度規(guī)劃、插補算法和運動學轉(zhuǎn)換。運動控制系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)在印刷、包裝和裝配應用中。

如下所示，運動控制系統(tǒng)通常由以下主要組件組成：

?   運動控制器，可生成軌跡規(guī)劃，然后向電機驅(qū)動器提供控制命令。

?   電機驅(qū)動器，將運動控制器的控制命令（通常是速度或扭矩信號）轉(zhuǎn)換為更高功率電壓或電流信號來驅(qū)動電機

?   數(shù)個電機，可根據(jù)控制命令執(zhí)行運動

?   位置傳感器，將電機轉(zhuǎn)子的位置/速度數(shù)據(jù)提供給位置/速度控制器，實現(xiàn)精確的位置/速度控制

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電機控制與運動控制

另一方面，電機控制是更側(cè)重于控制電機旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)或技術。典型的電機控制系統(tǒng)調(diào)整單個電機的扭矩、速度和位置的一個或多個參數(shù)，以達到目標值。電機的類型不同，驅(qū)動電機的要求和技術可能會有很大差異。電機控制器通常沒有規(guī)劃能力（高級驅(qū)動器只有簡單的位置和速度規(guī)劃能力）。因此，解釋電機控制和運動控制區(qū)別的簡單方法是：

?   電機控制是運動控制系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)（通常是電流環(huán)，在扭矩控制模式下工作）

?   但是，有時我們可能會混淆它們，因為電機控制的位置環(huán)/速度環(huán)/扭矩環(huán)既可以在電機控制器中使用，也可以在運動控制器中使用

現(xiàn)在我們知道了這兩個系統(tǒng)之間的差異，顯而易見，它們的設計要求及資源也大不相同。

電機控制更側(cè)重于使電機正常旋轉(zhuǎn)，或者更確切地說，是換向。為了做到這一點，電機控制器需要與各種傳感器對接，處理模擬和數(shù)字信號，并生成波形來驅(qū)動電機。所有這些都發(fā)生在非常短的時間環(huán)路內(nèi)，范圍從50微秒到300微秒。

然而，運動控制通常充當系統(tǒng)監(jiān)控器，需要在多個電機控制器之間、通過以太網(wǎng)（EtherCAT和TSN.）、CAN、RS485的數(shù)據(jù)等其他來源之間，以及人機界面（HMI）面板的命令之間進行通信。如上所述，運動控制器還可以參與一些電機控制任務，例如控制速度環(huán)、位置環(huán)，甚至扭矩環(huán)。因此，運動控制器的實時控制環(huán)路可以從100微秒到數(shù)百毫秒不等，具體取決于運動控制器參與的實際任務。

運動控制系統(tǒng)的設計

運動控制系統(tǒng)的設計可能相當復雜，涵蓋了電機控制、工業(yè)網(wǎng)絡、人機界面、編解碼器、信息安全和功能安全等許多方面。因此，它需要多個控制單元在系統(tǒng)中相互協(xié)調(diào)。

這里就需要全套器件方便運動控制設計人員選擇——也是恩智浦及其廣泛的微控制器（MCU）和微處理器（MPU）產(chǎn)品組合的用武之地。

在電機控制器方面，恩智浦的Kinetis V MCU、Kinetis E MCU、LPC MCU和數(shù)字信號控制器（DSC）提供了多種選擇，從使用ARM^?Cortex^?-M0+內(nèi)核控制簡單電機，到使用Cortex-M33內(nèi)核或高效DSC內(nèi)核在雙電機上運行FOC算法。使用備受歡迎的無閃存i.MX RT跨界MCU，可以同時精確控制更多電機。這些MCU不僅具有廣泛的處理能力可供選擇，還集成了非常適合電機控制的外設，如高速的高精度ADC、高速比較器、靈活的電機控制定時器和PWM以及DSP加速度傳感器。故障檢測和自動關機等安全功能可以與這些器件提供的工業(yè)安全合規(guī)性無縫協(xié)作。

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而在運動控制器方面，恩智浦提供i.MX RT跨界MCU和MPU產(chǎn)品線，包括Layerscape和i.MX系列處理器。這些器件支持集成豐富的工業(yè)通信接口，例如以太網(wǎng)/IP、Profinet、EtherCAT和TSN等接口。多核架構為通信協(xié)議、運動軌跡規(guī)劃和實時環(huán)路控制提供了足夠的動力。它們還配備了先進的計時器，以支持多模式計數(shù)和靈活的脈沖串輸出。

如圖所示，運動控制系統(tǒng)可以使用大量的MCU和MPU來實現(xiàn)多個電機驅(qū)動器，促進各個機械臂協(xié)同運動

為了加快運動控制系統(tǒng)的上市，我們迫切需要一種快速簡便的概念驗證和原型制作方法。因此，恩智浦一直在開發(fā)參考設計平臺，以提供豐富的工業(yè)運動控制功能并符合工業(yè)自動化標準。我們最近推出了i.MX RT工業(yè)驅(qū)動開發(fā)平臺，該平臺基于i.MX RT跨界MCU，具有多電機控制、確定性通信和符合IEC 62443安全標準的基礎。四電機控制開發(fā)平臺現(xiàn)已上市，可支持全套恩智浦產(chǎn)品，包括i.MX RT跨界MCU和EdgeLock^? SE050安全元件。這些器件協(xié)同工作，展示了工業(yè)電機控制系統(tǒng)所需的功能，例如電源管理、驅(qū)動四個電機、工業(yè)通信接口、HMI觸摸面板界面和安全集成。

綜上所述，本文介紹了運動控制的定義、電機控制和運動控制的區(qū)別，以及運動控制系統(tǒng)設計要求的行業(yè)趨勢。繼續(xù)關注恩智浦，了解更多電機控制解決方案。

作者：

Daniel Hou

恩智浦半導體工業(yè)邊緣處理大眾市場團隊技術營銷人員

Daniel Hou是恩智浦半導體工業(yè)邊緣處理大眾市場團隊的技術營銷人員，為工業(yè)細分市場的新興微控制器和微處理器用例提供支持。他之前曾在半導體行業(yè)擔任過應用工程和市場營銷方面的職務，擁有美國羅斯-霍曼理工學院（Rose-Hulman Institute of Technology）電氣工程碩士學位。