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”，從居住在物理世界中的傳感器，攝像頭和其他輸入設(shè)備收集數(shù)據(jù)，而不太強(qiáng)調(diào)操縱或控制它所監(jiān)控的事物。支持物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)化和機(jī)器人應(yīng)用已經(jīng)開始合并，但它們的成本通常限制了它們?cè)诟叨斯I(yè)和商業(yè)市場(chǎng)的使用。然而，最近，嵌入式運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備已經(jīng)開始開發(fā)智能、安全、低成本的電動(dòng)化產(chǎn)品，這些產(chǎn)品通過(guò)同樣有能力的手臂和手來(lái)補(bǔ)充物聯(lián)網(wǎng)的眼睛和耳朵。

什么是嵌入式運(yùn)動(dòng)控制？

術(shù)語(yǔ)“嵌入式運(yùn)動(dòng)控制”是指高度集成的設(shè)備，這些設(shè)備在單個(gè)設(shè)備中體現(xiàn)了精密電機(jī)控制、高性能計(jì)算以及在許多情況下的通信功能。這是嵌入式計(jì)算的下一個(gè)發(fā)展階段，始于20世紀(jì)70年代后期，當(dāng)時(shí)低成本單芯片微控制器的出現(xiàn)使得將智能嵌入到從微波爐和兒童玩具到收銀機(jī)和醫(yī)療設(shè)備的所有事物中成為可能。現(xiàn)代汽車所享有的大多數(shù)效率提升都是通過(guò)嵌入式計(jì)算實(shí)現(xiàn)的。

近二十年后，互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線數(shù)據(jù)和更高水平的硅集成的興起為浴室秤、健身監(jiān)視器和家庭娛樂(lè)設(shè)備等日常用品帶來(lái)了嵌入式連接。嵌入式連接也在一些電動(dòng)消費(fèi)產(chǎn)品中得到了應(yīng)用，例如Roomba清潔機(jī)器人。不幸的是，單獨(dú)的MCU、電機(jī)控制器和模擬電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組件的成本，以及開發(fā)電機(jī)控制軟件的復(fù)雜性意味著連接的運(yùn)動(dòng)控制主要用于制造自動(dòng)化和其他工業(yè)應(yīng)用。

集成度的提高有助于降低運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的成本和組件數(shù)量，使其只需要一個(gè)通用MCU和少量模擬組件即可實(shí)現(xiàn)完整的解決方案（圖 1）。

圖 1：帶有外部 MCU 的集成電機(jī)控制解決方案。在軟件中進(jìn)一步集成運(yùn)動(dòng)控制要求不僅允許更小的電子設(shè)備，而且還減輕了MCU的實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù)的負(fù)擔(dān)。

最近，嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)運(yùn)而生，它將這些功能與強(qiáng)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(jì)算能力來(lái)支持精確控制一個(gè)或多個(gè)電機(jī)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(duì)于低功耗應(yīng)用，單個(gè)封裝甚至可以包含驅(qū)動(dòng)中等尺寸步進(jìn)器、無(wú)刷 PMM （BLDC/BLAC） 或其他類型的電機(jī)所需的最終輸出級(jí)。MCU還可以編程以驅(qū)動(dòng)其他類型的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生設(shè)備，例如線性致動(dòng)器和音圈。

圖 2：嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器件在單個(gè)封裝中集成了高性能嵌入式處理、功能和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電子器件。許多嵌入式控制器還包括通信功能，可用于實(shí)現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)并支持物聯(lián)網(wǎng)/IIoT操作。

為了加速開發(fā)，這些控制器通常由固件庫(kù)支持，這些固件庫(kù)為設(shè)計(jì)人員提供了一組可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)API調(diào)用的豐富功能。這些庫(kù)通常包括幾種常見電機(jī)控制模式（扭矩、速度和位置）、扭矩控制（即磁場(chǎng)定向控制 （FOC））和運(yùn)動(dòng)模式（如輪廓位置、輪廓速度和分析扭矩）的算法。

Applications

Medical Products

醫(yī)療設(shè)備是嵌入式運(yùn)動(dòng)控制正在改變對(duì)產(chǎn)品性能和安全性的期望的首批市場(chǎng)之一。例如，輸液泵必須向患者提供穩(wěn)定流量的精確計(jì)量的治療劑。具有物聯(lián)網(wǎng)功能的嵌入式控制器使這些泵能夠在患者床邊或通過(guò)集中式管理應(yīng)用程序進(jìn)行編程和監(jiān)控。同樣，可穿戴胰島素泵和其他個(gè)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(shí)向基于云的分析應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)提供患者的健康指標(biāo)。

工業(yè)產(chǎn)品

工業(yè)自動(dòng)化一直是嵌入式運(yùn)動(dòng)控制的早期受益者。低成本、緊湊的電機(jī)控制器可以靠近電機(jī)或執(zhí)行器，甚至可以內(nèi)置于電機(jī)或執(zhí)行器中。每個(gè)模塊的嵌入式控制器在本地執(zhí)行大多數(shù)基本運(yùn)動(dòng)控制功能，從而創(chuàng)建分布式控制架構(gòu)，使智能接近數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)。這一點(diǎn)，以及控制器監(jiān)控和記錄其電機(jī)生命體征的能力，使嵌入式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠更快地響應(yīng)，并以更低的價(jià)格提供更高的速度和準(zhǔn)確性。

嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)的機(jī)械的運(yùn)行狀況，使它們能夠更快地對(duì)故障或報(bào)警條件做出反應(yīng)，并在某些情況下，在問(wèn)題導(dǎo)致產(chǎn)品缺陷或代價(jià)高昂的停機(jī)時(shí)間之前預(yù)測(cè)問(wèn)題。最簡(jiǎn)單的方法是，這涉及跟蹤每個(gè)子組件的移動(dòng)次數(shù)，并將其與調(diào)整、零件更換和其他日常維護(hù)的時(shí)間表進(jìn)行比較。這可以與從電機(jī)收集的信息相結(jié)合，以尋找機(jī)構(gòu)中某處過(guò)度摩擦的早期指標(biāo)，這些異常摩擦可能很快導(dǎo)致更嚴(yán)重，更昂貴的問(wèn)題。

在這些應(yīng)用中，控制器的嵌入式通信功能使機(jī)器能夠由本地應(yīng)用服務(wù)器通過(guò) LAN 輕松監(jiān)控和控制，或者通過(guò)基于云的應(yīng)用程序跨 IIoT 進(jìn)行監(jiān)視和控制。

消費(fèi)類產(chǎn)品

高水平的硅集成度，以及由此產(chǎn)生的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制組件成本的降低，正在幫助該技術(shù)在消費(fèi)市場(chǎng)中找到越來(lái)越多的新應(yīng)用。

一些示例包括：

智能，高性能的電動(dòng)自行車和電動(dòng)滑板車更實(shí)惠，并且可以使用控制器從電池中擠出更多范圍，這些控制器可以仔細(xì)地將其輸出驅(qū)動(dòng)波與電機(jī)及其負(fù)載相匹配。

物聯(lián)網(wǎng)連接的智能家居，具有高效的遠(yuǎn)程控制主動(dòng)通風(fēng)口，窗簾，監(jiān)控?cái)z像頭和電器。

配備智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的3D打印機(jī)使用復(fù)雜的波形整形算法來(lái)提供更高的速度和品脫精度，同時(shí)顯著降低它們產(chǎn)生的噪音。

個(gè)人機(jī)器人具有嵌入在硬件外設(shè)中的時(shí)間關(guān)鍵型功能，使處理器可以自由地用于AI和用戶界面。

結(jié)論

嵌入式運(yùn)動(dòng)控制使將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)變得比以往更容易、更具成本效益。通過(guò)這樣做，它正在幫助使現(xiàn)有產(chǎn)品更好，并使新類別的產(chǎn)品成為可能。

審核編輯：郭婷