智能運動控制是智能制造的核心構(gòu)建模塊，可實現(xiàn)高度靈活和高效的制造。智能運動控制結(jié)合了精確反饋、高級傳感、高性能控制和無縫連接，可提供確定性的運動解決方案。運動洞察與 PLC 和制造執(zhí)行系統(tǒng) （MES） 的無縫連接允許高級分析來優(yōu)化制造流程并在生產(chǎn)停止之前識別潛在問題。使用智能運動控制的智能制造可以快速重新配置，以支持更敏捷和可擴展的制造，包括批量為 1 的生產(chǎn)。通過減少完成制造步驟的時間并優(yōu)化制造流程以提高吞吐量，可以減少能源消耗，從而實現(xiàn)更可持續(xù)的智能制造。智能運動應(yīng)用包括：

智能運動控制解決方案的演變

運動控制隨著時間的推移而發(fā)展，從簡單的并網(wǎng)電機到用于機床和工業(yè)機器人的復(fù)雜多軸伺服驅(qū)動解決方案。在智能制造中提供更高水平的生產(chǎn)力、靈活性和自主性所需的自動化日益復(fù)雜，加速了這種演變。

并網(wǎng)電機

最基本的運動解決方案基于并網(wǎng)或交流供電的三相定速電機，該電機使用開關(guān)設(shè)備提供開/關(guān)控制和保護電路。這些基本的運動解決方案以相對固定的速度運行，不受任何負載變化的影響。通過機械控制實現(xiàn)輸出的減少 - 節(jié)氣門、阻尼器、齒輪或閥門、泵和風(fēng)扇是一些典型的資產(chǎn)示例。

變頻驅(qū)動電機

增加整流器、直流母線和三相逆變器級實際上會產(chǎn)生一個變頻和可變電壓源，現(xiàn)在應(yīng)用于電機以實現(xiàn)變速控制。這種變頻驅(qū)動電機通過以負載和應(yīng)用的最佳速度運行電機來顯著降低能耗。示例包括更高效的泵和風(fēng)扇。

變速驅(qū)動

對于更高性能的運動控制應(yīng)用，變速驅(qū)動器 （VSD） 可實現(xiàn)精確的扭矩、速度和位置控制。為此，電流和位置測量被添加到基本的開環(huán)逆變器驅(qū)動器中。這樣就可以更精確地控制電機速度、位置和扭矩。輸送機、卷繞、印刷和擠出機械是這些應(yīng)用的典型例子。

伺服驅(qū)動系統(tǒng)

同步的多軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)用于更復(fù)雜的運動應(yīng)用。機床和數(shù)控機床需要多個軸同步，具有極其精確的位置反饋。在CNC加工中，5軸協(xié)調(diào)很常見，盡管有些應(yīng)用利用多達12個軸，其中工具和工件在空間中相互移動。

工業(yè)機器人/協(xié)作機器人/移動機器人

工業(yè)機器人需要多軸伺服驅(qū)動器結(jié)合機械集成和先進的機器控制算法來實現(xiàn)復(fù)雜的3D空間定位。機器人通常有六個軸需要以協(xié)調(diào)的方式控制，如果機器人沿著軌道移動，有時有七個軸。協(xié)作機器人（cobots）以工業(yè)機器人解決方案為基礎(chǔ)，通過增加功率和力限制（PFL）來提供功能安全的多軸機器控制，操作員可以安全地與協(xié)作機器人一起工作。最后，在移動機器人中部署了自導(dǎo)航、功能安全的機器控制，具有定位傳感和防撞功能。

智能運動控制增長動力

智能運動控制正受到四個關(guān)鍵增長驅(qū)動因素的加速：降低能耗、敏捷生產(chǎn)、數(shù)字化轉(zhuǎn)型，以及在智能制造中減少停機時間和提高資產(chǎn)利用率的基礎(chǔ)上，向基于服務(wù)的新型業(yè)務(wù)模式邁進。讓我們詳細看看這四個關(guān)鍵增長動力中的每一個。

降低能耗

工業(yè)消耗的電力中幾乎有70%用于電動機系統(tǒng)。1智能運動解決方案正在并將繼續(xù)通過將更多應(yīng)用從定速電機轉(zhuǎn)移到高效電機和變速驅(qū)動器來顯著降低能耗，部分原因是能源效率法規(guī)。這種能源消耗的減少將使制造業(yè)更加可持續(xù)。獲得優(yōu)化制造流程的運動洞察將進一步降低智能制造中的能耗。

敏捷生產(chǎn)

隨著各行各業(yè)不斷適應(yīng)消費者需求和不斷變化的買家行為，需要基于可重新配置生產(chǎn)線的敏捷生產(chǎn)，以提供更多定制和更快的周轉(zhuǎn)時間。消費者需求正在推動從低混合、大批量制造轉(zhuǎn)向多混合、小批量制造，這要求工廠車間具有更大的靈活性。復(fù)雜、重復(fù)且通常危險的任務(wù)現(xiàn)在可以由工業(yè)機器人執(zhí)行，從而提高吞吐量和生產(chǎn)率。敏捷生產(chǎn)可提高中斷時的彈性，并能夠更快地響應(yīng)不斷變化的客戶需求。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型

到2023年，全球數(shù)字化轉(zhuǎn)型支出將達到6.8萬億美元。2變速驅(qū)動器和伺服驅(qū)動器使用來自電壓、電流、位置、溫度、功率、能耗的數(shù)據(jù)，并結(jié)合外部傳感器來監(jiān)控振動和其他過程變量。借助融合的信息技術(shù)/操作技術(shù) （IT/OT） 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，運動應(yīng)用聯(lián)網(wǎng)在一起，傳輸數(shù)據(jù)和見解。運動數(shù)據(jù)和見解現(xiàn)在更易于訪問，并且可以通過強大的云計算和 AI 進行分析，以優(yōu)化制造流程并監(jiān)控整個裝置中資產(chǎn)的當(dāng)前運行狀況。

已部署資產(chǎn)的新業(yè)務(wù)模式

資產(chǎn)制造商希望銷售的不僅僅是資產(chǎn)，他們希望擴展其業(yè)務(wù)模式，以包括基于生產(chǎn)力和資產(chǎn)利用率的售后服務(wù)合同。例如，泵制造商希望使用新的預(yù)測性維護服務(wù)產(chǎn)品，根據(jù)泵送的液體（例如，水或燃料）量進行銷售，并根據(jù)泵送的每立方米 （m3） 進行收費，而不僅僅是銷售泵。預(yù)計未來五年，泵OEM收入的50%至60%將來自與服務(wù)相關(guān)的活動。3系統(tǒng)集成商希望根據(jù)他們安裝的制造能力的正常運行時間收費，而不僅僅是根據(jù)資產(chǎn)的初始安裝收費。新的智能運動解決方案集成了狀態(tài)監(jiān)測功能，以實施對資產(chǎn)健康狀況的實時監(jiān)控，以規(guī)劃維護計劃。這種監(jiān)控可以消除計劃外的資產(chǎn)停機，以提供更高水平的生產(chǎn)力和資產(chǎn)利用率，這是新的基于服務(wù)的合同的基石。

智能運動控制要求

為了在智能制造中實現(xiàn)更高水平的生產(chǎn)力和可持續(xù)性，需要新的先進運動控制解決方案來提供概述的四個增長驅(qū)動力的優(yōu)勢。

卓越的運動控制

卓越的運動控制可減少完成制造步驟所需的時間，從而提高吞吐量和制造生產(chǎn)率，同時降低能耗。示例包括精確的位置和扭矩控制，以實現(xiàn)更高的質(zhì)量和更快的加工，例如通過減少加工復(fù)雜零件的步驟和時間。提供卓越運動控制的關(guān)鍵要求包括改進的控制環(huán)路性能、適用于嚴苛工業(yè)部署的強大解決方案，以及實現(xiàn)高可靠性、小尺寸解決方案的高集成度。這些又通過低延遲、低漂移、多相電流和位置檢測以及具有高瞬態(tài)魯棒性和高度集成元件的信號鏈來實現(xiàn)。

堅固性、安全性和可靠性

延長資產(chǎn)使用壽命的穩(wěn)健、可靠的解決方案是實現(xiàn)更可持續(xù)的智能制造的關(guān)鍵。通過延長資產(chǎn)壽命，我們顯著減少了構(gòu)建替代資產(chǎn)的原材料和能源消耗。用于功率調(diào)節(jié)和電源保護的電源管理解決方案是提供更強大、更可靠資產(chǎn)的關(guān)鍵組件。電源管理要求包括用于絕緣柵雙極晶體管 （IGBT） 的高邊電源、用于 FPGA 和處理器的高功率密度解決方案、用于電源管理遙測的數(shù)字負載點 （PoL）、EMC 魯棒性、高環(huán)境溫度操作以及保護用戶免受高壓影響的數(shù)據(jù)和電源隔離?？煽渴褂眯滦蛯拵豆β书_關(guān)（由碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） 制成）對提供快速過流保護系統(tǒng)和穩(wěn)健運行提出了新的挑戰(zhàn)和要求。

Real-Time Connectivity

在高性能、多軸、同步運動應(yīng)用中，控制時序要求精確、確定性和時間關(guān)鍵性，需要最大限度地減少端到端延遲，尤其是在控制周期時間縮短和控制算法復(fù)雜性增加的情況下。這些高性能應(yīng)用需要與亞毫秒網(wǎng)絡(luò)周期時間的實時連接，以控制復(fù)雜的運動應(yīng)用。智能制造使用視覺系統(tǒng)和運動應(yīng)用來監(jiān)控制造質(zhì)量并提高生產(chǎn)安全性。工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)必須支持實時確定性運動控制流量和盡力而為的視覺流量在同一網(wǎng)絡(luò)上共存，最高可達 Gb 帶寬。連接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備和控制器的互操作性需要在整個制造裝置中提供無縫數(shù)據(jù)流，并確保數(shù)據(jù)對更高級別的管理系統(tǒng)透明，同時通過減少調(diào)試時間使這些網(wǎng)絡(luò)更加靈活和可擴展。融合 （IT/OT） 以太網(wǎng)可確保無縫訪問更高級別的管理軟件系統(tǒng)的運動洞察進行分析，從而優(yōu)化制造流程并加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

先進的傳感

先進的傳感解決方案可創(chuàng)建運動洞察，可用于優(yōu)化制造流程并檢測故障的早期跡象。傳感方式包括位置、電流、電壓、磁場、溫度、振動和沖擊。通過使用高級傳感來部署對資產(chǎn)運行狀況的實時監(jiān)控，以根據(jù)增加的資產(chǎn)正常運行時間提供預(yù)測性維護服務(wù)合同，從而創(chuàng)建新的業(yè)務(wù)模型。先進的傳感要求包括惡劣工業(yè)環(huán)境（例如，灰塵多的環(huán)境）中的魯棒性、精確的位置傳感、非接觸式大電流傳感、高帶寬電流和振動傳感、減少校準以確保解決方案的準確性，以及編碼器類型應(yīng)用的小解決方案尺寸。

加速實現(xiàn)更高價值運動控制解決方案的關(guān)鍵技術(shù)

用于智能制造的下一代智能運動控制解決方案需要多種技術(shù)的組合。這些技術(shù)相結(jié)合，可為惡劣的工業(yè)部署提供強大、精確的運動控制，并從高級傳感中獲得系統(tǒng)見解。

精密測量

復(fù)雜的運動控制需要精密轉(zhuǎn)換器技術(shù)來實現(xiàn)高質(zhì)量的電流反饋，利用隔離和非隔離解決方案來提供高精度和快速瞬態(tài)響應(yīng)的控制環(huán)路性能。電流反饋是提高驅(qū)動器性能的基本組成部分，決定了整體控制帶寬和響應(yīng)時間。電流反饋的關(guān)鍵要求包括與PWM周期同步測量、隔離或高共模測量、低失調(diào)漂移以最小化轉(zhuǎn)矩紋波，以及以14位至18位分辨率進行低延遲同步采樣以測量相電流。編碼器和線性軌道應(yīng)用中的精確位置測量也需要精密轉(zhuǎn)換器技術(shù)，以提供更大的吞吐量并提高生產(chǎn)率。

隔離和接口

復(fù)雜的運動控制需要精密轉(zhuǎn)換器技術(shù)來實現(xiàn)高質(zhì)量的電流反饋，利用隔離和非隔離解決方案提供控制 實現(xiàn)復(fù)雜運動控制的下一代驅(qū)動器和電機需要數(shù)字隔離技術(shù)來提供隔離數(shù)據(jù)和隔離通信接口，如RS-485、USB和LVDS。還需要隔離式柵極驅(qū)動器來驅(qū)動高側(cè)和低側(cè)功率半導(dǎo)體，以提供穩(wěn)健、符合安全標準和高可靠性的資產(chǎn)。柵極驅(qū)動器將邏輯電平PWM信號轉(zhuǎn)換為控制功率晶體管的高邊參考信號。高壓逆變器應(yīng)用通常使用IGBT，未來趨勢是SiC和GaN，以提高開關(guān)頻率和/或降低開關(guān)損耗。低壓應(yīng)用通常使用基于 MOSFET 的開關(guān)。柵極驅(qū)動器的關(guān)鍵要求包括高速、低傳播延遲、低延遲偏斜、魯棒性和共模瞬態(tài)抗擾度、開關(guān)保護功能（DESAT、米勒箝位、軟關(guān)斷、UVLO）和可控開關(guān)（可變壓擺率開關(guān)）。標準數(shù)字隔離器在許多驅(qū)動器中發(fā)揮作用，在高壓電力電子域和安全超低電壓（SELV）域之間傳輸信號，用于PWM和其他信號。示例包括集成電源模塊 （IPM） 的隔離信號。與分立變壓器解決方案相比，完全集成的隔離電源解決方案還可以與數(shù)字隔離器或其他隔離功能結(jié)合使用，從而顯著減小解決方案尺寸。

工業(yè)以太網(wǎng)

具有亞毫秒周期時間的工業(yè)以太網(wǎng)連接是運動控制應(yīng)用（伺服和驅(qū)動器）中確定性實時通信所必需的。100 Mb 和 Gb 速度的強大物理層設(shè)備與第 2 層工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議（如 EtherCAT、PROFINET、EtherNET/IP 和 IEEE 時間敏感網(wǎng)絡(luò) （TSN））相結(jié)合，可確保確定性的以太網(wǎng)連接。下一代設(shè)計正在融合網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)向 Gb TSN，該網(wǎng)絡(luò)具有多種流量類型、用于控制的循環(huán)通信和用于盡力而為流量（例如，視覺和監(jiān)控流量）的非循環(huán)通信。在多軸應(yīng)用中，需要低延遲工業(yè)以太網(wǎng)解決方案來縮短周期時間。這些確定性的運動解決方案可實現(xiàn)更復(fù)雜的運動應(yīng)用，從而提高制造生產(chǎn)率和靈活性。

磁感應(yīng)

基于各向異性磁阻 （AMR） 位置傳感器解決方案的磁傳感可為編碼器應(yīng)用提供可靠而準確的位置傳感。位置反饋用于直接位置控制或推斷轉(zhuǎn)速并在伺服驅(qū)動器中實現(xiàn)機器速度控制。與光學(xué)編碼器相比，磁感應(yīng)提供了成本更低的解決方案，并且在易受灰塵和振動影響的工業(yè)應(yīng)用中提供了更強大的解決方案。

電源管理

智能運動應(yīng)用通常部署在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，這些環(huán)境環(huán)境需要高環(huán)境溫度操作，同時不受傳導(dǎo)噪聲和高壓瞬變的影響。在一些分散式應(yīng)用中，驅(qū)動器位于較小的外殼中更靠近電機的位置，而在其他應(yīng)用中，驅(qū)動器與電機集成在一起。需要更高功率密度的電源管理解決方案，這些解決方案需要在高環(huán)境溫度下運行，以實現(xiàn)這些外形更小的智能運動應(yīng)用。

機器運行狀況

機器運行狀況使用振動和沖擊傳感器對資產(chǎn)的運行狀況進行實時狀態(tài)監(jiān)控，以消除計劃外停機時間，延長資產(chǎn)的使用壽命，同時降低維護成本。通過將機器健康集成到運動應(yīng)用中，可以通過數(shù)字化戰(zhàn)略產(chǎn)生新的收入流，這些戰(zhàn)略基于保證正常運行時間創(chuàng)建新的基于服務(wù)的商業(yè)模式，以實現(xiàn)更高水平的制造生產(chǎn)力?；谡駝?、沖擊和溫度的資產(chǎn)運行狀況數(shù)據(jù)由邊緣 AI 轉(zhuǎn)換為資產(chǎn)運行狀況見解，然后通過有線或無線解決方案傳送到管理控制軟件，在那里它們提供關(guān)鍵資產(chǎn)的實時運行狀況。

結(jié)論

敏捷生產(chǎn)需要快速響應(yīng)不斷變化的消費者需求并支持高效生產(chǎn)，批量小至 1。敏捷生產(chǎn)由可快速重新配置的智能互聯(lián)資產(chǎn)實現(xiàn)。這些互聯(lián)資產(chǎn)實時共享數(shù)據(jù);這些數(shù)據(jù)用于通過識別生產(chǎn)中的瓶頸和監(jiān)控資產(chǎn)的運行狀況來消除計劃外停機，從而提高運營績效。基于智能運動解決方案的智能制造消耗更少的能源，并支持更復(fù)雜的運動，從而推動更高水平的靈活性、生產(chǎn)力和可持續(xù)性。