通過嵌入式運動控制加速創(chuàng)新

嵌入式運動控制器減少了算法開發(fā)、實施和測試的多個周期，以設(shè)置一些參數(shù)并將代碼導(dǎo)出到您自己的固件。

自動駕駛汽車、先進的 3D 打印機和下一代“智能”假肢有什么共同點？他們都是嵌入式運動控制技術(shù)出現(xiàn)的受益者（另見“推動嵌入式運動控制的三大趨勢”）。這些系統(tǒng)將特定應(yīng)用的運動控制芯片與開放的硬件和軟件平臺配對，是第四次工業(yè)革命的一部分，這一趨勢正在加快機器人、工業(yè)自動化甚至使用機電技術(shù)的消費產(chǎn)品的創(chuàng)新速度.

這類新型設(shè)備通過將最基本的控制功能“封裝”為硬件邏輯或經(jīng)過驗證的軟件構(gòu)建塊，嵌入式開發(fā)人員可以使用與傳統(tǒng)應(yīng)用程序相同的豐富工具集和代碼庫來處理這些功能，從而簡化了機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)。除了顯著縮短開發(fā)周期外，嵌入式運動控制器還可以為現(xiàn)有產(chǎn)品添加新功能，同時也促進了許多新產(chǎn)品類別的出現(xiàn)。

智能世界的智能電機

嵌入式運動控制器幾乎可以將任何電機變成“智能電機”，從而使設(shè)計人員能夠輕松且經(jīng)濟高效地創(chuàng)建具有更高性能、效率以及在某些情況下具有全新功能的產(chǎn)品. 其中一些包括以下內(nèi)容：

• 高級漸變（也稱為“S 形漸變”）：本視頻中展示的奇特“啤酒移動器”說明了如何使用加速整形1在兩點之間快速移動整杯，而不會濺出一滴珍貴的水滴。相同的原理可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究或任何其他液體處理應(yīng)用中使用的移液機器人。類似地，不斷調(diào)整機械臂的加速和減速率使其能夠達到更高的速度，并且仍然準(zhǔn)確地到達其下一個位置，而對其有效載荷的干擾最小。這些算法還可以幫助工業(yè)材料運輸商快速高效地移動重型有效載荷。
  
• 磁場定向電機控制（也稱為“矢量控制”）：一種通過實時計算輸送到其定子的驅(qū)動電流的相位和幅度來以峰值效率運行電機的技術(shù)。該算法廣為人知并廣泛用于大型電機，但它可以在電動自行車、電動工具和其他消費類應(yīng)用中提供更長的電池壽命、更低的運行溫度以及其他優(yōu)勢。
  
• 更智能的步進電機：步進電機價格便宜且易于使用，但在精度和精度方面存在局限性；此外，它們還受到操作噪音的影響。這些問題可以通過啟用微步進的智能控制算法來克服，從而使它們能夠像更昂貴的伺服電機一樣運行；此外，通過塑造它們的驅(qū)動脈沖來產(chǎn)生更平滑、更安靜的步驟。
  

直到最近，這些類型的功能都過于復(fù)雜，無法在許多商業(yè)和消費產(chǎn)品中實現(xiàn)。然而，這種情況正在改變，因為運動控制受益于同樣的“硅革命”，幫助計算機從 1960 年代的早期大型機發(fā)展到今天功能強大且價格合理的 PC。

從大型機到大眾市場

最初由高端工作站和定制電子設(shè)備機架驅(qū)動，早期的運動控制系統(tǒng)體積龐大且價格昂貴。這些早期系統(tǒng)憑借獨特的功能（例如可變加速度和負(fù)載感應(yīng)）迅速證明了其高昂的價格是合理的，這些功能為制造和其他工業(yè)自動化應(yīng)用帶來了新的精度、靈活性和生產(chǎn)力水平。

在接下來的十年中，日益強大的數(shù)字信號處理器 (DSP) 和更大的低成本現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 使運行復(fù)雜算法的控制器的成本大幅降低，這些算法對機構(gòu)的運動學(xué)以及電機控制進行建模需要以精確的方式移動它的信號。盡管如此，該技術(shù)的采用仍然受到創(chuàng)建應(yīng)用軟件所需的時間和專業(yè)知識的限制。存在用于運動控制的可重用 DSP 和 FPGA 代碼庫，但它們通常被設(shè)備制造商牢牢掌握。此外，大部分代碼沒有遵循現(xiàn)代可重用性準(zhǔn)則，因此仍然需要許多人月——即使對于有經(jīng)驗的開發(fā)人員——來（重新）實現(xiàn)每個應(yīng)用程序。

嵌入式運動控制器已經(jīng)克服了軟件障礙。這些單芯片器件集成了強大的處理器內(nèi)核和專門設(shè)計用于加速運動控制算法的專用硬件邏輯。由于大多數(shù)嵌入式開發(fā)人員都不是運動學(xué)或電機物理方面的專家，因此這些設(shè)備帶有一個電機控制和運動控制功能庫，可以通過標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序編程接口 (API) 訪問這些功能庫。這種方法允許設(shè)計人員為他們的 3D 打印機、真空清潔機器人或生物分析儀提供高級功能——例如加速整形、微步進和步進噪聲抑制——而無需成為運動物理專家。

圖 2：越來越多的運動控制功能被簡化為單芯片解決方案，例如 TRINAMIC 將運動控制器和電機驅(qū)動器集成到 cDriver 中。（來源：TRINAMIC）

大膽的開發(fā)周期

嵌入式運動控制器進一步簡化了開發(fā)周期，因為 (a) 它們的開發(fā)平臺通常設(shè)計為與許多常用于傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的軟件工具兼容，以及 (b) 因為有大量的開源參考代碼庫他們支持。因此，開發(fā)人員可以從現(xiàn)有的 Java、C/C+/C# 和 Linux 代碼庫構(gòu)建其運動控制應(yīng)用程序的基礎(chǔ)，并將大部分精力集中在 5% 到 10% 的代碼上他們的設(shè)計。

由于嵌入式運動控制器將其關(guān)鍵功能封裝在預(yù)先驗證的芯片和軟件中，這部分開發(fā)周期從算法開發(fā)、實施和測試的多個周期減少到設(shè)置幾個參數(shù)并將代碼導(dǎo)出到您自己的固件。因此，生物測定移液機器人或高速部分控制食品分配器的開發(fā)工作流程與非機電嵌入式應(yīng)用的開發(fā)流程沒有太大區(qū)別。

從胡克船長到鋼鐵俠：真實世界的成功故事

先進假腿的最新發(fā)展提供了一個生動的現(xiàn)實例子，說明嵌入式運動控制器如何加速創(chuàng)新機電產(chǎn)品的開發(fā)。2冰島制造商 ?ssur 是主動假肢技術(shù)的市場領(lǐng)導(dǎo)者，開發(fā)了第一個批量生產(chǎn)的假肢腿，該假肢腿具有電動膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。它在 2016 年 Cybathlon 3 上首次亮相，這是一項由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院組織的國際比賽，其中殘疾選手使用最先進的輔助技術(shù)——如機器人假肢、腦機接口和動力外骨骼——來完成日常生活任務(wù)。

該項目的目的是創(chuàng)造一種新型假肢，以栩栩如生的方式移動，并為用戶提供舒適、踏實和機車效率。肢體的兩個動力關(guān)節(jié)都依賴于由TRINAMIC Motion Control 4開發(fā)的嵌入式運動控制器來生成復(fù)雜的運動，并最有效地利用肢體的有限電池容量。

控制器豐富的硬件運動控制功能和開發(fā)平臺的經(jīng)過驗證的應(yīng)用軟件的補充消除了與控制器固件開發(fā)相關(guān)的許多風(fēng)險，并縮短了驗證和測試通常所需的時間。控制參數(shù)只需根據(jù)電機和設(shè)備應(yīng)用的獨特要求進行調(diào)整。

圖 4：通過專業(yè)地對齊嵌入式運動控制，進一步小型化允許具有自定義外形的強大 PCB，例如 ?ssur 的 POWER KNEE 中使用的 PCB。（來源：TRINAMIC）

消除了通常與運動控制開發(fā)相關(guān)的許多步驟，使設(shè)計團隊能夠在短短五個月內(nèi)創(chuàng)建、調(diào)試和驗證肢體定制電機控制器系統(tǒng)的功能。這有助于按時按時完成雄心勃勃的開發(fā)計劃，以成功參加 2016 年在蘇黎世舉行的 Cybathlon（觀看參考文獻 5 中的 YouTube 視頻，了解 Power Knee 的運行情況）。雖然 Power Knee 的快速上市時間將意味著 ?ssur 獲得更大的利潤，但這項新技術(shù)創(chuàng)造的真正財富是它將為用戶提供的自由和性能。