超越傳感器和攝像頭：將物聯(lián)網(wǎng)從云端轉(zhuǎn)移到物理世界

在早期，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）在很大程度上充當(dāng)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)，不太強調(diào)操縱或控制其監(jiān)控的事物。支持物聯(lián)網(wǎng)的自動化和機器人應(yīng)用已經(jīng)開始融合，但它們的成本通常限制了它們在高端工業(yè)和商業(yè)市場的使用。然而，最近，嵌入式運動控制設(shè)備已經(jīng)開始支持智能、安全、低成本的電動產(chǎn)品的開發(fā)，這些產(chǎn)品通過同樣有能力的手臂和手來補充物聯(lián)網(wǎng)的眼睛和耳朵。

什么是嵌入式運動控制？

術(shù)語“嵌入式運動控制”是指在單個設(shè)備中體現(xiàn)精密電機控制、高性能計算以及在許多情況下的通信功能的高度集成設(shè)備。這是嵌入式計算發(fā)展的下一個階段，始于 1970 年代后期，當(dāng)時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和醫(yī)療設(shè)備的所有事物中成為可能?，F(xiàn)代汽車所享有的大部分效率提升都是通過嵌入式計算實現(xiàn)的。

近二十年后，互聯(lián)網(wǎng)、無線數(shù)據(jù)和更高水平的硅集成的興起為浴室秤、健身監(jiān)視器和家庭娛樂設(shè)備等日常用品帶來了嵌入式連接。嵌入式連接也應(yīng)用于一些電動消費產(chǎn)品，例如Roomba清潔機器人。遺憾的是，單獨的MCU、電機控制器和模擬電機驅(qū)動器組件的成本以及開發(fā)電機控制軟件的復(fù)雜性意味著連接的運動控制主要用于制造自動化和其他工業(yè)應(yīng)用。

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

圖 1：帶有外部 MCU 的集成電機控制解決方案。在軟件中進(jìn)一步集成運動控制要求，不僅可以實現(xiàn)更小的電子設(shè)備，還可以減輕MCU的實時關(guān)鍵任務(wù)的負(fù)擔(dān)。

最近，嵌入式運動控制器應(yīng)運而生，它將這些功能與功能強大的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算能力來支持精確控制一個或多個電機所需的復(fù)雜算法。在許多情況下，這些設(shè)備還包括以太網(wǎng)、CAN總線或其他用于物聯(lián)網(wǎng)通信的接口。對于低功耗應(yīng)用，單個封裝甚至可以包含驅(qū)動中等尺寸步進(jìn)電機、無刷 PMM （BLDC/BLAC） 或其他類型的電機所需的最終輸出級。MCU還可以編程為驅(qū)動其他類型的運動產(chǎn)生設(shè)備，例如線性執(zhí)行器和音圈。

圖 2：嵌入式運動控制器件在單個封裝中集成了高性能嵌入式處理、功能和電機驅(qū)動電子設(shè)備。許多嵌入式控制器還包括通信功能，可用于實現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)并支持物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)操作。

為了加速開發(fā)，這些控制器通常由固件庫支持，這些固件庫為設(shè)計人員提供了一組可通過標(biāo)準(zhǔn) API 調(diào)用的豐富功能。這些庫通常包括幾種常見電機控制模式（扭矩、速度和位置）、扭矩控制（即磁場定向控制 （FOC））和運動模式（例如輪廓位置、曲線速度和曲線扭矩）的算法。

應(yīng)用

醫(yī)療產(chǎn)品

醫(yī)療設(shè)備是嵌入式運動控制正在改變對產(chǎn)品功能和安全性期望的首批市場之一。例如，輸液泵必須向患者提供穩(wěn)定的精確計量的治療藥物。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集中管理應(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人給藥設(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，同時向基于云的分析應(yīng)用程序?qū)崟r提供患者的健康指標(biāo)。

工業(yè)產(chǎn)品

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

嵌入式運動控制器還可以實時監(jiān)控和記錄電機及其驅(qū)動機械的健康狀況，使其能夠更快地對故障或警報條件做出反應(yīng)，并且在某些情況下，在問題導(dǎo)致產(chǎn)品缺陷或代價高昂的停機時間之前預(yù)測問題。簡單來說，這涉及跟蹤每個子組件進(jìn)行了多少次移動，并將其與調(diào)整、零件更換和其他日常維護(hù)的計劃進(jìn)行比較。這可以與從電機收集的信息相結(jié)合，以尋找機構(gòu)中某處過度摩擦的早期指標(biāo)，這些指標(biāo)可能很快導(dǎo)致更嚴(yán)重、更昂貴的問題。

在這些應(yīng)用中，控制器的嵌入式通信功能使本地應(yīng)用服務(wù)器可以通過局域網(wǎng)輕松監(jiān)控和控制機器，也可以通過基于云的應(yīng)用程序在IIoT上輕松監(jiān)控和控制機器。

消費品

高水平的硅集成度以及由此帶來的嵌入式運動控制組件成本的降低正在幫助該技術(shù)在消費市場中找到越來越多的新應(yīng)用。

一些例子包括：

智能、高性能的電動自行車和電動滑板車更實惠，可以使用控制器從電池中擠出更多續(xù)航里程，這些控制器仔細(xì)地將其輸出驅(qū)動波與電機及其承受的負(fù)載相匹配。

物聯(lián)網(wǎng)連接的智能家居具有高效的遠(yuǎn)程控制主動通風(fēng)口、窗簾、監(jiān)控攝像頭和電器。

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

個人機器人具有嵌入在硬件外圍設(shè)備中的時間關(guān)鍵功能，使處理器可用于AI和用戶界面。

結(jié)論

嵌入式運動控制使將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為運動變得比以往任何時候都更容易、更具成本效益。通過這樣做，它正在幫助使現(xiàn)有產(chǎn)品變得更好，并使新類別的產(chǎn)品成為可能。

審核編輯：郭婷