如何從電機(jī)控制轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)控制

隨著越來越多的技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化，我們已經(jīng)進(jìn)入了工業(yè)4.0時(shí)代。新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，賦能人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和功能安全。然而，大多數(shù)工業(yè)自動(dòng)化作為其他所有技術(shù)的核心，仍然依靠機(jī)器人和運(yùn)動(dòng)控制。

運(yùn)動(dòng)控制與電機(jī)控制經(jīng)常同時(shí)出現(xiàn)，有點(diǎn)讓人混淆。這兩個(gè)概念有什么區(qū)別？在工業(yè)自動(dòng)化中，我們?nèi)绾螌⑶‘?dāng)?shù)慕鉀Q方案應(yīng)用于其中一個(gè)概念，或同時(shí)應(yīng)用于這兩個(gè)概念？歡迎繼續(xù)閱讀，了解運(yùn)動(dòng)控制和電機(jī)控制的區(qū)別以及如何使它們協(xié)同工作。

什么是運(yùn)動(dòng)控制？

運(yùn)動(dòng)控制是工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的子系統(tǒng)。它同步化控制多個(gè)電機(jī)來完成一系列運(yùn)動(dòng)。例如，多軸機(jī)械臂需要多個(gè)電機(jī)無縫地協(xié)同運(yùn)行才能做出特定的動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)控制主要用于軌跡規(guī)劃、速度規(guī)劃、插補(bǔ)算法和運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)換。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)在印刷、包裝和裝配應(yīng)用中。

如下所示，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通常由以下主要組件組成：

運(yùn)動(dòng)控制器，可生成軌跡規(guī)劃，然后向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供控制命令。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，將運(yùn)動(dòng)控制器的控制命令(通常是速度或扭矩信號(hào))轉(zhuǎn)換為更高功率電壓或電流信號(hào)來驅(qū)動(dòng)電機(jī)

數(shù)個(gè)電機(jī)，可根據(jù)控制命令執(zhí)行運(yùn)動(dòng)

位置傳感器，將電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置/速度數(shù)據(jù)提供給位置/速度控制器，實(shí)現(xiàn)精確的位置/速度控制

電機(jī)控制與運(yùn)動(dòng)控制

另一方面，電機(jī)控制是更側(cè)重于控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)或技術(shù)。典型的電機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)整單個(gè)電機(jī)的扭矩、速度和位置的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，以達(dá)到目標(biāo)值。電機(jī)的類型不同，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求和技術(shù)可能會(huì)有很大差異。電機(jī)控制器通常沒有規(guī)劃能力(高級(jí)驅(qū)動(dòng)器只有簡(jiǎn)單的位置和速度規(guī)劃能力)。因此，解釋電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制區(qū)別的簡(jiǎn)單方法是：

電機(jī)控制是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)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(shí)我們可能會(huì)混淆它們，因?yàn)殡姍C(jī)控制的位置環(huán)/速度環(huán)/扭矩環(huán)既可以在電機(jī)控制器中使用，也可以在運(yùn)動(dòng)控制器中使用

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

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

然而，運(yùn)動(dòng)控制通常充當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)控器，需要在多個(gè)電機(jī)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(jī)界面(HMI)面板的命令之間進(jìn)行通信。如上所述，運(yùn)動(dòng)控制器還可以參與一些電機(jī)控制任務(wù)，例如控制速度環(huán)、位置環(huán)，甚至扭矩環(huán)。因此，運(yùn)動(dòng)控制器的實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)控制器參與的實(shí)際任務(wù)。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可能相當(dāng)復(fù)雜，涵蓋了電機(jī)控制、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)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(gè)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(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)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(jī)控制器方面，恩智浦的Kinetis V MCU、Kinetis E MCU、LPCMCU和數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)提供了多種選擇，從使用ARMCortex-M0+內(nèi)核控制簡(jiǎn)單電機(jī)，到使用Cortex-M33內(nèi)核或高效DSC內(nèi)核在雙電機(jī)上運(yùn)行FOC算法。使用備受歡迎的無閃存i.MX RT跨界MCU，可以同時(shí)精確控制更多電機(jī)。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(jī)控制的外設(shè)，如高速的高精度ADC、高速比較器、靈活的電機(jī)控制定時(shí)器和PWM以及DSP加速度傳感器。故障檢測(cè)和自動(dòng)關(guān)機(jī)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。

而在運(yùn)動(dòng)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(gòu)為通信協(xié)議、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和實(shí)時(shí)環(huán)路控制提供了足夠的動(dòng)力。它們還配備了先進(jìn)的計(jì)時(shí)器，以支持多模式計(jì)數(shù)和靈活的脈沖串輸出。

如圖所示，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以使用大量的MCU和MPU來實(shí)現(xiàn)多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，促進(jìn)各個(gè)機(jī)械臂協(xié)同運(yùn)動(dòng)。

為了加快運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的上市，我們迫切需要一種快速簡(jiǎn)便的概念驗(yàn)證和原型制作方法。因此，恩智浦一直在開發(fā)參考設(shè)計(jì)平臺(tái)，以提供豐富的工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制功能并符合工業(yè)自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)。我們最近推出了i.MX RT工業(yè)驅(qū)動(dòng)開發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)基于i.MX RT跨界MCU，具有多電機(jī)控制、確定性通信和符合IEC 62443安全標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。四電機(jī)控制開發(fā)平臺(tái)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(jī)控制系統(tǒng)所需的功能，例如電源管理、驅(qū)動(dòng)四個(gè)電機(jī)、工業(yè)通信接口、HMI觸摸面板界面和安全集成。