作者：Daniel Hou

隨著(zhù)越來(lái)越多的技術(shù)廣泛應用于工業(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，賦能人工智能和機器學(xué)習、數據分析、工業(yè)網(wǎng)絡(luò )、網(wǎng)絡(luò )安全和功能安全。然而，大多數工業(yè)自動(dòng)化作為其他所有技術(shù)的核心，仍然依靠機器人和運動(dòng)控制。

運動(dòng)控制與電機控制經(jīng)常同時(shí)出現，有點(diǎn)讓人混淆。這兩個(gè)概念有什么區別？在工業(yè)自動(dòng)化中，我們如何將恰當的解決方案應用于其中一個(gè)概念，或同時(shí)應用于這兩個(gè)概念？歡迎繼續閱讀，了解運動(dòng)控制和電機控制的區別以及如何使它們協(xié)同工作。

什么是運動(dòng)控制？

運動(dòng)控制是工業(yè)自動(dòng)化系統的子系統。它同步化控制多個(gè)電機來(lái)完成一系列運動(dòng)。例如，多軸機械臂需要多個(gè)電機無(wú)縫地協(xié)同運行才能做出特定的動(dòng)作。運動(dòng)控制主要用于軌跡規劃、速度規劃、插補算法和運動(dòng)學(xué)轉換。運動(dòng)控制系統經(jīng)常出現在印刷、包裝和裝配應用中。

如下所示，運動(dòng)控制系統通常由以下主要組件組成：

• 運動(dòng)控制器，可生成軌跡規劃，然后向電機驅動(dòng)器提供控制命令。
• 電機驅動(dòng)器，將運動(dòng)控制器的控制命令（通常是速度或扭矩信號）轉換為更高功率電壓或電流信號來(lái)驅動(dòng)電機
• 數個(gè)電機，可根據控制命令執行運動(dòng)
• 位置傳感器，將電機轉子的位置/速度數據提供給位置/速度控制器，實(shí)現精確的位置/速度控制

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電機控制與運動(dòng)控制

另一方面，電機控制是更側重于控制電機旋轉的系統或技術(shù)。典型的電機控制系統調整單個(gè)電機的扭矩、速度和位置的一個(gè)或多個(gè)參數，以達到目標值。電機的類(lèi)型不同，驅動(dòng)電機的要求和技術(shù)可能會(huì )有很大差異。電機控制器通常沒(méi)有規劃能力（高級驅動(dòng)器只有簡(jiǎn)單的位置和速度規劃能力）。因此，解釋電機控制和運動(dòng)控制區別的簡(jiǎn)單方法是：

• 電機控制是運動(dòng)控制系統的一個(gè)環(huán)節（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，因為電機控制的位置環(huán)/速度環(huán)/扭矩環(huán)既可以在電機控制器中使用，也可以在運動(dòng)控制器中使用

現在我們知道了這兩個(gè)系統之間的差異，顯而易見(jiàn)，它們的設計要求及資源也大不相同。

電機控制更側重于使電機正常旋轉，或者更確切地說(shuō)，是換向。為了做到這一點(diǎn)，電機控制器需要與各種傳感器對接，處理模擬和數字信號，并生成波形來(lái)驅動(dòng)電機。所有這些都發(fā)生在非常短的時(shí)間環(huán)路內，范圍從50微秒到300微秒。

然而，運動(dòng)控制通常充當系統監控器，需要在多個(gè)電機控制器之間、通過(guò)以太網(wǎng)（EtherCAT和TSN.）、CAN、RS485的數據等其他來(lái)源之間，以及人機界面（HMI）面板的命令之間進(jìn)行通信。如上所述，運動(dòng)控制器還可以參與一些電機控制任務(wù)，例如控制速度環(huán)、位置環(huán)，甚至扭矩環(huán)。因此，運動(dòng)控制器的實(shí)時(shí)控制環(huán)路可以從100微秒到數百毫秒不等，具體取決于運動(dòng)控制器參與的實(shí)際任務(wù)。

運動(dòng)控制系統的設計

運動(dòng)控制系統的設計可能相當復雜，涵蓋了電機控制、工業(yè)網(wǎng)絡(luò )、人機界面、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)控制單元在系統中相互協(xié)調。

這里就需要全套器件方便運動(dòng)控制設計人員選擇——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。

在電機控制器方面，恩智浦的Kinetis V MCU、Kinetis E MCU、LPC MCU和數字信號控制器（DSC）提供了多種選擇，從使用ARM^®Cortex^®-M0+內核控制簡(jiǎn)單電機，到使用Cortex-M33內核或高效DSC內核在雙電機上運行FOC算法。使用備受歡迎的無(wú)閃存i.MX RT跨界MCU，可以同時(shí)精確控制更多電機。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控制的外設，如高速的高精度ADC、高速比較器、靈活的電機控制定時(shí)器和PWM以及DSP加速度傳感器。故障檢測和自動(dòng)關(guān)機等安全功能可以與這些器件提供的工業(yè)安全合規性無(wú)縫協(xié)作。

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而在運動(dòng)控制器方面，恩智浦提供i.MX RT跨界MCU和MPU產(chǎn)品線(xiàn)，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。多核架構為通信協(xié)議、運動(dòng)軌跡規劃和實(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)的計時(shí)器，以支持多模式計數和靈活的脈沖串輸出。

如圖所示，運動(dòng)控制系統可以使用大量的MCU和MPU來(lái)實(shí)現多個(gè)電機驅動(dòng)器，促進(jìn)各個(gè)機械臂協(xié)同運動(dòng)

為了加快運動(dòng)控制系統的上市，我們迫切需要一種快速簡(jiǎn)便的概念驗證和原型制作方法。因此，恩智浦一直在開(kāi)發(fā)參考設計平臺，以提供豐富的工業(yè)運動(dòng)控制功能并符合工業(yè)自動(dòng)化標準。我們最近推出了i.MX RT工業(yè)驅動(dòng)開(kāi)發(fā)平臺，該平臺基于i.MX RT跨界MCU，具有多電機控制、確定性通信和符合IEC 62443安全標準的基礎。四電機控制開(kāi)發(fā)平臺現已上市，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)電機控制系統所需的功能，例如電源管理、驅動(dòng)四個(gè)電機、工業(yè)通信接口、HMI觸摸面板界面和安全集成。

綜上所述，本文介紹了運動(dòng)控制的定義、電機控制和運動(dòng)控制的區別，以及運動(dòng)控制系統設計要求的行業(yè)趨勢。繼續關(guān)注恩智浦，了解更多電機控制解決方案。

作者：

Daniel Hou
恩智浦半導體工業(yè)邊緣處理大眾市場(chǎng)團隊技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)人員

Daniel Hou是恩智浦半導體工業(yè)邊緣處理大眾市場(chǎng)團隊的技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)人員，為工業(yè)細分市場(chǎng)的新興微控制器和微處理器用例提供支持。他之前曾在半導體行業(yè)擔任過(guò)應用工程和市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)方面的職務(wù)，擁有美國羅斯-霍曼理工學(xué)院（Rose-Hulman Institute of Technology）電氣工程碩士學(xué)位。