乘坐電梯時(shí)，您肯定希望平穩安全地從一層到達另一層。在電梯驅動(dòng)中，精密的運動(dòng)控制使電梯能夠停在指定位置，并平穩地減速直到完全停止。缺乏精密的運動(dòng)控制可能會(huì )導致電梯誤停在兩層之間，這會(huì )讓乘坐電梯的人感到頭暈不適或不安全。
機器人、計算機數控機器和工廠(chǎng)自動(dòng)化設備都需要通過(guò)伺服驅動(dòng)器進(jìn)行精密的位置控制，此外在許多情況下還需要進(jìn)行精密的速度控制，以便正確地制造產(chǎn)品并維護工作流程。
工業(yè)驅動(dòng)器的諸多方面都對實(shí)現精密的運動(dòng)控制很重要，精密運動(dòng)控制涉及實(shí)時(shí)控制設計中的三個(gè)基礎子系統，即感應、處理和驅動(dòng)。本文將論述各個(gè)子系統的支持技術(shù)示例。
感應
缺乏精密的位置和速度感應，就無(wú)法實(shí)現精密的運動(dòng)控制。感應可以包括電機軸角位置和速度感應或傳送帶線(xiàn)性位置和速度感應。設計人員經(jīng)常使用增量式光學(xué)編碼器，每轉有幾百到一千個(gè)槽，以感應位置和速度。這些編碼器通常通過(guò)正交編碼脈沖 (QEP) 連接到微控制器 (MCU)，因此需要 QEP 接口功能。
相比之下，絕對編碼器的精度明顯更高，其通常每轉具有更多的槽數，并且經(jīng)過(guò)精密安裝以提供絕對角位置。感應到的位置被轉換為數字表示形式，并根據標準協(xié)議進(jìn)行編碼。此類(lèi)協(xié)議的示例有 Tamagawa 的 T-Format 和 iC-Haus GmbH 的雙向串行同步 (BiSS) C。此前，您還需要現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 來(lái)連接此類(lèi)編碼器，但現在越來(lái)越多的 MCU 也具有此功能（如下圖 1 所示）。由于 T-Format 和 BiSS C 協(xié)議通常與大多數 MCU 上常見(jiàn)的串行外設接口 (SPI)、通用異步接收器發(fā)送器 (UART) 或控制器局域網(wǎng) (CAN) 等流行通信端口或接口所支持的協(xié)議不同，因此它們通常需要可定制邏輯塊或專(zhuān)有處理單元。
圖 1：連接到德州儀器控制 MCU 的絕對編碼器
絕對編碼器也可以基于電磁或類(lèi)旋轉變壓器電路，這需要精確測量正弦電信號。因此，精密運算放大器和電壓基準也很重要。電機和運動(dòng)控制始終需要精確的電機電流和電壓檢測，尤其是在采用無(wú)傳感器控制時(shí)。常見(jiàn)的解決方案是使用隔離/非隔離式放大器和集成低側電流檢測的驅動(dòng)器的內聯(lián)和逆變器橋臂低側檢測。
處理
在精密運動(dòng)控制系統中執行運動(dòng)控制配置文件和算法需要具有高計算能力的 MCU。為了提供必要的精度和準確度，此類(lèi) MCU 的字長(cháng)通常為 32 位，并具有原生 64 位浮點(diǎn)支持。由于算法嚴重依賴(lài)三角函數、對數和指數數學(xué)，因此許多 MCU 都具有硬件加速器。
考慮到受控運動(dòng)軸的數量或控制環(huán)路的數量，設計人員經(jīng)常采用多中央處理器 (CPU) 架構或類(lèi) CPU 的并行加速器。如有額外的監督和通信任務(wù)，也可以考慮采用多個(gè) CPU。
作為實(shí)時(shí)控制應用，整個(gè)信號鏈的總延遲（即從收集到電流、電壓、位置和速度測量結果到更新控制輸出的時(shí)間）會(huì )直接影響控制性能，進(jìn)而影響精度。一些 MCU 具有片上模擬比較器，可以直接生成控制動(dòng)作，顯著(zhù)減少延遲和 CPU 負荷�？焖僦袛囗憫约艾F場(chǎng)保存和恢復也很重要。
僅僅擁有高處理能力是不夠的。運動(dòng)控制 MCU 還必須具有通用控制外設，例如 12 位和 16 位模數轉換器、QEP 接口、高分辨率邊沿和脈沖捕獲以及脈寬調制 (PWM) 輸出。另外，還要求具備實(shí)現自定義邏輯和時(shí)序的能力。
為了幫助設計人員更快上手和調整他們的設計，MCU 和電機驅動(dòng)器供應商提供了電機和運動(dòng)控制算法，包括無(wú)傳感器觀(guān)測器和軟件庫等核心算法以及具有 GUI 可配置性的完整控制代碼。
圖 2 是工業(yè)驅動(dòng)器控制 MCU 的概念圖。
圖 2：工業(yè)驅動(dòng)器的 MCU
驅動(dòng)
提供預期的控制動(dòng)作需要功率器件和驅動(dòng)器，通常采用 PWM 形式，占空比代表動(dòng)作。精確控制 PWM 脈沖非常重要，這意味著(zhù)驅動(dòng)器必須以盡可能小的時(shí)序偏差提供必要的驅動(dòng)強度；功率器件必須在確切的預定時(shí)間打開(kāi)和關(guān)閉。如今，此類(lèi)驅動(dòng)器隨處可見(jiàn)，并具有過(guò)流和過(guò)熱保護等附加功能。新型寬帶隙功率器件可以確�？焖俸途_地進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉定時(shí)。寬帶隙器件的快速開(kāi)關(guān)速度和低開(kāi)關(guān)損耗還可實(shí)現快速控制環(huán)路，以提高穩定性和性能。
除了精度之外，許多應用還要求電機控制設計足夠緊湊，因此需要用到具有集成電流檢測和電源模塊的驅動(dòng)器。
結語(yǔ)
精密運動(dòng)控制對于工業(yè)驅動(dòng)器至關(guān)重要。技術(shù)解決方案涉及實(shí)時(shí)控制設計的所有三個(gè)基礎子系統，即感應、處理和驅動(dòng)，旨在實(shí)現精密的運動(dòng)控制。 |
