【導讀】中國及全球主要工業(yè)國家都正在推動(dòng)工業(yè)和制造領(lǐng)域的轉型，通過(guò)提升數字化水平和生產(chǎn)效率來(lái)抵消勞動(dòng)力短缺和成本上漲。國內“十四五”規劃擬將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺應用的普及率從15%提高到45%，并在產(chǎn)品研發(fā)、制造執行、內部運營(yíng)、維護服務(wù)和類(lèi)似的流程中，將管理和運營(yíng)的數字化比例從55%提高到68%。工業(yè)數字化，制造業(yè)首當其沖，下面看看制造業(yè)的幾個(gè)常見(jiàn)場(chǎng)景“樣本”。
車(chē)間裝備線(xiàn)——裝配系統變得越來(lái)越復雜，為高度靈活的模塊化裝配機器增加了智能。為了將這些機器提升到一個(gè)新的水平，每個(gè)部件都需要針對實(shí)時(shí)通信和監控進(jìn)行優(yōu)化。畢竟，在整個(gè)裝配過(guò)程中，只有一個(gè)組件發(fā)生故障就可能導致完全關(guān)閉。
數字化加工——數字技術(shù)對原型設計和制造產(chǎn)生了巨大影響。就像3D打印一樣，CNC銑削和激光切割等應用被廣泛使用，加快了所有行業(yè)的開(kāi)發(fā)周期?，F在，可以直接通過(guò)設計軟件制造實(shí)際產(chǎn)品，依靠具有集成安全功能的精確可靠的運動(dòng)控制，從而實(shí)現更安全、更可靠、效率最高的設備。
自動(dòng)拾取和放置機器——雖然拾取和放置機器似乎只進(jìn)行基本運動(dòng)，但有些機器需要最高的靈活性來(lái)完成要求苛刻的任務(wù)，例如將單個(gè)組件放置在PCB上或從傳送帶上拾取物體并相應地放置它們。無(wú)論任務(wù)如何，所有拾取和放置機器都需要高效、可靠和靈活的驅動(dòng)器。
測試和測量設備——在現代工業(yè)制造技術(shù)和科學(xué)研究中，測量?jì)x器具有精密化、集成化、智慧化的發(fā)展趨勢。對于測試和測量設備，準確性和可重復性是獲得可靠結果的關(guān)鍵。例如，對生產(chǎn)中的所有三維復雜零件尺寸、形狀和相互位置進(jìn)行高準確度測量，三坐標測量就很關(guān)鍵。輸送系統——物料的傳送在工廠(chǎng)運營(yíng)中具有非常重要的地位，它是工業(yè)化生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節，好的物料流轉方式，不僅省時(shí)、省力、降低成本，可保持生產(chǎn)線(xiàn)的運轉，而且會(huì )大大提高我們的生產(chǎn)效率。在幾乎所有這些工業(yè)應用的場(chǎng)景，我們可以發(fā)現幾乎都有電機在里面發(fā)揮著(zhù)重要作用。隨著(zhù)工業(yè)制造的數字化發(fā)展，市場(chǎng)對步進(jìn)電機的要求也趨于嚴苛，不僅要求低噪聲、運行平穩、高能效、高速度高扭矩，還要求增加對設備和過(guò)程的實(shí)時(shí)監控異常行為進(jìn)行優(yōu)化。
特別是與系統功能密切關(guān)聯(lián)的步進(jìn)電機，如果通過(guò)在芯片級集成高級診斷，實(shí)現運動(dòng)和力控制與監測，可以提前實(shí)現部分工業(yè)4.0的自動(dòng)診斷功能，提高準確性、可靠性和效率，無(wú)論是數字加工、車(chē)間裝配線(xiàn)，還是自動(dòng)拾取與放置機器或者生產(chǎn)線(xiàn)測試測量設備，將實(shí)現更高的精度和效率，并大大減少停機時(shí)間。基于創(chuàng )新技術(shù)實(shí)現無(wú)傳感器的運動(dòng)在步進(jìn)電機應用場(chǎng)合如何實(shí)現運動(dòng)和力控制？傳統的思路可能立即會(huì )想到：第一，增加力矩傳感器；第二，檢測電機電流。但是，增加力傳感器會(huì )帶來(lái)系統成本的增加。對一個(gè)開(kāi)環(huán)系統的步進(jìn)電機來(lái)說(shuō)，大多采用恒流斬波控制，其電流是恒定的。檢測電機電流只能增加編碼器，這種方法也會(huì )增加控制系統的成本。
步進(jìn)器和 BLDC 等電動(dòng)機利用磁場(chǎng)旋轉，從轉子的角度來(lái)看，定子的電磁場(chǎng)拉動(dòng)或推動(dòng)轉子。這會(huì )導致轉子磁場(chǎng)與定子旋轉場(chǎng)方向之間的相移，該相移是負載角，或電機轉子和定子的兩個(gè)磁場(chǎng)方向之間的角度。在正常負載條件下，負載角較低，流入電機的部分能量也流回電源，從而產(chǎn)生反電動(dòng)勢。該反電動(dòng)勢表示電機上的機械負載，這意味著(zhù)它可用于監控驅動(dòng)系統的實(shí)際負載條件，而無(wú)需使用其他組件。使用電機的反電動(dòng)勢原理，ADI Trinamic電機驅動(dòng)StallGuard?和CoolStep?為電機應用增加了電機負載檢測功能，實(shí)現無(wú)傳感器歸位和失速保護。StallGuard 是步進(jìn)電機的無(wú)傳感器負載測量，可提供有關(guān)負載角度的經(jīng)濟高效的反饋，靈敏度可根據應用需求進(jìn)行調整，使其成為無(wú)傳感器歸位、自校準、距離測量或驗證所有機械裝置是否仍在安全裕度內運行的理想選擇，無(wú)需參考或限位開(kāi)關(guān)，并降低了需要精確參考的應用的成本和復雜性。通常，開(kāi)環(huán)步進(jìn)驅動(dòng)器在過(guò)載情況下會(huì )因失速而丟失步數，例如當軸被阻塞時(shí)。StallGuard 技術(shù)可防止步進(jìn)損失，通過(guò)在達到設定負載值時(shí)停止電機來(lái)保持步數完整性。無(wú)傳感器技術(shù)可以檢測多達 1024 個(gè)不同的負載水平，從而提供高分辨率反饋，以便對系統進(jìn)行連續監控。
CoolStep提供基于StallGuard值的動(dòng)態(tài)電流控制，最初為醫療設備和實(shí)驗室自動(dòng)化開(kāi)發(fā)的無(wú)傳感器負載相關(guān)電流控制，始終以實(shí)際負載條件所需的最小量驅動(dòng)電機?；贑oolStep和StallGuard技術(shù)，可以將電機能耗降低最高達90%，并有效減少熱量的產(chǎn)生。而且，通過(guò)消除電流安全裕度并允許臨時(shí)電流提升，CoolStep允許更小的電機，因為需要的扭矩儲備更少。
適合工業(yè)運動(dòng)無(wú)傳感器爭端診斷的電機驅動(dòng)解決方案基于 StallGuard 和 CoolStep 提供支持，整個(gè)電機控制系統可以通過(guò)實(shí)時(shí)監控異常行為進(jìn)行優(yōu)化，無(wú)論是機械磨損還是負載不在指定裕度內，ADI Trinamic的嵌入式解決方案都可以檢測并標記事件，將電機以及整個(gè)系統變成“傳感器”，通過(guò)向數據集添加有價(jià)值的信息來(lái)提高效率，以便實(shí)時(shí)控制生產(chǎn)線(xiàn)。TMC5160就是帶步進(jìn)/方向接口和串行通信接口(SPI) 的高功率步進(jìn)電機控制驅動(dòng)芯片，將實(shí)現自動(dòng)目標定位的靈活斜坡發(fā)生器和業(yè)界先進(jìn)的步進(jìn)電機驅動(dòng)器結合在一起。通過(guò)外置外部晶體管，實(shí)現高動(dòng)態(tài)、高扭矩電機驅動(dòng)（高達 20A 線(xiàn)圈電流），使系統小型化和性能可擴展變得可行，從而讓經(jīng)濟、高效的解決方案得以實(shí)現。完整的解決方案在實(shí)現高性能基礎上，能將學(xué)習時(shí)間盡可能縮短，加快產(chǎn)品上市時(shí)間。
TMC4671 是另外一款適合工業(yè)電機驅動(dòng)的完全集成的伺服控制器，為 BLDC/PMSM 和 2 相步進(jìn)電機以及直流電機和音圈提供磁場(chǎng)定向控制（FOC）。所有控制功能都在硬件中實(shí)現。集成ADC、位置傳感器接口、位置插補器，使功能齊全的伺服控制器適用于各種伺服應用。此外，客戶(hù)也可以采用用于兩相雙極步進(jìn)電機的三軸電機控制器/驅動(dòng)板TMCM-3351，或者用于無(wú)傳感器負載相關(guān)電流控制六軸步進(jìn)電機控制器/驅動(dòng)器模塊TMCM-6110 。簡(jiǎn)單易用和成本效益原則是ADI Trinamic設計師在設計步進(jìn)電機驅控芯片時(shí)的指導方針。這些方案將強大的步進(jìn)電機驅動(dòng)器和運動(dòng)控制器集成在一塊芯片上，將數字信息直接轉換為平滑、精確、可靠的物理運動(dòng)，被廣泛地用于機器人、工業(yè)驅動(dòng)、紡織、縫紉機、包裝、工廠(chǎng)和實(shí)驗室自動(dòng)化、高速 3D 打印機、液體處理、醫療、辦公自動(dòng)化、視頻監控、自動(dòng)取款機等應用中。
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