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超越傳感器和攝像頭之外——將物聯(lián)網(wǎng)從云端轉移到現實(shí)世界

發(fā)布時(shí)間：2021-09-04 來(lái)源：Corné Bekkers 責任編輯：wenwei

【導讀】在早期，物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 在很大程度上充當了云端服務(wù)的“眼睛和耳朵”，收集傳感器、攝像頭和其他物理世界輸入設備的數據，而不太注重操縱或控制它所監視的事物。支持物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)化和機器人應用已經(jīng)開(kāi)始合并，但是一般而言，它們的成本使它們只能用于高端工業(yè)和商業(yè)市場(chǎng)。然而，最近，嵌入式運動(dòng)控制設備已經(jīng)開(kāi)始使智能、安全、低成本的電動(dòng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成為可能，這些產(chǎn)品與物聯(lián)網(wǎng)的眼睛和耳朵有著(zhù)同樣強大的關(guān)節和手指。
 
什么是嵌入式運動(dòng)控制？
 
“嵌入式運動(dòng)控制”這個(gè)術(shù)語(yǔ)指的是在一個(gè)設備中包含精確電機控制、高性能計算的高度集成設備，而且通常還包含通信功能。它是嵌入式計算發(fā)展的下一個(gè)階段，嵌入式計算始于二十世紀七十年代，當時(shí)，低成本單芯片微控制器的問(wèn)世使得智能可以嵌入到一切事物中，包括微波爐、兒童玩具、收銀機和醫療器械?，F代汽車(chē)享有的大部分效率增益都是由嵌入式計算實(shí)現的。
 
大約二十年后，互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)數據和更高水平的硅集成的興起將嵌入式連接引入日常物品中，如體重秤、健康監視器和家庭娛樂(lè )設備。嵌入式連接還應用到了部分機動(dòng)消費產(chǎn)品中，例如Roomba 清潔機器人。不幸的是，彼此分離的微控制器 (MCU)、電機控制器和模擬電機驅動(dòng)組件的成本高昂，且開(kāi)發(fā)電機控制軟件十分復雜，這意味著(zhù)聯(lián)網(wǎng)的運動(dòng)控制技術(shù)只能主要用于制造自動(dòng)化和其他工業(yè)應用。
 
由于集成程度的不斷加深，運動(dòng)控制平臺組件的成本和數量降低至只需要通用微程序控制器和少量模擬組件即可實(shí)現完整解決方案的程度（圖 1）。
 
超越傳感器和攝像頭之外——將物聯(lián)網(wǎng)從云端轉移到現實(shí)世界
【圖 1：帶外部微程序控制器的集成電機控制解決方案。在軟件中進(jìn)一步集成運動(dòng)控制要求不僅可以實(shí)現更小的電子器件，還能將需要大量實(shí)時(shí)運算的工作從MCU解放出來(lái)?！?/div>
 
最近，嵌入式運動(dòng)控制器已經(jīng)問(wèn)世，它將這些功能與強大的微程序控制器集成（圖 2）。在大部分情況下，片上處理器有足夠的計算能力支持精確控制一個(gè)或多個(gè)電機所需的復雜算法。在許多情況下，這些設備還包括以太網(wǎng)、控制器局域網(wǎng)路(CAN) 總線(xiàn)或其他用于物聯(lián)網(wǎng)通信的接口。對于功率較低的應用，甚至可以在單個(gè)封裝中包含驅動(dòng)中等規模步進(jìn)器、無(wú)刷 PMM (BLDC/BLAC) 或其他類(lèi)型電機所需的最終輸出級。還可以對微程序控制器進(jìn)行編程，以驅動(dòng)其他類(lèi)型的運動(dòng)發(fā)生設備，如直線(xiàn)驅動(dòng)器和音圈。
 
超越傳感器和攝像頭之外——將物聯(lián)網(wǎng)從云端轉移到現實(shí)世界
【圖 2：嵌入式運動(dòng)控制設備在一個(gè)封裝內集成了高性能嵌入式處理、功能和電機驅動(dòng)電路一單個(gè)器件內。許多嵌入式控制器還包含能用于實(shí)施分布式控制系統和支持物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運行的通信功能?！?/div>
 
為了加速開(kāi)發(fā)，這些控制器通常有開(kāi)源庫支持，開(kāi)源庫為設計人員提供了可以通過(guò)標準API 調用的豐富功能集。這些庫通常包含幾個(gè)常用電機控制模式（轉矩、速率和位置）的算法，還包括扭矩控制，即磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 以及運動(dòng)模式（位置、速率和扭矩）的算法。
 
應用
 
1 醫療產(chǎn)品
 
醫療器械是嵌入式運動(dòng)控制技術(shù)正在改變產(chǎn)品功能和安全性預期的首要市場(chǎng)之一。例如，輸液泵必須為患者提供精確測量的穩定藥液流。帶物聯(lián)網(wǎng)功能的嵌入式控制器支持在患者床邊或通過(guò)集中管理的應用程序對這些泵進(jìn)行編程和監控。同樣，可穿戴胰島素泵和其他個(gè)人給藥設備中使用的支持物聯(lián)網(wǎng)的控制器能夠在支持自主運行的同時(shí)將患者的健康指標實(shí)時(shí)提供給云端的分析應用程序。
 
超越傳感器和攝像頭之外——將物聯(lián)網(wǎng)從云端轉移到現實(shí)世界
【圖 3：嵌入式運用控制技術(shù)將為個(gè)人醫療設備帶來(lái)更高的準確性、便利性和安全性?！?/div>
 
2 工業(yè)產(chǎn)品
 
工業(yè)自動(dòng)化在嵌入式運動(dòng)控制技術(shù)的早期就已獲益。低成本、緊湊的電機控制器可以安裝在附近，甚至內置在電機或驅動(dòng)器。每個(gè)模塊的嵌入式控制器在本地執行大多數基本的運動(dòng)控制功能，創(chuàng )建一個(gè)分布式控制體系結構，使智能接近于將數據轉換為運動(dòng)的位置。這一特點(diǎn)和控制器監控和記錄電機生命跡象的能力能夠讓嵌入式電機控制系統的響應能力更強，同時(shí)以更低的價(jià)格實(shí)現更高的速度和準確性。
 
嵌入式運動(dòng)控制器還能實(shí)時(shí)監視和記錄電機及其驅動(dòng)的機械的運行狀況，提高它們應對故障或警報條件的速度，在部分情況下，還能預測問(wèn)題，以免造成產(chǎn)品缺陷或成本高昂的宕機。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這包括持續跟蹤每個(gè)組件移動(dòng)的次數并將其與計劃對照，以確定是否進(jìn)行調整、更換零件和其他例行維護。此技術(shù)可以與從電機中收集的信息相結合，查找機器某些部位過(guò)度摩擦的早期跡象，這些過(guò)度摩擦可能很快就會(huì )引起更加嚴重、代價(jià)更高的問(wèn)題。
 
在這些應用中，控制器的嵌入式通信功能支持通過(guò)本地應用程序服務(wù)器跨局域網(wǎng)或通過(guò)云端應用程序跨工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)輕松監視和控制機器。
 
3 消費產(chǎn)品
 
高度的硅集成及其帶來(lái)的嵌入式運動(dòng)控制組件的成本降低正在促使這一技術(shù)走入越來(lái)越多的消費品市場(chǎng)新應用中。
 
部分示例如下：
 
●     高性能的智能電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)踏板車(chē)，它們更加經(jīng)濟且能使用控制器將輸出驅動(dòng)波與電機和所承受負載細致匹配從而更好地利用電池。
●     物聯(lián)網(wǎng)連接的智能家居，其特點(diǎn)是可以有效地遠程控制活動(dòng)通風(fēng)孔、百葉窗、監控攝像機和電器。
●     配備了智能電機驅動(dòng)器的3D 打印機，驅動(dòng)器使用復雜的波形算法提供更快的速度和更高的打印準確性，同時(shí)動(dòng)態(tài)降低產(chǎn)生的噪音。
●     個(gè)人機器人，其硬件外圍設備中嵌入了時(shí)序要求嚴格的功能，使得處理器可以供 AI 和用戶(hù)界面使用。
 
超越傳感器和攝像頭之外——將物聯(lián)網(wǎng)從云端轉移到現實(shí)世界
 
結論
 
嵌入式運動(dòng)控制技術(shù)正在使數據轉化為運動(dòng)的過(guò)程變得比以往更加簡(jiǎn)單、更加具有成本效益。在此過(guò)程中，它能幫助現有產(chǎn)品變得更好，讓新類(lèi)別的產(chǎn)品成為可能。
 
來(lái)源：TRINAMIC電機驅動(dòng)控制系統，作者：Corné Bekkers
 
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
 
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