【導讀】從中國大唐王朝盛行的胡旋舞，到今天全球共賞、傾倒世界幾個(gè)世紀的芭蕾舞，旋轉都是舞蹈美學(xué)與藝術(shù)的重要組成部分。舞者衣袂飄飄，旋轉中姿態(tài)萬(wàn)千百媚竟生，提高了整個(gè)舞蹈的審美性、觀(guān)賞性。舞者的旋轉讓這個(gè)物理世界的基本運動(dòng)狀態(tài)帶來(lái)藝術(shù)的升華?，F代科學(xué)對旋轉運動(dòng)的研究，則為動(dòng)力學(xué)和運動(dòng)學(xué)帶來(lái)了百年工業(yè)革命，以電動(dòng)機為基礎的動(dòng)力設備成為現代工業(yè)的基礎。
如今，電機已經(jīng)成為現代工業(yè)、醫療、智能化家居、IoT、交通、辦公……無(wú)所不及，深入到生活的方方面面。舞蹈旋轉的藝術(shù)性把控是舞者藝術(shù)與美學(xué)表現的精進(jìn)，對電機旋轉的把控，則正在將科技的智慧給生活帶來(lái)更多的便利與舒適。特別是數字化進(jìn)程中的今天，數字信息可以轉化為精確的物理運動(dòng)，以前不可行的場(chǎng)景逐漸變成現實(shí)，先進(jìn)的機器人技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、增材制造、假肢和IIoT等等。正如舞者優(yōu)美的旋轉舞動(dòng)需要長(cháng)年累月的訓練功底一樣，有效地將數字信息轉化為完美的物理旋轉運動(dòng)面臨諸多挑戰：它需要優(yōu)化的軟件和硬件組件以?xún)?yōu)化性能；需要盡量低的功耗，以實(shí)現更持久的電池壽命周期以及更低的發(fā)熱；盡可能少的軟件工作量，以縮短產(chǎn)品投放到市場(chǎng)的時(shí)間；盡可能高的集成度，以提升產(chǎn)品的穩定性……事實(shí)上，這也正是高性能半導體解決方案提供商ADI公司的Trinamic電機運動(dòng)與控制解決方案這些年達成的關(guān)鍵目標，該公司多項關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng )新推動(dòng)了電機應用的突破。
電機在假肢上的應用，以科技之美輔助再現生命運動(dòng)之美。（蘇黎世舉辦的全球半機械人奧運會(huì )Cybathlon上，基于A(yíng)DI Trinamic電機控制技術(shù)的全球第一款具有兩個(gè)活動(dòng)關(guān)節的義肢）
如何“優(yōu)雅”地傳送一杯啤酒？這背后的技術(shù)“訣竅”很重要
舞者旋轉動(dòng)作變換行云流水而優(yōu)雅萬(wàn)狀，電機的旋轉運動(dòng)如何自如可控呢？下圖是ADI Trinamic演示的相較普通的電機運動(dòng)移動(dòng)啤酒杯導致啤酒溢出（圖b.），利用ADI Trinamic “S”形斜坡加速曲線(xiàn)在兩點(diǎn)之間快速移動(dòng)一個(gè)裝滿(mǎn)啤酒的玻璃杯（圖a.），而不會(huì )溢出一滴啤酒?？此坪?jiǎn)單的運動(dòng)狀態(tài)對比，其實(shí)背后的技術(shù)對很多應用領(lǐng)域非常關(guān)鍵，同樣的原理也適用于醫學(xué)研究或其他液體處理應用中使用的機器人等等，從組織分析到血液離心和液體處理的各種應用，快速、平穩的運動(dòng)控制提供了簡(jiǎn)單的解決方案。
通過(guò)電機運動(dòng)快速移動(dòng)一個(gè)裝滿(mǎn)啤酒的玻璃杯的效果對比。
對這類(lèi)應用而言，想要電機平穩運行，設計一套好的運動(dòng)控制軌跡曲線(xiàn)，相當于完美的運動(dòng)控制完成了一半。電機的運動(dòng)軌跡曲線(xiàn)包括梯形曲線(xiàn)和S型曲線(xiàn)，相較于梯形曲線(xiàn)，S型曲線(xiàn)更加平穩，克服了前者加速度突變的不利因素，能夠更有效地減小沖擊。ADI Trinamic將傳統軟件算法通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現，從而節省CPU的負擔，讓原本結構復雜的S型曲線(xiàn)變得易于實(shí)現，減輕了生產(chǎn)研發(fā)的工作量。
電機的運動(dòng)軌跡曲線(xiàn)包括梯形曲線(xiàn)和S型曲線(xiàn)，相較于梯形曲線(xiàn)，S型曲線(xiàn)更加平穩
ADI Trinamic在對步進(jìn)電機的驅動(dòng)上擁有的StealthChopTM和CoolStepTM兩大技術(shù)專(zhuān)利，通過(guò)不斷調整機械臂的加速和減速率，避免了速度曲線(xiàn)中突出點(diǎn)來(lái)減少系統的抖動(dòng)，“S”形斜坡使其能夠達到更高的速度，并且仍然能精確地到達其下一個(gè)位置，對其有效載荷的干擾最小，讓步進(jìn)電機運行更加平穩，更加節能高效，這些算法還可以幫助工業(yè)物料運輸車(chē)快速、高效地移動(dòng)重型載荷。在沒(méi)有反饋裝置的情況下，步進(jìn)電機仍可以實(shí)現速度控制和定位控制，具有剛性好、可靠性高、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)線(xiàn)傳輸、雕刻、紡織、安防、醫療等領(lǐng)域應用廣泛。
此外，在高速場(chǎng)合，BLDC（無(wú)刷直流電機）和PMSM（永磁同步電動(dòng)機）等伺服電機更具優(yōu)勢。FOC（磁場(chǎng)定向控制）是目前伺服控制當中效率最高的控制方式，ADI Trinamic基于硬件的空間磁場(chǎng)矢量控制能夠精確地控制磁場(chǎng)大小與方向，使得電機轉矩平穩、噪聲小、響應迅速，提高了電機效率和精度。
“動(dòng)如脫兔，靜如處子”，電機應用如何“動(dòng)靜皆宜”？
一如舞蹈的美學(xué)，快速旋轉的動(dòng)態(tài)之美與輕緩動(dòng)作變換下的柔美，或者戛然而止的靜美，帶來(lái)不一樣的藝術(shù)觀(guān)感。在電機應用中，一樣有很多領(lǐng)域需要“動(dòng)靜皆宜”——特別是在辦公、居家、醫療等場(chǎng)景下，人們傳統印象中電機吵雜的特點(diǎn)讓人欲避而遠之，電機運行狀態(tài)下的靜音特性非常重要。
以當前日益普及的3D打印為例，這類(lèi)輕巧便利的設備主要應用于辦公室等非傳統工業(yè)制造廠(chǎng)房的環(huán)境，動(dòng)輒數小時(shí)的運行時(shí)間內，任何噪聲都會(huì )引起非常負面的體驗。對噪聲的焦慮已經(jīng)成為這個(gè)行業(yè)共同的話(huà)題：“3D打印機聲音很大，做任何有效率的事情時(shí)，很難與它們在同一個(gè)房間里?！?；“當以低速打印時(shí)，整個(gè)東西都會(huì )振動(dòng)并發(fā)出噪音?！?；“我沒(méi)想到他們會(huì )這么吵，這正常嗎？”……這些只是業(yè)界知名的3D打印開(kāi)源社區RepRap論壇上的一小部分投訴，大家希望尋找3D打印靜音電機控制的最佳解決方案。事實(shí)上，在清靜的病房病人也不能容忍輸液泵電機發(fā)出明顯的噪聲，同樣居家中你也很難忍受掃地機在室內清掃時(shí)討厭的嗡嗡聲，同樣人們對設備安靜工作訴求的場(chǎng)景還出現在視頻會(huì )議、智能家居以及實(shí)驗室自動(dòng)化和桌面型CNC設備。
所有這些應用都無(wú)例外的大量使用了步進(jìn)電機。然而，步進(jìn)器的缺點(diǎn)是噪音很大，由于震動(dòng)而導致噪音，尤其在低速或靜止時(shí)更是如此。步進(jìn)電機有兩個(gè)主要的振動(dòng)源：步進(jìn)分辨率，以及斬波器和脈沖寬度調制(PWM)模式導致的副作用。
第一臺使用Android的3D打印機，基于具有StealthChop靜音運動(dòng)控制技術(shù)的解決方案，意味著(zhù)3D打印機可以融入任何家庭或辦公室。
全步或半步等低分辨率步進(jìn)模式是步進(jìn)電機的主要噪聲源。它們引入了巨大的振動(dòng)，特別是在低速和接近某些共振頻率時(shí)。為了減少這些振動(dòng)，可以應用一種稱(chēng)為微步細分機制，將一個(gè)完整的步驟分成更小的微步數，最大分辨率由驅動(dòng)器的A/D和D/A功能定義。ADI Trinamic的步進(jìn)電機控制器和驅動(dòng)器允許使用每整步高達256（8位）微步，使用芯片的集成可配置正弦波表甚至完全自定義電流波形，使電機轉子以更小的角度或更短的距離步進(jìn)，在驅動(dòng)一些劣質(zhì)步進(jìn)電機時(shí)，ADI Trinamic為用戶(hù)開(kāi)放內部細分表自動(dòng)調整的功能。
另一個(gè)噪聲和振動(dòng)源源自步進(jìn)電機通常使用的傳統斬波器和PWM模式。由于粗步進(jìn)分辨率的主要影響，這些模式的寄生效應常常被忽略。但隨著(zhù)使用微步進(jìn)提高步進(jìn)分辨率，這些寄生效應變得更明顯甚至可以被聽(tīng)見(jiàn)。先進(jìn)的電流控制PWM斬波模式比如SpreadCycle?，在慢速和快速衰減器之間自動(dòng)配置一個(gè)磁滯衰減功能，平均電流反應了配置的正常電流，在正弦的過(guò)零點(diǎn)不會(huì )出現過(guò)渡期，這就減少電流和力矩的波動(dòng)，使電流波形更加接近正弦波，相比傳統恒定斬波模式，SpreadCycle PWM斬波模式控制下的電機運行得要平穩、平滑很多，可以達到更高的轉速，從而實(shí)現高動(dòng)態(tài)電機控制。
基于A(yíng)DI Trinamic電機控制驅動(dòng)方案使系統的機電致動(dòng)器完全靜音實(shí)現高保真Dereneville DTT-01-S 有源線(xiàn)性跟蹤唱機設計
即使使用像SpreadCycle這樣的電流控制斬波器模式，由于電機線(xiàn)圈差異、檢測電阻上幾毫伏的調節噪聲和PWM抖動(dòng)，仍然會(huì )產(chǎn)生一點(diǎn)點(diǎn)可聽(tīng)噪聲和振動(dòng)?；陔妷簲夭夹g(shù)的StealthChop通過(guò)根據PWM占空比調制電流來(lái)克服這一問(wèn)題，從而產(chǎn)生完美的電流正弦波。除了電機軸承鋼球磨擦的聲音是無(wú)法避免的之外，StealthChop可以驅動(dòng)電機工作在極度的靜音下，實(shí)現控制電機聲音在10dB以下，噪音大大低于傳統電流控制方式。
能耗大戶(hù)如何撐起“雙碳”世界的未來(lái)？
根據國際能源署的數據，電機占全球總電力消耗的45%，因此基于電機驅動(dòng)的電子產(chǎn)品的可靠性和能效，不僅對各種應用的舒適性、便利性產(chǎn)生直接影響，還對世界環(huán)境可持續性產(chǎn)生深遠的影響。在全球雙碳目標壓力下，能耗“大戶(hù)”電機的低能耗技術(shù)將成為撐起“雙碳”世界的關(guān)鍵力量。
電機能耗通常取決于驅動(dòng)電流控制，這也是電機驅動(dòng)控制低功耗優(yōu)化的關(guān)鍵著(zhù)力點(diǎn)。步進(jìn)電機在沒(méi)有反饋的情況下，系統始終假定電機按設定電流運行。常規的電機驅動(dòng)電流都是恒定的電流，也就是說(shuō)電機的功耗都是恒定的，無(wú)論負載大或小，它的驅動(dòng)電流保持一樣。事實(shí)上，在很多應用場(chǎng)景負載變化是非常頻繁的，低負載大功耗使得能源無(wú)意義浪費。電機的閉環(huán)運行可以有效提高應用的效率和整體性能，通過(guò)在電機待機時(shí)降低電流并在負載條件下增加電流。然而，如果要對負載進(jìn)行監測實(shí)現驅動(dòng)電流的閉環(huán)控制，所增加的成本通常是很多應用所不能接受的。
適用于家庭和建筑的舒適物聯(lián)網(wǎng)系統Ecovent采用ADI Trinamic的智能步進(jìn)電機IC位于智能通風(fēng)口的中心，它使用4節AA電池，保持系統無(wú)線(xiàn)連接，同時(shí)確保3到5年的電池壽命。
ADI Trinamic無(wú)傳感器負載測量技術(shù)StallGuard?提供一種具有成本效益的負載實(shí)時(shí)反饋技術(shù)，通過(guò)測量電機的反電動(dòng)勢，它可以知道電機何時(shí)可能會(huì )停轉并向系統發(fā)送信號?；?StallGuard負載值，無(wú)傳感器電流自適應控制CoolStep技術(shù)則通過(guò)反電動(dòng)勢的變化檢測電機負載，并使電流適應實(shí)際負載條件，從而實(shí)現節能降耗的目標。CoolStep始終以最佳電流驅動(dòng)電機，通過(guò)在電機輕負載時(shí)將電流降至最低，并在負載增加時(shí)增加電流來(lái)節省大量能源。特別是對于一些電池供電，或者對一些車(chē)間里面長(cháng)時(shí)間運行電機發(fā)熱的情況，以及一些對高溫敏感的生物樣本檢測應用，用CoolStep可以有效降低功耗和克服發(fā)熱問(wèn)題，電機散熱可以減少達80%，使電機溫度保持正常，提高了整個(gè)系統的可靠性。
電機應用無(wú)處不在，關(guān)鍵技術(shù)賦能驅動(dòng)更美好世界
為了讓人們在家中和辦公室能愉悅地使用3D打印機，西班牙3D打印設備制造品牌BCN3D采用ADI Trinamic TMC2130方案實(shí)現了真正靜音打?。壳叭蚯笆?D打印設備制造商都選用了ADI Trinamic電機控制方案）；為了更快、更一致地識別、枚舉和表征瘧疾可疑血液樣本，以色列企業(yè)Sight Diagnostics 基于A(yíng)DI Trinamic驅動(dòng)方案開(kāi)發(fā)了一種獨特的診斷技術(shù)設備；瑞士咖啡機制造商Thermoplan通過(guò)將獨創(chuàng )性設計與ADI Trinamic的最新技術(shù)相結合，讓每一杯咖啡都變成了有拉花做終極點(diǎn)綴的完美釀造……
得益于像ADI Trinamic這樣的專(zhuān)業(yè)精密運動(dòng)控制解決方案，今天電機在微型化、數字化、節能化、智能化的技術(shù)發(fā)展趨勢下，已經(jīng)普遍應用于社會(huì )的方方面面，生活中那些隨處可見(jiàn)的電子產(chǎn)品，幾乎都有電機在里面發(fā)揮著(zhù)重要作用。而電機驅動(dòng)的高精度、靜音化、智能化與節能化，讓這些產(chǎn)品能以更優(yōu)雅的方式融入到我們身邊，這也是ADI一直崇尚的企業(yè)理念——“Engineering Good”，以創(chuàng )新的科技讓我們的生活變得更加美好。
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