【導讀】中國及全球主要工業(yè)國家都正在推動工業(yè)和制造領域的轉(zhuǎn)型，通過提升數(shù)字化水平和生產(chǎn)效率來抵消勞動力短缺和成本上漲。國內(nèi)“十四五”規(guī)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(zhí)行、內(nèi)部運營、維護服務和類似的流程中，將管理和運營的數(shù)字化比例從55%提高到68%。工業(yè)數(shù)字化，制造業(yè)首當其沖，下面看看制造業(yè)的幾個常見場景“樣本”。
車間裝備線——裝配系統(tǒng)變得越來越復雜，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新的水平，每個部件都需要針對實時通信和監(jiān)控進行優(yōu)化。畢竟，在整個裝配過程中，只有一個組件發(fā)生故障就可能導致完全關閉。
數(shù)字化加工——數(shù)字技術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)的開發(fā)周期?，F(xiàn)在，可以直接通過設計軟件制造實際產(chǎn)品，依靠具有集成安全功能的精確可靠的運動控制，從而實現(xiàn)更安全、更可靠、效率最高的設備。
自動拾取和放置機器——雖然拾取和放置機器似乎只進行基本運動，但有些機器需要最高的靈活性來完成要求苛刻的任務，例如將單個組件放置在PCB上或從傳送帶上拾取物體并相應地放置它們。無論任務如何，所有拾取和放置機器都需要高效、可靠和靈活的驅(qū)動器。
測試和測量設備——在現(xiàn)代工業(yè)制造技術和科學研究中，測量儀器具有精密化、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(jié)果的關鍵。例如，對生產(chǎn)中的所有三維復雜零件尺寸、形狀和相互位置進行高準確度測量，三坐標測量就很關鍵。輸送系統(tǒng)——物料的傳送在工廠運營中具有非常重要的地位，它是工業(yè)化生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)，好的物料流轉(zhuǎn)方式，不僅省時、省力、降低成本，可保持生產(chǎn)線的運轉(zhuǎn)，而且會大大提高我們的生產(chǎn)效率。在幾乎所有這些工業(yè)應用的場景，我們可以發(fā)現(xiàn)幾乎都有電機在里面發(fā)揮著重要作用。隨著工業(yè)制造的數(shù)字化發(fā)展，市場對步進電機的要求也趨于嚴苛，不僅要求低噪聲、運行平穩(wěn)、高能效、高速度高扭矩，還要求增加對設備和過程的實時監(jiān)控異常行為進行優(yōu)化。
特別是與系統(tǒng)功能密切關聯(lián)的步進電機，如果通過在芯片級集成高級診斷，實現(xiàn)運動和力控制與監(jiān)測，可以提前實現(xiàn)部分工業(yè)4.0的自動診斷功能，提高準確性、可靠性和效率，無論是數(shù)字加工、車間裝配線，還是自動拾取與放置機器或者生產(chǎn)線測試測量設備，將實現(xiàn)更高的精度和效率，并大大減少停機時間。基于創(chuàng)新技術實現(xiàn)無傳感器的運動在步進電機應用場合如何實現(xiàn)運動和力控制？傳統(tǒng)的思路可能立即會想到：第一，增加力矩傳感器；第二，檢測電機電流。但是，增加力傳感器會帶來系統(tǒng)成本的增加。對一個開環(huán)系統(tǒng)的步進電機來說，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，這種方法也會增加控制系統(tǒng)的成本。
步進器和 BLDC 等電動機利用磁場旋轉(zhuǎn)，從轉(zhuǎn)子的角度來看，定子的電磁場拉動或推動轉(zhuǎn)子。這會導致轉(zhuǎn)子磁場與定子旋轉(zhuǎn)場方向之間的相移，該相移是負載角，或電機轉(zhuǎn)子和定子的兩個磁場方向之間的角度。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)生反電動勢。該反電動勢表示電機上的機械負載，這意味著它可用于監(jiān)控驅(qū)動系統(tǒng)的實際負載條件，而無需使用其他組件。使用電機的反電動勢原理，ADI Trinamic電機驅(qū)動StallGuard?和CoolStep?為電機應用增加了電機負載檢測功能，實現(xiàn)無傳感器歸位和失速保護。StallGuard 是步進電機的無傳感器負載測量，可提供有關負載角度的經(jīng)濟高效的反饋，靈敏度可根據(jù)應用需求進行調(diào)整，使其成為無傳感器歸位、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(nèi)運行的理想選擇，無需參考或限位開關，并降低了需要精確參考的應用的成本和復雜性。通常，開環(huán)步進驅(qū)動器在過載情況下會因失速而丟失步數(shù)，例如當軸被阻塞時。StallGuard 技術可防止步進損失，通過在達到設定負載值時停止電機來保持步數(shù)完整性。無傳感器技術可以檢測多達 1024 個不同的負載水平，從而提供高分辨率反饋，以便對系統(tǒng)進行連續(xù)監(jiān)控。
CoolStep提供基于StallGuard值的動態(tài)電流控制，最初為醫(yī)療設備和實驗室自動化開發(fā)的無傳感器負載相關電流控制，始終以實際負載條件所需的最小量驅(qū)動電機。基于CoolStep和StallGuard技術，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，通過消除電流安全裕度并允許臨時電流提升，CoolStep允許更小的電機，因為需要的扭矩儲備更少。
適合工業(yè)運動無傳感器爭端診斷的電機驅(qū)動解決方案基于 StallGuard 和 CoolStep 提供支持，整個電機控制系統(tǒng)可以通過實時監(jiān)控異常行為進行優(yōu)化，無論是機械磨損還是負載不在指定裕度內(nèi)，ADI Trinamic的嵌入式解決方案都可以檢測并標記事件，將電機以及整個系統(tǒng)變成“傳感器”，通過向數(shù)據(jù)集添加有價值的信息來提高效率，以便實時控制生產(chǎn)線。TMC5160就是帶步進/方向接口和串行通信接口(SPI) 的高功率步進電機控制驅(qū)動芯片，將實現(xiàn)自動目標定位的靈活斜坡發(fā)生器和業(yè)界先進的步進電機驅(qū)動器結(jié)合在一起。通過外置外部晶體管，實現(xiàn)高動態(tài)、高扭矩電機驅(qū)動（高達 20A 線圈電流），使系統(tǒng)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現(xiàn)。完整的解決方案在實現(xiàn)高性能基礎上，能將學習時間盡可能縮短，加快產(chǎn)品上市時間。
TMC4671 是另外一款適合工業(yè)電機驅(qū)動的完全集成的伺服控制器，為 BLDC/PMSM 和 2 相步進電機以及直流電機和音圈提供磁場定向控制（FOC）。所有控制功能都在硬件中實現(xiàn)。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，客戶也可以采用用于兩相雙極步進電機的三軸電機控制器/驅(qū)動板TMCM-3351，或者用于無傳感器負載相關電流控制六軸步進電機控制器/驅(qū)動器模塊TMCM-6110 。簡單易用和成本效益原則是ADI Trinamic設計師在設計步進電機驅(qū)控芯片時的指導方針。這些方案將強大的步進電機驅(qū)動器和運動控制器集成在一塊芯片上，將數(shù)字信息直接轉(zhuǎn)換為平滑、精確、可靠的物理運動，被廣泛地用于機器人、工業(yè)驅(qū)動、紡織、縫紉機、包裝、工廠和實驗室自動化、高速 3D 打印機、液體處理、醫(yī)療、辦公自動化、視頻監(jiān)控、自動取款機等應用中。
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