乘坐電梯時，您希望順利、安全地從一層到達另一層。在電梯驅動中，精確的運動控製使電梯能夠停在指定位置並平穩減速直至完全停止。缺乏精確的運動控製會導致電梯意外停在樓層之間，這會讓乘坐電梯的人感到頭暈、不舒服或不安全。
機器人、計算機數控機器和工廠自動化設備都需要通過伺服驅動器進行精確的位置控製，並且在許多情況下需要精確的速度控製，以便正確地製造產品和維護工作流程。
工業驅動的許多方麵對於實現精確運動控製非常重要，其中涉及實時控製設計中的三個基本子係統，即傳感、處理和驅動。本文討論每個子係統的支持技術的示例。
就職
如果沒有精確的位置和速度傳感，就無法實現精確的運動控製。感測可包括電機軸角位置和速度感測或輸送機線性位置和速度感測。設計人員經常使用增量式光學編碼器（每轉有數百到一千個凹槽）來感測位置和速度。這些編碼器通常通過正交編碼脈衝(QEP) 連接到微控製器(MCU)，因此需要QEP 接口功能。
相比之下，絕對編碼器的精確度要高得多，通常每轉具有更多數量的凹槽，並且經過精密安裝以提供絕對角位置。感測到的位置被轉換為數字表示並根據標準協議進行編碼。此類協議的示例包括Tamakawa 的T-Format 和iC-Haus GmbH 的雙向串行同步(BiSS) C。以前，您需要現場可編程門陣列(FPGA) 來與此類編碼器連接，但現在越來越多的MCU 具有也具有此功能（如下圖1 所示）。由於T-Format 和BiSS C 協議通常受大多數MCU 上常見的通信端口或接口（例如串行外設接口(SPI)、通用異步接收器發送器(UART) 或控製器局域網(CAN)）的支持，因此協議有所不同，因此它們通常需要可定製的邏輯塊或專有的處理單元。
圖1：連接到Texas Instruments 控製MCU 的絕對編碼器
絕對編碼器還可以基於電磁或類似旋轉變壓器的電路，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。電機和運動控製始終需要精確的電機電流和電壓感測，特別是在使用無傳感器控製時。常見的解決方案是使用具有集成低側電流檢測功能的隔離/非隔離放大器和驅動器進行內聯和逆變器橋臂低側檢測。
處理
在精密運動控製係統中執行運動控製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MCU 通常具有32 位字長和本機64 位浮點支持。由於算法嚴重依賴三角、對數和指數數學，因此許多MCU 都具有硬件加速器。
考慮到受控運動軸的數量或控製回路的數量，設計人員通常使用多中央處理單元(CPU) 架構或類似CPU 的並行加速器。還可以考慮使用多個CPU 來執行額外的監控和通信任務。
作為實時控製應用，整個信號鏈的總延遲（即從收集電流、電壓、位置和速度測量值到更新控製輸出的時間）將直接影響控製性能，從而影響精度。一些MCU 具有片上模擬比較器，可以直接生成控製動作，從而顯著減少延遲和CPU 負載。快速中斷響應和現場保存和恢複也很重要。
僅僅擁有高處理能力是不夠的。運動控製MCU 還必須具有通用控製外設，例如12 位和16 位模數轉換器、QEP 接口、高分辨率邊沿和脈衝捕獲以及脈寬調製(PWM) 輸出。此外，還需要實現自定義邏輯和時序的能力。
為了幫助設計人員更快地開始並微調其設計，MCU 和電機驅動器供應商提供電機和運動控製算法，包括無傳感器觀測器和軟件庫等核心算法，以及具有GUI 可配置性的完整控製代碼。
圖2是工業驅動控製MCU的概念圖。
圖2：用於工業驅動器的MCU
駕駛
提供所需的控製動作需要功率器件和驅動器，通常采用PWM 形式，並以占空比表示動作。 PWM脈衝的精確控製非常重要，這意味著驅動器必須以盡可能小的時序偏差提供必要的驅動強度；電源設備必須在準確的預定時間打開和關閉。此類驅動器如今已廣泛使用，並具有過流和過熱保護等附加功能。新型寬帶隙功率器件可確保快速、精確的開啟和關閉時序。寬帶隙器件的快速開關速度和低開關損耗還可以實現快速控製環路，從而提高穩定性和性能。
除了精度之外，許多應用還要求電機控製設計足夠緊湊，因此需要具有集成電流感應和電源模塊的驅動器。
結論
精密運動控製對於工業驅動至關重要。技術解決方案涉及實時控製設計的所有三個基本子係統，即傳感、處理和驅動，旨在實現精確運動控製。
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