从TRINAMIC电机控制技术看发展趋势

TRINAMIC的设计理念是尽可能将针对电机的运动控制硬件化,有效缩短开发周期,减少产品设计BOM(物料清单),缩短产品投放时间。

随着物联网(IoT)、人工智能(AI)、云计算的迅速发展,要求生产线更加智能化、灵活可配置,以满足复杂多变的生产需求。工业智能制造与IoT、AI、可配置IO以及云计算有序地融合,推动了自动化行业的变革。

在2021国际电机驱动与控制技术论坛上,TRINAMIC资深应用工程师高伟表示:“在工厂自动化当中,按照不同功能,智能制造可分为执行层、控制层、工厂控制层和管理层四个层次。其中执行层包含传感器、执行器等,是整个控制系统的神经末梢。因此,如何将智能制造延伸至执行层对整个自动化系统有着重要意义。”

TRINAMIC提供方案齐全的智能工业自动化执行端解决方案,包括底层的电机驱动(集成功率管或者功率管外扩)、闭环算法FOC、运动轨迹规划,以及IO-Link和实时工业以太网。TRINAMIC的设计理念是尽可能将针对电机的运动控制硬件化,有效缩短开发周期,减少产品设计BOM(物料清单),缩短产品投放时间。

图:TRINAMIC 产品种类

电机驱动与控制作为运动控制系统的一个环节,在智能制造领域起到关键作用。5G、人工智能、云计算和物联网等技术的发展让智能制造市场对电机有了更加严格、更加复杂多样的要求,电机及其控制技术朝着高能效、低功耗、智能化、安全可靠的方向迅猛发展。

“设计一套好的运动控制轨迹曲线,相当于完美的运动控制完成了一半。”高伟表示运动控制曲线直接决定了电机运动的实际效果。电机的运动轨迹曲线包括梯形曲线和S型曲线。相较于梯形曲线,S型曲线更加平稳,克服了前者加速度突变的不利因素,能够更有效地减小冲击。TRINAMIC将传统软件算法通过硬件来实现,从而节省CPU的负担,让原本结构复杂的S型曲线变得易于实现,减轻了生产研发的工作量。

图:S型电机运动轨迹曲线

TRINAMIC拥有Stealthchop和Coolstep两大技术专利,让步进电机运行更加平稳,更加节能高效。在低速大扭矩应用中,步进电机拥有比其他电机更大的优势。在没有反馈装置的情况下,步进电机仍可以实现速度控制和定位控制,具有刚性好、性价比高等优点,在生产线传输、雕刻、纺织、安防、医疗等领域应用广泛。但是传统步进电机驱动方案存在发热高、噪声大、共振强等缺点,无法满足高端应用。

TRINAMIC通过对电机电流自调整控制,使步进电机在低速情况下,将噪音控制在10分贝以内,消除电机抖动。通过电流自适应负载控制使电流在不需要主控制干预的情况下自动完成调节,避免电机出现丢步,减少发热。

图:电流自适应负载控制

在高速场合,BLDC(无刷直流电机)和PMSM(永磁同步电动机)等伺服电机更具优势。FOC(磁场定向控制)是目前伺服控制当中效率最高的控制方式。TRINAMIC基于硬件的空间磁场矢量控制能够精确地控制磁场大小与方向,使得电机转矩平稳、噪声小、响应迅速,提高了电机效率和精度。TRINAMIC控制芯片能够将复杂的算法从MCU里解放出来,减轻处理器对实时计算的负担。

除了步进电机与伺服电机驱动和控制技术,TRINAMIC将双向通讯IO-Link与电动执行器相结合,进一步满足了智能制造边缘化的发展需求。

IO-Link定义了标准的接口、线缆和协议,基于强大的三线传感器和执行器连接的点对点通信,能够从控制层直接访问传感器状态信息。TRINAMIC智能执行器系统提供了轻便小巧,低功耗的一体机解决方案,集成了可编程的传感器和可编程的执行器功能,可以自主完成智能控制,减少与主控制器的通讯频率,降低系统故障率。

图:支持IO-Link的TRINAMIC电机系统

从TRINAMIC电机驱动与控制技术方案中,我们不难看出,日益增长的市场需求要求电机控制更加智能化。融合先进新兴产业,电机控制将更加精准可靠,数据处理能力更加强大。智能制造的发展正朝着边缘化方向演变,以加速推动工厂生产的自动、智能、高效。