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          技術頻道

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          智能運動控制在智能制造中的重要性

          時間:2022-04-25 20:09:15來源:ADI 公司戰略營銷經理 Maurice O’Brien

          導語:?智能運動控制是智能制造的核心構建模塊,可實現高度靈活的高效制造。智能運動控制融合了精確反饋、先進感知、高性能控制和無縫連接技術,可提供確定性運動解決方案。利用 PLC 和制造執行系統 (MES) 運動洞察信息的無縫連接執行高級分析,以優化制造流程,及早識別潛在問題避免停產。使用智能運動控制的智能制造可以快速重新配置,以支持更敏捷和可擴展的制造,包括批量大小為 1 的生產。通過縮短完成制造步驟的時間,并優化制造流程實現更高產出,同時降低能耗,從而實現更可持續的智能制造。

            1 智能運動控制解決方案的發展和演進

            運動控制隨著時間推移不斷演變,從簡單的并網電機發展到適用于機床和工業機器人的復雜的多軸伺服驅動解決方案。為了在智能制造中實現更高水平的生產力、靈活性和自動化,自動化技術日益復雜,這也促進了相關技術發展和演進(參見圖1)。

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          圖 1 智能互連運動應用的發展和演進

            并網電機

            最基本的運動解決方案是基于并網或交流3相定速電機,它們使用開關設備來提供開關控制和保護電路。這些基本的運動控制解決方案以相對固定的速度運行,不受負載變化影響。使用機械控制裝置來降低輸出,例如節流閥、阻尼器、齒輪或閥門、泵以及風扇等都屬于此類裝置。

            逆變器驅動電機

            增加整流器、直流母線和3相逆變器級實際上會生成可變頻率和可變電壓源,現在被應用到電機中,以實現變速控制。這種逆變器驅動電機可以使電機在負載和應用中以優化的速度運行,從而大幅降低能耗。例如高效率的泵和風扇。

            變速驅動

            對于更高性能的運動控制應用,變速驅動(V SD)可以助力實現精準的扭矩、速度和位置控制。為了實現上述控制,我們在基本的開環逆變器驅動中增加了電流和位置測量。這樣可以更準確地控制電機速度、位置和扭矩。例如輸送機、繞組、打印和沖壓機器就是這些應用的典型示例。

            伺服驅動系統

            同步多軸伺服驅動系統用于更復雜的運動應用中。機床和數控機床要求多軸同步操作,因此需要極為準確的位置反饋。在CNC加工中,5軸協調很常見,但是有些應用會用到多達1 2 個軸,其中工具和工件在特定空間內相對移動。

            工業機器人/協作機器人/移動機器人

            工業機器人需要將多軸伺服驅動、機械集成和先進的機器控制算法組合使用,以實現復雜的3D空間定位。機器人一般有6個軸,這些軸必須協調有序,如果有時候機器人沿軌道移動,則會有7個軸。協作機器人基于工業機器人解決方案構建,但增加了功率和力限制(PFL),以提供安全的多軸機器控制,讓操作人員能夠在協作機器人旁安全工作。最后,移動機器人采用了自導航功能安全機器控制,支持定位傳感和避撞! 

            2 推動智能運動控制發展的驅動因素

            智能運動控制在四個關鍵增長驅動因素推動下加速發展:能耗降低、敏捷生產、數字化轉型,同時向智能制造中基于減少停機時間和增加資產利用率、以服務為基礎的新商業模式轉變也有一定的促進作用。讓我們詳細看看這四個關鍵的增長驅動因素。

            降低能耗

            電機系統消耗的電力占到整個行業消耗電力的近70%。智能運動解決方案通過讓越來越多的應用從定速電機轉向高效率電機和變速驅動,正在并將繼續大幅降低能耗,這在一定程度上是受到能效法規推動。這種能耗降低可以助力實現更具可持續性的制造。獲取與優化制造流程有關的運動見解,將有助于進一步降低智能制造的能源消耗。

            敏捷生產

            隨著行業不斷根據消費者需求和不斷改變的購買者行為做出調整,需要通過基于可重新配置生產線的敏捷生產來提供更多定制,實現更快的周轉時間。消費者需求正在推動從低組合、大批量制造向高組合、小批量制造轉變,這就需要工廠車間具有更高的靈活性。復雜、重復且通常較危險的任務現在可由工業機器人完成,以實現更高的產出和生產力。敏捷生產提高了發生中斷時的彈性,可以更快應對不斷變化的客戶需求。

            數字轉型

            到2023年, 全球在數字轉型方面的支出將達到6.8萬億美元。2變速驅動器和伺服驅動器使用來自電壓、電流、位置、溫度、功率、能耗的數據,結合使用外部傳感器來監測振動和其他過程變量。利用融合了信息技術/操作技術(IT/OT)的以太網網絡, 運動應用彼此互聯,并傳輸數據和見解。運動數據和見解現在更易訪問,可由強大的云計算和AI(算法)進行分析,以優化制造流程和監控整個裝置中資產當前的健康狀況(參見圖2)。

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          圖 2 由無縫工業以太網連接助力實現的數字轉型

            適用于部署資產的新商業模式

            資產制造商希望出售的不僅僅是資產,他們想要擴展其商業模式,包括基于生產力和資產利用率的售后服務合同。例如,泵制造商希望使用新的預測性維護服務產品,根據泵送的液體(例如,水或油)體積來銷售,并按泵送的每立方米(m3)來收費,而不只是銷售泵。預計在未來5 年,泵OEM 50%至60%的收入將來自與服務相關的活動。3系統集成商希望根據他們安裝的制造資產的運行時間來收費,而不僅僅是收取資產的初始安裝費。新智能運動解決方案集成了狀態監控功能,以實時監控資產的健康狀況,并據此安排維護計劃。這種監控可以消除計劃外的資產停機,提供更高水平的生產力和資產利用率,成為基于服務的新合同的基礎!

            3 智能運動控制要求

            為了提高智能制造的生產力和可持續性,需要采用新的先進運動控制解決方案來發揮上述四個發展推動因素的作用。智能運動控制的關鍵要求如圖3所示。

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           圖 3 智能運動控制要求

            出色的運動控制

            出色的運動控制會縮短制造步驟完成的時間,從而增加產出和制造生產力,同時降低能耗。例如:通過精準的位置和扭矩控制,實現更高的質量和更快的加工速度,例如以更少的工序步驟和更短的時間加工一個復雜的部件。提供出色的運動控制的關鍵要求包括:提高控制環路的性能、可用于嚴苛的工業部署的可靠解決方案,以及高水平集成, 以實現高度可靠但小巧的解決方案。這些由低延遲、低漂移、多相電流、位置檢測,以及具有高瞬態可靠性和高度集成組件的信號鏈共同實現。

                 耐用、安全且可靠

            耐用、可靠的解決方案可以延長資產的可用壽命,是實現更可持續的智能制造的關鍵。通過延長資產的使用壽命,可以大幅減少用于制造替換資產所耗費的原材料和能源。用于電源調節和電源保護的電源管理解決方案是提供更耐用、更可靠的資產的關鍵部件。電源管理要求包括:適用于絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的高端電源、適用于FPGA和處理器的高功率密度解決方案、電源管理遙測的數字負載點(PoL)、EMC堅固性、高環境溫度運行,以及保護用戶免受高電壓影響的數據和電源隔離。新型寬帶隙電源開關(由碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)制成)的可靠使用為提供快速過流保護系統和可靠運行帶來了新的挑戰和要求。

            實時連接

            在高性能多軸同步運動應用中,需滿足精準、確定性、時間先決這些控制時序要求,且需要最小化端到端延遲,尤其是在控制周期時間變短、控制算法復雜性增加的情況下。這些高性能應用要求實時連接和亞毫秒網絡周期時間,以控制復雜的運動應用。智能制造使用視覺系統和運動應用來監控制造質量和提高生產安全性。工業以太網網絡必須支持實時確定性運動控制流量和最大視覺流量在同一網絡(帶寬可達Gb)上共存。連接到網絡的設備和控制器必須能夠互操作,以在整個制造設備中提供無縫的數據流,并確保對更高等級的管理系統保持數據透明,同時,通過縮短調試時間,讓這些網絡更靈活且可擴展。融合(IT/OT)以太網網絡確保能夠無縫訪問更高等級的管理軟件系統的運動信息,進行分析,以優化制造流程和加速數字轉型。

            高級檢測

            高級檢測解決方案創建運動信息,可用于優化制造流程和及早檢測故障跡象。檢測模塊包括位置、電流、電壓、磁場、溫度、振動和沖擊。目前,正通過使用高級檢測來部署對資產健康狀況的實時監控來創建新商業模型,以提供預測性維護服務合同(基于不斷增加的資產正常運行時間)。高級檢測要求包括:在嚴苛工業環境(例如,多塵環境)下的堅固性、準確的位置檢測、非接觸式高電流檢測、高帶寬電流和振動檢測、減少校準以確保解決方案的準確性,以及解決方案尺寸小巧,以適用于編碼器類應用。

            4 加快實現更高價值的運動控制解決方案的關鍵技術

            要實現用于智能制造的下一代智能運動控制解決方案,需要組合使用多種技術。這些技術組合使用時可以對嚴苛的工業部署提供可靠、精準的運動控制,且可訪問來自高級檢測的系統信息(參見圖4)。

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           圖 4 加快實現更高價值的運動控制解決方案的關鍵技術,且可訪問系統信息

            精準測量

            復雜的運動控制需要精確的轉換器技術,以提供高質量的電流反饋,利用隔離和非隔離解決方案,提供既高度精確,又具有快速瞬態響應的控制回路性能。電流反饋是提高驅動性能的基本構建模塊,決定了總體控制帶寬和響應時間。電流反饋的關鍵要求包括: PWM周期同步測量、隔離或高共模測量、低失調漂移以最小化扭矩紋波,以及14 至18 位分辨率的低延遲同步采樣,以測量相位電流。還需要采用精確轉換器技術,以在編碼器和線性跟蹤應用中提供準確的位置測量,以提供更高的產出和提高生產力。

            隔離和接口

            支持實現復雜的運動控制的下一代驅動器和電機需要采用數字隔離技術,以提供隔離數據和隔離通信接口, 例如RS-485 、USB和LVDS。還需要使用絕緣柵驅動器來驅動高端和低端功率半導體, 以提供可靠、安全且高度可靠的資產。柵驅動器將邏輯電平PWM信號轉化為控制功率晶體管的高端參考信號。高壓逆變器應用通常使用IGBT,未來則傾向于使用SiC和GaN來提高開關頻率和/或降低開關損耗。低壓應用一般使用基于MOSFET的開關。柵驅動器的關鍵要求包括: 高速、低傳輸延遲、低延遲偏差、堅固性和共模瞬變抑制、開關保護功能(DESAT、米勒箝位、軟關斷、UVLO),以及可控開關(轉換速度可變的開關)。標準數字隔離器在許多驅動器中,起著在高壓電源電子領域和安全特低電壓(SELV)領域( PWM和其他信號) 之間傳輸信號的重要作用。示例包括集成電源模塊(IPM)的隔離信號。全集成隔離電源解決方案也可以和數字隔離器或其他隔離功能組合使用, 以大幅減小解決方案的尺寸( 與分立式變壓器解決方案相比)。

            工業以太網

            要在運動控制應用(伺服器和驅動器)中進行確定性實時通信, 需要采用工業以太網連接和亞毫秒周期時間網絡性能?煽康奈锢韺悠骷(100 Mb和Gb速度) 與2層工業以太網協議(例如EtherCAT、PROFINET、EtherNET/IP和IEEE時間敏感性網絡(TSN))組合,確保提供確定性以太網連接。下一代設計轉而采用融合網絡上的Gb TSN,采用多種流量類型,使用循環通信進行控制,使用非循環通信來提供最大流量(例如,視覺和監控流量)。需要使用低延遲工業以太網解決方案在多軸應用中縮短周期時間。這些確定性運動控制解決方案支持實現更復雜的運動控制應用,以推動實現更高水平的制造生產力和靈活性。

            磁傳感

            磁傳感以異向性磁電阻(AMR)位置傳感器解決方案為基礎,為編碼器應用提供可靠且精準的位置檢測。位置反饋用于執行直接位置控制,或推斷伺服驅動器的轉速和執行機器速度控制。與光學編碼器相比,磁傳感提供更低成本的解決方案,且在易受灰塵和振動影響的工業環境中提供更為可靠的解決方案。

            電源管理

            智能運動應用通常部署在嚴苛的工業環境中,這些環境要求能夠在高環境溫度下運行,且能夠抵御傳導噪聲和高壓瞬變。在一些分散應用中,驅動器更靠近采用更小封裝的電機,在其他應用中,驅動器則與電機集成在一起。需要使用能在高環境溫度下運行的更高功率密度的電源管理解決方案,以支持實現這些尺寸更小巧的智能運動控制應用。

            機器健康

            機器健康使用振動和沖擊傳感器來對機器健康執行實時狀態監控,以消除計劃外的停機,延長資產的使用壽命,同時降低維護成本。通過將機器健康監控集成到運動應用中,可以通過數字化策略產生新的收入流,這些策略基于確保的正常運行時間來創建基于服務的新商業模式, 以實現更高級別的制造生產力;谡駝、沖擊和溫度的資產健康數據被終端AI轉化為資產健康洞察,然后通過有線或無線解決方案傳輸至管理控制軟件,提供重要資產的實時健康狀態。

            5 結論

            為了快速響應不斷變化的消費者需求和支持高效生產(批量大小低至1),需要施行敏捷生產。敏捷生產由可快速重構的智能連接資產助力實現。這些互連資產實時共享數據;這些數據可用于識別生產瓶頸,以及通過監測資產的健康狀況來消除計劃外的停機,從而改善運營效率;谥悄苓\動控制解決方案構建的智能制造消耗的能源更少,且支持更復雜的運動,以推動實現更高的靈活性、生產力和可持續性。

            智能運動控制解決方案

            ADI公司用于智能運動控制應用的技術和系統級解決方案支持實現更高級別的性能,同時降低能耗和減少停機時間。圖5概要介紹典型的電機驅動器信號鏈,該信號鏈由6個主要模塊構成,每個模塊代表一種ADI解決方案。

            

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            圖 5 ADI 公司用于智能運動控制應用的解決方案

            功率電子器件

            功率電子器件在電機驅動器系統中提供功率轉換。高壓系統(>100 V)使用絕緣柵驅動器來驅動功率半導體。ADuM4122是單柵絕緣柵驅動器,提供3 A短路(<3 Ω),支持功能性或增強絕緣(高達~800 V直流母線),提供擺率控制,以實現EMI/功率損耗優化;還支持高共模瞬變抑制(CMTI)和低傳播延遲,以配合SiC和GaN功率半導體使用。ADuM160N多通道數字隔離器可用于隔離PWM信號,與集成了柵驅動器和功率半導體的集成功率模塊(IPM)配合使用。ADuM6028隔離功率器件可與數字隔離器、隔離型收發器和隔離型數據轉換器一起使用,提供完全通過安全認證、可即時使用的非常小巧的8引腳解決方案。

            對于低壓系統(<100 V),可使用提供浮動接地和可編程死區時間的100 V半橋驅動器LTC7060,或采用PassThru?技術和自適應擊穿保護的150 V受保護高端NMOS靜態開關驅動器LTC 7000來驅動低壓半導體。LTC 7000還支持可編程死區時間(用于優化效率)、增強型電流控制和擺率控制(用于降低EMI)。

            電流檢測

            ADuM7701是一款高性能、二階Σ-Δ調制器,片上的數字隔離采用ADI公司的iCoupler?技術,能將模擬輸入信號轉換為高速單位數據流,以進行隔離電流檢測測量。ADuM7703提供低失調漂移(最大0.6 μV/°C),可降低扭矩紋波, 采用緊湊型8引腳封裝,集成LDO,以簡化電源設計和減小板面積。提供150 V/ns CMTI(最小額定值),可配合GaN和SiC功率電子器件使用。

            A D8410高壓電流檢測放大器提供高增益(20 V/V、50 V/V、100 V/V)、低失調漂移(~1 μV/°C)和高帶寬(2 MHz),以實現優化電流控制。AD8410還包括雙向電流測量輸入(高達100 V共模輸入)。LTC6102精密零漂移電流檢測放大器確保在廣泛的工作條件下提供精度, 在電流分流檢測應用中可由高端電壓(高達100 V)供電。

            位置檢測

            位置反饋用于執行直接位置控制,或推斷轉速和執行機器速度控制。ADA4570和ADA4571 將A MR 角度傳感器和集成式信號調節器集成在一起,為電機驅動器和伺服器應用提供更高精度的絕對位置檢測(誤差<0 .1 °,使用壽命/ 溫度<0 .5 °)。它們能在嚴苛的磁性環境中可靠運行,支持寬氣隙公差且不降低角誤差精度(與霍爾/ GMR/ T MR不同),并簡化系統設計考量。與工業應用中的光學傳感器相比,ADA4 5 7 0 和ADA4571不受灰塵或污垢影響,與市場上內置校準引擎的數字輸出解決方案相比,它們的延遲非常低。ADA4571生成兩個單端模擬輸出(正弦和余弦),用于表示周圍磁場的角位置,ADA4570則生成兩個差分模擬輸出對。ADA4571的雙版本(ADA4571-2)也可用于安全關鍵應用中需要完全冗余的地方。

            AD7380是一款4 MSPS雙通道同步采樣16位SAR ADC,提供精度、吞吐量和最小尺寸,適用于編碼器應用。AD7380采用小封裝(3 mm × 3 mm),用于使編碼器小型化,提供4 MSPS吞吐量,以實現最低延遲和控制環路快速瞬態響應。AD7380過采樣引擎可以在較慢的工作條件下實現更高的精度。

            機器健康

            振動和沖擊傳感器正被集成到編碼器或電機中,以提供資產健康狀況信息。ADXL1002超低噪聲(±50 g范圍內為25 μg/√Hz)、高頻率±50 g MEMS加速度計提供高達11 kHz(3 dB點)的高數據帶寬振動檢測,諧振頻率為21 kHz。ADXL1002是替代壓電傳感器的低成本、低功率方案。與壓電傳感器相比,ADXL1002可以監測低至直流的低轉速設備,同時降低校準要求。ADXL354 是一款低噪聲、低功率3軸MEMS加速度計,采用小型封裝(3 mm × 5 mm),具有數字接口、SPI(3線和4線)和I2C,為編碼器提供緊湊型振動檢測集成解決方案。

            ADI OtoSense?智能電機傳感器是基于AI的全套硬件和軟件解決方案,將一流的檢測技術和領先的數據分析結合起來, 對電機實施狀態監控。無論是哪種類型的電機,ADI OtoSense SMS都提供最關鍵的診斷,將數據轉化為可執行的信息,幫助用戶預測維護周期和規避計劃外的停機。

            網絡接口

            智能制造基于智能運動應用網絡,在資產和更高級別的控制和管理網絡之間共享數據。ADI提供的可靠、低功耗和低延遲PHY包括ADIN1200(10 /100) PHY和ADIN1300 (10/100/1000) PHY。這兩種工業以太網PHY都是為要求工作環境溫度高達105°C的工業應用而開發的, 已根據EMC和可靠性標準進行廣泛測試, 以在嚴苛的工業應用中運行。低延遲PHY支持更低的周期時間網絡,支持將更多設備連接到網絡,并滿足復雜、高性能確定性運動應用的時序要求。為了實現確定性工業以太網連接,ADI的2層工業以太網嵌入了2端口開關。fido5100 和fido5200支持PROFINET、以太網/IP、EtherCAT、Modbus TCP和Ethernet POWERLINK工業以太網協議,以及任何處理器、協議和堆棧。

            運動控制器

            運動控制器提供處理引擎,生成PWM信號來驅動功率半導體, 并接收電流和位置反饋信號來控制電機的速度和扭矩。需要使用可靠、高環境溫度、高功率密度電源管理解決方案來為控制器供電,該控制器通常是FPGA 或處理器,提供可選的上電順序和電源遙測功能。ADI 公司的Power by Linear?電源管理IC和電源模塊為推動當今和未來的智能運動控制應用提供了基礎。運動控制器通常位于中央機架,需要與編碼器進行遠距離通信。此時可以使用ADI的隔離和非隔離RS- 485收發器, 以串行通信的方式將編碼器位置反饋信息傳輸給運動控制器。ADM3066E是一款±12 kV IEC ESD保護全雙工50 Mbps RS-485收發器,提供高帶寬、高環境溫度(125°C)、可靠的通信解決方案,采用3 mm × 3 mm小封裝,適用于編碼器應用。


          標簽: 運動控制智能制造

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