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在电机旋转的世界里,如何探索出一种更优雅的运动姿势?

发布时间:2022-09-23 来源:ADI 责任编辑:wenwei

【导读】从中国大唐王朝盛行的胡旋舞,到今天全球共赏、倾倒世界几个世纪的芭蕾舞,旋转都是舞蹈美学与艺术的重要组成部分。舞者衣袂飘飘,旋转中姿态万千百媚竟生,提高了整个舞蹈的审美性、观赏性。舞者的旋转让这个物理世界的基本运动状态带来艺术的升华。现代科学对旋转运动的研究,则为动力学和运动学带来了百年工业革命,以电动机为基础的动力设备成为现代工业的基础。


如今,电机已经成为现代工业、医疗、智能化家居、IoT、交通、办公……无所不及,深入到生活的方方面面。舞蹈旋转的艺术性把控是舞者艺术与美学表现的精进,对电机旋转的把控,则正在将科技的智慧给生活带来更多的便利与舒适。特别是数字化进程中的今天,数字信息可以转化为精确的物理运动,以前不可行的场景逐渐变成现实,先进的机器人技术、物联网、增材制造、假肢和IIoT等等。正如舞者优美的旋转舞动需要长年累月的训练功底一样,有效地将数字信息转化为完美的物理旋转运动面临诸多挑战:它需要优化的软件和硬件组件以优化性能;需要尽量低的功耗,以实现更持久的电池寿命周期以及更低的发热;尽可能少的软件工作量,以缩短产品投放到市场的时间;尽可能高的集成度,以提升产品的稳定性……事实上,这也正是高性能半导体解决方案提供商ADI公司的Trinamic电机运动与控制解决方案这些年达成的关键目标,该公司多项关键技术的创新推动了电机应用的突破。


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电机在假肢上的应用,以科技之美辅助再现生命运动之美。(苏黎世举办的全球半机械人奥运会Cybathlon上,基于ADI Trinamic电机控制技术的全球第一款具有两个活动关节的义肢)


如何“优雅”地传送一杯啤酒?这背后的技术“诀窍”很重要


舞者旋转动作变换行云流水而优雅万状,电机的旋转运动如何自如可控呢?下图是ADI Trinamic演示的相较普通的电机运动移动啤酒杯导致啤酒溢出(图b.),利用ADI Trinamic “S”形斜坡加速曲线在两点之间快速移动一个装满啤酒的玻璃杯(图a.),而不会溢出一滴啤酒。看似简单的运动状态对比,其实背后的技术对很多应用领域非常关键,同样的原理也适用于医学研究或其他液体处理应用中使用的机器人等等,从组织分析到血液离心和液体处理的各种应用,快速、平稳的运动控制提供了简单的解决方案。


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通过电机运动快速移动一个装满啤酒的玻璃杯的效果对比。


对这类应用而言,想要电机平稳运行,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。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。ADI 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。


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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


ADI Trinamic在对步进电机的驱动上拥有的StealthChopTM和CoolStepTM两大技术专利,通过不断调整机械臂的加速和减速率,避免了速度曲线中突出点来减少系统的抖动,“S”形斜坡使其能够达到更高的速度,并且仍然能精确地到达其下一个位置,对其有效载荷的干扰最小,让步进电机运行更加平稳,更加节能高效,这些算法还可以帮助工业物料运输车快速、高效地移动重型载荷。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、可靠性高、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。


此外,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,ADI 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。


“动如脱兔,静如处子”,电机应用如何“动静皆宜”?


一如舞蹈的美学,快速旋转的动态之美与轻缓动作变换下的柔美,或者戛然而止的静美,带来不一样的艺术观感。在电机应用中,一样有很多领域需要“动静皆宜”——特别是在办公、居家、医疗等场景下,人们传统印象中电机吵杂的特点让人欲避而远之,电机运行状态下的静音特性非常重要。


以当前日益普及的3D打印为例,这类轻巧便利的设备主要应用于办公室等非传统工业制造厂房的环境,动辄数小时的运行时间内,任何噪声都会引起非常负面的体验。对噪声的焦虑已经成为这个行业共同的话题:“3D打印机声音很大,做任何有效率的事情时,很难与它们在同一个房间里。”;“当以低速打印时,整个东西都会振动并发出噪音。”;“我没想到他们会这么吵,这正常吗?”……这些只是业界知名的3D打印开源社区RepRap论坛上的一小部分投诉,大家希望寻找3D打印静音电机控制的最佳解决方案。事实上,在清静的病房病人也不能容忍输液泵电机发出明显的噪声,同样居家中你也很难忍受扫地机在室内清扫时讨厌的嗡嗡声,同样人们对设备安静工作诉求的场景还出现在视频会议、智能家居以及实验室自动化和桌面型CNC设备。


所有这些应用都无例外的大量使用了步进电机。然而,步进器的缺点是噪音很大,由于震动而导致噪音,尤其在低速或静止时更是如此。步进电机有两个主要的振动源:步进分辨率,以及斩波器和脉冲宽度调制(PWM)模式导致的副作用。


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第一台使用Android的3D打印机,基于具有StealthChop静音运动控制技术的解决方案,意味着3D打印机可以融入任何家庭或办公室。


全步或半步等低分辨率步进模式是步进电机的主要噪声源。它们引入了巨大的振动,特别是在低速和接近某些共振频率时。为了减少这些振动,可以应用一种称为微步细分机制,将一个完整的步骤分成更小的微步数,最大分辨率由驱动器的A/D和D/A功能定义。ADI Trinamic的步进电机控制器和驱动器允许使用每整步高达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义电流波形,使电机转子以更小的角度或更短的距离步进,在驱动一些劣质步进电机时,ADI Trinamic为用户开放内部细分表自动调整的功能。


另一个噪声和振动源源自步进电机通常使用的传统斩波器和PWM模式。由于粗步进分辨率的主要影响,这些模式的寄生效应常常被忽略。但随着使用微步进提高步进分辨率,这些寄生效应变得更明显甚至可以被听见。先进的电流控制PWM斩波模式比如SpreadCycle™,在慢速和快速衰减器之间自动配置一个磁滞衰减功能,平均电流反应了配置的正常电流,在正弦的过零点不会出现过渡期,这就减少电流和力矩的波动,使电流波形更加接近正弦波,相比传统恒定斩波模式,SpreadCycle PWM斩波模式控制下的电机运行得要平稳、平滑很多,可以达到更高的转速,从而实现高动态电机控制。


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基于ADI Trinamic电机控制驱动方案使系统的机电致动器完全静音实现高保真Dereneville DTT-01-S 有源线性跟踪唱机设计


即使使用像SpreadCycle这样的电流控制斩波器模式,由于电机线圈差异、检测电阻上几毫伏的调节噪声和PWM抖动,仍然会产生一点点可听噪声和振动。基于电压斩波技术的StealthChop通过根据PWM占空比调制电流来克服这一问题,从而产生完美的电流正弦波。除了电机轴承钢球磨擦的声音是无法避免的之外,StealthChop可以驱动电机工作在极度的静音下,实现控制电机声音在10dB以下,噪音大大低于传统电流控制方式。


能耗大户如何撑起“双碳”世界的未来?


根据国际能源署的数据,电机占全球总电力消耗的45%,因此基于电机驱动的电子产品的可靠性和能效,不仅对各种应用的舒适性、便利性产生直接影响,还对世界环境可持续性产生深远的影响。在全球双碳目标压力下,能耗“大户”电机的低能耗技术将成为撑起“双碳”世界的关键力量。


电机能耗通常取决于驱动电流控制,这也是电机驱动控制低功耗优化的关键着力点。步进电机在没有反馈的情况下,系统始终假定电机按设定电流运行。常规的电机驱动电流都是恒定的电流,也就是说电机的功耗都是恒定的,无论负载大或小,它的驱动电流保持一样。事实上,在很多应用场景负载变化是非常频繁的,低负载大功耗使得能源无意义浪费。电机的闭环运行可以有效提高应用的效率和整体性能,通过在电机待机时降低电流并在负载条件下增加电流。然而,如果要对负载进行监测实现驱动电流的闭环控制,所增加的成本通常是很多应用所不能接受的。


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适用于家庭和建筑的舒适物联网系统Ecovent采用ADI Trinamic的智能步进电机IC位于智能通风口的中心,它使用4节AA电池,保持系统无线连接,同时确保3到5年的电池寿命。


ADI Trinamic无传感器负载测量技术StallGuard™提供一种具有成本效益的负载实时反馈技术,通过测量电机的反电动势,它可以知道电机何时可能会停转并向系统发送信号。基于 StallGuard负载值,无传感器电流自适应控制CoolStep技术则通过反电动势的变化检测电机负载,并使电流适应实际负载条件,从而实现节能降耗的目标。CoolStep始终以最佳电流驱动电机,通过在电机轻负载时将电流降至最低,并在负载增加时增加电流来节省大量能源。特别是对于一些电池供电,或者对一些车间里面长时间运行电机发热的情况,以及一些对高温敏感的生物样本检测应用,用CoolStep可以有效降低功耗和克服发热问题,电机散热可以减少达80%,使电机温度保持正常,提高了整个系统的可靠性。


电机应用无处不在,关键技术赋能驱动更美好世界


为了让人们在家中和办公室能愉悦地使用3D打印机,西班牙3D打印设备制造品牌BCN3D采用ADI Trinamic TMC2130方案实现了真正静音打印(目前全球前十的3D打印设备制造商都选用了ADI Trinamic电机控制方案);为了更快、更一致地识别、枚举和表征疟疾可疑血液样本,以色列企业Sight Diagnostics 基于ADI Trinamic驱动方案开发了一种独特的诊断技术设备;瑞士咖啡机制造商Thermoplan通过将独创性设计与ADI Trinamic的最新技术相结合,让每一杯咖啡都变成了有拉花做终极点缀的完美酿造……


得益于像ADI Trinamic这样的专业精密运动控制解决方案,今天电机在微型化、数字化、节能化、智能化的技术发展趋势下,已经普遍应用于社会的方方面面,生活中那些随处可见的电子产品,几乎都有电机在里面发挥着重要作用。而电机驱动的高精度、静音化、智能化与节能化,让这些产品能以更优雅的方式融入到我们身边,这也是ADI一直崇尚的企业理念——“Engineering Good”,以创新的科技让我们的生活变得更加美好。



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