【導讀】中國及全球主要工業國家都正在推動工業和製造領域的轉型，通過提升數字化水平和生產效率來抵消勞動力短缺和成本上漲。國內“十四五”規劃擬將工業互聯網平台應用的普及率從15%提高到45%，並在產品研發、製造執行、內部運營、維護服務和類似的流程中，將管理和運營的數字化比例從55%提高到68%。工業數字化，製造業首當其衝，下麵看看製造業的幾個常見場景“樣本”。
車間裝備線——裝(zhuang)配(pei)係(xi)統(tong)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)複(fu)雜(za)，為(wei)高(gao)度(du)靈(ling)活(huo)的(de)模(mo)塊(kuai)化(hua)裝(zhuang)配(pei)機(ji)器(qi)增(zeng)加(jia)了(le)智(zhi)能(neng)。為(wei)了(le)將(jiang)這(zhe)些(xie)機(ji)器(qi)提(ti)升(sheng)到(dao)一(yi)個(ge)新(xin)的(de)水(shui)平(ping)，每(mei)個(ge)部(bu)件(jian)都(dou)需(xu)要(yao)針(zhen)對(dui)實(shi)時(shi)通(tong)信(xin)和(he)監(jian)控(kong)進(jin)行(xing)優(you)化(hua)。畢(bi)竟(jing)，在(zai)整(zheng)個(ge)裝(zhuang)配(pei)過(guo)程(cheng)中(zhong)，隻(zhi)有(you)一(yi)個(ge)組(zu)件(jian)發(fa)生(sheng)故(gu)障(zhang)就(jiu)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)完(wan)全(quan)關(guan)閉(bi)。
數字化加工——數字技術對原型設計和製造產生了巨大影響。就像3D打印一樣，CNC銑(xi)削(xue)和(he)激(ji)光(guang)切(qie)割(ge)等(deng)應(ying)用(yong)被(bei)廣(guang)泛(fan)使(shi)用(yong)，加(jia)快(kuai)了(le)所(suo)有(you)行(xing)業(ye)的(de)開(kai)發(fa)周(zhou)期(qi)。現(xian)在(zai)，可(ke)以(yi)直(zhi)接(jie)通(tong)過(guo)設(she)計(ji)軟(ruan)件(jian)製(zhi)造(zao)實(shi)際(ji)產(chan)品(pin)，依(yi)靠(kao)具(ju)有(you)集(ji)成(cheng)安(an)全(quan)功(gong)能(neng)的(de)精(jing)確(que)可(ke)靠(kao)的(de)運(yun)動(dong)控(kong)製(zhi)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)更(geng)安(an)全(quan)、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隻進行基本運動，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並相應地放置它們。無論任務如何，所有拾取和放置機器都需要高效、可靠和靈活的驅動器。
測試和測量設備——在現代工業製造技術和科學研究中，測量儀器具有精密化、集成化、智慧化的發展趨勢。對於測試和測量設備，準確性和可重複性是獲得可靠結果的關鍵。例如，對生產中的所有三維複雜零件尺寸、形狀和相互位置進行高準確度測量，三坐標測量就很關鍵。輸送係統——物料的傳送在工廠運營中具有非常重要的地位，它是工業化生產的一個重要環節，好的物料流轉方式，不僅省時、省力、降低成本，可保持生產線的運轉，而且會大大提高我們的生產效率。在(zai)幾(ji)乎(hu)所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)工(gong)業(ye)應(ying)用(yong)的(de)場(chang)景(jing)，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)發(fa)現(xian)幾(ji)乎(hu)都(dou)有(you)電(dian)機(ji)在(zai)裏(li)麵(mian)發(fa)揮(hui)著(zhe)重(zhong)要(yao)作(zuo)用(yong)。隨(sui)著(zhe)工(gong)業(ye)製(zhi)造(zao)的(de)數(shu)字(zi)化(hua)發(fa)展(zhan)，市(shi)場(chang)對(dui)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)要(yao)求(qiu)也(ye)趨(qu)於(yu)嚴(yan)苛(ke)，不(bu)僅(jin)要(yao)求(qiu)低(di)噪(zao)聲(sheng)、運行平穩、高能效、高速度高扭矩，還要求增加對設備和過程的實時監控異常行為進行優化。
特別是與係統功能密切關聯的步進電機，如果通過在芯片級集成高級診斷，實現運動和力控製與監測，可以提前實現部分工業4.0的自動診斷功能，提高準確性、可靠性和效率，無論是數字加工、車間裝配線，還是自動拾取與放置機器或者生產線測試測量設備，將實現更高的精度和效率，並大大減少停機時間。在步進電機應用場合如何實現運動和力控製？傳統的思路可能立即會想到：第一，增加力矩傳感器；第(di)二(er)，檢(jian)測(ce)電(dian)機(ji)電(dian)流(liu)。但(dan)是(shi)，增(zeng)加(jia)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)會(hui)帶(dai)來(lai)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)的(de)增(zeng)加(jia)。對(dui)一(yi)個(ge)開(kai)環(huan)係(xi)統(tong)的(de)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)來(lai)說(shuo)，大(da)多(duo)采(cai)用(yong)恒(heng)流(liu)斬(zhan)波(bo)控(kong)製(zhi)，其(qi)電(dian)流(liu)是(shi)恒(heng)定(ding)的(de)。檢(jian)測(ce)電(dian)機(ji)電(dian)流(liu)隻(zhi)能(neng)增(zeng)加(jia)編(bian)碼(ma)器(qi)，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)也(ye)會(hui)增(zeng)加(jia)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)成(cheng)本(ben)。
步進器和 BLDC 等deng電dian動dong機ji利li用yong磁ci場chang旋xuan轉zhuan，從cong轉zhuan子zi的de角jiao度du來lai看kan，定ding子zi的de電dian磁ci場chang拉la動dong或huo推tui動dong轉zhuan子zi。這zhe會hui導dao致zhi轉zhuan子zi磁ci場chang與yu定ding子zi旋xuan轉zhuan場chang方fang向xiang之zhi間jian的de相xiang移yi，該gai相xiang移yi是shi負fu載zai角jiao，或huo電dian機ji轉zhuan子zi和he定ding子zi的de兩liang個ge磁ci場chang方fang向xiang之zhi間jian的de角jiao度du。在zai正zheng常chang負fu載zai條tiao件jian下xia，負fu載zai角jiao較jiao低di，流liu入ru電dian機ji的de部bu分fen能neng量liang也ye流liu回hui電dian源yuan，從cong而er產chan生sheng反fan電dian動dong勢shi。該gai反fan電dian動dong勢shi表biao示shi電dian機ji上shang的de機ji械xie負fu載zai，這zhe意yi味wei著zhe它ta可ke用yong於yu監jian控kong驅qu動dong係xi統tong的de實shi際ji負fu載zai條tiao件jian，而er無wu需xu使shi用yong其qi他ta組zu件jian。
使用電機的反電動勢原理，ADI Trinamic電機驅動StallGuard™和CoolStep™為電機應用增加了電機負載檢測功能，實現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濟高效的反饋，靈敏度可根據應用需求進行調整，使其成為無傳感器歸位、自校準、距(ju)離(li)測(ce)量(liang)或(huo)驗(yan)證(zheng)所(suo)有(you)機(ji)械(xie)裝(zhuang)置(zhi)是(shi)否(fou)仍(reng)在(zai)安(an)全(quan)裕(yu)度(du)內(nei)運(yun)行(xing)的(de)理(li)想(xiang)選(xuan)擇(ze)，無(wu)需(xu)參(can)考(kao)或(huo)限(xian)位(wei)開(kai)關(guan)，並(bing)降(jiang)低(di)了(le)需(xu)要(yao)精(jing)確(que)參(can)考(kao)的(de)應(ying)用(yong)的(de)成(cheng)本(ben)和(he)複(fu)雜(za)性(xing)。通(tong)常(chang)，開(kai)環(huan)步(bu)進(jin)驅(qu)動(dong)器(qi)在(zai)過(guo)載(zai)情(qing)況(kuang)下(xia)會(hui)因(yin)失(shi)速(su)而(er)丟(diu)失(shi)步(bu)數(shu)，例(li)如(ru)當(dang)軸(zhou)被(bei)阻(zu)塞(sai)時(shi)。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，以便對係統進行連續監控。
CoolStep提供基於StallGuard值(zhi)的(de)動(dong)態(tai)電(dian)流(liu)控(kong)製(zhi)，最(zui)初(chu)為(wei)醫(yi)療(liao)設(she)備(bei)和(he)實(shi)驗(yan)室(shi)自(zi)動(dong)化(hua)開(kai)發(fa)的(de)無(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)負(fu)載(zai)相(xiang)關(guan)電(dian)流(liu)控(kong)製(zhi)，始(shi)終(zhong)以(yi)實(shi)際(ji)負(fu)載(zai)條(tiao)件(jian)所(suo)需(xu)的(de)最(zui)小(xiao)量(liang)驅(qu)動(dong)電(dian)機(ji)。基(ji)於(yu)CoolStep和StallGuard技術，可以將電機能耗降低最高達90%，並有效減少熱量的產生。而且，通過消除電流安全裕度並允許臨時電流提升，CoolStep允許更小的電機，因為需要的扭矩儲備更少。
基於 StallGuard 和 CoolStep 提供支持，整個電機控製係統可以通過實時監控異常行為進行優化，無論是機械磨損還是負載不在指定裕度內，ADI Trinamic的嵌入式解決方案都可以檢測並標記事件，將電機以及整個係統變成“傳感器”，通過向數據集添加有價值的信息來提高效率，以便實時控製生產線。TMC5160就是帶步進/方向接口和串行通信接口(SPI) 的(de)高(gao)功(gong)率(lv)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)驅(qu)動(dong)芯(xin)片(pian)，將(jiang)實(shi)現(xian)自(zi)動(dong)目(mu)標(biao)定(ding)位(wei)的(de)靈(ling)活(huo)斜(xie)坡(po)發(fa)生(sheng)器(qi)和(he)業(ye)界(jie)先(xian)進(jin)的(de)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)結(jie)合(he)在(zai)一(yi)起(qi)。通(tong)過(guo)外(wai)置(zhi)外(wai)部(bu)晶(jing)體(ti)管(guan)，實(shi)現(xian)高(gao)動(dong)態(tai)、高扭矩電機驅動（高達 20A 線圈電流），使係統小型化和性能可擴展變得可行，從而讓經濟、高效的解決方案得以實現。完整的解決方案在實現高性能基礎上，能將學習時間盡可能縮短，加快產品上市時間。
TMC4671 是另外一款適合工業電機驅動的完全集成的伺服控製器，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製（FOC）。所有控製功能都在硬件中實現。集成ADC、位置傳感器接口、位置插補器，使功能齊全的伺服控製器適用於各種伺服應用。此外，客戶也可以采用用於兩相雙極步進電機的三軸電機控製器/驅動板TMCM-3351，或者用於無傳感器負載相關電流控製六軸步進電機控製器/驅動器模塊TMCM-6110 。簡單易用和成本效益原則是ADI Trinamic設(she)計(ji)師(shi)在(zai)設(she)計(ji)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)驅(qu)控(kong)芯(xin)片(pian)時(shi)的(de)指(zhi)導(dao)方(fang)針(zhen)。這(zhe)些(xie)方(fang)案(an)將(jiang)強(qiang)大(da)的(de)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)和(he)運(yun)動(dong)控(kong)製(zhi)器(qi)集(ji)成(cheng)在(zai)一(yi)塊(kuai)芯(xin)片(pian)上(shang)，將(jiang)數(shu)字(zi)信(xin)息(xi)直(zhi)接(jie)轉(zhuan)換(huan)為(wei)平(ping)滑(hua)、精確、可靠的物理運動，被廣泛地用於機器人、工業驅動、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、醫療、辦公自動化、視頻監控、自動取款機等應用中。
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