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                      在電機旋轉的世界里,如何探索出一種更優雅的運動姿勢?

                      發布時間:2022-09-23 來源:ADI 責任編輯:wenwei

                      【導讀】從中國大唐王朝盛行的胡旋舞,到今天全球共賞、傾倒世界幾個世紀的芭蕾舞,旋轉都是舞蹈美學與藝術的重要組成部分。舞者衣袂飄飄,旋轉中姿態萬千百媚竟生,提高了整個舞蹈的審美性、觀賞性。舞者的旋轉讓這個物理世界的基本運動狀態帶來藝術的升華?,F代科學對旋轉運動的研究,則為動力學和運動學帶來了百年工業革命,以電動機為基礎的動力設備成為現代工業的基礎。


                      如今,電機已經成為現代工業、醫療、智能化家居、IoT、交通、辦公……無所不及,深入到生活的方方面面。舞蹈旋轉的藝術性把控是舞者藝術與美學表現的精進,對電機旋轉的把控,則正在將科技的智慧給生活帶來更多的便利與舒適。特別是數字化進程中的今天,數字信息可以轉化為精確的物理運動,以前不可行的場景逐漸變成現實,先進的機器人技術、物聯網、增材制造、假肢和IIoT等等。正如舞者優美的旋轉舞動需要長年累月的訓練功底一樣,有效地將數字信息轉化為完美的物理旋轉運動面臨諸多挑戰:它需要優化的軟件和硬件組件以優化性能;需要盡量低的功耗,以實現更持久的電池壽命周期以及更低的發熱;盡可能少的軟件工作量,以縮短產品投放到市場的時間;盡可能高的集成度,以提升產品的穩定性……事實上,這也正是高性能半導體解決方案提供商ADI公司的Trinamic電機運動與控制解決方案這些年達成的關鍵目標,該公司多項關鍵技術的創新推動了電機應用的突破。


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                      電機在假肢上的應用,以科技之美輔助再現生命運動之美。(蘇黎世舉辦的全球半機械人奧運會Cybathlon上,基于ADI Trinamic電機控制技術的全球第一款具有兩個活動關節的義肢)


                      如何“優雅”地傳送一杯啤酒?這背后的技術“訣竅”很重要


                      舞者旋轉動作變換行云流水而優雅萬狀,電機的旋轉運動如何自如可控呢?下圖是ADI Trinamic演示的相較普通的電機運動移動啤酒杯導致啤酒溢出(圖b.),利用ADI Trinamic “S”形斜坡加速曲線在兩點之間快速移動一個裝滿啤酒的玻璃杯(圖a.),而不會溢出一滴啤酒??此坪唵蔚倪\動狀態對比,其實背后的技術對很多應用領域非常關鍵,同樣的原理也適用于醫學研究或其他液體處理應用中使用的機器人等等,從組織分析到血液離心和液體處理的各種應用,快速、平穩的運動控制提供了簡單的解決方案。


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                      通過電機運動快速移動一個裝滿啤酒的玻璃杯的效果對比。


                      對這類應用而言,想要電機平穩運行,設計一套好的運動控制軌跡曲線,相當于完美的運動控制完成了一半。電機的運動軌跡曲線包括梯形曲線和S型曲線,相較于梯形曲線,S型曲線更加平穩,克服了前者加速度突變的不利因素,能夠更有效地減小沖擊。ADI Trinamic將傳統軟件算法通過硬件來實現,從而節省CPU的負擔,讓原本結構復雜的S型曲線變得易于實現,減輕了生產研發的工作量。


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                      電機的運動軌跡曲線包括梯形曲線和S型曲線,相較于梯形曲線,S型曲線更加平穩


                      ADI Trinamic在對步進電機的驅動上擁有的StealthChopTM和CoolStepTM兩大技術專利,通過不斷調整機械臂的加速和減速率,避免了速度曲線中突出點來減少系統的抖動,“S”形斜坡使其能夠達到更高的速度,并且仍然能精確地到達其下一個位置,對其有效載荷的干擾最小,讓步進電機運行更加平穩,更加節能高效,這些算法還可以幫助工業物料運輸車快速、高效地移動重型載荷。在沒有反饋裝置的情況下,步進電機仍可以實現速度控制和定位控制,具有剛性好、可靠性高、性價比高等優點,在生產線傳輸、雕刻、紡織、安防、醫療等領域應用廣泛。


                      此外,在高速場合,BLDC(無刷直流電機)和PMSM(永磁同步電動機)等伺服電機更具優勢。FOC(磁場定向控制)是目前伺服控制當中效率最高的控制方式,ADI Trinamic基于硬件的空間磁場矢量控制能夠精確地控制磁場大小與方向,使得電機轉矩平穩、噪聲小、響應迅速,提高了電機效率和精度。


                      “動如脫兔,靜如處子”,電機應用如何“動靜皆宜”?


                      一如舞蹈的美學,快速旋轉的動態之美與輕緩動作變換下的柔美,或者戛然而止的靜美,帶來不一樣的藝術觀感。在電機應用中,一樣有很多領域需要“動靜皆宜”——特別是在辦公、居家、醫療等場景下,人們傳統印象中電機吵雜的特點讓人欲避而遠之,電機運行狀態下的靜音特性非常重要。


                      以當前日益普及的3D打印為例,這類輕巧便利的設備主要應用于辦公室等非傳統工業制造廠房的環境,動輒數小時的運行時間內,任何噪聲都會引起非常負面的體驗。對噪聲的焦慮已經成為這個行業共同的話題:“3D打印機聲音很大,做任何有效率的事情時,很難與它們在同一個房間里?!?;“當以低速打印時,整個東西都會振動并發出噪音?!?;“我沒想到他們會這么吵,這正常嗎?”……這些只是業界知名的3D打印開源社區RepRap論壇上的一小部分投訴,大家希望尋找3D打印靜音電機控制的最佳解決方案。事實上,在清靜的病房病人也不能容忍輸液泵電機發出明顯的噪聲,同樣居家中你也很難忍受掃地機在室內清掃時討厭的嗡嗡聲,同樣人們對設備安靜工作訴求的場景還出現在視頻會議、智能家居以及實驗室自動化和桌面型CNC設備。


                      所有這些應用都無例外的大量使用了步進電機。然而,步進器的缺點是噪音很大,由于震動而導致噪音,尤其在低速或靜止時更是如此。步進電機有兩個主要的振動源:步進分辨率,以及斬波器和脈沖寬度調制(PWM)模式導致的副作用。


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                      第一臺使用Android的3D打印機,基于具有StealthChop靜音運動控制技術的解決方案,意味著3D打印機可以融入任何家庭或辦公室。


                      全步或半步等低分辨率步進模式是步進電機的主要噪聲源。它們引入了巨大的振動,特別是在低速和接近某些共振頻率時。為了減少這些振動,可以應用一種稱為微步細分機制,將一個完整的步驟分成更小的微步數,最大分辨率由驅動器的A/D和D/A功能定義。ADI Trinamic的步進電機控制器和驅動器允許使用每整步高達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義電流波形,使電機轉子以更小的角度或更短的距離步進,在驅動一些劣質步進電機時,ADI Trinamic為用戶開放內部細分表自動調整的功能。


                      另一個噪聲和振動源源自步進電機通常使用的傳統斬波器和PWM模式。由于粗步進分辨率的主要影響,這些模式的寄生效應常常被忽略。但隨著使用微步進提高步進分辨率,這些寄生效應變得更明顯甚至可以被聽見。先進的電流控制PWM斬波模式比如SpreadCycle?,在慢速和快速衰減器之間自動配置一個磁滯衰減功能,平均電流反應了配置的正常電流,在正弦的過零點不會出現過渡期,這就減少電流和力矩的波動,使電流波形更加接近正弦波,相比傳統恒定斬波模式,SpreadCycle PWM斬波模式控制下的電機運行得要平穩、平滑很多,可以達到更高的轉速,從而實現高動態電機控制。


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                      基于ADI Trinamic電機控制驅動方案使系統的機電致動器完全靜音實現高保真Dereneville DTT-01-S 有源線性跟蹤唱機設計


                      即使使用像SpreadCycle這樣的電流控制斬波器模式,由于電機線圈差異、檢測電阻上幾毫伏的調節噪聲和PWM抖動,仍然會產生一點點可聽噪聲和振動?;陔妷簲夭夹g的StealthChop通過根據PWM占空比調制電流來克服這一問題,從而產生完美的電流正弦波。除了電機軸承鋼球磨擦的聲音是無法避免的之外,StealthChop可以驅動電機工作在極度的靜音下,實現控制電機聲音在10dB以下,噪音大大低于傳統電流控制方式。


                      能耗大戶如何撐起“雙碳”世界的未來?


                      根據國際能源署的數據,電機占全球總電力消耗的45%,因此基于電機驅動的電子產品的可靠性和能效,不僅對各種應用的舒適性、便利性產生直接影響,還對世界環境可持續性產生深遠的影響。在全球雙碳目標壓力下,能耗“大戶”電機的低能耗技術將成為撐起“雙碳”世界的關鍵力量。


                      電機能耗通常取決于驅動電流控制,這也是電機驅動控制低功耗優化的關鍵著力點。步進電機在沒有反饋的情況下,系統始終假定電機按設定電流運行。常規的電機驅動電流都是恒定的電流,也就是說電機的功耗都是恒定的,無論負載大或小,它的驅動電流保持一樣。事實上,在很多應用場景負載變化是非常頻繁的,低負載大功耗使得能源無意義浪費。電機的閉環運行可以有效提高應用的效率和整體性能,通過在電機待機時降低電流并在負載條件下增加電流。然而,如果要對負載進行監測實現驅動電流的閉環控制,所增加的成本通常是很多應用所不能接受的。


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                      適用于家庭和建筑的舒適物聯網系統Ecovent采用ADI Trinamic的智能步進電機IC位于智能通風口的中心,它使用4節AA電池,保持系統無線連接,同時確保3到5年的電池壽命。


                      ADI Trinamic無傳感器負載測量技術StallGuard?提供一種具有成本效益的負載實時反饋技術,通過測量電機的反電動勢,它可以知道電機何時可能會停轉并向系統發送信號?;?StallGuard負載值,無傳感器電流自適應控制CoolStep技術則通過反電動勢的變化檢測電機負載,并使電流適應實際負載條件,從而實現節能降耗的目標。CoolStep始終以最佳電流驅動電機,通過在電機輕負載時將電流降至最低,并在負載增加時增加電流來節省大量能源。特別是對于一些電池供電,或者對一些車間里面長時間運行電機發熱的情況,以及一些對高溫敏感的生物樣本檢測應用,用CoolStep可以有效降低功耗和克服發熱問題,電機散熱可以減少達80%,使電機溫度保持正常,提高了整個系統的可靠性。


                      電機應用無處不在,關鍵技術賦能驅動更美好世界


                      為了讓人們在家中和辦公室能愉悅地使用3D打印機,西班牙3D打印設備制造品牌BCN3D采用ADI Trinamic TMC2130方案實現了真正靜音打?。壳叭蚯笆?D打印設備制造商都選用了ADI Trinamic電機控制方案);為了更快、更一致地識別、枚舉和表征瘧疾可疑血液樣本,以色列企業Sight Diagnostics 基于ADI Trinamic驅動方案開發了一種獨特的診斷技術設備;瑞士咖啡機制造商Thermoplan通過將獨創性設計與ADI Trinamic的最新技術相結合,讓每一杯咖啡都變成了有拉花做終極點綴的完美釀造……


                      得益于像ADI Trinamic這樣的專業精密運動控制解決方案,今天電機在微型化、數字化、節能化、智能化的技術發展趨勢下,已經普遍應用于社會的方方面面,生活中那些隨處可見的電子產品,幾乎都有電機在里面發揮著重要作用。而電機驅動的高精度、靜音化、智能化與節能化,讓這些產品能以更優雅的方式融入到我們身邊,這也是ADI一直崇尚的企業理念——“Engineering Good”,以創新的科技讓我們的生活變得更加美好。



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