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    機電執行器需要智能集成驅動器解決方案以增強邊緣智能

    2024-01-17 11:14:46 Stephan Kubisch, Director

    摘要

    為了增強邊緣智能,機電執行器需要智能和高度集成的驅動器解決方案。這些智能邊緣設備融合了執行器和傳感器功能,支持在機器層面更好地進行實時決策,并向更高的控制層級、云或AI生產力解決方案提供原位反饋信息。本文討論了模擬和數字技術交匯之處——智能邊緣的智能驅動器解決方案和技術。

     

     

    引言

    在尋求增強邊緣智能的過程中,機電執行器等物理邊緣設備需要更多智能,才能獲得更好的機器實時決策等優勢。這些執行器提供智能、有價值和豐富的傳感器式反饋。此類邊緣設備是工業4.0及更高階段的關鍵。它們控制機器人,操縱工廠流程并使之自動化,將數字信息轉化為物理運動,同時提供高水平的智能和自我意識1。當執行器操縱物體時,傳感器則用于測量和量化實際參數,并將物理值轉換回數字值。因此,執行器和傳感器在大多數時候仍被認為是不同的設備或部件。

     

    步進電機和電磁閥占據了這些機電執行器的很大一部分,在每個工廠車間、各種汽車應用、實驗室自動化等場合都可以看到。在實驗室和醫療應用、工業應用以及汽車應用的推動下,全球的步進電機和電磁閥市場已達數十億美元,且在不斷增長。這些應用對執行器和驅動器電子設備的自動化和小型化要求越來越高。傳統的驅動器解決方案不能適應這些新的要求,并且缺乏檢測能力。

     

    全新的硅cDriver?解決方案由智能控制器和驅動器組成,它將傳感器和執行器功能融合到單個集成元件中,以便用在嵌入式運動控制解決方案內部,從而實現邊緣智能執行器2,3。對于只能在機電執行器中直接獲得的系統參數和狀態變量,可以就地進行測量和評估(如溫度、電磁閥反應時間和電機負載值)。

     

    傳感器功能與執行器的這種融合改變了機電執行器的范式。它們從簡單的功率轉換系統發展成自我意識傳感器,可以有效地控制執行器,并向更高的控制層級、云或AI生產力解決方案提供原位反饋數據。機電單元成為了傳感器。

     

    機電執行器——概述

    步進電機和電磁閥廣泛應用于汽車、工業和醫療健康領域。兩者有很多相似之處:銅線圈通電引起機械運動。

     

    兩相步進電機通常由兩個電流源控制,這兩個電流源在步進電機的兩相中感應產生90°相移的正弦和余弦形狀的電流。流過步進電機線圈(定子)的電流決定磁場的方向。轉子像指南針一樣在定子線圈的磁場中定向。以電氣方式控制磁場的旋轉,轉子就能通過在磁場中的定向來旋轉。圖1顯示了標準混合步進電機的定子/轉子布置和一些不同類型步進電機的示例。

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    1.具有50個磁極對的混合步進電機(左)和不同類型的步進電機(右)。

     

     

    電磁閥可與步進電機相比擬。線圈通電引起機械運動。運動部件不是旋轉磁體,而是金屬柱塞,產生線性運動。從控制角度看,電磁閥有兩種類型:開關閥和比例閥。開關電磁閥用于實現氣動或液壓閥的開/關功能。當線圈通電時,磁場產生,金屬柱塞沿磁場方向移動。為使柱塞移動,初始電流(沖擊電流)相當高,但只需要較小的電流即可將柱塞保持在適當位置(保持電流)。當線圈斷電時,磁場消失,柱塞可以在外力(彈簧、重力)的作用下自由回退。圖2顯示了驅動開關閥時的典型電流曲線。電流上升階段(通電時間)的小幅下降是由柱塞運動產生的反電動勢(BEMF)引起的。當激勵時間結束時,電流可以降低到保持水平,以根據需要將柱塞保持在適當位置。比例閥可以通過控制能量流和調節電磁閥電流將柱塞保持在任何位置。比例閥通常在閉環控制系統中用于控制特定的系統變量,例如壓力、空氣或流體流量。

     

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    2.開關閥的電流波形。

     

    為什么需要采用新方法來控制機電執行器?

    當今市場上的驅動器IC解決方案并不是為電磁閥驅動應用和高效經濟的實施方案而量身定制的。它們缺乏嵌入式時序控制器、特定于應用的功能、診斷功能和保護功能。每當需要高級控制特性(驅動器時序控制器、擾動、快速消磁、電流測量)或高級診斷功能(柱塞運動檢測4、開/關狀態檢測、電感測量、負載開路檢測)時,系統復雜性就會顯著增加,因為需要采用額外的外部變通方法和電路5,6,7,8。設計人員需要分別設計每個模塊(數字控制器、電流檢測、信號調理、功率級、保護)并將其相互連接。設計人員仍然必須面對一些問題,包括電路板空間的占用、漫長的設計時間、應用可靠性、長長的物料清單(BOM)和缺乏靈活性。

     

    下面介紹一些全球趨勢,這些趨勢導致人們對機電執行器的嵌入式控制和驅動器解決方案提出了額外要求和需求。

     

    微型執行器的演變

    持續的小型化使機電執行器成為醫療設備、化學工業、實驗室自動化、半導體制造、食品和飲料行業以及工業和汽車應用中具有成本和空間效益的部件。小型化閥門和歧管以及混合解決方案(步進電機+電磁閥)的示例如圖3所示。直徑尺寸小到只有幾毫米。雖然微型執行器的優勢有望推動增長,但這些市場提出了更多要求,例如:更長的有效壽命、耐用性和可靠性、小尺寸嵌入式控制器和驅動器解決方案(由于空間限制)以及簡化的操作和控制。

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    3.微型電磁閥、歧管和混合歧管示例(圖片來源:經Lee Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH/The Lee Company許可)。

     

    增強型診斷

    機電執行器在長期運行過程中容易退化,并可能出現其他故障情況,包括電氣方面(線圈問題、殘余線圈功率、過熱、絕緣故障)和機械方面(閥門部分關閉或開啟、手動超控、壓力差、灰塵聚集、閥門機械損壞、油脂干燥)。這些挑戰會影響執行器及其所在系統的性能、壽命和工作可用性。因此,數字化需求非常迫切:關于本地系統參數的詳細和高質量的診斷反饋,用于監測執行器及其控制電子設備的健康狀態,以便在本地機器層面更好地進行決策,對變化做出反應,并將預處理的診斷信息或原始數據從邊緣傳遞到更高的控制層級。除了簡單的驅動器錯誤標志之外,還需要反饋和診斷!

     

    能源效率

    如今,碳足跡扮演著重要角色。能源效率受到全球環境政策、成本和應用限制的推動。能源是全球極寶貴的資源之一,其成本持續增長。因此,我們需要有效控制并盡可能降低執行器的功耗。另一個積極的副作用是,當功耗得到有效控制時,電磁閥或步進電機在應用中可保持較低溫度。這將會簡化系統散熱工作,并可能使其可用于對溫度有嚴格要求的特定應用,例如敏感的實驗室應用。

     

    上市時間

    在系統復雜性增加的同時,開發時間需要縮短。高度集成、經過驗證且隨時可用的構建模塊和子系統有助于降低或隱藏整體復雜性,降低設計風險,從而將上市周期保持在合理水平9。系統設計越來越多地由通信接口和以軟件為中心的觀點主導。因此,有源系統器件和構建模塊的選擇將以其通信和控制接口的靈活性和能力為依據。

     

    總擁有成本

    與產品整個生命周期相關的總成本通常被理解為總擁有成本(TCO)。這不僅涵蓋開發成本或其他非經常性工程成本,還包括所有直接和間接類型的運營費用:能源成本(能效)、維護成本、工作可用性和供應鏈風險。能源成本可以直接衡量,而維護成本可以提前估算。在產品壽命很長的細分市場中,例如在工業和醫療應用中,需要考慮并將盡可能降低總擁有成本。

     

    cDriver中傳感器-執行器融合的影響

    參考所討論的不同全球趨勢,我們需要將類似傳感器的能力集成到機電執行器的cDriver中。多芯片和單芯片芯片級解決方案不斷出現,它們不僅包含模擬驅動器部分,還將由增強的數字功能、檢測能力和決策以及通信接口來主導和定義。這種傳感器-執行器融合滿足了許多需求,并為基于電磁閥和步進電機的應用帶來了廣泛的優勢。

     

    微型執行器的演變:緊湊型嵌入式硬件解決方案

    對于微型閥門、歧管和多軸步進電機應用,使用高度集成和嵌入式硬件解決方案來驅動和控制它們很有利。如果控制器和驅動器電子設備可以同樣小巧緊湊,那么整個執行器子系統將能為空間受限的應用帶來尺寸縮小的競爭優勢。

    單電磁閥、歧管或多軸步進系統的典型嵌入式硬件解決方案由一個用于通信的總線接口、一個用于應用控制的微控制器單元(MCU)以及一個或多個控制器/驅動器單元組成,如圖4所示。

     

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    4.典型電磁閥或步進電機控制器和驅動器解決方案/簡圖。

     

     

    通信接口和MCU取決于應用和整體系統架構,通常每個單元只需要一次。相反,歧管/多軸系統可能多次需要執行器控制器/驅動器級,這就提供了極大的優化潛力。電磁閥的典型驅動器方案也提供擴展特性,但BOM較大,并且需要很大的空間來放置所有器件5,6,7,8。

    將這些擴展的控制和檢測功能完全集成到單個器件中,所需的電路板空間便可充分減小。例如,采用集成電流檢測的解決方案消除了較大的外部檢測電阻和額外的分流放大器。低RDS(ON)集成驅動器級可實現出色效率并降低熱損耗,這對所需的散熱面積或在關鍵應用環境中也有積極影響。

    5顯示了典型的歧管示例??臻g的節省和BOM的減少有助于實現超緊湊的解決方案,并節約這些應用內部的元器件、PCB和外殼材料的成本。

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    5.歧管示例(圖片來源:經Lee Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH/The Lee Company許可)。

     

    像電磁閥一樣,步進電機解決方案同樣由驅動器部分主導。高度集成的步進cDriver可極大地節省空間,同時提供出色的控制。除了診斷和反饋功能外,它們還配備了集成運動控制器和電源10,11,以及完全集成的電流檢測功能12,13。

     

    瑞士Hombrechtikon Systems Engineering AG的首席電子工程師Reto Himmler證實:我們使用ADI公司Trinamic?步進電機驅動器已經超過十年,它們具有行業出色的特性。TMC524013正是我們期待已久的器件!更高的電機電流、小尺寸和集成的電流檢測功能有助于節省實驗室自動化設備中寶貴的電路板空間。低RDS(ON)帶來的低損耗為機械設計提供了更大的自由度。8點斜坡很不錯,盡管現有產品的6點斜坡就已經非常適合我們的應用。

     

    增強型診斷:為預測性維護和自我意識鋪平道路

    智能cDriver可在本地提供類似傳感器的數據。但是,使用這組豐富的信息能做些什么呢?

    智能cDriver解決方案提供的參數包括:驅動器溫度、線圈電阻和溫度信息、線圈電感估計值、電源電壓、實際線圈電流和BEMF信息。通過智能集成算法和函數可以推導出系統和應用條件以及其他系統參數,例如:電磁閥的反應和行程時間、局部電流驟降、負載開路檢測、過流和短路檢測、部件閉合和柱塞運動檢測、柱塞位移測量及實時電流監測。對于步進電機,還可以讀出基于StallGuard?的實際負載信息和CoolStep?電流降低水平14,15。對于許多應用,StallGuard負載值是非常有價值的信息,因為長期漂移可能表明應用中機械和齒輪的性能降級或機械端位止動裝置有缺陷。StallGuard值與電機軸上的負載情況直接相關,并且可以在應用中隨著時間變化,具體取決于電機加速度或外力。利用StallGuard值甚至可以提前檢測實際電機是否要失速,此信息隨后可用于應用中的無傳感器端位止動裝置檢測或校準。

    本地檢測能力和診斷以及這種原位反饋的獲取,在三個不同層面上為預測性維護和自我意識鋪平了道路,如圖6所示:

    本地,cDriver部件內部

    應用層面上,嵌入式子系統的本地MCU

    更高層面上,如工廠車間、工廠控制或云

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    6.傳感器和診斷數據的可用性和流程。

     

    得益于本地監測和自診斷功能,可以直接在控制器和驅動器電子設備內部做出更好的實時決策。這些功能包括:可配置的熱保護限值,可配置的短路檢測,故障情況下的驅動器保護,沖擊電流到保持電流的自動切換,以及即時故障報告,例如當電磁閥的柱塞卡住時。

     

    使用本地MCU在應用上下文中解譯類似傳感器的數據,可以實現更精細的功能。通過cDriver的串行接口可以實現實時監測。診斷信息和參數可作為連續反饋流從執行器和cDriver獲得。這有助于實現更具體的狀態監控、長期故障識別,甚至模式檢測。反應和行程時間測量、局部驟降搜索、柱塞位移和負載值:這些參數隨時間的漂移是執行器老化的征兆,表明在其使用壽命期間需要預防性維護。傳感器數據可以聚合。除了檢測簡單故障之外,還可以對應用統計數據進行預處理,并將其轉換為正確的格式,然后通過通信總線接口(如IO-Link?、CANopen,甚至工業以太網的衍生接口)傳送到更高控制層。

     

    在更高控制層上,數據來自分散的各個執行器、歧管或多軸系統。另一種可能性是,工廠車間的信息孤島集中起來并提供額外的選項,以便改善控制,監控系統健康狀況,簡化維護,或者將其與元數據一起放入上下文中。例如,知道歧管的反應和行程時間有助于同步多個閥門,或改善不同電磁閥和其他執行器的編排,以實現更好的交互和吞吐量。有缺陷的執行器得以識別和定位。

     

    能源效率:出色的控制質量

    測量電磁閥反應和行程時間以及檢測電流局部驟降的功能可對功耗產生積極影響。目標電流和擺率等控制參數得以調整,從而優化反應和行程時間。此外,從沖擊電流到保持電流的自動切換可以發生在最佳時間點,而不是等待某個靜態的預配置命中時間窗口。不必要的能量不會泵入電磁閥線圈,可以節省下來,而這又能進一步提高電磁閥單元的效率。在雙穩態脈沖電磁閥(閂鎖閥)的情況下尤其如此,因為保持狀態通過機械方式(彈簧)加以保證,使得保持電流為零,總功耗的來源只有激勵沖擊電流。

    在步進電機應用中,在StallGuard負載值的基礎上使用ADI Trinamic CoolStep解決方案也可以節省大量能源14,15。CoolStep由此提供一種無傳感器動態電流水平控制,其將電機軸上的實際負載考慮在內。當軸上的負載很低時,不需要用滿標稱目標電流來驅動電機。目標電流可以調整到所需的最小值。當負載增加時,目標電流以同樣的方式進行調整,以提供更大的電機轉矩。甚至峰值負載也可以捕獲,目標電流可以暫時提升到標稱電流以上而不會損壞電機。它將以最小電流驅動步進電機,使電機的能耗降低高達90%。

    這種能效的提高還使得散熱更少且熱應力更小,從而延長了電磁閥16或步進電機的壽命,并提高了其可靠性和功能可用性。將執行器保持在較低溫度為更廣泛的應用和用例提供了可能。例如,在實驗室、化學或醫療領域,需要適當控制溫度,避免其達到臨界限值。

     

    上市時間:簡化控制/易于使用

    cDriver部件采用以接口為中心的架構。接口的雙向特性支持采集cDriver內部提供的傳感器數據和參數,并根據應用對控制參數進行配置和調整。cDriver部件本身就是子系統,為電磁閥和步進電機控制提供隨時可用且支持廣泛配置的高端構建模塊。軟件開發(針對電磁閥或步進電機部分)被大幅壓縮——基本上完全不需要。開發者無需成為電磁閥或步進電機控制方面的專家,而是可以將重點放在其自己的專用功能和通信方面。這種以通信為中心、聚焦于接口的思維方式催生了軟件定義硬件,不僅對系統設計或軟件工程師有利,而且縮短了上市時間,有效地降低了設計風險。

     

    總擁有成本

    本文討論的智能和高度集成的cDriver部件有助于降低總擁有成本。三個不同層面上的成本有望得到節?。耗茉闯杀?、維護成本和因緩解風險而產生的計劃外費用。

    提高能效和降低功耗的功能直接影響到運營費用——節能就是節約成本。

    基于大量診斷數據和傳感器式反饋的預測性維護措施有助于降低計劃外維護成本,并普遍地簡化維護流程,因為故障點可以輕松定位。來自執行器子系統的連續反饋流有助于監控系統狀況并提高工作可用性,這反過來又能防止因生產停機時間而產生的額外成本。

    cDriver部件高度集成的另一個重要影響是BOM大幅減少,同樣不可低估,如上述示例所示。但是,這不單是BOM成本的降低。貿易戰或其他全球事件導致的全球供應鏈挑戰、晶圓廠產能以及半導體和電子元器件短缺,損害了及時制造和交付產品的能力,甚至造成了根本無法制造和交付的境地。這不僅僅是一個風險,更是一個事實。BOM元器件數量的減少有助于消除依賴性,并防止控制器和驅動器電子設備的計劃外重新設計以及隨后的重新認證工作。

     

    結語

    憑借傳感器和執行器的融合,新的cDriver部件實現了邊緣智能機電執行器。cDriver部件不僅僅能切換電磁閥或轉動電機,還提供廣泛的診斷功能,因此其本身就是一種傳感器。它利用預處理數據在本地做出決策,并提供安全和監控功能。這種智能檢測執行器解決了機械挑戰,隱藏了復雜性,封裝了復雜功能,為更高控制層提供了豐富的信息以供進一步處理,并且降低了成本和功耗,可為未來的信息-物理系統和工廠車間提供額外的價值。這是數字化的全新水平,也是邊緣機電執行器控制的一個范式變化。德國MEV Elektronik Service GmbH的運動控制產品線經理Guido Gandolfo表示:新的步進電機驅動器系列使我們的客戶能夠在更短的時間內開發出更小、更智能、效率更高的產品。這是維持ADI公司Trinamic驅動器先進地位的下一利器。”MEV是一家專業從事運動控制和設計導入支持的代理商。

     

    參考文獻

    1 Jeff DeAngelis。工廠邊緣智能:提高生產力并降低成本。”Electronic Products,20215月。

    2“嵌入式運動控制簡介。”Trinamic,201811月。

    3“超越傳感器和攝像頭:嵌入式運動與電機控制如何推動物聯網發展。”Trinamic,201812月。

    4 Roberto Casiraghi、Luigi FranchiniPietro Introini。電磁閥柱塞運動檢測。”ADI公司,2020年。

    5 Manu BalakrishnanNavaneeth Kumar N。柱塞運動檢測。”Texas Instruments,2015年。

    6“帶柱塞故障檢測的24V直流電磁閥的電流控制驅動器參考設計。”Texas Instruments,201411月。

    7“適用于電磁閥執行器的穩健閉環控制與監測系統。”ADI公司,2019年。

    8 Scott BeversdorfChuck Whiting。電磁閥中用于汽車控制系統的電流測量。《模擬對話》,第38卷第2期,20044月。

    9“運動控制如何定義系統設計——工程視角。”Trinamic,20178月。

    10 TMC5072智能集成雙軸步進驅動器及控制器。ADI公司。

    11 TMC5130智能集成步進驅動器及控制器。ADI公司。

    12 TMC2240智能集成步進驅動器。ADI公司。

    13 TMC5240智能集成步進驅動器。ADI公司。

    14 StallGuardCoolStep。ADI公司。

    15 如何在TMC5130-EVAL-KIT上配置StallGuard2CoolStep。ADI公司。

    16 Jun Peng、Xuanheng Tang、Bin Chen、Fu Jiang、Yingze Yang、Rui Zhang、Dianzhu Gao、Xiaoyong ZhangZhiwu Huang。使用電磁閥的物理指標和數據特性預測故障類型。Applied Sciences,第10卷第4號,2020年。

     

     

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    關于ADI公司

    Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司,致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁,以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案,推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展,應對氣候變化挑戰,并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2023財年收入超過120億美元,全球員工約2.6萬人。攜手全球12.5萬家客戶,ADI助力創新者不斷超越一切可能。

     

    作者簡介

    Stephan KubischADI Trinamic?、INA、CMR解決方案總監。Stephan在工業自動化事業部的互聯運動和機器人團隊負責電機和運動控制解決方案的研發管理工作。在Trinamic Motion Control(原屬于Maxim Integrated,現為ADI公司一部分),他擔任過多種職位,包括產品定義總監、研發主管和高級IC設計師。Stephan擁有信息技術博士學位。


    關鍵詞: 智能 機電 執行

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