電機驅動數字化制造的N個樣本
中國及全球主要工業國家都正在推動工業和制造領域的轉型，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臺應用的普及率從15%提高到45%，并在產品研發、制造執行、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，制造業首當其沖，下面看看制造業的幾個常見場景“樣本”。車間裝備線——裝配系統變得越來越復雜，為高度靈活的模塊化裝配機器增加了智能。為了將這些機器提升到一個新的水平，每個部件都需要針對實時通信和監控進行優化。畢竟，在整個裝配過程中，只有一個組件發生故障就可能導致完全關閉。數字化加工——數字技術對原型設計和制造產生了巨大影響。就像3D打印一樣，CNC銑削和激光切割等應用被廣泛使用，加快了所有行業的開發周期。現在，可以直接通過設計軟件制造實際產品，依靠具有集成安全功能的精確可靠的運動控制，從而實現更安全、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只進行基本運動，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并相應地放置它們。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。
輸送系統——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。
在幾乎所有這些工業應用的場景，我們可以發現幾乎都有電機在里面發揮著重要作用。隨著工業制造的數字化發展，市場對步進電機的要求也趨于嚴苛，不僅要求低噪聲、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。特別是與系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，實現運動和力控制與監測，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，并大大減少停機時間。 基于創新技術實現無傳感器的運動 在步進電機應用場合如何實現運動和力控制？傳統的思路可能立即會想到：第一，增加力矩傳感器；第二，檢測電機電流。但是，增加力傳感器會帶來系統成本的增加。對一個開環系統的步進電機來說，大多采用恒流斬波控制，其電流是恒定的。檢測電機電流只能增加編碼器，這種方法也會增加控制系統的成本。
步進器和 BLDC 等電動機利用磁場旋轉，從轉子的角度來看，定子的電磁場拉動或推動轉子。這會導致轉子磁場與定子旋轉場方向之間的相移，該相移是負載角，或電機轉子和定子的兩個磁場方向之間的角度。在正常負載條件下，負載角較低，流入電機的部分能量也流回電源，從而產生反電動勢。該反電動勢表示電機上的機械負載，這意味著它可用于監控驅動系統的實際負載條件，而無需使用其他組件。
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、距離測量或驗證所有機械裝置是否仍在安全裕度內運行的理想選擇，無需參考或限位開關，并降低了需要精確參考的應用的成本和復雜性。通常，開環步進驅動器在過載情況下會因失速而丟失步數，例如當軸被阻塞時。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，以便對系統進行連續監控。CoolStep提供基于StallGuard值的動態電流控制，最初為醫療設備和實驗室自動化開發的無傳感器負載相關電流控制，始終以實際負載條件所需的最小量驅動電機。基于CoolStep和StallGuard技術，可以將電機能耗降低最高達90%，并有效減少熱量的產生。而且，通過消除電流安全裕度并允許臨時電流提升，CoolStep允許更小的電機，因為需要的扭矩儲備更少。
簡單易用和成本效益原則是ADI Trinamic設計師在設計步進電機驅控芯片時的指導方針。這些方案將強大的步進電機驅動器和運動控制器集成在一塊芯片上，將數字信息直接轉換為平滑、精確、可靠的物理運動，被廣泛地用于機器人、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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