智能運動控制是智能制造的核心構建模塊，可實現高度靈活和高效的制造。智能運動控制結合了精確反饋、高級傳感、高性能控制和無縫連接，可提供確定性的運動解決方案。運動洞察與 PLC 和制造執行系統 （MES） 的無縫連接允許高級分析來優化制造流程并在生產停止之前識別潛在問題。使用智能運動控制的智能制造可以快速重新配置，以支持更敏捷和可擴展的制造，包括批量為 1 的生產。通過減少完成制造步驟的時間并優化制造流程以提高吞吐量，可以減少能源消耗，從而實現更可持續的智能制造。智能運動應用包括：

智能運動控制解決方案的演變

運動控制隨著時間的推移而發展，從簡單的并網電機到用于機床和工業機器人的復雜多軸伺服驅動解決方案。在智能制造中提供更高水平的生產力、靈活性和自主性所需的自動化日益復雜，加速了這種演變。

并網電機

最基本的運動解決方案基于并網或交流供電的三相定速電機，該電機使用開關設備提供開/關控制和保護電路。這些基本的運動解決方案以相對固定的速度運行，不受任何負載變化的影響。通過機械控制實現輸出的減少 - 節氣門、阻尼器、齒輪或閥門、泵和風扇是一些典型的資產示例。

變頻驅動電機

增加整流器、直流母線和三相逆變器級實際上會產生一個變頻和可變電壓源，現在應用于電機以實現變速控制。這種變頻驅動電機通過以負載和應用的最佳速度運行電機來顯著降低能耗。示例包括更高效的泵和風扇。

變速驅動

對于更高性能的運動控制應用，變速驅動器 （VSD） 可實現精確的扭矩、速度和位置控制。為此，電流和位置測量被添加到基本的開環逆變器驅動器中。這樣就可以更精確地控制電機速度、位置和扭矩。輸送機、卷繞、印刷和擠出機械是這些應用的典型例子。

伺服驅動系統

同步的多軸伺服驅動系統用于更復雜的運動應用。機床和數控機床需要多個軸同步，具有極其精確的位置反饋。在CNC加工中，5軸協調很常見，盡管有些應用利用多達12個軸，其中工具和工件在空間中相互移動。

工業機器人/協作機器人/移動機器人

工業機器人需要多軸伺服驅動器結合機械集成和先進的機器控制算法來實現復雜的3D空間定位。機器人通常有六個軸需要以協調的方式控制，如果機器人沿著軌道移動，有時有七個軸。協作機器人（cobots）以工業機器人解決方案為基礎，通過增加功率和力限制（PFL）來提供功能安全的多軸機器控制，操作員可以安全地與協作機器人一起工作。最后，在移動機器人中部署了自導航、功能安全的機器控制，具有定位傳感和防撞功能。

智能運動控制增長動力

智能運動控制正受到四個關鍵增長驅動因素的加速：降低能耗、敏捷生產、數字化轉型，以及在智能制造中減少停機時間和提高資產利用率的基礎上，向基于服務的新型業務模式邁進。讓我們詳細看看這四個關鍵增長動力中的每一個。

降低能耗

工業消耗的電力中幾乎有70%用于電動機系統。1智能運動解決方案正在并將繼續通過將更多應用從定速電機轉移到高效電機和變速驅動器來顯著降低能耗，部分原因是能源效率法規。這種能源消耗的減少將使制造業更加可持續。獲得優化制造流程的運動洞察將進一步降低智能制造中的能耗。

敏捷生產

隨著各行各業不斷適應消費者需求和不斷變化的買家行為，需要基于可重新配置生產線的敏捷生產，以提供更多定制和更快的周轉時間。消費者需求正在推動從低混合、大批量制造轉向多混合、小批量制造，這要求工廠車間具有更大的靈活性。復雜、重復且通常危險的任務現在可以由工業機器人執行，從而提高吞吐量和生產率。敏捷生產可提高中斷時的彈性，并能夠更快地響應不斷變化的客戶需求。

數字化轉型

到2023年，全球數字化轉型支出將達到6.8萬億美元。2變速驅動器和伺服驅動器使用來自電壓、電流、位置、溫度、功率、能耗的數據，并結合外部傳感器來監控振動和其他過程變量。借助融合的信息技術/操作技術 （IT/OT） 以太網網絡，運動應用聯網在一起，傳輸數據和見解。運動數據和見解現在更易于訪問，并且可以通過強大的云計算和 AI 進行分析，以優化制造流程并監控整個裝置中資產的當前運行狀況。

已部署資產的新業務模式

資產制造商希望銷售的不僅僅是資產，他們希望擴展其業務模式，以包括基于生產力和資產利用率的售后服務合同。例如，泵制造商希望使用新的預測性維護服務產品，根據泵送的液體（例如，水或燃料）量進行銷售，并根據泵送的每立方米 （m3） 進行收費，而不僅僅是銷售泵。預計未來五年，泵OEM收入的50%至60%將來自與服務相關的活動。3系統集成商希望根據他們安裝的制造能力的正常運行時間收費，而不僅僅是根據資產的初始安裝收費。新的智能運動解決方案集成了狀態監測功能，以實施對資產健康狀況的實時監控，以規劃維護計劃。這種監控可以消除計劃外的資產停機，以提供更高水平的生產力和資產利用率，這是新的基于服務的合同的基石。

智能運動控制要求

為了在智能制造中實現更高水平的生產力和可持續性，需要新的先進運動控制解決方案來提供概述的四個增長驅動力的優勢。

卓越的運動控制

卓越的運動控制可減少完成制造步驟所需的時間，從而提高吞吐量和制造生產率，同時降低能耗。示例包括精確的位置和扭矩控制，以實現更高的質量和更快的加工，例如通過減少加工復雜零件的步驟和時間。提供卓越運動控制的關鍵要求包括改進的控制環路性能、適用于嚴苛工業部署的強大解決方案，以及實現高可靠性、小尺寸解決方案的高集成度。這些又通過低延遲、低漂移、多相電流和位置檢測以及具有高瞬態魯棒性和高度集成元件的信號鏈來實現。

堅固性、安全性和可靠性

延長資產使用壽命的穩健、可靠的解決方案是實現更可持續的智能制造的關鍵。通過延長資產壽命，我們顯著減少了構建替代資產的原材料和能源消耗。用于功率調節和電源保護的電源管理解決方案是提供更強大、更可靠資產的關鍵組件。電源管理要求包括用于絕緣柵雙極晶體管 （IGBT） 的高邊電源、用于 FPGA 和處理器的高功率密度解決方案、用于電源管理遙測的數字負載點 （PoL）、EMC 魯棒性、高環境溫度操作以及保護用戶免受高壓影響的數據和電源隔離。可靠使用新型寬帶隙功率開關（由碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） 制成）對提供快速過流保護系統和穩健運行提出了新的挑戰和要求。

Real-Time Connectivity

在高性能、多軸、同步運動應用中，控制時序要求精確、確定性和時間關鍵性，需要最大限度地減少端到端延遲，尤其是在控制周期時間縮短和控制算法復雜性增加的情況下。這些高性能應用需要與亞毫秒網絡周期時間的實時連接，以控制復雜的運動應用。智能制造使用視覺系統和運動應用來監控制造質量并提高生產安全性。工業以太網網絡必須支持實時確定性運動控制流量和盡力而為的視覺流量在同一網絡上共存，最高可達 Gb 帶寬。連接到網絡的設備和控制器的互操作性需要在整個制造裝置中提供無縫數據流，并確保數據對更高級別的管理系統透明，同時通過減少調試時間使這些網絡更加靈活和可擴展。融合 （IT/OT） 以太網可確保無縫訪問更高級別的管理軟件系統的運動洞察進行分析，從而優化制造流程并加速數字化轉型。

先進的傳感

先進的傳感解決方案可創建運動洞察，可用于優化制造流程并檢測故障的早期跡象。傳感方式包括位置、電流、電壓、磁場、溫度、振動和沖擊。通過使用高級傳感來部署對資產運行狀況的實時監控，以根據增加的資產正常運行時間提供預測性維護服務合同，從而創建新的業務模型。先進的傳感要求包括惡劣工業環境（例如，灰塵多的環境）中的魯棒性、精確的位置傳感、非接觸式大電流傳感、高帶寬電流和振動傳感、減少校準以確保解決方案的準確性，以及編碼器類型應用的小解決方案尺寸。

加速實現更高價值運動控制解決方案的關鍵技術

用于智能制造的下一代智能運動控制解決方案需要多種技術的組合。這些技術相結合，可為惡劣的工業部署提供強大、精確的運動控制，并從高級傳感中獲得系統見解。

精密測量

復雜的運動控制需要精密轉換器技術來實現高質量的電流反饋，利用隔離和非隔離解決方案來提供高精度和快速瞬態響應的控制環路性能。電流反饋是提高驅動器性能的基本組成部分，決定了整體控制帶寬和響應時間。電流反饋的關鍵要求包括與PWM周期同步測量、隔離或高共模測量、低失調漂移以最小化轉矩紋波，以及以14位至18位分辨率進行低延遲同步采樣以測量相電流。編碼器和線性軌道應用中的精確位置測量也需要精密轉換器技術，以提供更大的吞吐量并提高生產率。

隔離和接口

復雜的運動控制需要精密轉換器技術來實現高質量的電流反饋，利用隔離和非隔離解決方案提供控制 實現復雜運動控制的下一代驅動器和電機需要數字隔離技術來提供隔離數據和隔離通信接口，如RS-485、USB和LVDS。還需要隔離式柵極驅動器來驅動高側和低側功率半導體，以提供穩健、符合安全標準和高可靠性的資產。柵極驅動器將邏輯電平PWM信號轉換為控制功率晶體管的高邊參考信號。高壓逆變器應用通常使用IGBT，未來趨勢是SiC和GaN，以提高開關頻率和/或降低開關損耗。低壓應用通常使用基于 MOSFET 的開關。柵極驅動器的關鍵要求包括高速、低傳播延遲、低延遲偏斜、魯棒性和共模瞬態抗擾度、開關保護功能（DESAT、米勒箝位、軟關斷、UVLO）和可控開關（可變壓擺率開關）。標準數字隔離器在許多驅動器中發揮作用，在高壓電力電子域和安全超低電壓（SELV）域之間傳輸信號，用于PWM和其他信號。示例包括集成電源模塊 （IPM） 的隔離信號。與分立變壓器解決方案相比，完全集成的隔離電源解決方案還可以與數字隔離器或其他隔離功能結合使用，從而顯著減小解決方案尺寸。

工業以太網

具有亞毫秒周期時間的工業以太網連接是運動控制應用（伺服和驅動器）中確定性實時通信所必需的。100 Mb 和 Gb 速度的強大物理層設備與第 2 層工業以太網協議（如 EtherCAT、PROFINET、EtherNET/IP 和 IEEE 時間敏感網絡 （TSN））相結合，可確保確定性的以太網連接。下一代設計正在融合網絡上轉向 Gb TSN，該網絡具有多種流量類型、用于控制的循環通信和用于盡力而為流量（例如，視覺和監控流量）的非循環通信。在多軸應用中，需要低延遲工業以太網解決方案來縮短周期時間。這些確定性的運動解決方案可實現更復雜的運動應用，從而提高制造生產率和靈活性。

磁感應

基于各向異性磁阻 （AMR） 位置傳感器解決方案的磁傳感可為編碼器應用提供可靠而準確的位置傳感。位置反饋用于直接位置控制或推斷轉速并在伺服驅動器中實現機器速度控制。與光學編碼器相比，磁感應提供了成本更低的解決方案，并且在易受灰塵和振動影響的工業應用中提供了更強大的解決方案。

電源管理

智能運動應用通常部署在惡劣的工業環境中，這些環境環境需要高環境溫度操作，同時不受傳導噪聲和高壓瞬變的影響。在一些分散式應用中，驅動器位于較小的外殼中更靠近電機的位置，而在其他應用中，驅動器與電機集成在一起。需要更高功率密度的電源管理解決方案，這些解決方案需要在高環境溫度下運行，以實現這些外形更小的智能運動應用。

機器運行狀況

機器運行狀況使用振動和沖擊傳感器對資產的運行狀況進行實時狀態監控，以消除計劃外停機時間，延長資產的使用壽命，同時降低維護成本。通過將機器健康集成到運動應用中，可以通過數字化戰略產生新的收入流，這些戰略基于保證正常運行時間創建新的基于服務的商業模式，以實現更高水平的制造生產力。基于振動、沖擊和溫度的資產運行狀況數據由邊緣 AI 轉換為資產運行狀況見解，然后通過有線或無線解決方案傳送到管理控制軟件，在那里它們提供關鍵資產的實時運行狀況。

結論

敏捷生產需要快速響應不斷變化的消費者需求并支持高效生產，批量小至 1。敏捷生產由可快速重新配置的智能互聯資產實現。這些互聯資產實時共享數據;這些數據用于通過識別生產中的瓶頸和監控資產的運行狀況來消除計劃外停機，從而提高運營績效。基于智能運動解決方案的智能制造消耗更少的能源，并支持更復雜的運動，從而推動更高水平的靈活性、生產力和可持續性。