超越传感器和相机-将物联网从云端迁移到物理世界

shuszhao · 发表于 2019-2-8 09:03:14

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在早期，物联网（IoT）在很大程度上充当了基于云的服务的“眼睛和耳朵”，从传感器，摄像机和居住在物理世界的其他输入设备收集数据，而不太强调操纵或控制它监控的事情。支持物联网的自动化和机器人应用已开始融合，但其成本通常限制了它们在高端工业和商业市场的使用。然而，最近，嵌入式运动控制设备已经开始开发智能，安全，低成本的机动产品，这些产品可以用同样能力的手臂和手来补充物联网的眼睛和耳朵。

什么是嵌入式运动控制？

术语“嵌入式运动控制”指的是高度集成的设备，其在单个设备内体现精确的电机控制，高性能计算以及在许多情况下的通信能力。这是嵌入式计算的下一个发展阶段，始于20世纪70年代后期，当时低成本单片微控制器的出现使得从微波炉和儿童玩具到收银机和医疗设备的各种智能都成为可能。现代汽车所带来的大部分效率提升都是通过嵌入式计算实现的。

近二十年后，互联网，无线数据和更高水平的硅集成的兴起为嵌入式连接带来了日常用品，如浴室秤，健身监视器和家庭娱乐设备。嵌入式连接还在一些电动消费产品中得到应用，例如Roomba清洁机器人。遗憾的是，单独的MCU，电机控制器和模拟电机驱动器组件的成本以及开发电机控制软件的复杂性意味着连接的运动控制主要用于制造自动化和其他工业应用。

提高集成度有助于降低运动控制平台的成本和组件数量，使其只需要通用MCU和少数模拟组件来实现完整的解决方案。

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带有外部MCU的集成电机控制解决方案。将动作控制要求进一步集成到软件中不仅可以实现更小的电子设备，还可以卸载MCU的实时关键任务。

最近，嵌入式运动控制器已经出现，它将这些功能与功能强大的MCU集成在一起。在大多数情况下，片上处理器具有足够的计算能力，可支持精确控制一个或多个电机所需的复杂算法。在许多情况下，这些设备还包括以太网，CAN总线或用于物联网通信的其他接口。对于低功率应用，单个封装甚至可以包含驱动中等尺寸步进电机，无刷PMM（BLDC / BLAC）或其他类型电机所需的最终输出级。MCU还可以编程为驱动其他类型的运动产生设备，例如线性致动器和音圈。

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嵌入式运动控制设备在单个封装中集成了高性能嵌入式处理，功能和电机驱动电子设备。许多嵌入式控制器还包括可用于实现分布式控制系统和支持IoT / IIoT操作的通信功能。

为了加速开发，这些控制器通常由固件库支持，这些固件库为设计人员提供了一组可通过标准API调用的丰富功能。这些库通常包括用于几种常见电机控制模式（转矩，速度和位置）的算法，用于转矩控制，即磁场定向控制（FOC）和运动模式（例如异形位置，异形速度和异形转矩）。

应用

医疗产品

医疗设备是嵌入式运动控制正在改变对产品能力和安全性的期望的首批市场之一。例如，输液泵必须向患者提供稳定流量的精确计量的治疗剂。具有物联网功能的嵌入式控制器可以在患者床边或集中管理应用程序中对这些泵进行编程和监控。同样，可穿戴式胰岛素泵和其他个人药物输送设备中使用的支持物联网的控制器可以支持自主操作，同时为基于云的分析应用程序实时提供患者的健康指标。

工业产品

工业自动化一直是嵌入式运动控制的早期受益者。低成本，紧凑型电机控制器可靠近或甚至内置于电机或执行器中。每个模块的嵌入式控制器在本地执行大多数基本运动控制功能，创建一个分布式控制架构，使智能接近数据转换为运动的点。这一点，以及控制器监控和记录其电机生命体征的能力，使嵌入式运动控制系统更具响应性，并以更低的价格提供更高的速度和准确性。

嵌入式运动控制器还可以实时监控和记录电机及其驱动的机器的运行状况，使其能够更快地对故障或报警条件做出反应，并在某些情况下预先解决问题，避免造成产品缺陷或代价高昂的停机时间。最简单的是，这包括跟踪每个子组件的移动次数，并将其与调整，部件更换和其他日常维护的时间表进行比较。这可以与从电机收集的信息相结合，以寻找机制中某处的过度摩擦的早期指示，这可能很快导致更严重和昂贵的问题。

在这些应用中，控制器的嵌入式通信功能使机器能够通过本地应用服务器或通过基于云的应用程序跨越IIoT轻松地监控和控制。

消费产品

高水平的硅集成以及由此带来的嵌入式运动控制组件的低成本正在帮助该技术在消费者市场中找到越来越多的新应用。

一些例子包括：

智能，高性能的电动自行车和电动滑板车更实惠，可以使用精确匹配输出驱动波与电机及其负载的控制器，从电池中挤出更多产品。

物联网连接智能家居，具有高效的遥控活动通风口，窗帘，监控摄像头和电器。

3D打印机配备智能电机驱动器，使用复杂的波形整形算法提供更高的速度和品脱精度，同时大大降低它们产生的噪音。

具有时间关键功能的个人机器人嵌入在硬件外围设备中，使处理器可用于AI和用户界面。

结论

嵌入式运动控制使数据运动变得更容易，更具成本效益。通过这样做，它有助于使现有产品更好，并使新类别的产品成为可能。