通過嵌入式運動控制加速創新

嵌入式運動控制器減少了算法開發、實施和測試的多個周期，以設置一些參數并將代碼導出到您自己的固件。

自動駕駛汽車、先進的 3D 打印機和下一代“智能”假肢有什么共同點？他們都是嵌入式運動控制技術出現的受益者（另見“推動嵌入式運動控制的三大趨勢”）。這些系統將特定應用的運動控制芯片與開放的硬件和軟件平臺配對，是第四次工業革命的一部分，這一趨勢正在加快機器人、工業自動化甚至使用機電技術的消費產品的創新速度.

這類新型設備通過將最基本的控制功能“封裝”為硬件邏輯或經過驗證的軟件構建塊，嵌入式開發人員可以使用與傳統應用程序相同的豐富工具集和代碼庫來處理這些功能，從而簡化了機電一體化產品的開發。除了顯著縮短開發周期外，嵌入式運動控制器還可以為現有產品添加新功能，同時也促進了許多新產品類別的出現。

智能世界的智能電機

嵌入式運動控制器幾乎可以將任何電機變成“智能電機”，從而使設計人員能夠輕松且經濟高效地創建具有更高性能、效率以及在某些情況下具有全新功能的產品. 其中一些包括以下內容：

• 高級漸變（也稱為“S 形漸變”）：本視頻中展示的奇特“啤酒移動器”說明了如何使用加速整形1在兩點之間快速移動整杯，而不會濺出一滴珍貴的水滴。相同的原理可以應用于醫學研究或任何其他液體處理應用中使用的移液機器人。類似地，不斷調整機械臂的加速和減速率使其能夠達到更高的速度，并且仍然準確地到達其下一個位置，而對其有效載荷的干擾最小。這些算法還可以幫助工業材料運輸商快速高效地移動重型有效載荷。
  
• 磁場定向電機控制（也稱為“矢量控制”）：一種通過實時計算輸送到其定子的驅動電流的相位和幅度來以峰值效率運行電機的技術。該算法廣為人知并廣泛用于大型電機，但它可以在電動自行車、電動工具和其他消費類應用中提供更長的電池壽命、更低的運行溫度以及其他優勢。
  
• 更智能的步進電機：步進電機價格便宜且易于使用，但在精度和精度方面存在局限性；此外，它們還受到操作噪音的影響。這些問題可以通過啟用微步進的智能控制算法來克服，從而使它們能夠像更昂貴的伺服電機一樣運行；此外，通過塑造它們的驅動脈沖來產生更平滑、更安靜的步驟。
  

直到最近，這些類型的功能都過于復雜，無法在許多商業和消費產品中實現。然而，這種情況正在改變，因為運動控制受益于同樣的“硅革命”，幫助計算機從 1960 年代的早期大型機發展到今天功能強大且價格合理的 PC。

從大型機到大眾市場

最初由高端工作站和定制電子設備機架驅動，早期的運動控制系統體積龐大且價格昂貴。這些早期系統憑借獨特的功能（例如可變加速度和負載感應）迅速證明了其高昂的價格是合理的，這些功能為制造和其他工業自動化應用帶來了新的精度、靈活性和生產力水平。

在接下來的十年中，日益強大的數字信號處理器 (DSP) 和更大的低成本現場可編程門陣列 (FPGA) 使運行復雜算法的控制器的成本大幅降低，這些算法對機構的運動學以及電機控制進行建模需要以精確的方式移動它的信號。盡管如此，該技術的采用仍然受到創建應用軟件所需的時間和專業知識的限制。存在用于運動控制的可重用 DSP 和 FPGA 代碼庫，但它們通常被設備制造商牢牢掌握。此外，大部分代碼沒有遵循現代可重用性準則，因此仍然需要許多人月——即使對于有經驗的開發人員——來（重新）實現每個應用程序。

嵌入式運動控制器已經克服了軟件障礙。這些單芯片器件集成了強大的處理器內核和專門設計用于加速運動控制算法的專用硬件邏輯。由于大多數嵌入式開發人員都不是運動學或電機物理方面的專家，因此這些設備帶有一個電機控制和運動控制功能庫，可以通過標準應用程序編程接口 (API) 訪問這些功能庫。這種方法允許設計人員為他們的 3D 打印機、真空清潔機器人或生物分析儀提供高級功能——例如加速整形、微步進和步進噪聲抑制——而無需成為運動物理專家。

圖 2：越來越多的運動控制功能被簡化為單芯片解決方案，例如 TRINAMIC 將運動控制器和電機驅動器集成到 cDriver 中。（來源：TRINAMIC）

大膽的開發周期

嵌入式運動控制器進一步簡化了開發周期，因為 (a) 它們的開發平臺通常設計為與許多常用于傳統嵌入式系統的軟件工具兼容，以及 (b) 因為有大量的開源參考代碼庫他們支持。因此，開發人員可以從現有的 Java、C/C+/C# 和 Linux 代碼庫構建其運動控制應用程序的基礎，并將大部分精力集中在 5% 到 10% 的代碼上他們的設計。

由于嵌入式運動控制器將其關鍵功能封裝在預先驗證的芯片和軟件中，這部分開發周期從算法開發、實施和測試的多個周期減少到設置幾個參數并將代碼導出到您自己的固件。因此，生物測定移液機器人或高速部分控制食品分配器的開發工作流程與非機電嵌入式應用的開發流程沒有太大區別。

從胡克船長到鋼鐵俠：真實世界的成功故事

先進假腿的最新發展提供了一個生動的現實例子，說明嵌入式運動控制器如何加速創新機電產品的開發。2冰島制造商 ?ssur 是主動假肢技術的市場領導者，開發了第一個批量生產的假肢腿，該假肢腿具有電動膝關節和踝關節。它在 2016 年 Cybathlon 3 上首次亮相，這是一項由蘇黎世聯邦理工學院組織的國際比賽，其中殘疾選手使用最先進的輔助技術——如機器人假肢、腦機接口和動力外骨骼——來完成日常生活任務。

該項目的目的是創造一種新型假肢，以栩栩如生的方式移動，并為用戶提供舒適、踏實和機車效率。肢體的兩個動力關節都依賴于由TRINAMIC Motion Control 4開發的嵌入式運動控制器來生成復雜的運動，并最有效地利用肢體的有限電池容量。

控制器豐富的硬件運動控制功能和開發平臺的經過驗證的應用軟件的補充消除了與控制器固件開發相關的許多風險，并縮短了驗證和測試通常所需的時間?？刂茀抵恍韪鶕姍C和設備應用的獨特要求進行調整。

圖 4：通過專業地對齊嵌入式運動控制，進一步小型化允許具有自定義外形的強大 PCB，例如 ?ssur 的 POWER KNEE 中使用的 PCB。（來源：TRINAMIC）

消除了通常與運動控制開發相關的許多步驟，使設計團隊能夠在短短五個月內創建、調試和驗證肢體定制電機控制器系統的功能。這有助于按時按時完成雄心勃勃的開發計劃，以成功參加 2016 年在蘇黎世舉行的 Cybathlon（觀看參考文獻 5 中的 YouTube 視頻，了解 Power Knee 的運行情況）。雖然 Power Knee 的快速上市時間將意味著 ?ssur 獲得更大的利潤，但這項新技術創造的真正財富是它將為用戶提供的自由和性能。