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超越傳感器和攝像頭之外——將物聯網從云端轉移到現實世界

發(fā)布時間：2021-09-04 來源：Corné Bekkers 責任編輯：wenwei

【導讀】在早期，物聯網 (IoT) 在很大程度上充當了云端服務的“眼睛和耳朵”，收集傳感器、攝像頭和其他物理世界輸入設備的數據，而不太注重操縱或控制它所監(jiān)視的事物。支持物聯網的自動化和機器人應用已經開始合并，但是一般而言，它們的成本使它們只能用于高端工業(yè)和商業(yè)市場。然而，最近，嵌入式運動控制設備已經開始使智能、安全、低成本的電動產品的開發(fā)成為可能，這些產品與物聯網的眼睛和耳朵有著同樣強大的關節(jié)和手指。

什么是嵌入式運動控制？

“嵌入式運動控制”這個術語指的是在一個設備中包含精確電機控制、高性能計算的高度集成設備，而且通常還包含通信功能。它是嵌入式計算發(fā)展的下一個階段，嵌入式計算始于二十世紀七十年代，當時，低成本單芯片微控制器的問世使得智能可以嵌入到一切事物中，包括微波爐、兒童玩具、收銀機和醫(yī)療器械?，F代汽車享有的大部分效率增益都是由嵌入式計算實現的。

大約二十年后，互聯網、無線數據和更高水平的硅集成的興起將嵌入式連接引入日常物品中，如體重秤、健康監(jiān)視器和家庭娛樂設備。嵌入式連接還應用到了部分機動消費產品中，例如Roomba 清潔機器人。不幸的是，彼此分離的微控制器 (MCU)、電機控制器和模擬電機驅動組件的成本高昂，且開發(fā)電機控制軟件十分復雜，這意味著聯網的運動控制技術只能主要用于制造自動化和其他工業(yè)應用。

由于集成程度的不斷加深，運動控制平臺組件的成本和數量降低至只需要通用微程序控制器和少量模擬組件即可實現完整解決方案的程度（圖 1）。

【圖 1：帶外部微程序控制器的集成電機控制解決方案。在軟件中進一步集成運動控制要求不僅可以實現更小的電子器件，還能將需要大量實時運算的工作從MCU解放出來。】

最近，嵌入式運動控制器已經問世，它將這些功能與強大的微程序控制器集成（圖 2）。在大部分情況下，片上處理器有足夠的計算能力支持精確控制一個或多個電機所需的復雜算法。在許多情況下，這些設備還包括以太網、控制器局域網路(CAN) 總線或其他用于物聯網通信的接口。對于功率較低的應用，甚至可以在單個封裝中包含驅動中等規(guī)模步進器、無刷 PMM (BLDC/BLAC) 或其他類型電機所需的最終輸出級。還可以對微程序控制器進行編程，以驅動其他類型的運動發(fā)生設備，如直線驅動器和音圈。

【圖 2：嵌入式運動控制設備在一個封裝內集成了高性能嵌入式處理、功能和電機驅動電路一單個器件內。許多嵌入式控制器還包含能用于實施分布式控制系統(tǒng)和支持物聯網/工業(yè)物聯網運行的通信功能?！?/div>

為了加速開發(fā)，這些控制器通常有開源庫支持，開源庫為設計人員提供了可以通過標準API 調用的豐富功能集。這些庫通常包含幾個常用電機控制模式（轉矩、速率和位置）的算法，還包括扭矩控制，即磁場定向控制 (FOC) 以及運動模式（位置、速率和扭矩）的算法。

應用

1 醫(yī)療產品

醫(yī)療器械是嵌入式運動控制技術正在改變產品功能和安全性預期的首要市場之一。例如，輸液泵必須為患者提供精確測量的穩(wěn)定藥液流。帶物聯網功能的嵌入式控制器支持在患者床邊或通過集中管理的應用程序對這些泵進行編程和監(jiān)控。同樣，可穿戴胰島素泵和其他個人給藥設備中使用的支持物聯網的控制器能夠在支持自主運行的同時將患者的健康指標實時提供給云端的分析應用程序。

【圖 3：嵌入式運用控制技術將為個人醫(yī)療設備帶來更高的準確性、便利性和安全性?！?/div>

2 工業(yè)產品

工業(yè)自動化在嵌入式運動控制技術的早期就已獲益。低成本、緊湊的電機控制器可以安裝在附近，甚至內置在電機或驅動器。每個模塊的嵌入式控制器在本地執(zhí)行大多數基本的運動控制功能，創(chuàng)建一個分布式控制體系結構，使智能接近于將數據轉換為運動的位置。這一特點和控制器監(jiān)控和記錄電機生命跡象的能力能夠讓嵌入式電機控制系統(tǒng)的響應能力更強，同時以更低的價格實現更高的速度和準確性。

嵌入式運動控制器還能實時監(jiān)視和記錄電機及其驅動的機械的運行狀況，提高它們應對故障或警報條件的速度，在部分情況下，還能預測問題，以免造成產品缺陷或成本高昂的宕機。簡單地說，這包括持續(xù)跟蹤每個組件移動的次數并將其與計劃對照，以確定是否進行調整、更換零件和其他例行維護。此技術可以與從電機中收集的信息相結合，查找機器某些部位過度摩擦的早期跡象，這些過度摩擦可能很快就會引起更加嚴重、代價更高的問題。

在這些應用中，控制器的嵌入式通信功能支持通過本地應用程序服務器跨局域網或通過云端應用程序跨工業(yè)物聯網輕松監(jiān)視和控制機器。

3 消費產品

高度的硅集成及其帶來的嵌入式運動控制組件的成本降低正在促使這一技術走入越來越多的消費品市場新應用中。

部分示例如下：

● 高性能的智能電動自行車和電動踏板車，它們更加經濟且能使用控制器將輸出驅動波與電機和所承受負載細致匹配從而更好地利用電池。

● 物聯網連接的智能家居，其特點是可以有效地遠程控制活動通風孔、百葉窗、監(jiān)控攝像機和電器。

● 配備了智能電機驅動器的3D 打印機，驅動器使用復雜的波形算法提供更快的速度和更高的打印準確性，同時動態(tài)降低產生的噪音。

● 個人機器人，其硬件外圍設備中嵌入了時序要求嚴格的功能，使得處理器可以供 AI 和用戶界面使用。