作者：Daniel Hou
隨著越來越多的技術廣泛應用于工業自動化，我們已經進入了工業4.0時代。新技術不斷涌現，賦能人工智能和機器學習、數據分析、工業網絡、網絡安全和功能安全。然而，大多數工業自動化作為其他所有技術的核心，仍然依靠機器人和運動控制。
運動控制與電機控制經常同時出現，有點讓人混淆。這兩個概念有什么區別？在工業自動化中，我們如何將恰當的解決方案應用于其中一個概念，或同時應用于這兩個概念？歡迎繼續閱讀，了解運動控制和電機控制的區別以及如何使它們協同工作。
什么是運動控制？
運動控制是工業自動化系統的子系統。它同步化控制多個電機來完成一系列運動。例如，多軸機械臂需要多個電機無縫地協同運行才能做出特定的動作。運動控制主要用于軌跡規劃、速度規劃、插補算法和運動學轉換。運動控制系統經常出現在印刷、包裝和裝配應用中。
如下所示，運動控制系統通常由以下主要組件組成：
• 運動控制器，可生成軌跡規劃，然后向電機驅動器提供控制命令。
• 電機驅動器，將運動控制器的控制命令（通常是速度或扭矩信號）轉換為更高功率電壓或電流信號來驅動電機
• 數個電機，可根據控制命令執行運動
• 位置傳感器，將電機轉子的位置/速度數據提供給位置/速度控制器，實現精確的位置/速度控制
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電機控制與運動控制
另一方面，電機控制是更側重于控制電機旋轉的系統或技術。典型的電機控制系統調整單個電機的扭矩、速度和位置的一個或多個參數，以達到目標值。電機的類型不同，驅動電機的要求和技術可能會有很大差異。電機控制器通常沒有規劃能力（高級驅動器只有簡單的位置和速度規劃能力）。因此，解釋電機控制和運動控制區別的簡單方法是：
• 電機控制是運動控制系統的一個環節（通常是電流環，在扭矩控制模式下工作）
• 但是，有時我們可能會混淆它們，因為電機控制的位置環/速度環/扭矩環既可以在電機控制器中使用，也可以在運動控制器中使用
現在我們知道了這兩個系統之間的差異，顯而易見，它們的設計要求及資源也大不相同。
電機控制更側重于使電機正常旋轉，或者更確切地說，是換向。為了做到這一點，電機控制器需要與各種傳感器對接，處理模擬和數字信號，并生成波形來驅動電機。所有這些都發生在非常短的時間環路內，范圍從50微秒到300微秒。
然而，運動控制通常充當系統監控器，需要在多個電機控制器之間、通過以太網（EtherCAT和TSN.）、CAN、RS485的數據等其他來源之間，以及人機界面（HMI）面板的命令之間進行通信。如上所述，運動控制器還可以參與一些電機控制任務，例如控制速度環、位置環，甚至扭矩環。因此，運動控制器的實時控制環路可以從100微秒到數百毫秒不等，具體取決于運動控制器參與的實際任務。
運動控制系統的設計
運動控制系統的設計可能相當復雜，涵蓋了電機控制、工業網絡、人機界面、編解碼器、信息安全和功能安全等許多方面。因此，它需要多個控制單元在系統中相互協調。
這里就需要全套器件方便運動控制設計人員選擇——也是恩智浦及其廣泛的微控制器（MCU）和微處理器（MPU）產品組合的用武之地。
在電機控制器方面，恩智浦的Kinetis V MCU、Kinetis E MCU、LPC MCU和數字信號控制器（DSC）提供了多種選擇，從使用ARM®Cortex®-M0+內核控制簡單電機，到使用Cortex-M33內核或高效DSC內核在雙電機上運行FOC算法。使用備受歡迎的無閃存i.MX RT跨界MCU，可以同時精確控制更多電機。這些MCU不僅具有廣泛的處理能力可供選擇，還集成了非常適合電機控制的外設，如高速的高精度ADC、高速比較器、靈活的電機控制定時器和PWM以及DSP加速度傳感器。故障檢測和自動關機等安全功能可以與這些器件提供的工業安全合規性無縫協作。
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而在運動控制器方面，恩智浦提供i.MX RT跨界MCU和MPU產品線，包括Layerscape和i.MX系列處理器。這些器件支持集成豐富的工業通信接口，例如以太網/IP、Profinet、EtherCAT和TSN等接口。多核架構為通信協議、運動軌跡規劃和實時環路控制提供了足夠的動力。它們還配備了先進的計時器，以支持多模式計數和靈活的脈沖串輸出。
如圖所示，運動控制系統可以使用大量的MCU和MPU來實現多個電機驅動器，促進各個機械臂協同運動
為了加快運動控制系統的上市，我們迫切需要一種快速簡便的概念驗證和原型制作方法。因此，恩智浦一直在開發參考設計平臺，以提供豐富的工業運動控制功能并符合工業自動化標準。我們最近推出了i.MX RT工業驅動開發平臺，該平臺基于i.MX RT跨界MCU，具有多電機控制、確定性通信和符合IEC 62443安全標準的基礎。四電機控制開發平臺現已上市，可支持全套恩智浦產品，包括i.MX RT跨界MCU和EdgeLock® SE050安全元件。這些器件協同工作，展示了工業電機控制系統所需的功能，例如電源管理、驅動四個電機、工業通信接口、HMI觸摸面板界面和安全集成。
綜上所述，本文介紹了運動控制的定義、電機控制和運動控制的區別，以及運動控制系統設計要求的行業趨勢。繼續關注恩智浦，了解更多電機控制解決方案。
作者：
Daniel Hou
恩智浦半導體工業邊緣處理大眾市場團隊技術營銷人員
Daniel Hou是恩智浦半導體工業邊緣處理大眾市場團隊的技術營銷人員，為工業細分市場的新興微控制器和微處理器用例提供支持。他之前曾在半導體行業擔任過應用工程和市場營銷方面的職務，擁有美國羅斯-霍曼理工學院（Rose-Hulman Institute of Technology）電氣工程碩士學位。 |
