【導讀】從中國大唐王朝盛行的胡旋舞，到今天全球共賞、傾倒世界幾個世紀的芭蕾舞，旋轉都是舞蹈美學與藝術的重要組成部分。舞者衣袂飄飄，旋轉中姿態(tài)萬千百媚竟生，提高了整個舞蹈的審美性、觀賞性。舞者的旋轉讓這個物理世界的基本運動狀態(tài)帶來藝術的升華。現(xiàn)代科學對旋轉運動的研究，則為動力學和運動學帶來了百年工業(yè)革命，以電動機為基礎的動力設備成為現(xiàn)代工業(yè)的基礎。
如今，電機已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)、醫(yī)療、智能化家居、IoT、交通、辦公……無所不及，深入到生活的方方面面。舞蹈旋轉的藝術性把控是舞者藝術與美學表現(xiàn)的精進，對電機旋轉的把控，則正在將科技的智慧給生活帶來更多的便利與舒適。特別是數(shù)字化進程中的今天，數(shù)字信息可以轉化為精確的物理運動，以前不可行的場景逐漸變成現(xiàn)實，先進的機器人技術、物聯(lián)網(wǎng)、增材制造、假肢和IIoT等等。正如舞者優(yōu)美的旋轉舞動需要長年累月的訓練功底一樣，有效地將數(shù)字信息轉化為完美的物理旋轉運動面臨諸多挑戰(zhàn)：它需要優(yōu)化的軟件和硬件組件以優(yōu)化性能；需要盡量低的功耗，以實現(xiàn)更持久的電池壽命周期以及更低的發(fā)熱；盡可能少的軟件工作量，以縮短產(chǎn)品投放到市場的時間；盡可能高的集成度，以提升產(chǎn)品的穩(wěn)定性……事實上，這也正是高性能半導體解決方案提供商ADI公司的Trinamic電機運動與控制解決方案這些年達成的關鍵目標，該公司多項關鍵技術的創(chuàng)新推動了電機應用的突破。
電機在假肢上的應用，以科技之美輔助再現(xiàn)生命運動之美。（蘇黎世舉辦的全球半機械人奧運會Cybathlon上，基于ADI Trinamic電機控制技術的全球第一款具有兩個活動關節(jié)的義肢）
如何“優(yōu)雅”地傳送一杯啤酒？這背后的技術“訣竅”很重要
舞者旋轉動作變換行云流水而優(yōu)雅萬狀，電機的旋轉運動如何自如可控呢？下圖是ADI Trinamic演示的相較普通的電機運動移動啤酒杯導致啤酒溢出（圖b.），利用ADI Trinamic “S”形斜坡加速曲線在兩點之間快速移動一個裝滿啤酒的玻璃杯（圖a.），而不會溢出一滴啤酒。看似簡單的運動狀態(tài)對比，其實背后的技術對很多應用領域非常關鍵，同樣的原理也適用于醫(yī)學研究或其他液體處理應用中使用的機器人等等，從組織分析到血液離心和液體處理的各種應用，快速、平穩(wěn)的運動控制提供了簡單的解決方案。
通過電機運動快速移動一個裝滿啤酒的玻璃杯的效果對比。
對這類應用而言，想要電機平穩(wěn)運行，設計一套好的運動控制軌跡曲線，相當于完美的運動控制完成了一半。電機的運動軌跡曲線包括梯形曲線和S型曲線，相較于梯形曲線，S型曲線更加平穩(wěn)，克服了前者加速度突變的不利因素，能夠更有效地減小沖擊。ADI Trinamic將傳統(tǒng)軟件算法通過硬件來實現(xiàn)，從而節(jié)省CPU的負擔，讓原本結構復雜的S型曲線變得易于實現(xiàn)，減輕了生產(chǎn)研發(fā)的工作量。
電機的運動軌跡曲線包括梯形曲線和S型曲線，相較于梯形曲線，S型曲線更加平穩(wěn)
ADI Trinamic在對步進電機的驅動上擁有的StealthChopTM和CoolStepTM兩大技術專利，通過不斷調整機械臂的加速和減速率，避免了速度曲線中突出點來減少系統(tǒng)的抖動，“S”形斜坡使其能夠達到更高的速度，并且仍然能精確地到達其下一個位置，對其有效載荷的干擾最小，讓步進電機運行更加平穩(wěn)，更加節(jié)能高效，這些算法還可以幫助工業(yè)物料運輸車快速、高效地移動重型載荷。在沒有反饋裝置的情況下，步進電機仍可以實現(xiàn)速度控制和定位控制，具有剛性好、可靠性高、性價比高等優(yōu)點，在生產(chǎn)線傳輸、雕刻、紡織、安防、醫(yī)療等領域應用廣泛。
此外，在高速場合，BLDC（無刷直流電機）和PMSM（永磁同步電動機）等伺服電機更具優(yōu)勢。FOC（磁場定向控制）是目前伺服控制當中效率最高的控制方式，ADI Trinamic基于硬件的空間磁場矢量控制能夠精確地控制磁場大小與方向，使得電機轉矩平穩(wěn)、噪聲小、響應迅速，提高了電機效率和精度。
“動如脫兔，靜如處子”，電機應用如何“動靜皆宜”？
一如舞蹈的美學，快速旋轉的動態(tài)之美與輕緩動作變換下的柔美，或者戛然而止的靜美，帶來不一樣的藝術觀感。在電機應用中，一樣有很多領域需要“動靜皆宜”——特別是在辦公、居家、醫(yī)療等場景下，人們傳統(tǒng)印象中電機吵雜的特點讓人欲避而遠之，電機運行狀態(tài)下的靜音特性非常重要。
以當前日益普及的3D打印為例，這類輕巧便利的設備主要應用于辦公室等非傳統(tǒng)工業(yè)制造廠房的環(huán)境，動輒數(shù)小時的運行時間內，任何噪聲都會引起非常負面的體驗。對噪聲的焦慮已經(jīng)成為這個行業(yè)共同的話題：“3D打印機聲音很大，做任何有效率的事情時，很難與它們在同一個房間里。”；“當以低速打印時，整個東西都會振動并發(fā)出噪音。”；“我沒想到他們會這么吵，這正常嗎？”……這些只是業(yè)界知名的3D打印開源社區(qū)RepRap論壇上的一小部分投訴，大家希望尋找3D打印靜音電機控制的最佳解決方案。事實上，在清靜的病房病人也不能容忍輸液泵電機發(fā)出明顯的噪聲，同樣居家中你也很難忍受掃地機在室內清掃時討厭的嗡嗡聲，同樣人們對設備安靜工作訴求的場景還出現(xiàn)在視頻會議、智能家居以及實驗室自動化和桌面型CNC設備。
所有這些應用都無例外的大量使用了步進電機。然而，步進器的缺點是噪音很大，由于震動而導致噪音，尤其在低速或靜止時更是如此。步進電機有兩個主要的振動源：步進分辨率，以及斬波器和脈沖寬度調制(PWM)模式導致的副作用。
第一臺使用Android的3D打印機，基于具有StealthChop靜音運動控制技術的解決方案，意味著3D打印機可以融入任何家庭或辦公室。
全步或半步等低分辨率步進模式是步進電機的主要噪聲源。它們引入了巨大的振動，特別是在低速和接近某些共振頻率時。為了減少這些振動，可以應用一種稱為微步細分機制，將一個完整的步驟分成更小的微步數(shù)，最大分辨率由驅動器的A/D和D/A功能定義。ADI Trinamic的步進電機控制器和驅動器允許使用每整步高達256（8位）微步，使用芯片的集成可配置正弦波表甚至完全自定義電流波形，使電機轉子以更小的角度或更短的距離步進，在驅動一些劣質步進電機時，ADI Trinamic為用戶開放內部細分表自動調整的功能。
另一個噪聲和振動源源自步進電機通常使用的傳統(tǒng)斬波器和PWM模式。由于粗步進分辨率的主要影響，這些模式的寄生效應常常被忽略。但隨著使用微步進提高步進分辨率，這些寄生效應變得更明顯甚至可以被聽見。先進的電流控制PWM斬波模式比如SpreadCycle?，在慢速和快速衰減器之間自動配置一個磁滯衰減功能，平均電流反應了配置的正常電流，在正弦的過零點不會出現(xiàn)過渡期，這就減少電流和力矩的波動，使電流波形更加接近正弦波，相比傳統(tǒng)恒定斬波模式，SpreadCycle PWM斬波模式控制下的電機運行得要平穩(wěn)、平滑很多，可以達到更高的轉速，從而實現(xiàn)高動態(tài)電機控制。
基于ADI Trinamic電機控制驅動方案使系統(tǒng)的機電致動器完全靜音實現(xiàn)高保真Dereneville DTT-01-S 有源線性跟蹤唱機設計
即使使用像SpreadCycle這樣的電流控制斬波器模式，由于電機線圈差異、檢測電阻上幾毫伏的調節(jié)噪聲和PWM抖動，仍然會產(chǎn)生一點點可聽噪聲和振動。基于電壓斬波技術的StealthChop通過根據(jù)PWM占空比調制電流來克服這一問題，從而產(chǎn)生完美的電流正弦波。除了電機軸承鋼球磨擦的聲音是無法避免的之外，StealthChop可以驅動電機工作在極度的靜音下，實現(xiàn)控制電機聲音在10dB以下，噪音大大低于傳統(tǒng)電流控制方式。
能耗大戶如何撐起“雙碳”世界的未來？
根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，電機占全球總電力消耗的45%，因此基于電機驅動的電子產(chǎn)品的可靠性和能效，不僅對各種應用的舒適性、便利性產(chǎn)生直接影響，還對世界環(huán)境可持續(xù)性產(chǎn)生深遠的影響。在全球雙碳目標壓力下，能耗“大戶”電機的低能耗技術將成為撐起“雙碳”世界的關鍵力量。
電機能耗通常取決于驅動電流控制，這也是電機驅動控制低功耗優(yōu)化的關鍵著力點。步進電機在沒有反饋的情況下，系統(tǒng)始終假定電機按設定電流運行。常規(guī)的電機驅動電流都是恒定的電流，也就是說電機的功耗都是恒定的，無論負載大或小，它的驅動電流保持一樣。事實上，在很多應用場景負載變化是非常頻繁的，低負載大功耗使得能源無意義浪費。電機的閉環(huán)運行可以有效提高應用的效率和整體性能，通過在電機待機時降低電流并在負載條件下增加電流。然而，如果要對負載進行監(jiān)測實現(xiàn)驅動電流的閉環(huán)控制，所增加的成本通常是很多應用所不能接受的。
適用于家庭和建筑的舒適物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)Ecovent采用ADI Trinamic的智能步進電機IC位于智能通風口的中心，它使用4節(jié)AA電池，保持系統(tǒng)無線連接，同時確保3到5年的電池壽命。
ADI Trinamic無傳感器負載測量技術StallGuard?提供一種具有成本效益的負載實時反饋技術，通過測量電機的反電動勢，它可以知道電機何時可能會停轉并向系統(tǒng)發(fā)送信號。基于 StallGuard負載值，無傳感器電流自適應控制CoolStep技術則通過反電動勢的變化檢測電機負載，并使電流適應實際負載條件，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標。CoolStep始終以最佳電流驅動電機，通過在電機輕負載時將電流降至最低，并在負載增加時增加電流來節(jié)省大量能源。特別是對于一些電池供電，或者對一些車間里面長時間運行電機發(fā)熱的情況，以及一些對高溫敏感的生物樣本檢測應用，用CoolStep可以有效降低功耗和克服發(fā)熱問題，電機散熱可以減少達80%，使電機溫度保持正常，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。
電機應用無處不在，關鍵技術賦能驅動更美好世界
為了讓人們在家中和辦公室能愉悅地使用3D打印機，西班牙3D打印設備制造品牌BCN3D采用ADI Trinamic TMC2130方案實現(xiàn)了真正靜音打印（目前全球前十的3D打印設備制造商都選用了ADI Trinamic電機控制方案）；為了更快、更一致地識別、枚舉和表征瘧疾可疑血液樣本，以色列企業(yè)Sight Diagnostics 基于ADI Trinamic驅動方案開發(fā)了一種獨特的診斷技術設備；瑞士咖啡機制造商Thermoplan通過將獨創(chuàng)性設計與ADI Trinamic的最新技術相結合，讓每一杯咖啡都變成了有拉花做終極點綴的完美釀造……
得益于像ADI Trinamic這樣的專業(yè)精密運動控制解決方案，今天電機在微型化、數(shù)字化、節(jié)能化、智能化的技術發(fā)展趨勢下，已經(jīng)普遍應用于社會的方方面面，生活中那些隨處可見的電子產(chǎn)品，幾乎都有電機在里面發(fā)揮著重要作用。而電機驅動的高精度、靜音化、智能化與節(jié)能化，讓這些產(chǎn)品能以更優(yōu)雅的方式融入到我們身邊，這也是ADI一直崇尚的企業(yè)理念——“Engineering Good”，以創(chuàng)新的科技讓我們的生活變得更加美好。
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