快速開展智慧製造智慧動作控制設計

邁向智慧製造會運用先進技術提高產量、生產率、敏捷性、效率、安全性，同時降低成本。智慧動作控制在這一轉型中非常重要。更新舊工廠通常需要以先進動作控制裝置替換定速馬達和控制器。這些裝置依靠先進的感測達到精準的動作和功率控制。設計人員還必須即時連接生產機械和製造執行系統，才能達到最佳工作流程和生產敏捷性。

許多先進技術和系統級解決方案有助於轉移至智慧動作控制，但設計人員通常需要自行將系統拼湊在一起。如今有所改變，現在可以使用全面的解決方案開展動作控制設計。包括用於馬達速度和扭矩多軸控制的隔離電流感測和位置回饋組件，以及用於機器健康監控以減少意外停機時間的感測器。還包括高速網路介面，以促進機器和更高等級控制和管理網路之間的資料共享。

本文簡要討論改進馬達控制的重要性。接著介紹 Analog Devices 的智慧動作控制解決方案，包括電源、感測和網路元件，並討論其運用方式。

需要更有智慧的馬達控制之原因

馬達是工業動作控制的基礎，佔工業用電量的 70%。這一比例的工業用電約佔全球電力消耗的 50%。因此人們努力提高動作控制的效率，而智慧馬達控制便有許多優勢。

早期的動作控制依賴基本的併網馬達，如今發展成複雜的多軸伺服馬達機器人致動器。這種演進跟進符合智慧製造所需的更高效率、效能、可靠性和自足所需日益增加的複雜性 (圖 1)。

圖 1：動作控制從定速併網馬達演變到具有多軸伺服馬達機器人致動器的智慧動作控制系統。(圖片來源：Analog Devices Inc.)

各類型的馬達控制：

• 固定速度：最古老且最基本的動作控制，是基於以固定速度運轉的併網三相交流馬達。配電盤提供開／關控制和保護電路。任何所需的輸出減少皆透過機械方式達成。
• 變頻器驅動馬達：增加整流器、DC 匯流排和三相變頻器級，可建立可變頻率和可變電壓源，用於馬達，達到變速控制。此類變頻器驅動馬達會依據負載和應用，以最佳速度執行馬達，進而大幅降低能耗。
• 變速驅動器 (VSD)：用於需要額外精密控制馬達速度、位置和扭矩的應用。VSD 在基本電壓調節變頻器驅動器中添加電流和位置測量感測器以達到此控制。
• 伺服驅動系統：多個 VSD 可以同步到多軸伺服驅動系統中，完成更複雜的動作。適用於需要極精準位置回饋的電腦數值控制 (CNC) 機床等應用。CNC 加工通常會協調五個軸，並且可能使用多達十二個軸的協調動作。

機器人：工業、協作、移動

工業機器人將多軸動作控制與機械整合和先進控制軟體結合，通常可達到沿著六軸的三維定位。

協作機器人 (cobot) 旨在用於與人員一同安全作業。其建立在工業機器人平台上，增加安全感測以及功率和力限制功能，以提供功能安全的機器人工作夥伴。

同樣地，移動機器人使用功能安全的機械控制，但添加了定位感測、路線控制和防撞的機器人功能。

在動作控制系統開發的每個階段，複雜性都會增加，而且通常會很明顯。促成智慧動作系統有四個關鍵因素：

• 減少能源消耗
• 敏捷生產
• 數位轉型
• 減少停機時間以確保達到最高資產運用率

採用高效能馬達和低損耗 VSD，以及在動作控制應用中添加智慧，是透過智慧製造達到大幅能源效率提升的關鍵因素。

敏捷生產取決於能快速重新配置的生產線。這種靈活性能因應消費者對小批量、多樣化產品不斷變化的需求，以達成需要更具適應性的生產設置。工業機器人在執行複雜和重複性操作中發揮關鍵作用，可提高生產量和生產力。

數位轉型涉及將整個生產設施的動作控制和大量感測器資料連網並即時共享這些資料。這種連接能讓雲端架構的運算和人工智慧 (AI) 演算法能夠將製造工作流程最佳化並提高資產運用率。

資產運用是各種新業務模型的基礎，著重於工廠資產的生產力，而不僅僅是初始安裝成本。越來越多系統供應商依據這些資產的正常運作時間或生產力來計費。這種方法利用預測性維護服務，對每台機器資產進行即時監控以提高生產力，並最大程度減少非計劃性停機時間。

智慧動作控制的元件要求

設計人員必須意識到，智慧動作應用在典型馬達驅動訊號鏈中，需要針對的多個設計領域的系統級解決方案 (圖 2)。

圖 2：在智慧動作應用中，能讓六個關鍵領域達到更高效能水準的組件解決方案。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

設計人員必須優先考慮的關鍵領域包含電力電子、動作控制、電流感測、位置感測、網路介面、機器健康監測。Analog Devices 在每個領域提供各式元件，供設計人員在更新舊設計或開展新設計時納入考量。

電力電子

電力電子元件有助於將馬達驅動系統中的直流電源轉換為脈寬調變 (PWM) 電源輸入。

馬達驅動系統中的功率轉換從高壓直流電源開始，通常來自交流電源。如圖 2 所示，電力電子部分採用含 MOSFET 的三相半橋拓撲進行配置。上部 MOSFET 的閘極相對於地浮動，需要隔離驅動器。Analog Devices 的 ADUM4122CRIZ 是合適的選擇。這是一款隔離式閘極驅動器，可提供高達 5 kV 的均方根 (rms) 隔離。可透過結合高速互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 和單晶片變壓器技術，達到此高等級的隔離。此閘極驅動器具有可調節迴轉率控制，可最大程度減少切換功率損耗和電磁干擾 (EMI)。如果使用氮化鎵 (GaN) 或碳化矽 (SiC) 元件，這一點尤其重要，因為其切換速度更快。

下部 MOSFET 的源極元件以接地為參考，並且可以使用 Analog Devices 的 LTC7060IMSE#WTRPBF ，這是一款具有浮動接地的 100 V 半橋驅動器。

低側和高側驅動器的輸出級都是浮動且不接地。這種獨特的雙浮動架構可讓閘極驅動器穩健輸出，且對接地雜訊較不敏感。此外，這些元件還結合自適應擊穿保護和可編程失效時間，能防止兩個半橋切換裝置同時開啟。

動作控制器

動作控制器是動作控制系統的大腦。作為中央處理器，可產生驅動電力電子裝置的 PWM 訊號。這些訊號基於中央控制中心的命令和馬達的回饋，例如電流、位置、溫度。控制器根據這些資料決定馬達的速度、方向、扭矩。控制器通常位於遠端，透過 FPGA 或專用處理器實作，並且需要隔離的通訊鏈路。

為此，可以使用 Analog Devices 的 ADM3067ETRZ-EP 等序列資料鏈路。這是一款靜電放電 (ESD) 保護、全雙工、50 Mbps RS485 收發器。其配置可提供從位置回饋感測器回到動作控制器的高頻寬序列通訊。此序列線路具有高達 ±12 kV 的 ESD 保護，並且可在 -55 至 +125°C 的溫度範圍內運作。

電流偵測

馬達的電流回饋是控制的主要回授參數。由於電流回授決定動作控制系統的整體控制頻寬和動態響應，因此回授機制必須具有高精密度和高頻寬，以確保精確的動作控制。

兩種常用的電流測量技術：

• 分流器架構的測量需要嵌入一個低數值電阻或分流器，與被測導體串聯。通常會再藉助一個高解析度類比數位轉換器 (ADC) 測量分流器上的差動壓降。分流器電流測量受到分流電阻的壓降和功耗限制，並且僅限於中低電流應用。
• 磁電流感測使用非接觸式異向磁阻 (AMR) 進行量測，評估導體附近的磁場以測量電流。AMR 元件的電阻隨磁場和電流的變化而改變，可使用電阻電橋進行測量。

磁電流測量消除分流電阻中的壓降和隨後的功率損耗，因此更適合量測高電流。此量測也與受測導體以電氣隔離。

可以使用 Analog Devices 的 ADUM7701-8BRIZ-RL 進行隔離電流量測。這是一款高效能 16 位元二階 Σ-Δ ADC，可將類比輸入訊號從偵測電阻上的電流偵測壓降轉換為高速、單位元數位隔離資料流。

AD8410AWBRZ 高頻寬電流偵測放大器是一款交流電流量測元件。此差動放大器增益為 20、頻寬為 2.2 MHz 且具有低偏移漂移 (約 1 μV/°C)。其直流共模拒斥比 (CMRR) 為 123 dB，可以處理高達 100 V 共模輸入的雙向電流量測。

位置感測

AMR 磁性位置感測器架構的旋轉位置感測為光學編碼器提供更具成本效益的替代方案。這些感測器在常有灰塵和振動的工業環境中堅固耐用，是其另一項優點。馬達軸角度的回饋可用於伺服系統中的直接位置控制或用於確定轉速。

Analog Devices 的 ADA4571BRZ-RL 是一款 AMR 感測器，其封裝內整合訊號調節和 ADC 驅動器電路 (圖 3)。

圖 3：ADA4571BRZ-RL 角度感測器的功能方塊圖，以及作為旋轉角函數的正弦和餘弦輸出圖。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

ADA4571BRZ-RL 是一款磁阻式角度感測器，採用雙溫度補償 AMR 感測器偵測 180° (±90°) 範圍內的軸角度，準確度誤差小於 0.1° (在使用壽命／溫度範圍內誤差小於 0.5°)。此元件產生正弦和餘弦單端類比輸出，可指出周圍磁場的角位置。此元件可以在惡劣的磁性環境中運作，並且不會因寬氣隙而造成角度讀出誤差降額。

角度感測器的輸出可以連接到 Analog Devices 的 AD7380BCPZ-RL7，這是一款雙通道、16 位元輸入、連續漸近暫存器 (SAR) ADC。此 ADC 在兩個差動輸入通道上同步取樣，速度高達每秒 4 MSPS。內部超取樣功能可提高效能。超取樣是提高 ADC 精密度的常用技術。此功能透過擷取及平均類比輸入的多個樣本，可以使用正常平均或滾動平均超取樣模式降低雜訊。超取樣還有助於在較慢的操作條件下達到更高的準確度。

網路介面

智慧製造依賴智慧動作應用的網路，此網路在廠區的機器與中央控制和管理網路之間共享資料。這種共享需要強大的連接性。為此，設計人員可以使用 Analog Devices 的低功率和低延遲乙太網路實體層 (PHY)，包括 ADIN1300CCPZ 乙太網路實體層收發器。ADIN1300CCPZ 的數據傳輸率為 10、100、1000 Mbits/s，專為在嚴峻的工業環境中運作所設計，包括高達 105°C 的環境溫度。

使用交換器進行路由乙太網路連接。Analog Devices 提供工業乙太網路第 2 層嵌入式雙埠交換器 FIDO5200BBCZ 。此交換器在 10 和 100 Mbits/s 符合 IEEE 802.3 標準，支援半雙工和全雙工模式，以支援 PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT、Modbus TCP、Ethernet POWERLINK 工業乙太網路協定。

機器健康狀況

機器健康監測採用感測器測量振動、衝擊、溫度等物理參數，即時瞭解機器的狀況。在標準動作控制操作期間記錄這些資料，並隨著時間的推移進行分析，可以準確評估機器的機械健康狀況。這種資料驅動的方法可以進行預測性維護計劃，不僅能延長機器的使用壽命，還可以大量縮減非計劃性停機時間。

套用機器健康要求，將振動和衝擊感測器安裝到馬達中。ADXL1001BCPZ-RL ±100 g 微機電系統 (MEMS) 加速計是低雜訊感測器的範例之一，其 -3 dB 頻寬為 11 kHz。這是壓電感測器的高頻寬、低功率替代品。對於需要沿著三軸進行量測的應用，ADXL371 會是合適的選擇。

結論

智慧動作控制在建立智慧工廠時非常重要，需要精心選擇電子元件才能有效實作。如上所述，許多組件已經過精心策劃以開展設計。包括用於驅動馬達的電力電子元件、提供精確回饋資料以達到精準動作控制的電流和位置感測器、提供系統級洞察以最佳化製造流程的工業網路連接，以及達到機器健康狀況監控的振動和衝擊感測器。以上皆可減少計劃外停機時間並延長資產的使用壽命。