更高智慧的運動控制可促成智慧製造

運動控制是我最喜歡的學科之一。我記得那個夏天，我在大學實驗室裡研究非穩定系統的控制器。我用的工具在當時相當先進，但從那以後，運動控制也經歷好大一段發展。

世界各地的工廠都面臨著用更少資源做更多事情的壓力。此起彼落的供應鏈中斷、在岸和近岸外包以及環境衝擊的考量，都促使製造商越來越敏捷且有韌性。

為此，工廠需要更高智慧的運動控制。圖 1 說明箇中原因：運動控制是許多製造流程的核心。內在的運動控制系統必須滿足相同的標準，讓工廠更有效率、迅速反應且運作穩健。

圖 1：智慧工廠涉及多種運動控制應用。(圖片來源： Analog Devices)

在本篇部落格文章中，我將重點說明如何用高精度運動控制以及機器運作狀態監測來達到這些目標。我將解釋這些技術如何成為數位化轉型趨勢的關鍵要素，進而達到真正的智慧工廠。

高精度運動控制

要達到更智慧的運動控制，要從更高精度的電流和位置測量開始，如此才有機會將浪費降至最低，同時達到最大的反應能力和吞吐量。任何控制系統的精度都取決於感測器。

雖然位置感測有很多選擇，但磁性感測器特別有吸引力，因為能以比光學編碼器更低的成本提供高解析度。在有灰塵和振動影響的應用中更顯堅固耐用，並且具有非接觸式本質，可將磨損降至最低。

然而，磁性感測器容易受到外部磁場的干擾和周圍材料的影響。準確度也會受到溫度波動的影響，因此可能需要校準才可保持準確度，這會在成本與可靠性方面略失優勢。此外，許多磁性感測器僅可在近距離下表現良好，這會限制其應用範圍。

若要綜合考量這些因素，有個方法是使用異向磁阻 (AMR) 感測器。與霍爾效應巨磁阻 (GMR) 和穿隧式磁阻 (TMR) 感測器不同的是，AMR 感測器可在具有磁性的嚴峻環境中展現堅固耐用性，並可在較大的氣隙容差下保持準確度。由於 AMR 感測器在嚴峻條件下不會出現衰退和角度誤差，因此對校準和維護的需求明顯減少。

Analog Devices 的 ADA4571 系列角度感測器就是一個很好的例子。這些感測器配備了整合式訊號調節器，有利於馬達驅動和伺服應用達到更高準確度的位置感測。ADA4571 內建校準引擎，可在寬廣的溫度範圍內將誤差保持在 <0.5° (圖 2)。

圖 2：在此顯示 VDD = 5.5 時，ADA4571 感測器的典型誤差 (左)，也可啟用內建的增益控制 (GC) 功能來改善誤差 (右)。(圖片來源：Analog Devices)

機器健康度監測

雖然效能對智慧工廠來說至關重要，但效率和韌性也一樣重要。監測馬達振動和衝擊，工廠中的機器健康度感測器 (如振動感測器) 就可減少非計劃性停機時間、延長資產的使用壽命，同時降低維護成本。雖然有許多感測器選項，但微機電系統 (MEMS) 加速計在功能上達到極具吸引力的平衡，能以壓電系統價格和功耗的一小部分，提供大頻寬和低雜訊 (圖 3)。

圖 3：機器健康度監測用的感測器，必須在成本、效能和功耗之間有所權衡。(圖片來源：Analog Devices)

MEMS 有個很好的例子是 ADXL1001/ADXL1002 系列感測器。ADXL1002 值得注意的特點包括可在 ±50 g 範圍內達到僅 25 μg/√Hz 的雜訊，並可耐受高達 10,000 g 的外部衝擊。具有從 DC 至 11 kHz 的線性頻率響應，因此此零件適用於緩慢旋轉的設備，且具有低功耗，有利於無線感測設計。對於需要沿著三個軸進行測量的應用，ADXL371 會是合適的選擇。

即時連線促成數位轉型

到目前為止，在此討論的感測解決方案，其真正威力皆來自於其深入洞察工廠營運的能力。只要從各種運動控制系統收集了電壓、電流、位置和溫度等數據，自動化系統就可以分析這些數據，將即時製造流程最佳化。

如圖 4 所示，確定性數據的收集目前涉及多種現場匯流排協定，如 EtherCAT 和 PROFINET。然而，業界正迅速採用時效型網路 (TSN) 作為下一代網路的標準。這個趨勢奠定了融合式資訊科技／營運技術 (IT/OT) 基礎設施的基礎，可將企業和工廠廠區系統整合到單一網路上。

圖 4：製造業正從獨立的現場匯流排網路過渡到以 Gigabit 乙太網路 (GbE) TSN 為基礎的融合式 IT/OT 基礎設施。(圖片來源：Analog Devices)

這些網路需要亞毫秒級的網路週期時間來確保確定性，並需要高達 Gigabit 的頻寬來配合新的高速流量來源，例如來自視覺系統的視訊饋送。現代化運動控制系統需要像是 ADIN1200/1300 系列這樣的乙太網路實體層 (PHY) 來符合這些要求。這些完備、低功耗和低延遲的 PHY 可支援工業環境中的 GbE。可以在高達 105°C 的環境溫度下運作，且經過廣泛的電磁相容性 (EMC) 測試，可提供暫時低壓保護等堅固耐用的功能。

結論

在不斷發展的智慧製造領域中，智慧運動控制是關鍵的要素之一，可促進工廠提高敏捷性和韌性。最佳化的核心在於運動控制系統具有精度和效率。透過新推出的眾多感測器選項，工程師有機會可改進像是位置追蹤到機器健康度監測的各個層面。只要將這些逐漸龐大且精確的數據輸入到功能越來越強大的工廠網路中，數位轉型的承諾就可迅速實現。擁抱數位時代的同時，智慧運動控制和進階網路連線的結合也令人振奮，刻畫出真正智慧製造的願景。