推动智能制造更高水平的灵活性、生产力和可持续性

智能运动控制是智能制造的核心构建模块，可实现高度灵活和高效的制造。智能运动控制结合了精确反馈、高级传感、高性能控制和无缝连接，可提供确定性的运动解决方案。运动洞察与 PLC 和制造执行系统 （MES） 的无缝连接允许高级分析来优化制造流程并在生产停止之前识别潜在问题。使用智能运动控制的智能制造可以快速重新配置，以支持更敏捷和可扩展的制造，包括批量为 1 的生产。通过减少完成制造步骤的时间并优化制造流程以提高吞吐量，可以减少能源消耗，从而实现更可持续的智能制造。智能运动应用包括：

智能运动控制解决方案的演变

运动控制随着时间的推移而发展，从简单的并网电机到用于机床和工业机器人的复杂多轴伺服驱动解决方案。在智能制造中提供更高水平的生产力、灵活性和自主性所需的自动化日益复杂，加速了这种演变。

并网电机

最基本的运动解决方案基于并网或交流供电的三相定速电机，该电机使用开关设备提供开/关控制和保护电路。这些基本的运动解决方案以相对固定的速度运行，不受任何负载变化的影响。通过机械控制实现输出的减少 - 节气门、阻尼器、齿轮或阀门、泵和风扇是一些典型的资产示例。

变频驱动电机

增加整流器、直流母线和三相逆变器级实际上会产生一个变频和可变电压源，现在应用于电机以实现变速控制。这种变频驱动电机通过以负载和应用的最佳速度运行电机来显着降低能耗。示例包括更高效的泵和风扇。

变速驱动

对于更高性能的运动控制应用，变速驱动器 （VSD） 可实现精确的扭矩、速度和位置控制。为此，电流和位置测量被添加到基本的开环逆变器驱动器中。这样就可以更精确地控制电机速度、位置和扭矩。输送机、卷绕、印刷和挤出机械是这些应用的典型例子。

伺服驱动系统

同步的多轴伺服驱动系统用于更复杂的运动应用。机床和数控机床需要多个轴同步，具有极其精确的位置反馈。在CNC加工中，5轴协调很常见，尽管有些应用利用多达12个轴，其中工具和工件在空间中相互移动。

工业机器人/协作机器人/移动机器人

工业机器人需要多轴伺服驱动器结合机械集成和先进的机器控制算法来实现复杂的3D空间定位。机器人通常有六个轴需要以协调的方式控制，如果机器人沿着轨道移动，有时有七个轴。协作机器人（cobots）以工业机器人解决方案为基础，通过增加功率和力限制（PFL）来提供功能安全的多轴机器控制，操作员可以安全地与协作机器人一起工作。最后，在移动机器人中部署了自导航、功能安全的机器控制，具有定位传感和防撞功能。

智能运动控制增长动力

智能运动控制正受到四个关键增长驱动因素的加速：降低能耗、敏捷生产、数字化转型，以及在智能制造中减少停机时间和提高资产利用率的基础上，向基于服务的新型业务模式迈进。让我们详细看看这四个关键增长动力中的每一个。

降低能耗

工业消耗的电力中几乎有70%用于电动机系统。1智能运动解决方案正在并将继续通过将更多应用从定速电机转移到高效电机和变速驱动器来显着降低能耗，部分原因是能源效率法规。这种能源消耗的减少将使制造业更加可持续。获得优化制造流程的运动洞察将进一步降低智能制造中的能耗。

敏捷生产

随着各行各业不断适应消费者需求和不断变化的买家行为，需要基于可重新配置生产线的敏捷生产，以提供更多定制和更快的周转时间。消费者需求正在推动从低混合、大批量制造转向多混合、小批量制造，这要求工厂车间具有更大的灵活性。复杂、重复且通常危险的任务现在可以由工业机器人执行，从而提高吞吐量和生产率。敏捷生产可提高中断时的弹性，并能够更快地响应不断变化的客户需求。

数字化转型

到2023年，全球数字化转型支出将达到6.8万亿美元。2变速驱动器和伺服驱动器使用来自电压、电流、位置、温度、功率、能耗的数据，并结合外部传感器来监控振动和其他过程变量。借助融合的信息技术/操作技术 （IT/OT） 以太网网络，运动应用联网在一起，传输数据和见解。运动数据和见解现在更易于访问，并且可以通过强大的云计算和 AI 进行分析，以优化制造流程并监控整个装置中资产的当前运行状况。

已部署资产的新业务模式

资产制造商希望销售的不仅仅是资产，他们希望扩展其业务模式，以包括基于生产力和资产利用率的售后服务合同。例如，泵制造商希望使用新的预测性维护服务产品，根据泵送的液体（例如，水或燃料）量进行销售，并根据泵送的每立方米 （m3） 进行收费，而不仅仅是销售泵。预计未来五年，泵OEM收入的50%至60%将来自与服务相关的活动。3系统集成商希望根据他们安装的制造能力的正常运行时间收费，而不仅仅是根据资产的初始安装收费。新的智能运动解决方案集成了状态监测功能，以实施对资产健康状况的实时监控，以规划维护计划。这种监控可以消除计划外的资产停机，以提供更高水平的生产力和资产利用率，这是新的基于服务的合同的基石。

智能运动控制要求

为了在智能制造中实现更高水平的生产力和可持续性，需要新的先进运动控制解决方案来提供概述的四个增长驱动力的优势。

卓越的运动控制

卓越的运动控制可减少完成制造步骤所需的时间，从而提高吞吐量和制造生产率，同时降低能耗。示例包括精确的位置和扭矩控制，以实现更高的质量和更快的加工，例如通过减少加工复杂零件的步骤和时间。提供卓越运动控制的关键要求包括改进的控制环路性能、适用于严苛工业部署的强大解决方案，以及实现高可靠性、小尺寸解决方案的高集成度。这些又通过低延迟、低漂移、多相电流和位置检测以及具有高瞬态鲁棒性和高度集成元件的信号链来实现。

坚固性、安全性和可靠性

延长资产使用寿命的稳健、可靠的解决方案是实现更可持续的智能制造的关键。通过延长资产寿命，我们显著减少了构建替代资产的原材料和能源消耗。用于功率调节和电源保护的电源管理解决方案是提供更强大、更可靠资产的关键组件。电源管理要求包括用于绝缘栅双极晶体管 （IGBT） 的高边电源、用于 FPGA 和处理器的高功率密度解决方案、用于电源管理遥测的数字负载点 （PoL）、EMC 鲁棒性、高环境温度操作以及保护用户免受高压影响的数据和电源隔离。可靠使用新型宽带隙功率开关（由碳化硅 （SiC） 和氮化镓 （GaN） 制成）对提供快速过流保护系统和稳健运行提出了新的挑战和要求。

Real-Time Connectivity

在高性能、多轴、同步运动应用中，控制时序要求精确、确定性和时间关键性，需要最大限度地减少端到端延迟，尤其是在控制周期时间缩短和控制算法复杂性增加的情况下。这些高性能应用需要与亚毫秒网络周期时间的实时连接，以控制复杂的运动应用。智能制造使用视觉系统和运动应用来监控制造质量并提高生产安全性。工业以太网网络必须支持实时确定性运动控制流量和尽力而为的视觉流量在同一网络上共存，最高可达 Gb 带宽。连接到网络的设备和控制器的互操作性需要在整个制造装置中提供无缝数据流，并确保数据对更高级别的管理系统透明，同时通过减少调试时间使这些网络更加灵活和可扩展。融合 （IT/OT） 以太网可确保无缝访问更高级别的管理软件系统的运动洞察进行分析，从而优化制造流程并加速数字化转型。

先进的传感

先进的传感解决方案可创建运动洞察，可用于优化制造流程并检测故障的早期迹象。传感方式包括位置、电流、电压、磁场、温度、振动和冲击。通过使用高级传感来部署对资产运行状况的实时监控，以根据增加的资产正常运行时间提供预测性维护服务合同，从而创建新的业务模型。先进的传感要求包括恶劣工业环境（例如，灰尘多的环境）中的鲁棒性、精确的位置传感、非接触式大电流传感、高带宽电流和振动传感、减少校准以确保解决方案的准确性，以及编码器类型应用的小解决方案尺寸。

加速实现更高价值运动控制解决方案的关键技术

用于智能制造的下一代智能运动控制解决方案需要多种技术的组合。这些技术相结合，可为恶劣的工业部署提供强大、精确的运动控制，并从高级传感中获得系统见解。

精密测量

复杂的运动控制需要精密转换器技术来实现高质量的电流反馈，利用隔离和非隔离解决方案来提供高精度和快速瞬态响应的控制环路性能。电流反馈是提高驱动器性能的基本组成部分，决定了整体控制带宽和响应时间。电流反馈的关键要求包括与PWM周期同步测量、隔离或高共模测量、低失调漂移以最小化转矩纹波，以及以14位至18位分辨率进行低延迟同步采样以测量相电流。编码器和线性轨道应用中的精确位置测量也需要精密转换器技术，以提供更大的吞吐量并提高生产率。

隔离和接口

复杂的运动控制需要精密转换器技术来实现高质量的电流反馈，利用隔离和非隔离解决方案提供控制 实现复杂运动控制的下一代驱动器和电机需要数字隔离技术来提供隔离数据和隔离通信接口，如RS-485、USB和LVDS。还需要隔离式栅极驱动器来驱动高侧和低侧功率半导体，以提供稳健、符合安全标准和高可靠性的资产。栅极驱动器将逻辑电平PWM信号转换为控制功率晶体管的高边参考信号。高压逆变器应用通常使用IGBT，未来趋势是SiC和GaN，以提高开关频率和/或降低开关损耗。低压应用通常使用基于 MOSFET 的开关。栅极驱动器的关键要求包括高速、低传播延迟、低延迟偏斜、鲁棒性和共模瞬态抗扰度、开关保护功能（DESAT、米勒箝位、软关断、UVLO）和可控开关（可变压摆率开关）。标准数字隔离器在许多驱动器中发挥作用，在高压电力电子域和安全超低电压（SELV）域之间传输信号，用于PWM和其他信号。示例包括集成电源模块 （IPM） 的隔离信号。与分立变压器解决方案相比，完全集成的隔离电源解决方案还可以与数字隔离器或其他隔离功能结合使用，从而显著减小解决方案尺寸。

工业以太网

具有亚毫秒周期时间的工业以太网连接是运动控制应用（伺服和驱动器）中确定性实时通信所必需的。100 Mb 和 Gb 速度的强大物理层设备与第 2 层工业以太网协议（如 EtherCAT、PROFINET、EtherNET/IP 和 IEEE 时间敏感网络 （TSN））相结合，可确保确定性的以太网连接。下一代设计正在融合网络上转向 Gb TSN，该网络具有多种流量类型、用于控制的循环通信和用于尽力而为流量（例如，视觉和监控流量）的非循环通信。在多轴应用中，需要低延迟工业以太网解决方案来缩短周期时间。这些确定性的运动解决方案可实现更复杂的运动应用，从而提高制造生产率和灵活性。

磁感应

基于各向异性磁阻 （AMR） 位置传感器解决方案的磁传感可为编码器应用提供可靠而准确的位置传感。位置反馈用于直接位置控制或推断转速并在伺服驱动器中实现机器速度控制。与光学编码器相比，磁感应提供了成本更低的解决方案，并且在易受灰尘和振动影响的工业应用中提供了更强大的解决方案。

电源管理

智能运动应用通常部署在恶劣的工业环境中，这些环境环境需要高环境温度操作，同时不受传导噪声和高压瞬变的影响。在一些分散式应用中，驱动器位于较小的外壳中更靠近电机的位置，而在其他应用中，驱动器与电机集成在一起。需要更高功率密度的电源管理解决方案，这些解决方案需要在高环境温度下运行，以实现这些外形更小的智能运动应用。

机器运行状况

机器运行状况使用振动和冲击传感器对资产的运行状况进行实时状态监控，以消除计划外停机时间，延长资产的使用寿命，同时降低维护成本。通过将机器健康集成到运动应用中，可以通过数字化战略产生新的收入流，这些战略基于保证正常运行时间创建新的基于服务的商业模式，以实现更高水平的制造生产力。基于振动、冲击和温度的资产运行状况数据由边缘 AI 转换为资产运行状况见解，然后通过有线或无线解决方案传送到管理控制软件，在那里它们提供关键资产的实时运行状况。

结论

敏捷生产需要快速响应不断变化的消费者需求并支持高效生产，批量小至 1。敏捷生产由可快速重新配置的智能互联资产实现。这些互联资产实时共享数据;这些数据用于通过识别生产中的瓶颈和监控资产的运行状况来消除计划外停机，从而提高运营绩效。基于智能运动解决方案的智能制造消耗更少的能源，并支持更复杂的运动，从而推动更高水平的灵活性、生产力和可持续性。