模擬和數字技術(shù)交匯之處——智能邊緣

為了增強邊緣智能，機電執行器需要智能和高度集成的驅動(dòng)器解決方案。這些智能邊緣設備融合了執行器和傳感器功能，支持在機器層面更好地進(jìn)行實(shí)時(shí)決策，并向更高的控制層級、云或AI生產(chǎn)力解決方案提供原位反饋信息。本文討論了模擬和數字技術(shù)交匯之處——智能邊緣的智能驅動(dòng)器解決方案和技術(shù)。

在尋求增強邊緣智能的過(guò)程中，機電執行器等物理邊緣設備需要更多智能，才能獲得更好的機器實(shí)時(shí)決策等優(yōu)勢。這些執行器提供智能、有價(jià)值和豐富的傳感器式反饋。此類(lèi)邊緣設備是工業(yè)4.0及更高階段的關(guān)鍵。它們控制機器人，操縱工廠(chǎng)流程并使之自動(dòng)化，將數字信息轉化為物理運動(dòng)，同時(shí)提供高水平的智能和自主感知。當執行器操縱事物時(shí)，傳感器用于測量和量化實(shí)際參數，即將參數從物理值轉換回數字值。因此，執行器和傳感器在大多數時(shí)候仍被認為是不同的設備或部件。

步進(jìn)電機和電磁閥占據了這些機電執行器的很大一部分，在每個(gè)工廠(chǎng)車(chē)間、各種汽車(chē)應用、實(shí)驗室自動(dòng)化等場(chǎng)合都可以看到。在實(shí)驗室和醫療應用、工業(yè)應用以及汽車(chē)應用的推動(dòng)下，全球的步進(jìn)電機和電磁閥市場(chǎng)已達數十億美元，且在不斷增長(cháng)。這些應用對執行器和驅動(dòng)器電子設備的自動(dòng)化和小型化要求越來(lái)越高。傳統的驅動(dòng)器解決方案不能適應這些新的要求，并且缺乏檢測能力。

最新的硅cDriver?解決方案由智能控制器和驅動(dòng)器組成，它將傳感器和執行器功能融合到單個(gè)集成器件中，以便用在嵌入式運動(dòng)控制解決方案內部，從而實(shí)現邊緣智能執行器。只能在機電執行器中直接獲得的系統參數和狀態(tài)變量，可以就地進(jìn)行測量和評估（如溫度、電磁閥反應時(shí)間和電機負載值）。

傳感器功能與執行器的這種融合改變了機電執行器的范式。它們從簡(jiǎn)單的功率轉換系統發(fā)展成自我意識傳感器，可以有效地控制執行器，并向更高的控制層級、云或AI生產(chǎn)力解決方案提供原位反饋數據。機電單元成為了傳感器。

機電執行器——概述

步進(jìn)電機和電磁閥廣泛應用于汽車(chē)、工業(yè)和醫療健康領(lǐng)域。兩者有很多相似之處：銅線(xiàn)圈通電引起機械運動(dòng)。

兩相步進(jìn)電機通常由兩個(gè)電流源控制，這兩個(gè)電流源在步進(jìn)電機的兩相中感應產(chǎn)生90°相移的正弦和余弦形狀的電流。流過(guò)步進(jìn)電機線(xiàn)圈（定子）的電流決定磁場(chǎng)的方向。轉子像指南針一樣在定子線(xiàn)圈的磁場(chǎng)中定向。以電氣方式控制磁場(chǎng)的旋轉，轉子就能通過(guò)在磁場(chǎng)中的定向來(lái)旋轉。圖1顯示了標準混合步進(jìn)電機的定子/轉子布置和一些不同類(lèi)型步進(jìn)電機的示例。

圖1.具有50個(gè)磁極對的混合步進(jìn)電機（左）和不同類(lèi)型的步進(jìn)電機（右）。

電磁閥可與步進(jìn)電機相比擬。線(xiàn)圈通電引起機械運動(dòng)。運動(dòng)部件不是旋轉磁體，而是金屬柱塞，產(chǎn)生線(xiàn)性運動(dòng)。從控制角度看，電磁閥有兩種類(lèi)型：開(kāi)關(guān)閥和比例閥。開(kāi)關(guān)電磁閥用于實(shí)現氣動(dòng)或液壓閥的開(kāi)/關(guān)功能。當線(xiàn)圈通電時(shí)，磁場(chǎng)產(chǎn)生，金屬柱塞沿磁場(chǎng)方向移動(dòng)。為使柱塞移動(dòng)，初始電流（沖擊電流）相當高，但只需要較小的電流即可將柱塞保持在適當位置（保持電流）。當線(xiàn)圈斷電時(shí)，磁場(chǎng)消失，柱塞可以在外力（彈簧、重力）的作用下自由回退。圖2顯示了驅動(dòng)開(kāi)關(guān)閥時(shí)的典型電流曲線(xiàn)。電流上升階段（通電時(shí)間）的小幅下降是由柱塞運動(dòng)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(BEMF)引起的。當激勵時(shí)間結束時(shí)，電流可以降低到保持水平，以根據需要將柱塞保持在適當位置。比例閥可以通過(guò)控制能量流和調節電磁閥電流將柱塞保持在任何位置。比例閥通常在閉環(huán)控制系統中用于控制特定的系統變量，例如壓力、空氣或流體流量。

圖2.開(kāi)關(guān)閥的電流波形。

為什么需要采用新方法來(lái)控制機電執行器？

當今市場(chǎng)上的驅動(dòng)器IC解決方案并不是為電磁閥驅動(dòng)應用和高效經(jīng)濟的實(shí)施方案而量身定制的。它們缺乏嵌入式時(shí)序控制器、特定于應用的功能、診斷功能和保護功能。每當需要高級控制特性（驅動(dòng)器時(shí)序控制器器、擾動(dòng)、快速消磁、電流測量）或高級診斷功能（柱塞運動(dòng)檢測、開(kāi)/關(guān)狀態(tài)檢測、電感測量、負載開(kāi)路檢測）時(shí)，系統復雜性就會(huì )顯著(zhù)增加，因為需要采用額外的外部變通方法和電路。設計人員需要設計每個(gè)模塊（數字控制器、電流檢測、信號調理、功率級、保護）并將其相互連接。設計人員仍然必須面對一些問(wèn)題，包括電路板空間的占用、漫長(cháng)的設計時(shí)間、應用可靠性、長(cháng)長(cháng)的物料清單(BOM)和缺乏靈活性。

下面介紹一些全球趨勢，這些趨勢導致人們對機電執行器的嵌入式控制和驅動(dòng)器解決方案提出了額外要求和需求。

微型執行器的演變

機電執行器的持續小型化，使其成為醫療設備、化學(xué)工業(yè)、實(shí)驗室自動(dòng)化、半導體制造、食品和飲料行業(yè)以及工業(yè)和汽車(chē)應用中節省成本和空間的部件。小型化閥門(mén)和歧管以及混合解決方案（步進(jìn)電機+電磁閥）的示例如圖3所示。直徑尺寸小到只有幾毫米。雖然微型執行器的優(yōu)勢有望推動(dòng)增長(cháng)，但這些市場(chǎng)提出了更多要求，例如：更長(cháng)的有效壽命、耐用性和可靠性、小尺寸嵌入式控制器和驅動(dòng)器解決方案（由于空間限制）以及簡(jiǎn)化的操作和控制。

圖3.微型電磁閥、歧管和混合歧管示例（圖片來(lái)源：經(jīng)Lee Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH/The Lee Company許可）。

增強型診斷

機電執行器在長(cháng)期運行過(guò)程中容易退化，并可能出現其他故障情況，包括電氣方面（線(xiàn)圈問(wèn)題、殘余線(xiàn)圈功率、過(guò)熱、絕緣故障）和機械方面（閥門(mén)部分關(guān)閉或開(kāi)啟、手動(dòng)超控、壓力差、灰塵聚集、閥門(mén)機械損壞、油脂干燥）。這些挑戰會(huì )影響執行器及其所在系統的性能、壽命和工作可用性。因此，數字化需求非常迫切：關(guān)于本地系統參數的詳細和高質(zhì)量的診斷反饋，用于監測執行器及其控制電子設備的健康狀態(tài)，以便在本地機器層面更好地進(jìn)行決策，對變化做出反應，并將預處理的診斷信息或原始數據從邊緣傳遞到更高的控制層級。除了簡(jiǎn)單的驅動(dòng)器錯誤標志之外，還需要反饋和診斷！

能源效率

如今，碳足跡扮演著(zhù)重要角色。能源效率受到全球環(huán)境政策、成本和應用限制的推動(dòng)。能源是全球極寶貴的資源之一，其成本持續增長(cháng)。因此，我們需要有效控制并盡可能降低執行器的功耗。另一個(gè)積極的副作用是，當功耗得到有效控制時(shí)，電磁閥或步進(jìn)電機在應用中可保持較低溫度。這將會(huì )簡(jiǎn)化系統散熱工作，并可能使其可用于對溫度有嚴格要求的特定應用，例如敏感的實(shí)驗室應用。

上市時(shí)間

在系統復雜性增加的同時(shí)，開(kāi)發(fā)時(shí)間需要縮短。高度集成、經(jīng)過(guò)驗證且隨時(shí)可用的構建模塊和子系統有助于降低或隱藏整體復雜性，有助于降低設計風(fēng)險，從而將上市周期保持在合理水平9。系統設計越來(lái)越多地由通信接口和以軟件為中心的視角主導。因此，有源系統器件和構建模塊的選擇將以其通信和控制接口的靈活性和能力為依據。

總擁有成本

與產(chǎn)品整個(gè)生命周期相關(guān)的總成本通常被理解為總擁有成本(TCO)。這不僅涵蓋開(kāi)發(fā)成本或其他非經(jīng)常性工程成本，還包括所有直接和間接類(lèi)型的運營(yíng)費用：能源成本（能效）、維護成本、工作可用性和供應鏈風(fēng)險。能源成本可以直接衡量，而維護成本可以提前估算。在產(chǎn)品壽命很長(cháng)的細分市場(chǎng)中，例如在工業(yè)和醫療應用中，需要考慮并將盡可能降低總擁有成本。

cDriver中傳感器-執行器融合的影響

參考所討論的不同全球趨勢，我們需要將類(lèi)似傳感器的能力集成到機電執行器的cDriver中。多芯片和單芯片的芯片級解決方案不斷出現，它們不僅包含模擬驅動(dòng)器部分，還將由增強的數字功能、檢測能力和決策以及通信接口來(lái)主導和定義。這種傳感器-執行器融合滿(mǎn)足了許多需求，并為基于電磁閥和步進(jìn)電機的應用帶來(lái)了廣泛的優(yōu)勢。

微型執行器的演變：緊湊型嵌入式硬件解決方案

對于微型閥門(mén)、歧管和多軸步進(jìn)電機應用，使用高度集成和嵌入式硬件解決方案來(lái)驅動(dòng)和控制它們很有利。如果控制器和驅動(dòng)器電子設備可以同樣小巧緊湊，那么整個(gè)執行器子系統將能為空間受限的應用帶來(lái)尺寸縮小的競爭優(yōu)勢。

單電磁閥、歧管或多軸步進(jìn)系統的典型嵌入式硬件解決方案由一個(gè)用于通信的總線(xiàn)接口、一個(gè)用于應用控制的微控制器單元(MCU)以及一個(gè)或多個(gè)控制器/驅動(dòng)器單元組成，如圖4所示。

圖4.典型電磁閥或步進(jìn)電機控制器和驅動(dòng)器解決方案/簡(jiǎn)圖。

通信接口和MCU取決于應用和整體系統架構，通常每個(gè)單元只需要一次。相反，歧管/多軸系統可能多次需要執行器控制器/驅動(dòng)器級，這就提供了極大的優(yōu)化潛力。電磁閥的典型驅動(dòng)器方案也提供擴展特性，但BOM較大，并且需要很大的空間來(lái)放置所有部件。

將這些擴展的控制和檢測功能完全集成到單個(gè)器件中，所需的電路板空間便可充分減小。例如，采用集成電流檢測的解決方案消除了較大的外部檢測電阻和額外的分流放大器。低RDS(ON)的集成驅動(dòng)器級可實(shí)現最佳效率并降低熱損耗，這對所需的散熱面積或在關(guān)鍵應用環(huán)境中也有積極影響。

圖5顯示了典型的歧管示例?？臻g的節省和BOM的減少有助于實(shí)現超緊湊的解決方案，并節約這些應用內部的元器件、PCB和外殼材料的成本。

圖5.歧管示例（圖片來(lái)源：經(jīng)Lee Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH/The Lee Company許可）。

像電磁閥一樣，步進(jìn)電機解決方案同樣由驅動(dòng)器部分主導。高度集成的步進(jìn)cDriver可極大地節省空間，同時(shí)提供出色的控制。除了診斷和反饋功能外，它還配備了集成運動(dòng)控制器和電源級，以及完全集成的電流檢測功能。

瑞士Hombrechtikon Systems Engineering AG的首席電子工程師Reto Himmler證實(shí)：“我們使用ADI Trinamic?步進(jìn)電機驅動(dòng)器已經(jīng)超過(guò)十年，它們具有行業(yè)領(lǐng)先的特性。TMC524013正是我們期待已久的器件！更高的電機電流、小尺寸和集成的電流檢測功能有助于節省實(shí)驗室自動(dòng)化設備中寶貴的電路板空間。低RDS(ON)帶來(lái)的低損耗為機械設計提供了更大的自由度。8點(diǎn)斜坡很不錯，盡管現有產(chǎn)品的6點(diǎn)斜坡就已經(jīng)非常適合我們的應用?！?/p>

增強型診斷：為預測性維護和自我意識鋪平道路

智能cDriver可在本地提供類(lèi)似傳感器的數據。但是，使用這組豐富的信息能做些什么呢？

智能cDriver解決方案提供的參數包括：驅動(dòng)器溫度、線(xiàn)圈電阻和溫度信息、線(xiàn)圈電感估計值、電源電壓、實(shí)際線(xiàn)圈電流和BEMF信息。通過(guò)智能集成算法和函數可以推導出系統和應用條件以及其他系統參數，例如：電磁閥的反應和行程時(shí)間、局部電流驟降、負載開(kāi)路檢測、過(guò)流和短路檢測、部件閉合和柱塞運動(dòng)檢測、柱塞位移測量及實(shí)時(shí)電流監測。對于步進(jìn)電機，還可以讀出基于StallGuard?的實(shí)際負載信息和CoolStep?電流減小水平。對于許多應用，StallGuard負載值是非常有價(jià)值的信息，因為長(cháng)期漂移可能表明應用中機械和齒輪的性能降級或機械終點(diǎn)擋板有缺陷。

StallGuard值與電機軸上的負載情況直接相關(guān)，并且可以在應用中隨著(zhù)時(shí)間變化，具體取決于電機加速度或外力。利用StallGuard值甚至可以提前檢測實(shí)際電機是否要失速，此信息隨后可用于應用中的無(wú)傳感器端位止動(dòng)裝置檢測或校準。

本地檢測能力和診斷以及這種原位反饋的獲取，在三個(gè)不同層面上為預測性維護和自我意識鋪平了道路，如圖6所示：

■ 本地，cDriver部件內部

■ 應用層面上，嵌入式子系統的本地MCU中

■ 更高層面上，如工廠(chǎng)車(chē)間、工廠(chǎng)控制或云

圖6.傳感器和診斷數據的可用性和流程。

得益于本地監測和自診斷功能，可以直接在控制器和驅動(dòng)器電子設備內部做出更好的實(shí)時(shí)決策。這些功能包括：可配置的熱保護限值，可配置的短路檢測，故障情況下的驅動(dòng)器保護，沖擊電流到保持電流的自動(dòng)切換，以及即時(shí)故障報告，例如當電磁閥的柱塞卡住時(shí)。

使用本地MCU在應用上下文中解譯類(lèi)似傳感器的數據，可以實(shí)現更精細的功能。通過(guò)cDriver的串行接口可以實(shí)現實(shí)時(shí)監測。診斷信息和參數可作為連續反饋流從執行器和cDriver獲得。這有助于實(shí)現更具體的狀態(tài)監控、長(cháng)期故障識別，甚至模式檢測。反應和行程時(shí)間測量、局部驟降搜索、柱塞位移和負載值：這些參數隨時(shí)間的漂移是執行器老化的征兆，表明在其使用壽命期間需要預防性維護。傳感器數據可以聚合。除了檢測簡(jiǎn)單故障之外，還可以對應用統計數據進(jìn)行預處理，并將其轉換為正確的格式，然后通過(guò)通信總線(xiàn)接口（如IO-Link?、CANopen?，甚至工業(yè)以太網(wǎng)的衍生接口）傳送到更高控制層。

在更高控制層上，數據來(lái)自分散的各個(gè)執行器、歧管或多軸系統。另一種可能性是，工廠(chǎng)車(chē)間的信息孤島集中起來(lái)并提供額外的選項，以便改善控制，監控系統健康狀況，簡(jiǎn)化維護，或者將其與元數據一起放入上下文中。例如，知道歧管的反應和行程時(shí)間有助于同步多個(gè)閥門(mén)，或改善不同電磁閥和其他執行器的編排，以實(shí)現更好的交互和吞吐量。有缺陷的執行器得以識別和定位。

能源效率：出色的控制質(zhì)量

測量電磁閥反應和行程時(shí)間以及檢測電流局部驟降的功能可對功耗產(chǎn)生積極影響。目標電流和擺率等控制參數得以調整，從而優(yōu)化反應和行程時(shí)間。此外，從沖擊電流到保持電流的自動(dòng)切換可以發(fā)生在最佳時(shí)間點(diǎn)，而不是等待某個(gè)靜態(tài)的預配置命中時(shí)間窗口。不必要的能量不會(huì )泵入電磁閥線(xiàn)圈，可以節省下來(lái)，而這又能進(jìn)一步提高電磁閥單元的效率。在雙穩態(tài)脈沖電磁閥（閂鎖閥）的情況下尤其如此，因為保持狀態(tài)通過(guò)機械方式（彈簧）加以保證，使得保持電流為零，總功耗的來(lái)源只有激勵沖擊電流。

在步進(jìn)電機應用中，在StallGuard負載值的基礎上使用ADI Trinamic CoolStep解決方案還能節省大量能源14,15。CoolStep由此提供一種無(wú)傳感器動(dòng)態(tài)電流水平控制，其將電機軸上的實(shí)際負載考慮在內。當軸上的負載很低時(shí)，不需要用滿(mǎn)標稱(chēng)目標電流來(lái)驅動(dòng)電機。目標電流可以調整到所需的最小值。當負載增加時(shí)，目標電流以同樣的方式進(jìn)行調整，以提供更大的電機轉矩。甚至峰值負載也可以捕獲，目標電流可以暫時(shí)提升到標稱(chēng)電流以上而不會(huì )損壞電機。它將以最小電流驅動(dòng)步進(jìn)電機，使電機的能耗降低高達90%。

這種能效的提高還導致散熱和熱應力更小，從而延長(cháng)電磁閥16或步進(jìn)電機的壽命，提高其可靠性和功能可用性。將執行器保持在較低溫度為更廣泛的應用和用例提供了可能。例如，在實(shí)驗室、化學(xué)或醫療領(lǐng)域，需要適當控制溫度，避免其達到臨界限值。

上市時(shí)間：簡(jiǎn)化控制/易于使用

cDriver部件采用以接口為中心的架構。接口的雙向特性支持采集cDriver內部提供的傳感器數據和參數，并根據應用對控制參數進(jìn)行配置和調整。cDriver部件本身就是子系統，為電磁閥和步進(jìn)電機控制提供隨時(shí)可用且支持廣泛配置的高端構建模塊。軟件開(kāi)發(fā)（針對電磁閥或步進(jìn)電機部分）被大幅壓縮——基本上完全不需要。開(kāi)發(fā)者無(wú)需成為電磁閥或步進(jìn)電機控制方面的專(zhuān)家，而是可以將重點(diǎn)放在其自己的專(zhuān)用功能和通信方面。這種以通信為中心、聚焦于接口的思維方式催生了“軟件定義硬件”，不僅對系統設計或軟件工程師有利，而且縮短了上市時(shí)間，有效地降低了設計風(fēng)險。

總擁有成本

本文討論的智能和高度集成的cDriver部件有助于降低總擁有成本。三個(gè)不同層面上的成本有望得到節?。耗茉闯杀?、維護成本和因緩解風(fēng)險而產(chǎn)生的計劃外費用。

提高能效和降低功耗的功能直接影響到運營(yíng)費用——節能就是節約成本?；诖罅吭\斷數據和傳感器式反饋的預測性維護措施有助于降低計劃外維護成本，并普遍地簡(jiǎn)化維護流程，因為故障點(diǎn)可以輕松定位。來(lái)自執行器子系統的連續反饋流有助于監控系統狀況并提高工作可用性，這反過(guò)來(lái)又能防止因生產(chǎn)停機時(shí)間而產(chǎn)生的額外成本。

cDriver部件高度集成的另一個(gè)重要影響是BOM大幅減少，同樣不可低估，如上述示例所示。但是，這不單是BOM成本的降低。貿易戰或其他全球事件導致的全球供應鏈挑戰、晶圓廠(chǎng)產(chǎn)能以及半導體和電子元器件短缺，損害了及時(shí)制造和交付產(chǎn)品的能力，甚至造成了根本無(wú)法制造和交付的境地。這不僅僅是一個(gè)風(fēng)險，更是一個(gè)事實(shí)。BOM元器件數量的減少有助于消除依賴(lài)性，并防止控制器和驅動(dòng)器電子設備的計劃外重新設計以及隨后的重新認證工作。

結語(yǔ)

憑借傳感器和執行器的融合，新的cDriver部件實(shí)現了邊緣智能機電執行器。cDriver部件不僅僅能切換電磁閥或轉動(dòng)電機，還提供廣泛的診斷功能，因此其本身就是一種傳感器。它利用預處理數據在本地做出決策，并提供安全和監控功能。這種智能檢測執行器解決了機械挑戰，隱藏了復雜性，封裝了復雜功能，為更高控制層提供了豐富的信息以供進(jìn)一步處理，并且降低了成本和功耗，可為未來(lái)的信息-物理系統和工廠(chǎng)車(chē)間提供額外的價(jià)值。這是數字化的全新水平，也是邊緣機電執行器控制的一個(gè)范式變化。德國MEV Elektronik Service GmbH的運動(dòng)控制產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理Guido Gandolfo表示：“新的步進(jìn)電機驅動(dòng)器系列使我們的客戶(hù)能夠在更短的時(shí)間內開(kāi)發(fā)出更小、更智能、效率更高的產(chǎn)品。這是維持ADI公司Trinamic驅動(dòng)器先進(jìn)地位的下一利器?！盡EV是一家專(zhuān)業(yè)從事運動(dòng)控制和設計導入支持的代理商。