超越传感器和摄像头：将物联网从云端转移到物理世界

在早期，物联网（IoT）在很大程度上充当基于云的服务的“眼睛和耳朵”，从居住在物理世界中的传感器，摄像头和其他输入设备收集数据，不太强调操纵或控制其监控的事物。支持物联网的自动化和机器人应用已经开始融合，但它们的成本通常限制了它们在高端工业和商业市场的使用。然而，最近，嵌入式运动控制设备已经开始支持智能、安全、低成本的电动产品的开发，这些产品通过同样有能力的手臂和手来补充物联网的眼睛和耳朵。

什么是嵌入式运动控制？

术语“嵌入式运动控制”是指在单个设备中体现精密电机控制、高性能计算以及在许多情况下的通信功能的高度集成设备。这是嵌入式计算发展的下一个阶段，始于 1970 年代后期，当时低成本单芯片微控制器的出现使得将智能嵌入到从微波炉和儿童玩具到收银机和医疗设备的所有事物中成为可能。现代汽车所享有的大部分效率提升都是通过嵌入式计算实现的。

近二十年后，互联网、无线数据和更高水平的硅集成的兴起为浴室秤、健身监视器和家庭娱乐设备等日常用品带来了嵌入式连接。嵌入式连接也应用于一些电动消费产品，例如Roomba清洁机器人。遗憾的是，单独的MCU、电机控制器和模拟电机驱动器组件的成本以及开发电机控制软件的复杂性意味着连接的运动控制主要用于制造自动化和其他工业应用。

集成度的提高有助于降低运动控制平台的成本和组件数量，使其只需要一个通用 MCU 和少量模拟组件即可实现完整的解决方案（图 1）。

图 1：带有外部 MCU 的集成电机控制解决方案。在软件中进一步集成运动控制要求，不仅可以实现更小的电子设备，还可以减轻MCU的实时关键任务的负担。

最近，嵌入式运动控制器应运而生，它将这些功能与功能强大的MCU集成在一起（图2）。在大多数情况下，片上处理器具有足够的计算能力来支持精确控制一个或多个电机所需的复杂算法。在许多情况下，这些设备还包括以太网、CAN总线或其他用于物联网通信的接口。对于低功耗应用，单个封装甚至可以包含驱动中等尺寸步进电机、无刷 PMM （BLDC/BLAC） 或其他类型的电机所需的最终输出级。MCU还可以编程为驱动其他类型的运动产生设备，例如线性执行器和音圈。

图 2：嵌入式运动控制器件在单个封装中集成了高性能嵌入式处理、功能和电机驱动电子设备。许多嵌入式控制器还包括通信功能，可用于实现分布式控制系统并支持物联网/工业物联网操作。

为了加速开发，这些控制器通常由固件库支持，这些固件库为设计人员提供了一组可通过标准 API 调用的丰富功能。这些库通常包括几种常见电机控制模式（扭矩、速度和位置）、扭矩控制（即磁场定向控制 （FOC））和运动模式（例如轮廓位置、曲线速度和曲线扭矩）的算法。

应用

医疗产品

医疗设备是嵌入式运动控制正在改变对产品功能和安全性期望的首批市场之一。例如，输液泵必须向患者提供稳定的精确计量的治疗药物。具有物联网功能的嵌入式控制器使这些泵能够在患者床边或通过集中管理应用程序进行编程和监控。同样，可穿戴胰岛素泵和其他个人给药设备中使用的支持物联网的控制器可以支持自主操作，同时向基于云的分析应用程序实时提供患者的健康指标。

工业产品

工业自动化一直是嵌入式运动控制的早期受益者。低成本、紧凑的电机控制器可以靠近电机或执行器，甚至可以内置于电机或执行器中。每个模块的嵌入式控制器在本地执行大多数基本运动控制功能，从而创建分布式控制架构，使智能接近将数据转换为运动的点。这一点，以及控制器监控和记录其电机生命体征的能力，使嵌入式运动控制系统能够更快地响应，并以更低的价格提供更高的速度和精度。

嵌入式运动控制器还可以实时监控和记录电机及其驱动机械的健康状况，使其能够更快地对故障或警报条件做出反应，并且在某些情况下，在问题导致产品缺陷或代价高昂的停机时间之前预测问题。简单来说，这涉及跟踪每个子组件进行了多少次移动，并将其与调整、零件更换和其他日常维护的计划进行比较。这可以与从电机收集的信息相结合，以寻找机构中某处过度摩擦的早期指标，这些指标可能很快导致更严重、更昂贵的问题。

在这些应用中，控制器的嵌入式通信功能使本地应用服务器可以通过局域网轻松监控和控制机器，也可以通过基于云的应用程序在IIoT上轻松监控和控制机器。

消费品

高水平的硅集成度以及由此带来的嵌入式运动控制组件成本的降低正在帮助该技术在消费市场中找到越来越多的新应用。

一些例子包括：

智能、高性能的电动自行车和电动滑板车更实惠，可以使用控制器从电池中挤出更多续航里程，这些控制器仔细地将其输出驱动波与电机及其承受的负载相匹配。

物联网连接的智能家居具有高效的远程控制主动通风口、窗帘、监控摄像头和电器。

配备智能电机驱动器的3D打印机使用复杂的波形整形算法来提供更高的速度和品脱精度，同时显着降低它们产生的噪音。

个人机器人具有嵌入在硬件外围设备中的时间关键功能，使处理器可用于AI和用户界面。

结论

嵌入式运动控制使将数据转换为运动变得比以往任何时候都更容易、更具成本效益。通过这样做，它正在帮助使现有产品变得更好，并使新类别的产品成为可能。

审核编辑：郭婷