在早期，物聯網 (IoT) 在很大程度上充當了云端服務的“眼睛和耳朵”，收集傳感器、攝像頭和其他物理世界輸入設備的數據，而不太注重操縱或控制它所監視的事物。支持物聯網的自動化和機器人應用已經開始合并，但是一般而言，它們的成本使它們只能用于高端工業和商業市場。然而，最近，嵌入式運動控制設備已經開始使智能、安全、低成本的電動產品的開發成為可能，這些產品與物聯網的眼睛和耳朵有著同樣強大的關節和手指。
什么(me)是嵌入(ru)式運動(dong)控制(zhi)？
“嵌入式運動控制”這個術語指的是在一個設備中包含精確電機控制、高性能計算的高度集成設備，而且通常還包含通信功能。它是嵌入式計算發展的下一個階段，嵌入式計算始于二十世紀七十年代，當時，低成本單芯片微控制器的問世使得智能可以嵌入到一切事物中，包括微波爐、兒童玩具、收銀機和醫療器械。現代汽車享有的大部分效率增益都是由嵌入式計算實現的。
大約(yue)二十年(nian)后(hou)，互(hu)聯網(wang)、無(wu)線數據和(he)(he)更高(gao)(gao)水平的(de)硅集成(cheng)的(de)興起將嵌入式連接引入日常物(wu)品(pin)中，如體重(zhong)秤(cheng)、健康監視器(qi)(qi)和(he)(he)家(jia)庭娛樂設備。嵌入式連接還應用(yong)(yong)到了部(bu)分機動消費產品(pin)中，例如Roomba 清(qing)潔機器(qi)(qi)人。不幸(xing)的(de)是，彼此(ci)分離的(de)微控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)(qi) (MCU)、電(dian)機控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)(qi)和(he)(he)模(mo)擬電(dian)機驅動組(zu)件的(de)成(cheng)本高(gao)(gao)昂，且開(kai)發電(dian)機控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)軟件十分復雜(za)，這意味著聯網(wang)的(de)運(yun)動控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技術只(zhi)能(neng)主要用(yong)(yong)于(yu)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造自(zi)動化和(he)(he)其他(ta)工業應用(yong)(yong)。
由于(yu)集成(cheng)程(cheng)(cheng)度的(de)(de)不斷加深(shen)，運動控制(zhi)平臺(tai)組件(jian)的(de)(de)成(cheng)本和數(shu)量降低至只需要通(tong)用微程(cheng)(cheng)序控制(zhi)器和少量模擬組件(jian)即可實現完(wan)整解決方(fang)案(an)的(de)(de)程(cheng)(cheng)度（圖 1）。
【圖 1：帶外部微程(cheng)序控(kong)制器的集成(cheng)電機控(kong)制解(jie)決方案(an)。在軟件(jian)中(zhong)進一步集成(cheng)運動控(kong)制要求不僅(jin)可(ke)以實現更小的電子器件(jian)，還能將需要大量實時運算的工作從MCU解(jie)放出(chu)來。】
最近，嵌入(ru)式運(yun)動(dong)控(kong)(kong)(kong)制器(qi)已經問世，它將這些功能與強(qiang)大的(de)(de)微(wei)程序控(kong)(kong)(kong)制器(qi)集成（圖(tu) 2）。在(zai)大部分情況(kuang)(kuang)下，片上(shang)處理(li)器(qi)有足夠(gou)的(de)(de)計(ji)算(suan)能力支持精確控(kong)(kong)(kong)制一個(ge)或(huo)多個(ge)電機所需(xu)的(de)(de)復雜算(suan)法。在(zai)許多情況(kuang)(kuang)下，這些設備(bei)還包括以太網(wang)、控(kong)(kong)(kong)制器(qi)局域(yu)網(wang)路(CAN) 總線或(huo)其(qi)他用(yong)(yong)于物聯(lian)網(wang)通信的(de)(de)接口。對(dui)(dui)于功率較低的(de)(de)應用(yong)(yong)，甚至(zhi)可以在(zai)單個(ge)封裝中(zhong)包含驅動(dong)中(zhong)等規模步進(jin)器(qi)、無刷 PMM (BLDC/BLAC) 或(huo)其(qi)他類(lei)型電機所需(xu)的(de)(de)最終輸出級。還可以對(dui)(dui)微(wei)程序控(kong)(kong)(kong)制器(qi)進(jin)行編程，以驅動(dong)其(qi)他類(lei)型的(de)(de)運(yun)動(dong)發生設備(bei)，如直(zhi)線驅動(dong)器(qi)和音圈。
【圖(tu) 2：嵌入式(shi)運(yun)動控制設(she)備在一個封裝內集成了高性(xing)能(neng)嵌入式(shi)處理、功能(neng)和電(dian)機(ji)驅動電(dian)路一單個器件內。許多嵌入式(shi)控制器還包(bao)含能(neng)用于實施分布式(shi)控制系統和支持物聯網/工業物聯網運(yun)行的通信(xin)功能(neng)。】
為了加速開發，這(zhe)些(xie)(xie)控制(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)通常(chang)有開源庫(ku)支持，開源庫(ku)為設(she)計人員提(ti)供(gong)了可以通過標(biao)準API 調用(yong)的(de)豐富(fu)功能集。這(zhe)些(xie)(xie)庫(ku)通常(chang)包(bao)(bao)含幾個常(chang)用(yong)電機控制(zhi)(zhi)(zhi)模式（轉(zhuan)矩、速率和位(wei)置(zhi)）的(de)算法(fa)，還包(bao)(bao)括扭矩控制(zhi)(zhi)(zhi)，即磁場定向控制(zhi)(zhi)(zhi) (FOC) 以及運動(dong)模式（位(wei)置(zhi)、速率和扭矩）的(de)算法(fa)。
應用
1.醫療產品
醫療(liao)器(qi)(qi)械是(shi)嵌(qian)入式(shi)運(yun)動控(kong)制(zhi)技(ji)術正在改變產品功能和(he)安全(quan)性預(yu)期(qi)的(de)(de)首要市場之(zhi)一。例如，輸(shu)液泵(beng)(beng)必須為患者(zhe)提(ti)供(gong)精確測量的(de)(de)穩定藥液流。帶(dai)物聯網功能的(de)(de)嵌(qian)入式(shi)控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)支(zhi)持在患者(zhe)床邊或通過(guo)集中(zhong)管(guan)理的(de)(de)應用程(cheng)序對這些(xie)泵(beng)(beng)進行編程(cheng)和(he)監(jian)控(kong)。同樣，可穿戴(dai)胰島素泵(beng)(beng)和(he)其他個人(ren)給藥設備中(zhong)使(shi)用的(de)(de)支(zhi)持物聯網的(de)(de)控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)能夠在支(zhi)持自主運(yun)行的(de)(de)同時將患者(zhe)的(de)(de)健(jian)康指(zhi)標實(shi)時提(ti)供(gong)給云端的(de)(de)分析應用程(cheng)序。
【圖 3：嵌(qian)入式運用控制技術將為個人醫療設備帶來更高的準確性(xing)、便利性(xing)和安全(quan)性(xing)。】
2.工業產品
工業(ye)自動(dong)化(hua)在(zai)嵌(qian)入(ru)式運(yun)動(dong)控(kong)制技術的(de)(de)(de)(de)早期就(jiu)已獲(huo)益。低成本、緊(jin)湊的(de)(de)(de)(de)電機(ji)(ji)(ji)控(kong)制器(qi)可以安裝在(zai)附近，甚至內置(zhi)在(zai)電機(ji)(ji)(ji)或驅動(dong)器(qi)。每個模塊的(de)(de)(de)(de)嵌(qian)入(ru)式控(kong)制器(qi)在(zai)本地執行大多數基本的(de)(de)(de)(de)運(yun)動(dong)控(kong)制功能(neng)(neng)，創建一(yi)個分布式控(kong)制體(ti)系(xi)結(jie)構，使(shi)智(zhi)能(neng)(neng)接近于將數據轉換為運(yun)動(dong)的(de)(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)。這一(yi)特點和控(kong)制器(qi)監控(kong)和記(ji)錄(lu)電機(ji)(ji)(ji)生(sheng)命跡象的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)力能(neng)(neng)夠(gou)讓(rang)嵌(qian)入(ru)式電機(ji)(ji)(ji)控(kong)制系(xi)統的(de)(de)(de)(de)響應能(neng)(neng)力更(geng)(geng)強，同時(shi)以更(geng)(geng)低的(de)(de)(de)(de)價格實(shi)現更(geng)(geng)高的(de)(de)(de)(de)速度和準(zhun)確性。
嵌入式運動控制器還(huan)能實(shi)時監(jian)視和(he)記錄(lu)電(dian)機及其(qi)驅動的(de)機械的(de)運行(xing)狀況，提高它們(men)應對(dui)故障(zhang)或警(jing)報條件的(de)速度(du)，在部分情況下，還(huan)能預測問題，以(yi)(yi)免造成(cheng)產品缺陷或成(cheng)本高昂的(de)宕機。簡單地說(shuo)，這包括持續跟蹤每個組件移動的(de)次數并將其(qi)與(yu)計劃對(dui)照，以(yi)(yi)確定是(shi)否進行(xing)調整、更(geng)換零件和(he)其(qi)他例行(xing)維護。此技(ji)術可以(yi)(yi)與(yu)從電(dian)機中收集的(de)信息(xi)相結合，查找機器某些部位過(guo)度(du)摩(mo)擦(ca)(ca)的(de)早期跡象，這些過(guo)度(du)摩(mo)擦(ca)(ca)可能很快就會引(yin)起更(geng)加嚴重、代價(jia)更(geng)高的(de)問題。
在這些應用中，控制器的嵌入式(shi)通(tong)信功能支持通(tong)過本(ben)地(di)應用程(cheng)序服務器跨局域網或通(tong)過云端應用程(cheng)序跨工(gong)業物聯網輕松監視和控制機器。
3.消費產品
高度的硅集成(cheng)及其(qi)帶來的嵌入(ru)式運動控制(zhi)組(zu)件的成(cheng)本(ben)降低正在促使這一技術(shu)走入(ru)越來越多(duo)的消費品(pin)市場新應用中。
部分(fen)示例如下：
高性(xing)能的智(zhi)能電(dian)動(dong)自行車(che)和電(dian)動(dong)踏板車(che)，它們更加經濟(ji)且能使用(yong)控制器將輸出驅(qu)動(dong)波(bo)與(yu)電(dian)機和所承受負載(zai)細致匹(pi)配從而更好地利用(yong)電(dian)池。
物聯網連接的智能家居，其特點是可以有效地遠程控制活動通風孔、百葉窗、監控攝像機和電器。
配備了(le)智能電機驅動器的(de)3D 打印機，驅動器使(shi)用復雜(za)的(de)波(bo)形算法提供更快的(de)速度和更高(gao)的(de)打印準確性，同(tong)時(shi)動態(tai)降(jiang)低產生的(de)噪音。
個人機器人，其硬件外圍設備(bei)中嵌入了時序要求(qiu)嚴格的功(gong)能，使(shi)得處理器可(ke)以供 AI 和用戶界(jie)面使(shi)用。
結論
嵌(qian)入(ru)式運(yun)動(dong)控制技(ji)術正在使數據轉化(hua)為運(yun)動(dong)的(de)過程(cheng)變得比(bi)以往(wang)更加(jia)簡單、更加(jia)具有成本(ben)效益。在此(ci)過程(cheng)中，它能幫助現(xian)有產品(pin)變得更好，讓新類(lei)別的(de)產品(pin)成為可能。
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