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)是嵌入式運動控制？
“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(da)約二十(shi)(shi)年后，互聯(lian)網、無線數(shu)據和(he)(he)更高水平的(de)硅集成的(de)興起將嵌入(ru)(ru)式(shi)連接引入(ru)(ru)日常(chang)物品中，如體重秤(cheng)、健康監視器和(he)(he)家庭娛樂(le)設備(bei)。嵌入(ru)(ru)式(shi)連接還(huan)應用(yong)(yong)到(dao)了部(bu)分(fen)機動消(xiao)費(fei)產品中，例如Roomba 清潔機器人。不幸的(de)是，彼(bi)此(ci)分(fen)離的(de)微控制(zhi)器 (MCU)、電機控制(zhi)器和(he)(he)模擬電機驅動組件(jian)的(de)成本高昂，且開發電機控制(zhi)軟(ruan)件(jian)十(shi)(shi)分(fen)復(fu)雜，這意(yi)味著聯(lian)網的(de)運(yun)動控制(zhi)技術只能主要(yao)用(yong)(yong)于制(zhi)造(zao)自動化和(he)(he)其他工(gong)業應用(yong)(yong)。
由于集成程(cheng)度的(de)不(bu)斷加深，運動控(kong)制(zhi)平臺組件(jian)的(de)成本和(he)數量降低至只需要通(tong)用微程(cheng)序控(kong)制(zhi)器和(he)少(shao)量模擬組件(jian)即(ji)可實(shi)現完整解決方案的(de)程(cheng)度（圖(tu) 1）。
【圖(tu) 1：帶外部微程序控(kong)制器的集成電機控(kong)制解決(jue)方案。在(zai)軟(ruan)件中進一步集成運動控(kong)制要求(qiu)不(bu)僅(jin)可以實(shi)現更小的電子器件，還能將需要大量(liang)實(shi)時運算的工作從(cong)MCU解放出來。】
最近，嵌入式(shi)運(yun)動控(kong)制(zhi)(zhi)器已經問世，它將這(zhe)些功(gong)能與強大(da)的(de)(de)微程序(xu)控(kong)制(zhi)(zhi)器集成（圖 2）。在(zai)(zai)大(da)部分情況下(xia)，片上處(chu)理器有足夠的(de)(de)計(ji)算能力支(zhi)持(chi)精(jing)確控(kong)制(zhi)(zhi)一個或多個電(dian)機所需的(de)(de)復雜(za)算法(fa)。在(zai)(zai)許多情況下(xia)，這(zhe)些設(she)備還包括以(yi)太網、控(kong)制(zhi)(zhi)器局域網路(lu)(CAN) 總線或其他(ta)用(yong)于(yu)物聯(lian)網通信的(de)(de)接口。對于(yu)功(gong)率較低的(de)(de)應(ying)用(yong)，甚(shen)至可以(yi)在(zai)(zai)單(dan)個封裝中包含驅(qu)動中等規(gui)模步進器、無刷 PMM (BLDC/BLAC) 或其他(ta)類(lei)型電(dian)機所需的(de)(de)最終輸出級。還可以(yi)對微程序(xu)控(kong)制(zhi)(zhi)器進行編(bian)程，以(yi)驅(qu)動其他(ta)類(lei)型的(de)(de)運(yun)動發(fa)生設(she)備，如直線驅(qu)動器和音圈。
【圖 2：嵌入式(shi)(shi)運(yun)動控制設備在一個(ge)封裝內集(ji)成了高性能(neng)(neng)嵌入式(shi)(shi)處(chu)理、功能(neng)(neng)和(he)電機驅動電路(lu)一單(dan)個(ge)器件內。許多嵌入式(shi)(shi)控制器還包含能(neng)(neng)用于(yu)實施分布式(shi)(shi)控制系統和(he)支持(chi)物(wu)(wu)聯網(wang)/工業物(wu)(wu)聯網(wang)運(yun)行的(de)通信功能(neng)(neng)。】
為了(le)(le)加速開(kai)發，這些控(kong)制(zhi)器(qi)通常有開(kai)源(yuan)庫支(zhi)持，開(kai)源(yuan)庫為設計人員提(ti)供了(le)(le)可以通過標準(zhun)API 調用(yong)的(de)豐富(fu)功能集。這些庫通常包含幾個(ge)常用(yong)電機控(kong)制(zhi)模式(shi)（轉矩(ju)、速率(lv)和位置(zhi)）的(de)算法(fa)，還包括(kuo)扭(niu)矩(ju)控(kong)制(zhi)，即磁場定(ding)向控(kong)制(zhi) (FOC) 以及運動模式(shi)（位置(zhi)、速率(lv)和扭(niu)矩(ju)）的(de)算法(fa)。
應用(yong)
1.醫療產品
醫(yi)療器(qi)械(xie)是(shi)嵌(qian)(qian)入式運動控(kong)(kong)制(zhi)技(ji)術正(zheng)在改變產品功能(neng)(neng)和安全性預期的(de)(de)(de)首要市(shi)場之(zhi)一。例如，輸液泵(beng)必須為患(huan)者(zhe)提(ti)供精確測量的(de)(de)(de)穩(wen)定藥液流。帶物聯(lian)網功能(neng)(neng)的(de)(de)(de)嵌(qian)(qian)入式控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)支持在患(huan)者(zhe)床邊或通過集中管理的(de)(de)(de)應用程序對這些泵(beng)進行(xing)編程和監控(kong)(kong)。同樣，可穿戴胰島(dao)素泵(beng)和其他(ta)個人給藥設(she)備中使用的(de)(de)(de)支持物聯(lian)網的(de)(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)能(neng)(neng)夠在支持自主運行(xing)的(de)(de)(de)同時(shi)(shi)將患(huan)者(zhe)的(de)(de)(de)健(jian)康指標實時(shi)(shi)提(ti)供給云端的(de)(de)(de)分析應用程序。
【圖 3：嵌入(ru)式運用控制技術將為個(ge)人醫療設備帶來(lai)更高的準確性、便利性和安全性。】
2.工業產品
工業(ye)自動(dong)化在(zai)嵌(qian)入(ru)式運動(dong)控制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技術的早期就已獲益。低成本(ben)、緊湊(cou)的電機(ji)控制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)可(ke)以安裝在(zai)附(fu)近，甚至內置在(zai)電機(ji)或(huo)驅動(dong)器(qi)。每個模塊的嵌(qian)入(ru)式控制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)在(zai)本(ben)地(di)執行大多數基本(ben)的運動(dong)控制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)功能(neng)，創建一(yi)個分布式控制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)體系結構，使智(zhi)能(neng)接(jie)近于將數據轉換為運動(dong)的位置。這一(yi)特點和(he)(he)控制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)監控和(he)(he)記錄(lu)電機(ji)生命跡象的能(neng)力能(neng)夠(gou)讓嵌(qian)入(ru)式電機(ji)控制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)系統的響應(ying)能(neng)力更強(qiang)，同時以更低的價格(ge)實現(xian)更高的速度和(he)(he)準(zhun)確性。
嵌(qian)入式運動控(kong)制器還能實時監(jian)視和記(ji)錄電(dian)機(ji)(ji)(ji)及其驅動的(de)機(ji)(ji)(ji)械的(de)運行(xing)狀況，提高(gao)(gao)它們應(ying)對故障或(huo)警報條(tiao)件(jian)的(de)速度，在部分情況下(xia)，還能預測問題(ti)，以(yi)免造成(cheng)產品缺陷或(huo)成(cheng)本高(gao)(gao)昂(ang)的(de)宕機(ji)(ji)(ji)。簡單地(di)說，這(zhe)包括(kuo)持續跟蹤(zong)每個組件(jian)移動的(de)次數并將其與計劃對照(zhao)，以(yi)確定是否進行(xing)調整、更(geng)換(huan)零(ling)件(jian)和其他例(li)行(xing)維護。此技術可(ke)以(yi)與從電(dian)機(ji)(ji)(ji)中收集的(de)信息(xi)相結合，查找機(ji)(ji)(ji)器某些部位過度摩(mo)擦的(de)早期跡(ji)象，這(zhe)些過度摩(mo)擦可(ke)能很快就會引(yin)起更(geng)加嚴重、代價更(geng)高(gao)(gao)的(de)問題(ti)。
在這些應用(yong)(yong)中，控制器的嵌入式通信功能支持(chi)通過本地(di)應用(yong)(yong)程序服務器跨局(ju)域網(wang)或(huo)通過云端應用(yong)(yong)程序跨工業物(wu)聯網(wang)輕松監(jian)視和控制機器。
3.消費產品
高度的(de)硅集成(cheng)及其帶來的(de)嵌(qian)入(ru)式運動(dong)控制組件的(de)成(cheng)本(ben)降低(di)正在促使這(zhe)一技術走入(ru)越(yue)來越(yue)多(duo)的(de)消費品市場新應用中(zhong)。
部分示例(li)如下：
高性能(neng)的(de)智(zhi)能(neng)電動自行車(che)和(he)電動踏板車(che)，它們更(geng)加經濟且(qie)能(neng)使用控制(zhi)器將輸出驅動波與電機和(he)所(suo)承受(shou)負載細致匹配(pei)從而更(geng)好(hao)地(di)利用電池(chi)。
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。
配備了智能電機(ji)驅動(dong)器的3D 打印機(ji)，驅動(dong)器使用復雜的波形算法(fa)提供更(geng)快的速度和更(geng)高的打印準確性(xing)，同時(shi)動(dong)態降(jiang)低(di)產(chan)生(sheng)的噪(zao)音。
個人機(ji)器人，其硬(ying)件外圍設備(bei)中嵌入了時序要(yao)求嚴(yan)格(ge)的(de)功能，使(shi)得處理(li)器可以供(gong) AI 和用(yong)戶界面使(shi)用(yong)。
結論(lun)
嵌入(ru)式運動控制技術正(zheng)在(zai)使(shi)數(shu)據轉化為運動的(de)過(guo)程變得(de)比以往更(geng)加簡(jian)單、更(geng)加具(ju)有(you)成本效益。在(zai)此過(guo)程中，它能(neng)幫助現(xian)有(you)產品變得(de)更(geng)好(hao)，讓(rang)新類別的(de)產品成為可能(neng)。
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