在早期，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）在很大程度上充當(dāng)了基于云的服務(wù)的“眼睛和耳朵”，從傳感器，攝像機(jī)和居住在物理世界的其他輸入設(shè)備收集數(shù)據(jù)，而不太強(qiáng)調(diào)操縱或控制它監(jiān)控的事情。支持物聯(lián)網(wǎng)的自動化和機(jī)器人應(yīng)用已開始融合，但其成本通常限制了它們在高端工業(yè)和商業(yè)市場的使用。然而，最近，嵌入式運(yùn)動控制設(shè)備已經(jīng)開始開發(fā)智能，安全，低成本的機(jī)動產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可以用同樣能力的手臂和手來補(bǔ)充物聯(lián)網(wǎng)的眼睛和耳朵。

什么是嵌入式運(yùn)動控制？

術(shù)語“嵌入式運(yùn)動控制”指的是高度集成的設(shè)備，其在單個設(shè)備內(nèi)體現(xiàn)精確的電機(jī)控制，高性能計(jì)算以及在許多情況下的通信能力。這是嵌入式計(jì)算的下一個發(fā)展階段，始于20世紀(jì)70年代后期，當(dāng)時低成本單片微控制器的出現(xiàn)使得從微波爐和兒童玩具到收銀機(jī)和醫(yī)療設(shè)備的各種智能都成為可能?，F(xiàn)代汽車所帶來的大部分效率提升都是通過嵌入式計(jì)算實(shí)現(xiàn)的。

近二十年后，互聯(lián)網(wǎng)，無線數(shù)據(jù)和更高水平的硅集成的興起為嵌入式連接帶來了日常用品，如浴室秤，健身監(jiān)視器和家庭娛樂設(shè)備。嵌入式連接還在一些電動消費(fèi)產(chǎn)品中得到應(yīng)用，例如Roomba清潔機(jī)器人。遺憾的是，單獨(dú)的MCU，電機(jī)控制器和模擬電機(jī)驅(qū)動器組件的成本以及開發(fā)電機(jī)控制軟件的復(fù)雜性意味著連接的運(yùn)動控制主要用于制造自動化和其他工業(yè)應(yīng)用。

提高集成度有助于降低運(yùn)動控制平臺的成本和組件數(shù)量，使其只需要通用MCU和少數(shù)模擬組件來實(shí)現(xiàn)完整的解決方案(圖1):

(圖1):Trinamic TMC4671芯片,帶有外部MCU的集成電機(jī)控制解決方案。將動作控制要求進(jìn)一步集成到軟件中不僅可以實(shí)現(xiàn)更小的電子設(shè)備，還可以卸載MCU的實(shí)時關(guān)鍵任務(wù)。*

最近，嵌入式運(yùn)動控制器已經(jīng)出現(xiàn)，它將這些功能與功能強(qiáng)大的MCU集成在一起（圖2）。在大多數(shù)情況下，片上處理器具有足夠的計(jì)算能力，可支持精確控制一個或多個電機(jī)所需的復(fù)雜算法。在許多情況下，這些設(shè)備還包括以太網(wǎng)，CAN總線或用于物聯(lián)網(wǎng)通信的其他接口。對于低功率應(yīng)用，單個封裝甚至可以包含驅(qū)動中等尺寸步進(jìn)電機(jī)，無刷PMM（BLDC / BLAC）或其他類型電機(jī)所需的最終輸出級。MCU還可以編程為驅(qū)動其他類型的運(yùn)動產(chǎn)生設(shè)備，例如線性致動器和音圈。

為了加速開發(fā)，這些控制器通常由固件庫支持，這些固件庫為設(shè)計(jì)人員提供了一組可通過標(biāo)準(zhǔn)API調(diào)用的豐富功能。這些庫通常包括用于幾種常見電機(jī)控制模式（轉(zhuǎn)矩，速度和位置）的算法，用于轉(zhuǎn)矩控制，即磁場定向控制（FOC）和運(yùn)動模式（例如異形位置，異形速度和異形轉(zhuǎn)矩）。

應(yīng)用領(lǐng)域

醫(yī)療產(chǎn)品

醫(yī)療設(shè)備是嵌入式運(yùn)動控制正在改變對產(chǎn)品能力和安全性的期望的首批市場之一。例如，輸液泵必須向患者提供穩(wěn)定流量的精確計(jì)量的治療劑。具有物聯(lián)網(wǎng)功能的嵌入式控制器可以在患者床邊或集中管理應(yīng)用程序中對這些泵進(jìn)行編程和監(jiān)控。同樣，可穿戴式胰島素泵和其他個人藥物輸送設(shè)備中使用的支持物聯(lián)網(wǎng)的控制器可以支持自主操作，同時為基于云的分析應(yīng)用程序?qū)崟r提供患者的健康指標(biāo)。

工業(yè)產(chǎn)品

工業(yè)自動化一直是嵌入式運(yùn)動控制的早期受益者。低成本，緊湊型電機(jī)控制器可靠近或甚至內(nèi)置于電機(jī)或執(zhí)行器中。每個模塊的嵌入式控制器在本地執(zhí)行大多數(shù)基本運(yùn)動控制功能，創(chuàng)建一個分布式控制架構(gòu)，使智能接近數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為運(yùn)動的點(diǎn)。這一點(diǎn)，以及控制器監(jiān)控和記錄其電機(jī)生命體征的能力，使嵌入式運(yùn)動控制系統(tǒng)更具響應(yīng)性，并以更低的價(jià)格提供更高的速度和準(zhǔn)確性。

嵌入式運(yùn)動控制器還可以實(shí)時監(jiān)控和記錄電機(jī)及其驅(qū)動的機(jī)器的運(yùn)行狀況，使其能夠更快地對故障或報(bào)警條件做出反應(yīng)，并在某些情況下預(yù)先解決問題，避免造成產(chǎn)品缺陷或代價(jià)高昂的停機(jī)時間。最簡單的是，這包括跟蹤每個子組件的移動次數(shù)，并將其與調(diào)整，部件更換和其他日常維護(hù)的時間表進(jìn)行比較。這可以與從電機(jī)收集的信息相結(jié)合，以尋找機(jī)制中某處的過度摩擦的早期指示，這可能很快導(dǎo)致更嚴(yán)重和昂貴的問題。

在這些應(yīng)用中，控制器的嵌入式通信功能使機(jī)器能夠通過本地應(yīng)用服務(wù)器或通過基于云的應(yīng)用程序跨越IIoT輕松地監(jiān)控和控制。

消費(fèi)產(chǎn)品

高水平的硅集成以及由此帶來的嵌入式運(yùn)動控制組件的低成本正在幫助該技術(shù)在消費(fèi)者市場中找到越來越多的新應(yīng)用。

一些例子包括：

• 智能，高性能的電動自行車和電動滑板車更實(shí)惠，可以使用精確匹配輸出驅(qū)動波與電機(jī)及其負(fù)載的控制器，從電池中擠出更多產(chǎn)品。
• 物聯(lián)網(wǎng)連接智能家居，具有高效的遙控活動通風(fēng)口，窗簾，監(jiān)控?cái)z像頭和電器。
• 3D打印機(jī)配備智能電機(jī)驅(qū)動器，使用復(fù)雜的波形整形算法，提供更快的速度和品脫精度，同時大大降低它們產(chǎn)生的噪音。
• 具有時間關(guān)鍵功能的個人機(jī)器人嵌入在硬件外圍設(shè)備中，使處理器可用于AI和用戶界面。

結(jié)論

嵌入式運(yùn)動控制使數(shù)據(jù)運(yùn)動變得更容易，更具成本效益。通過這樣做，它有助于使現(xiàn)有產(chǎn)品更好，并使新類別的產(chǎn)品成為可能。