运动控制与自动化硬件趋势“，

我们生活在一个不断变化的世界，这一点在过去18个月里表现得最为明显。工作条件、产品需求、供应链和劳动力人口统计都在不断变化。运动控制正在改变以解决这些问题，无论是开发新的或改进的技术，还是现有技术正在从早期采用者领域转向更广泛的应用。观察这些趋势的最佳方法是将行业分为两类:

• 嵌入式运动-设备内部的运动控制通常是便携式的，尽管不一定是移动的(想想可重构的生产线和agv
• 工业自动化。大框架、大功率固定设备

每个类都有自己的一组需求，这催生了以下趋势:

嵌入式运动

在嵌入式运动中，电机、执行器、驱动电子设备甚至控制器都被组合在一个集成模块中。应用范围从植入式医疗设备或DNA测序仪等超紧凑仪器到卫星，其中最小化尺寸和重量是至关重要的。许多此类应用的关键字是SWaP -大小、重量和功耗。为了将所有这些因素最小化，供应商正在从多个角度解决问题。

小型化

嵌入式运动空间正在稳步向小型化和更高程度的功能发展(见图1)。实现这一目标需要重新思考整个设备架构。例如，可以移除不必要的电路吗?移动设备倾向于使用直流电源，这消除了对母线电容器和整流器的需求。努力的重点可能是重新划分系统，或者找到一种方法，使用单个子程序集来提供以前需要两个或三个子程序集的功能。

其结果是，这款设备的组件更少，更小更轻。需要认证的元素更少(有利于医疗和航空航天)，不合格的元素也更少。但不利的一面是，设备可能更难制造。它们通常包括堆叠设计和非常窄的导体和绝缘体。取放装配需要满足微米级公差。然而，公司正在以非常有效的解决方案应对这些挑战。

图1:嵌入式运动系统集成了压电电机、控制器和运动机构。(New Scale Technologies提供)

这些类型的设备可以在最小的占地面积内执行复杂的多轴定位。公司创始人兼首席执行官大卫•亨德森(David Henderson)表示:“在设备本身进行集成，而不是强迫在其他地方进行闭环控制，以及所有额外的布线和独立的电子组件，已经成为一个越来越重要的想法。新尺度机器人．“控制在设备内部。你只需要发送直流电源和移动到特定位置的数字命令。”

一个一体化的系统可以将CPU、控制器和放大器包括在一个即插即用的包中，以简化组装和最大限度地减少维护。或者，驱动器可以包含一个通用CPU，以便用户可以开发自定义代码来收集数据、预处理数据，然后打包数据。公司工程与战略副总裁Prabhakar Gowrisankaran表示:“特别是对于带宽受限的卫星应用，它们在卫星上能做的越多，用于做出明智的决策就越好性能运动设备．“我们看到，对于空间稀缺的应用，人们对这种一体式驱动器越来越感兴趣。”

集成解决方案的可用性可以显著加快上市时间，不仅提供硬件，还提供代码库和软件开发工具包(sdk)。乍一看，使用商用FPGA或DSP从头构建解决方案似乎是一种经济的方法，但这个过程可能比看起来更难。Gowrisankaran说:“他们从一组简单的需求开始，然后不断添加功能。”“他们意识到这是一项太复杂的工作。并不是说他们做不到，但现在需要九个月到一年的时间。如果他们买的是集成芯片，那么它就拥有所有当前的控制，控制算法，内置配置文件。然后你可以访问SDK，所以50%到70%的工作已经完成了。这是一个很大的价值主张。”

我们不应该离开小型化的话题，而不提醒大家，更小并不一定总是更好。在一定程度上，高度小型化需要定制，并且会限制输出功率。重点应该始终放在为应用程序服务上。这不是获得尽可能小的组件的问题，而是获得适合腔体并执行手头任务的组件的问题。

嵌入式运动并不总是涉及高度小型化的组件。它还可以采用集成组件的形式，例如包含螺旋桨或医用输液泵的无人机电机。特别是在医疗设备方面，OEM的核心专业知识通常在医疗诊断或治疗领域。运动控制是应用程序所必需的，但可能超出了他们的专业知识。集成组件外包自动化需求和供应链。

应用工程经理Carsten Horn说:“这些系统可能会变得非常复杂，材料清单也非常长，非常复杂。”maxon．“这促使客户要求的不仅仅是电机。他们可能会让供应商集成整个泵机制，包括编码器和电子设备。以前只卖零部件的供应商现在变得更像系统供应商。这是我们看到的一个主要趋势。”

工业自动化

工业自动化指的是经典的自动化，不仅包括工厂设备，还包括码头起重机等装置。工业自动化往往涉及更大的电机、更重的负载、更大的驱动器和更复杂的控制。他们通常对成本敏感，并利用更多的交钥匙解决方案。太空领域的趋势正是针对这些担忧。

低成本绝对编码器

增量编码器一直是工业世界的支柱。它们既简单又经济，但有一个缺点——在启动或断电后需要重新安置。故障后的重新定位最多是很耗时的。严重时，可能会影响产品质量或导致设备损坏。绝对编码器即使在断电和重启期间也保持绝对位置。对于专注于OEE的应用程序，无论是更高的吞吐量还是更大的质量输出量，切换到绝对反馈都会有所不同。

最大的障碍之一绝对编码器已经降低了成本，这将它们降级为高性能应用程序。最近，这种情况正在发生变化。从历史上看，绝对编码器可能比增量编码器贵一个数量级。如今，这种成本差异更像是原来的两倍甚至一半。“如果价格继续下降，即使是低成本的机器也可以充分利用降低的成本，”Scott Evans说，战略副总裁Kollmorgen．

“在过去的四五年里，我们已经看到了绝对编码器的潜在势头，但采用速度相当缓慢，”at工程副总裁Jeff Smoot说崔设备．“在过去的12到18个月里，我们开始看到更多的设计活动。”这在一定程度上是通过教育和代码库来平坦学习曲线的一致努力的结果。增量式编码器可能需要大量布线，但这种技术是熟悉的，并且存在一个由兼容控制器和驱动器组成的大型生态系统。斯穆特表示，绝对编码器供应链正在迎头赶上。与每比特需要两根导线的模拟绝对编码器不同，现在有了数字版本，可以显著降低布线成本和复杂性。工业自动化市场正在做出反应。

“我认为预测它的普及还为时过早。仍然有温度和振动限制需要解决，”埃文斯说。“它们目前还没有那种吸引力，但我预计在5年左右的时间里会有这种吸引力。”

直接传动电机

技术人员人口结构的变化正在加速其中一些趋势。机器语者们正带着他们数十年的经验退休。这导致了对预测性维护的更多关注，这已经得到了充分的证明。它还改变了硬件的选择。直驱电机有几个好处。作为无框架的汽车它们可以作为独立的转子和定子直接集成到机器中，用于创造更小、更轻和更创新的设计。他们也可作为住房，但空心孔设计。最后，还有所谓的盒式版本，例如用于直接驱动腹板和输送机，其中转子也是输送机的滚筒(见图2)。

直接驱动电机消除了联轴器和变速箱的需要，这两个因素可能导致过早故障。在许多情况下，它们消除了对轴承的需求，轴承也可能是维护密集型的，容易发生故障。

图2:在盒式直接驱动电机中，转子可以作为运动元件，与这些滚轮一样，消除了联轴器和齿轮箱的需要。(Kollmorgen提供)

多年来，直驱电机一直被用于高性能系统。Evans表示，由于维护能力的降低，直接驱动电机作为一种更可靠的方法，可以降低总拥有成本(TCO)，受到了更多的考虑。埃文斯说:“因此，你开始看到一种趋势，即在应用程序中直接驱动，而在历史上，这纯粹是因为价格。”“但他们开始再次意识到，如果我是OEM，我拥有机器的正常运行时间，我必须选择耐用的组件。因此，历史上没有使用过直接驱动的原始设备制造商开始意识到它的好处。”

与所有技术一样，直驱电机也有其局限性。虽然它们可以用于手术机器人等应用，但尺寸越小，它们所能产生的扭矩就越小。

分散控制

在硬盘中植入智能允许分散控制并不新鲜，但这是一种稳步获得动力的方法。对于涉及高轴数的工业自动化应用，分散控制可以减少布线和减小机柜尺寸。

埃文斯说，分散控制在工业应用中越来越受欢迎。他指出:“越来越多的原始设备制造商正试图将驱动器安装到机器上，特别是如果机器需要更长的加工过程。”例如橡胶和钢，瓦楞机械-基本上任何应用涉及物理长机器或多台机器紧密串联在一起。“去中心化的想法，至少将驱动器的放大部分从机柜中移出(对于这些类型的设备)，已经成为一个大趋势，”埃文斯说。“你会看到这些驱动器变得越来越智能，连接到上游电源，然后将信息发送到控制系统。”

拥有现有机器设计的原始设备制造商可能仍然倾向于进行增量改进，更换面板中的驱动器，而不是对自动化架构进行重大更改。但是(di/dt & dv/dt)在20kHz时切换电机功率，然后沿100米电缆运行PWM信号的问题是EMI/RFI:即使是屏蔽良好的电缆也可以像天线一样发挥作用，干扰工业环境中越来越多使用的敏感设备。“如果你将直流电压(甚至50hz或60hz交流电压)发送到这些驱动器，或者通过CAT 5或CAT 7电缆进行以太网通信，那么辐射噪音就会小得多:从驱动器到电机的电缆现在要短得多。”

正如最近所指出的驱动器的文章，分布式控制往往具有较低的轴数或更有限的同步级别的最佳点。与您的供应商讨论应用程序的最佳方法。

更强大的控制器

另一方面，某些计算量很大的高度同步应用程序，如机床，需要非常强大的集中控制器．在机床中，切削刀具在零件移动的同时旋转。由于安装过程中引入的变化，工具长度在不同机器之间甚至同一机器内部都不相同，特别是如果工具更换是手动完成的。该工具可能需要保持在一个特定的角度表面，这可能是弯曲的。

用一百万个点定义的曲线编程工具只是一个开始。将工具从一个点移动到另一个点将导致不合格的零件完成。同时，机器需要在精度和速度之间取得平衡。控制器需要执行回归以生成用于移动的多项式工具和操作需要实时进行。这个过程是高度计算密集型的，特别是随着部分复杂性的增加。

Sinumerik CNC生产线产品经理Tiansu Jing表示:“对于数控机床，计算能力的要求越来越高西门子．不过，他认为这是更大趋势的一部分。“我认为这与工厂自动化类似，plc必须完成许多运动控制任务，而不仅仅是逻辑控制。如果你想让它更灵活，你就必须把灵活性交给客户，并在控制器本身进行更多的计算。我认为这是一个重要的趋势，即所需的计算能力。”

模块化

疫情暴露出的供应链漏洞，导致食物链上下游的公司不仅要重新评估他们的供应商，还要重新评估他们采购的产品的设计。特定于应用的子系统，如agv的牵引驱动器，仍然具有节省和减少劳动力的潜力。例如，依赖于特定ic的高级集成可能会出现重大问题，正如最近的中断所显示的那样。

人们的反应是在适当的时候向更模块化的设计转变。“每个人都开始重新思考他们的单一来源在哪里，以及他们是否应该这样做。”如果这个问题的答案是＇’那么你就会看到模块化的趋势，”埃文斯说。目标是简化定制，同时也避免单一采购的危险。目前的情况是由一代人的大流行引起的，但破坏并不新鲜，因为组织需要构建他们的产品和采购以做好准备。

Evans补充道:“我们开始看到公司重新设计其ipc的核心计算引擎，控制和驱动器到自己的模块中。”“没有客户可以得到的东西。没有什么东西可以在现场交换，但如果他们当前的供应商突然不能或不愿向他们提供组件，他们可能会从英特尔(Intel)转向AMD。”

模块化趋势在工业自动化滑道上比嵌入式运动控制方面更强。更换芯片并不像听起来那么容易——不同IC的引脚经常不同，所以不能直接插进去。模块化设计可能需要某种夹层板以方便交换，工业设备更有可能拥有额外的空间来支持这种级别的模块化。嵌入式运动应用程序往往对尺寸、重量和成本更加敏感。更高层次的集成是他们核心价值主张的一部分，所以他们可能无法强烈地关注模块化设计。

运动控制技术具有固有的适应性，不仅能适应不同的运动需求，还能适应不断变化的市场、经济和环境需求。重点不仅仅是提供提高性能和可靠性的技术。运动控制生态系统认识到，他们的技术的根本作用是帮助最终用户和原始设备制造商更快地将更好的产品推向市场。为此，将继续努力使这些技术更易于使用，并更好地为客户社区量身定制。许多产品的设计周期可能很长。现在是开始调查选择的时候了。