【導(dǎo)讀】從中國(guó)大唐王朝盛行的胡旋舞，到今天全球共賞、傾倒世界幾個(gè)世紀(jì)的芭蕾舞，旋轉(zhuǎn)都是舞蹈美學(xué)與藝術(shù)的重要組成部分。舞者衣袂飄飄，旋轉(zhuǎn)中姿態(tài)萬(wàn)千百媚竟生，提高了整個(gè)舞蹈的審美性、觀賞性。舞者的旋轉(zhuǎn)讓這個(gè)物理世界的基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)帶來(lái)藝術(shù)的升華。現(xiàn)代科學(xué)對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的研究，則為動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)帶來(lái)了百年工業(yè)革命，以電動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的動(dòng)力設(shè)備成為現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)。
如今，電機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)、醫(yī)療、智能化家居、IoT、交通、辦公……無(wú)所不及，深入到生活的方方面面。舞蹈旋轉(zhuǎn)的藝術(shù)性把控是舞者藝術(shù)與美學(xué)表現(xiàn)的精進(jìn)，對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的把控，則正在將科技的智慧給生活帶來(lái)更多的便利與舒適。特別是數(shù)字化進(jìn)程中的今天，數(shù)字信息可以轉(zhuǎn)化為精確的物理運(yùn)動(dòng)，以前不可行的場(chǎng)景逐漸變成現(xiàn)實(shí)，先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、增材制造、假肢和IIoT等等。正如舞者優(yōu)美的旋轉(zhuǎn)舞動(dòng)需要長(zhǎng)年累月的訓(xùn)練功底一樣，有效地將數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為完美的物理旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)面臨諸多挑戰(zhàn)：它需要優(yōu)化的軟件和硬件組件以?xún)?yōu)化性能；需要盡量低的功耗，以實(shí)現(xiàn)更持久的電池壽命周期以及更低的發(fā)熱；盡可能少的軟件工作量，以縮短產(chǎn)品投放到市場(chǎng)的時(shí)間；盡可能高的集成度，以提升產(chǎn)品的穩(wěn)定性……事實(shí)上，這也正是高性能半導(dǎo)體解決方案提供商ADI公司的Trinamic電機(jī)運(yùn)動(dòng)與控制解決方案這些年達(dá)成的關(guān)鍵目標(biāo)，該公司多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新推動(dòng)了電機(jī)應(yīng)用的突破。
電機(jī)在假肢上的應(yīng)用，以科技之美輔助再現(xiàn)生命運(yùn)動(dòng)之美。（蘇黎世舉辦的全球半機(jī)械人奧運(yùn)會(huì)Cybathlon上，基于ADI Trinamic電機(jī)控制技術(shù)的全球第一款具有兩個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)的義肢）
如何“優(yōu)雅”地傳送一杯啤酒？這背后的技術(shù)“訣竅”很重要
舞者旋轉(zhuǎn)動(dòng)作變換行云流水而優(yōu)雅萬(wàn)狀，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)如何自如可控呢？下圖是ADI Trinamic演示的相較普通的電機(jī)運(yùn)動(dòng)移動(dòng)啤酒杯導(dǎo)致啤酒溢出（圖b.），利用ADI Trinamic “S”形斜坡加速曲線在兩點(diǎn)之間快速移動(dòng)一個(gè)裝滿啤酒的玻璃杯（圖a.），而不會(huì)溢出一滴啤酒。看似簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)比，其實(shí)背后的技術(shù)對(duì)很多應(yīng)用領(lǐng)域非常關(guān)鍵，同樣的原理也適用于醫(yī)學(xué)研究或其他液體處理應(yīng)用中使用的機(jī)器人等等，從組織分析到血液離心和液體處理的各種應(yīng)用，快速、平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)控制提供了簡(jiǎn)單的解決方案。
通過(guò)電機(jī)運(yùn)動(dòng)快速移動(dòng)一個(gè)裝滿啤酒的玻璃杯的效果對(duì)比。
對(duì)這類(lèi)應(yīng)用而言，想要電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，設(shè)計(jì)一套好的運(yùn)動(dòng)控制軌跡曲線，相當(dāng)于完美的運(yùn)動(dòng)控制完成了一半。電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線包括梯形曲線和S型曲線，相較于梯形曲線，S型曲線更加平穩(wěn)，克服了前者加速度突變的不利因素，能夠更有效地減小沖擊。ADI Trinamic將傳統(tǒng)軟件算法通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而節(jié)省CPU的負(fù)擔(dān)，讓原本結(jié)構(gòu)復(fù)雜的S型曲線變得易于實(shí)現(xiàn)，減輕了生產(chǎn)研發(fā)的工作量。
電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線包括梯形曲線和S型曲線，相較于梯形曲線，S型曲線更加平穩(wěn)
ADI Trinamic在對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)上擁有的StealthChopTM和CoolStepTM兩大技術(shù)專(zhuān)利，通過(guò)不斷調(diào)整機(jī)械臂的加速和減速率，避免了速度曲線中突出點(diǎn)來(lái)減少系統(tǒng)的抖動(dòng)，“S”形斜坡使其能夠達(dá)到更高的速度，并且仍然能精確地到達(dá)其下一個(gè)位置，對(duì)其有效載荷的干擾最小，讓步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，更加節(jié)能高效，這些算法還可以幫助工業(yè)物料運(yùn)輸車(chē)快速、高效地移動(dòng)重型載荷。在沒(méi)有反饋裝置的情況下，步進(jìn)電機(jī)仍可以實(shí)現(xiàn)速度控制和定位控制，具有剛性好、可靠性高、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)線傳輸、雕刻、紡織、安防、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
此外，在高速場(chǎng)合，BLDC（無(wú)刷直流電機(jī)）和PMSM（永磁同步電動(dòng)機(jī)）等伺服電機(jī)更具優(yōu)勢(shì)。FOC（磁場(chǎng)定向控制）是目前伺服控制當(dāng)中效率最高的控制方式，ADI Trinamic基于硬件的空間磁場(chǎng)矢量控制能夠精確地控制磁場(chǎng)大小與方向，使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、噪聲小、響應(yīng)迅速，提高了電機(jī)效率和精度。
“動(dòng)如脫兔，靜如處子”，電機(jī)應(yīng)用如何“動(dòng)靜皆宜”？
一如舞蹈的美學(xué)，快速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)之美與輕緩動(dòng)作變換下的柔美，或者戛然而止的靜美，帶來(lái)不一樣的藝術(shù)觀感。在電機(jī)應(yīng)用中，一樣有很多領(lǐng)域需要“動(dòng)靜皆宜”——特別是在辦公、居家、醫(yī)療等場(chǎng)景下，人們傳統(tǒng)印象中電機(jī)吵雜的特點(diǎn)讓人欲避而遠(yuǎn)之，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的靜音特性非常重要。
以當(dāng)前日益普及的3D打印為例，這類(lèi)輕巧便利的設(shè)備主要應(yīng)用于辦公室等非傳統(tǒng)工業(yè)制造廠房的環(huán)境，動(dòng)輒數(shù)小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，任何噪聲都會(huì)引起非常負(fù)面的體驗(yàn)。對(duì)噪聲的焦慮已經(jīng)成為這個(gè)行業(yè)共同的話題：“3D打印機(jī)聲音很大，做任何有效率的事情時(shí)，很難與它們?cè)谕粋€(gè)房間里。”；“當(dāng)以低速打印時(shí)，整個(gè)東西都會(huì)振動(dòng)并發(fā)出噪音。”；“我沒(méi)想到他們會(huì)這么吵，這正常嗎？”……這些只是業(yè)界知名的3D打印開(kāi)源社區(qū)RepRap論壇上的一小部分投訴，大家希望尋找3D打印靜音電機(jī)控制的最佳解決方案。事實(shí)上，在清靜的病房病人也不能容忍輸液泵電機(jī)發(fā)出明顯的噪聲，同樣居家中你也很難忍受掃地機(jī)在室內(nèi)清掃時(shí)討厭的嗡嗡聲，同樣人們對(duì)設(shè)備安靜工作訴求的場(chǎng)景還出現(xiàn)在視頻會(huì)議、智能家居以及實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化和桌面型CNC設(shè)備。
所有這些應(yīng)用都無(wú)例外的大量使用了步進(jìn)電機(jī)。然而，步進(jìn)器的缺點(diǎn)是噪音很大，由于震動(dòng)而導(dǎo)致噪音，尤其在低速或靜止時(shí)更是如此。步進(jìn)電機(jī)有兩個(gè)主要的振動(dòng)源：步進(jìn)分辨率，以及斬波器和脈沖寬度調(diào)制(PWM)模式導(dǎo)致的副作用。
第一臺(tái)使用Android的3D打印機(jī)，基于具有StealthChop靜音運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的解決方案，意味著3D打印機(jī)可以融入任何家庭或辦公室。
全步或半步等低分辨率步進(jìn)模式是步進(jìn)電機(jī)的主要噪聲源。它們引入了巨大的振動(dòng)，特別是在低速和接近某些共振頻率時(shí)。為了減少這些振動(dòng)，可以應(yīng)用一種稱(chēng)為微步細(xì)分機(jī)制，將一個(gè)完整的步驟分成更小的微步數(shù)，最大分辨率由驅(qū)動(dòng)器的A/D和D/A功能定義。ADI Trinamic的步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器允許使用每整步高達(dá)256（8位）微步，使用芯片的集成可配置正弦波表甚至完全自定義電流波形，使電機(jī)轉(zhuǎn)子以更小的角度或更短的距離步進(jìn)，在驅(qū)動(dòng)一些劣質(zhì)步進(jìn)電機(jī)時(shí)，ADI Trinamic為用戶(hù)開(kāi)放內(nèi)部細(xì)分表自動(dòng)調(diào)整的功能。
另一個(gè)噪聲和振動(dòng)源源自步進(jìn)電機(jī)通常使用的傳統(tǒng)斬波器和PWM模式。由于粗步進(jìn)分辨率的主要影響，這些模式的寄生效應(yīng)常常被忽略。但隨著使用微步進(jìn)提高步進(jìn)分辨率，這些寄生效應(yīng)變得更明顯甚至可以被聽(tīng)見(jiàn)。先進(jìn)的電流控制PWM斬波模式比如SpreadCycle?，在慢速和快速衰減器之間自動(dòng)配置一個(gè)磁滯衰減功能，平均電流反應(yīng)了配置的正常電流，在正弦的過(guò)零點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)渡期，這就減少電流和力矩的波動(dòng)，使電流波形更加接近正弦波，相比傳統(tǒng)恒定斬波模式，SpreadCycle PWM斬波模式控制下的電機(jī)運(yùn)行得要平穩(wěn)、平滑很多，可以達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)電機(jī)控制。
基于ADI Trinamic電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)方案使系統(tǒng)的機(jī)電致動(dòng)器完全靜音實(shí)現(xiàn)高保真Dereneville DTT-01-S 有源線性跟蹤唱機(jī)設(shè)計(jì)
即使使用像SpreadCycle這樣的電流控制斬波器模式，由于電機(jī)線圈差異、檢測(cè)電阻上幾毫伏的調(diào)節(jié)噪聲和PWM抖動(dòng)，仍然會(huì)產(chǎn)生一點(diǎn)點(diǎn)可聽(tīng)噪聲和振動(dòng)。基于電壓斬波技術(shù)的StealthChop通過(guò)根據(jù)PWM占空比調(diào)制電流來(lái)克服這一問(wèn)題，從而產(chǎn)生完美的電流正弦波。除了電機(jī)軸承鋼球磨擦的聲音是無(wú)法避免的之外，StealthChop可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在極度的靜音下，實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)聲音在10dB以下，噪音大大低于傳統(tǒng)電流控制方式。
能耗大戶(hù)如何撐起“雙碳”世界的未來(lái)？
根據(jù)國(guó)際能源署的數(shù)據(jù)，電機(jī)占全球總電力消耗的45%，因此基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電子產(chǎn)品的可靠性和能效，不僅對(duì)各種應(yīng)用的舒適性、便利性產(chǎn)生直接影響，還對(duì)世界環(huán)境可持續(xù)性產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在全球雙碳目標(biāo)壓力下，能耗“大戶(hù)”電機(jī)的低能耗技術(shù)將成為撐起“雙碳”世界的關(guān)鍵力量。
電機(jī)能耗通常取決于驅(qū)動(dòng)電流控制，這也是電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制低功耗優(yōu)化的關(guān)鍵著力點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)在沒(méi)有反饋的情況下，系統(tǒng)始終假定電機(jī)按設(shè)定電流運(yùn)行。常規(guī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流都是恒定的電流，也就是說(shuō)電機(jī)的功耗都是恒定的，無(wú)論負(fù)載大或小，它的驅(qū)動(dòng)電流保持一樣。事實(shí)上，在很多應(yīng)用場(chǎng)景負(fù)載變化是非常頻繁的，低負(fù)載大功耗使得能源無(wú)意義浪費(fèi)。電機(jī)的閉環(huán)運(yùn)行可以有效提高應(yīng)用的效率和整體性能，通過(guò)在電機(jī)待機(jī)時(shí)降低電流并在負(fù)載條件下增加電流。然而，如果要對(duì)負(fù)載進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的閉環(huán)控制，所增加的成本通常是很多應(yīng)用所不能接受的。
適用于家庭和建筑的舒適物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)Ecovent采用ADI Trinamic的智能步進(jìn)電機(jī)IC位于智能通風(fēng)口的中心，它使用4節(jié)AA電池，保持系統(tǒng)無(wú)線連接，同時(shí)確保3到5年的電池壽命。
ADI Trinamic無(wú)傳感器負(fù)載測(cè)量技術(shù)StallGuard?提供一種具有成本效益的負(fù)載實(shí)時(shí)反饋技術(shù)，通過(guò)測(cè)量電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，它可以知道電機(jī)何時(shí)可能會(huì)停轉(zhuǎn)并向系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)。基于 StallGuard負(fù)載值，無(wú)傳感器電流自適應(yīng)控制CoolStep技術(shù)則通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)的變化檢測(cè)電機(jī)負(fù)載，并使電流適應(yīng)實(shí)際負(fù)載條件，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。CoolStep始終以最佳電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)在電機(jī)輕負(fù)載時(shí)將電流降至最低，并在負(fù)載增加時(shí)增加電流來(lái)節(jié)省大量能源。特別是對(duì)于一些電池供電，或者對(duì)一些車(chē)間里面長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行電機(jī)發(fā)熱的情況，以及一些對(duì)高溫敏感的生物樣本檢測(cè)應(yīng)用，用CoolStep可以有效降低功耗和克服發(fā)熱問(wèn)題，電機(jī)散熱可以減少達(dá)80%，使電機(jī)溫度保持正常，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
電機(jī)應(yīng)用無(wú)處不在，關(guān)鍵技術(shù)賦能驅(qū)動(dòng)更美好世界
為了讓人們?cè)诩抑泻娃k公室能愉悅地使用3D打印機(jī)，西班牙3D打印設(shè)備制造品牌BCN3D采用ADI Trinamic TMC2130方案實(shí)現(xiàn)了真正靜音打印（目前全球前十的3D打印設(shè)備制造商都選用了ADI Trinamic電機(jī)控制方案）；為了更快、更一致地識(shí)別、枚舉和表征瘧疾可疑血液樣本，以色列企業(yè)Sight Diagnostics 基于ADI Trinamic驅(qū)動(dòng)方案開(kāi)發(fā)了一種獨(dú)特的診斷技術(shù)設(shè)備；瑞士咖啡機(jī)制造商Thermoplan通過(guò)將獨(dú)創(chuàng)性設(shè)計(jì)與ADI Trinamic的最新技術(shù)相結(jié)合，讓每一杯咖啡都變成了有拉花做終極點(diǎn)綴的完美釀造……
得益于像ADI Trinamic這樣的專(zhuān)業(yè)精密運(yùn)動(dòng)控制解決方案，今天電機(jī)在微型化、數(shù)字化、節(jié)能化、智能化的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)下，已經(jīng)普遍應(yīng)用于社會(huì)的方方面面，生活中那些隨處可見(jiàn)的電子產(chǎn)品，幾乎都有電機(jī)在里面發(fā)揮著重要作用。而電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高精度、靜音化、智能化與節(jié)能化，讓這些產(chǎn)品能以更優(yōu)雅的方式融入到我們身邊，這也是ADI一直崇尚的企業(yè)理念——“Engineering Good”，以創(chuàng)新的科技讓我們的生活變得更加美好。
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