机电执行器需要智能集成驱动器解决方案以增强边缘智能

引言

在寻求增强边缘智能的过程中，机电执行器等物理边缘设备需要更多智能，才能获得更好的机器实时决策等优势。这些执行器提供智能、有价值和丰富的传感器式反馈。此类边缘设备是工业4.0及更高阶段的关键。它们控制机器人，操纵工厂流程并使之自动化，将数字信息转化为物理运动，同时提供高水平的智能和自我意识1。当执行器操纵物体时，传感器则用于测量和量化实际参数，并将物理值转换回数字值。因此，执行器和传感器在大多数时候仍被认为是不同的设备或部件。

步进电机和电磁阀占据了这些机电执行器的很大一部分，在每个工厂车间、各种汽车应用、实验室自动化等场合都可以看到。在实验室和医疗应用、工业应用以及汽车应用的推动下，全球的步进电机和电磁阀市场已达数十亿美元，且在不断增长。这些应用对执行器和驱动器电子设备的自动化和小型化要求越来越高。传统的驱动器解决方案不能适应这些新的要求，并且缺乏检测能力。

全新的硅cDriver™解决方案由智能控制器和驱动器组成，它将传感器和执行器功能融合到单个集成元件中，以便用在嵌入式运动控制解决方案内部，从而实现边缘智能执行器2,3。对于只能在机电执行器中直接获得的系统参数和状态变量，可以就地进行测量和评估（如温度、电磁阀反应时间和电机负载值）。

传感器功能与执行器的这种融合改变了机电执行器的范式。它们从简单的功率转换系统发展成自我意识传感器，可以有效地控制执行器，并向更高的控制层级、云或AI生产力解决方案提供原位反馈数据。机电单元成为了传感器。

机电执行器——概述

步进电机和电磁阀广泛应用于汽车、工业和医疗健康领域。两者有很多相似之处：铜线圈通电引起机械运动。

两相步进电机通常由两个电流源控制，这两个电流源在步进电机的两相中感应产生90°相移的正弦和余弦形状的电流。流过步进电机线圈（定子）的电流决定磁场的方向。转子像指南针一样在定子线圈的磁场中定向。以电气方式控制磁场的旋转，转子就能通过在磁场中的定向来旋转。图1显示了标准混合步进电机的定子/转子布置和一些不同类型步进电机的示例。

图1 具有50个磁极对的混合步进电机（左）和不同类型的步进电机（右）

电磁阀可与步进电机相比拟。线圈通电引起机械运动。运动部件不是旋转磁体，而是金属柱塞，产生线性运动。从控制角度看，电磁阀有两种类型：开关阀和比例阀。开关电磁阀用于实现气动或液压阀的开/关功能。当线圈通电时，磁场产生，金属柱塞沿磁场方向移动。为使柱塞移动，初始电流（冲击电流）相当高，但只需要较小的电流即可将柱塞保持在适当位置（保持电流）。当线圈断电时，磁场消失，柱塞可以在外力（弹簧、重力）的作用下自由回退。图2显示了驱动开关阀时的典型电流曲线。电流上升阶段（通电时间）的小幅下降是由柱塞运动产生的反电动势(BEMF)引起的。当激励时间结束时，电流可以降低到保持水平，以根据需要将柱塞保持在适当位置。比例阀可以通过控制能量流和调节电磁阀电流将柱塞保持在任何位置。比例阀通常在闭环控制系统中用于控制特定的系统变量，例如压力、空气或流体流量。

图2 开关阀的电流波形

为什么需要采用新方法来控制机电执行器？

当今市场上的驱动器IC解决方案并不是为电磁阀驱动应用和高效经济的实施方案而量身定制的。它们缺乏嵌入式时序控制器、特定于应用的功能、诊断功能和保护功能。每当需要高级控制特性（驱动器时序控制器、扰动、快速消磁、电流测量）或高级诊断功能（柱塞运动检测4、开/关状态检测、电感测量、负载开路检测）时，系统复杂性就会显著增加，因为需要采用额外的外部变通方法和电路5,6,7,8。设计人员需要分别设计每个模块（数字控制器、电流检测、信号调理、功率级、保护）并将其相互连接。设计人员仍然必须面对一些问题，包括电路板空间的占用、漫长的设计时间、应用可靠性、长长的物料清单(BOM)和缺乏灵活性。

下面介绍一些全球趋势，这些趋势导致人们对机电执行器的嵌入式控制和驱动器解决方案提出了额外要求和需求。

微型执行器的演变

持续的小型化使机电执行器成为医疗设备、化学工业、实验室自动化、半导体制造、食品和饮料行业以及工业和汽车应用中具有成本和空间效益的部件。小型化阀门和歧管以及混合解决方案（步进电机+电磁阀）的示例如图3所示。直径尺寸小到只有几毫米。虽然微型执行器的优势有望推动增长，但这些市场提出了更多要求，例如：更长的有效寿命、耐用性和可靠性、小尺寸嵌入式控制器和驱动器解决方案（由于空间限制）以及简化的操作和控制。

图3 微型电磁阀、歧管和混合歧管示例

（图片来源：经Lee Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH/The Lee Company许可）

增强型诊断

机电执行器在长期运行过程中容易退化，并可能出现其他故障情况，包括电气方面（线圈问题、残余线圈功率、过热、绝缘故障）和机械方面（阀门部分关闭或开启、手动超控、压力差、灰尘聚集、阀门机械损坏、油脂干燥）。这些挑战会影响执行器及其所在系统的性能、寿命和工作可用性。因此，数字化需求非常迫切：关于本地系统参数的详细和高质量的诊断反馈，用于监测执行器及其控制电子设备的健康状态，以便在本地机器层面更好地进行决策，对变化做出反应，并将预处理的诊断信息或原始数据从边缘传递到更高的控制层级。除了简单的驱动器错误标志之外，还需要反馈和诊断！

能源效率

如今，碳足迹扮演着重要角色。能源效率受到全球环境政策、成本和应用限制的推动。能源是全球极宝贵的资源之一，其成本持续增长。因此，我们需要有效控制并尽可能降低执行器的功耗。另一个积极的副作用是，当功耗得到有效控制时，电磁阀或步进电机在应用中可保持较低温度。这将会简化系统散热工作，并可能使其可用于对温度有严格要求的特定应用，例如敏感的实验室应用。

上市时间

在系统复杂性增加的同时，开发时间需要缩短。高度集成、经过验证且随时可用的构建模块和子系统有助于降低或隐藏整体复杂性，降低设计风险，从而将上市周期保持在合理水平9。系统设计越来越多地由通信接口和以软件为中心的观点主导。因此，有源系统器件和构建模块的选择将以其通信和控制接口的灵活性和能力为依据。

总拥有成本

与产品整个生命周期相关的总成本通常被理解为总拥有成本(TCO)。这不仅涵盖开发成本或其他非经常性工程成本，还包括所有直接和间接类型的运营费用：能源成本（能效）、维护成本、工作可用性和供应链风险。能源成本可以直接衡量，而维护成本可以提前估算。在产品寿命很长的细分市场中，例如在工业和医疗应用中，需要考虑并将尽可能降低总拥有成本。

cDriver中传感器-执行器融合的影响

参考所讨论的不同全球趋势，我们需要将类似传感器的能力集成到机电执行器的cDriver中。多芯片和单芯片的芯片级解决方案不断出现，它们不仅包含模拟驱动器部分，还将由增强的数字功能、检测能力和决策以及通信接口来主导和定义。这种传感器-执行器融合满足了许多需求，并为基于电磁阀和步进电机的应用带来了广泛的优势。

微型执行器的演变：紧凑型嵌入式硬件解决方案

对于微型阀门、歧管和多轴步进电机应用，使用高度集成和嵌入式硬件解决方案来驱动和控制它们很有利。如果控制器和驱动器电子设备可以同样小巧紧凑，那么整个执行器子系统将能为空间受限的应用带来尺寸缩小的竞争优势。

单电磁阀、歧管或多轴步进系统的典型嵌入式硬件解决方案由一个用于通信的总线接口、一个用于应用控制的微控制器单元(MCU)以及一个或多个控制器/驱动器单元组成，如图4所示。

图4 典型电磁阀或步进电机控制器和驱动器解决方案/简图

通信接口和MCU取决于应用和整体系统架构，通常每个单元只需要一次。相反，歧管/多轴系统可能多次需要执行器控制器/驱动器级，这就提供了极大的优化潜力。电磁阀的典型驱动器方案也提供扩展特性，但BOM较大，并且需要很大的空间来放置所有器件5,6,7,8。

将这些扩展的控制和检测功能完全集成到单个器件中，所需的电路板空间便可充分减小。例如，采用集成电流检测的解决方案消除了较大的外部检测电阻和额外的分流放大器。低RDS(ON)集成驱动器级可实现出色效率并降低热损耗，这对所需的散热面积或在关键应用环境中也有积极影响。

图5显示了典型的歧管示例。空间的节省和BOM的减少有助于实现超紧凑的解决方案，并节约这些应用内部的元器件、PCB和外壳材料的成本。

图5 歧管示例

（图片来源：经Lee Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH/The Lee Company许可）

像电磁阀一样，步进电机解决方案同样由驱动器部分主导。高度集成的步进cDriver可极大地节省空间，同时提供出色的控制。除了诊断和反馈功能外，它们还配备了集成运动控制器和电源级10,11，以及完全集成的电流检测功能12,13。

瑞士Hombrechtikon Systems Engineering AG的首席电子工程师Reto Himmler证实：“我们使用ADI公司Trinamic™步进电机驱动器已经超过十年，它们具有行业出色的特性。TMC524013正是我们期待已久的器件！更高的电机电流、小尺寸和集成的电流检测功能有助于节省实验室自动化设备中宝贵的电路板空间。低RDS(ON)带来的低损耗为机械设计提供了更大的自由度。8点斜坡很不错，尽管现有产品的6点斜坡就已经非常适合我们的应用。”

增强型诊断：为预测性维护和自我意识铺平道路

智能cDriver可在本地提供类似传感器的数据。但是，使用这组丰富的信息能做些什么呢？

智能cDriver解决方案提供的参数包括：驱动器温度、线圈电阻和温度信息、线圈电感估计值、电源电压、实际线圈电流和BEMF信息。通过智能集成算法和函数可以推导出系统和应用条件以及其他系统参数，例如：电磁阀的反应和行程时间、局部电流骤降、负载开路检测、过流和短路检测、部件闭合和柱塞运动检测、柱塞位移测量及实时电流监测。对于步进电机，还可以读出基于StallGuard™的实际负载信息和CoolStep™电流降低水平14,15。对于许多应用，StallGuard负载值是非常有价值的信息，因为长期漂移可能表明应用中机械和齿轮的性能降级或机械端位止动装置有缺陷。StallGuard值与电机轴上的负载情况直接相关，并且可以在应用中随着时间变化，具体取决于电机加速度或外力。利用StallGuard值甚至可以提前检测实际电机是否要失速，此信息随后可用于应用中的无传感器端位止动装置检测或校准。

本地检测能力和诊断以及这种原位反馈的获取，在三个不同层面上为预测性维护和自我意识铺平了道路，如图6所示：

■   本地，cDriver部件内部

■   应用层面上，嵌入式子系统的本地MCU中

■   更高层面上，如工厂车间、工厂控制或云

图6 传感器和诊断数据的可用性和流程

得益于本地监测和自诊断功能，可以直接在控制器和驱动器电子设备内部做出更好的实时决策。这些功能包括：可配置的热保护限值，可配置的短路检测，故障情况下的驱动器保护，冲击电流到保持电流的自动切换，以及即时故障报告，例如当电磁阀的柱塞卡住时。

使用本地MCU在应用上下文中解译类似传感器的数据，可以实现更精细的功能。通过cDriver的串行接口可以实现实时监测。诊断信息和参数可作为连续反馈流从执行器和cDriver获得。这有助于实现更具体的状态监控、长期故障识别，甚至模式检测。反应和行程时间测量、局部骤降搜索、柱塞位移和负载值：这些参数随时间的漂移是执行器老化的征兆，表明在其使用寿命期间需要预防性维护。传感器数据可以聚合。除了检测简单故障之外，还可以对应用统计数据进行预处理，并将其转换为正确的格式，然后通过通信总线接口（如IO-Link®、CANopen，甚至工业以太网的衍生接口）传送到更高控制层。

在更高控制层上，数据来自分散的各个执行器、歧管或多轴系统。另一种可能性是，工厂车间的信息孤岛集中起来并提供额外的选项，以便改善控制，监控系统健康状况，简化维护，或者将其与元数据一起放入上下文中。例如，知道歧管的反应和行程时间有助于同步多个阀门，或改善不同电磁阀和其他执行器的编排，以实现更好的交互和吞吐量。有缺陷的执行器得以识别和定位。

能源效率：出色的控制质量

测量电磁阀反应和行程时间以及检测电流局部骤降的功能可对功耗产生积极影响。目标电流和摆率等控制参数得以调整，从而优化反应和行程时间。此外，从冲击电流到保持电流的自动切换可以发生在最佳时间点，而不是等待某个静态的预配置命中时间窗口。不必要的能量不会泵入电磁阀线圈，可以节省下来，而这又能进一步提高电磁阀单元的效率。在双稳态脉冲电磁阀（闩锁阀）的情况下尤其如此，因为保持状态通过机械方式（弹簧）加以保证，使得保持电流为零，总功耗的来源只有激励冲击电流。

在步进电机应用中，在StallGuard负载值的基础上使用ADI Trinamic CoolStep解决方案也可以节省大量能源14,15。CoolStep由此提供一种无传感器动态电流水平控制，其将电机轴上的实际负载考虑在内。当轴上的负载很低时，不需要用满标称目标电流来驱动电机。目标电流可以调整到所需的最小值。当负载增加时，目标电流以同样的方式进行调整，以提供更大的电机转矩。甚至峰值负载也可以捕获，目标电流可以暂时提升到标称电流以上而不会损坏电机。它将以最小电流驱动步进电机，使电机的能耗降低高达90%。

这种能效的提高还使得散热更少且热应力更小，从而延长了电磁阀16或步进电机的寿命，并提高了其可靠性和功能可用性。将执行器保持在较低温度为更广泛的应用和用例提供了可能。例如，在实验室、化学或医疗领域，需要适当控制温度，避免其达到临界限值。

上市时间：简化控制/易于使用

cDriver部件采用以接口为中心的架构。接口的双向特性支持采集cDriver内部提供的传感器数据和参数，并根据应用对控制参数进行配置和调整。cDriver部件本身就是子系统，为电磁阀和步进电机控制提供随时可用且支持广泛配置的高端构建模块。软件开发（针对电磁阀或步进电机部分）被大幅压缩——基本上完全不需要。开发者无需成为电磁阀或步进电机控制方面的专家，而是可以将重点放在其自己的专用功能和通信方面。这种以通信为中心、聚焦于接口的思维方式催生了“软件定义硬件”，不仅对系统设计或软件工程师有利，而且缩短了上市时间，有效地降低了设计风险。

总拥有成本

本文讨论的智能和高度集成的cDriver部件有助于降低总拥有成本。三个不同层面上的成本有望得到节省：能源成本、维护成本和因缓解风险而产生的计划外费用。

提高能效和降低功耗的功能直接影响到运营费用——节能就是节约成本。

基于大量诊断数据和传感器式反馈的预测性维护措施有助于降低计划外维护成本，并普遍地简化维护流程，因为故障点可以轻松定位。来自执行器子系统的连续反馈流有助于监控系统状况并提高工作可用性，这反过来又能防止因生产停机时间而产生的额外成本。

cDriver部件高度集成的另一个重要影响是BOM大幅减少，同样不可低估，如上述示例所示。但是，这不单是BOM成本的降低。贸易战或其他全球事件导致的全球供应链挑战、晶圆厂产能以及半导体和电子元器件短缺，损害了及时制造和交付产品的能力，甚至造成了根本无法制造和交付的境地。这不仅仅是一个风险，更是一个事实。BOM元器件数量的减少有助于消除依赖性，并防止控制器和驱动器电子设备的计划外重新设计以及随后的重新认证工作。

结语

凭借传感器和执行器的融合，新的cDriver部件实现了边缘智能机电执行器。cDriver部件不仅仅能切换电磁阀或转动电机，还提供广泛的诊断功能，因此其本身就是一种传感器。它利用预处理数据在本地做出决策，并提供安全和监控功能。这种智能检测执行器解决了机械挑战，隐藏了复杂性，封装了复杂功能，为更高控制层提供了丰富的信息以供进一步处理，并且降低了成本和功耗，可为未来的信息-物理系统和工厂车间提供额外的价值。这是数字化的全新水平，也是边缘机电执行器控制的一个范式变化。德国MEV Elektronik Service GmbH的运动控制产品线经理Guido Gandolfo表示：“新的步进电机驱动器系列使我们的客户能够在更短的时间内开发出更小、更智能、效率更高的产品。这是维持ADI公司Trinamic驱动器先进地位的下一利器。”MEV是一家专业从事运动控制和设计导入支持的代理商。

参考文献

1 Jeff DeAngelis。“工厂边缘智能：提高生产力并降低成本。”Electronic Products，2021年5月。

2“嵌入式运动控制简介。”Trinamic，2018年11月。

3“超越传感器和摄像头：嵌入式运动与电机控制如何推动物联网发展。”Trinamic，2018年12月。

4 Roberto Casiraghi、Luigi Franchini和Pietro Introini。“电磁阀柱塞运动检测。”ADI公司，2020年。

5 Manu Balakrishnan和Navaneeth Kumar N。“柱塞运动检测。”Texas Instruments，2015年。

6“带柱塞故障检测的24V直流电磁阀的电流控制驱动器参考设计。”Texas Instruments，2014年11月。

7“适用于电磁阀执行器的稳健闭环控制与监测系统。”ADI公司，2019年。

8 Scott Beversdorf和Chuck Whiting。“电磁阀中用于汽车控制系统的电流测量。”《模拟对话》，第38卷第2期，2004年4月。

9“运动控制如何定义系统设计——工程视角。”Trinamic，2017年8月。

10 TMC5072智能集成双轴步进驱动器及控制器。ADI公司。

11 TMC5130智能集成步进驱动器及控制器。ADI公司。

12 TMC2240智能集成步进驱动器。ADI公司。

13 TMC5240智能集成步进驱动器。ADI公司。

14 StallGuard和CoolStep。ADI公司。

15 如何在TMC5130-EVAL-KIT上配置StallGuard2和CoolStep。ADI公司。

16 Jun Peng、Xuanheng Tang、Bin Chen、Fu Jiang、Yingze Yang、Rui Zhang、Dianzhu Gao、Xiaoyong Zhang和Zhiwu Huang。“使用电磁阀的物理指标和数据特性预测故障类型。”Applied Sciences，第10卷第4号，2020年。

作者简介

Stephan Kubisch是ADI Trinamic™、INA、CMR解决方案总监。Stephan在工业自动化事业部的互联运动和机器人团队负责电机和运动控制解决方案的研发管理工作。在Trinamic Motion Control（原属于Maxim Integrated，现为ADI公司一部分），他担任过多种职位，包括产品定义总监、研发主管和高级IC设计师。Stephan拥有信息技术博士学位。