运动控制：传感解决方案优化制造系统

运动控制系统收集数据，以帮助创建更快、更精确、更具弹性的制造流程。大量传感器有助于深入了解工厂运营情况。

运动控制是将制造过程中的元件设置成精确且受控的运动系统的过程。这些系统必须满足与其他制造组件相同的标准，制造设施才能高效、响应迅速且坚固耐用。

为制造设施设计更智能的运动控制系统首先要实现更高精度的电流和位置测量，这为最大限度地减少浪费创造了机会，同时最大限度地提高响应能力和吞吐量。任何运动控制系统的精度都取决于其传感器。

运动控制应用指导生产线的各个方面。（图片来源：Analog Devices）)

虽然有许多位置传感器选项，但磁性传感器以比光学编码器更低的成本提供高分辨率。它们在受灰尘和振动影响的应用中更加坚固，并且其非接触式特性可最大限度地减少磨损。

然而，磁性传感器可能容易受到外部磁场的干扰和周围材料的影响。它们的精度也会受到温度波动的影响，因此可能需要进行校准，以便在条件不断变化的应用中保持其精度。这些维护问题会降低成本和可靠性优势。此外，许多磁传感器只能在近距离内表现良好，这限制了设计的可能性。

平衡这些考虑因素的一种传感器选择是各向异性磁阻 （AMR） 传感器。与霍尔效应传感器、巨磁阻 （GMR） 传感器和隧道磁阻 （TMR） 传感器不同，AMR 传感器在磁场恶劣的环境中表现出稳健性，并在宽气隙容差下保持精度。由于 AMR 传感器在这些条件下不会出现劣化和角度误差，因此大大减少了校准和维护的需求。

Analog Devices 的 ADA4571 系列角度传感器配备了集成信号调节器，有助于为电机驱动和伺服应用提供更高的绝对精度位置传感。ADA4571 具有内置校准引擎，可在较宽的温度范围内将误差保持在 <0.5°。

传感器监控机器运行状况

虽然性能在智能工厂中至关重要，但效率和弹性也至关重要。通过监测电机振动和冲击，工厂中的机器健康传感器（如振动传感器）可以减少计划外停机时间，延长资产的使用寿命，同时降低维护成本。虽然有许多传感器选项，但微机电系统 （MEMS） 加速度计在功能之间取得了有吸引力的平衡，以压电系统的价格和功耗的一小部分提供高带宽和低噪声。

ADXL1001/ADXL1002 系列 MEMS 传感器在 ±50 g 范围内的噪声仅为每根赫兹 25 微克 （μg/√Hz），并且对高达 10,000 g 的外部冲击具有弹性。从 DC 到 11 kHz 的线性频率响应使这些部件适用于缓慢旋转的设备，而低功耗则有利于无线传感设计。对于需要沿三个轴进行测量的应用，ADXL371 可能是合适的选择。

传感解决方案能够深入了解工厂运营。从各种运动控制系统收集到电压、电流、位置和温度等数据后，自动化系统就可以分析这些数据以优化实时制造流程。

确定性数据收集目前涉及 EtherCAT 和 PROFINET 等现场总线协议。然而，该行业正在迅速采用时间敏感网络 （TSN） 作为下一代网络的标准。这一趋势是融合信息技术/运营技术 （IT/OT） 基础设施出现的基础，它将企业和工厂车间系统整合到一个网络上。

这些网络需要亚毫秒级的网络周期时间来确保确定性，并需要高达千兆位的带宽来容纳新的高速流量源，例如来自视觉系统的视频源。现代运动控制系统需要像 ADIN1200/1300 系列这样的以太网物理层 （PHY） 来满足这些要求。这些强大、低功耗和低延迟的 PHY 支持工业环境中的 GbE。它们可在高达 105 °C 的环境温度下运行，经过广泛的电磁兼容性 （EMC） 测试，并提供断电保护等耐用功能。

智能和精确的运动控制是现代生产线中的关键要素，它推动工厂运营朝着更高的敏捷性、性能和弹性发展。传感器选择是设计高效系统的核心。借助新扩展的传感器选项，工程师有机会改进生产线的每个元素，从位置跟踪到机器健康监测。随着我们迈向数字时代，将智能运动控制和高级网络融合到制造系统中有望提高运营和最终产品的效率、生产水平和质量。