Làm thế nào để xác định thiết kế của hệ thống điều khiển chuyển động từ góc nhìn kỹ thuật

Mặc dù, mọi thứ đều gần như được kỹ thuật số hóa, nhưng việc kiểm soát vật lý đối với thế giới thực sẽ không sớm biến mất. Với xu hướng tự động hóa tất cả các khía cạnh của môi trường, con người đã dẫn đến sự bùng nổ trong việc triển khai các hệ thống điều khiển chuyển động. Điều khiển chuyển động đóng vai trò chính trong việc kết nối thế giới vật lý và thế giới kỹ thuật số, bằng cách chuyển dữ liệu kỹ thuật số thành chuyển động vật lý. Khi tự động hóa và robot lan rộng vào các ứng dụng tiêu dùng cũng như công nghiệp, điều khiển chuyển động và truyền động động cơ đang chuyển sang những lĩnh vực mà trước đây chúng chưa từng cần đến và động cơ điện nhỏ đã trở nên phổ biến.

Các nhà phát triển sản phẩm phải xử lý các hệ thống ngày càng phức tạp và không còn có thể trở thành chuyên gia trong tất cả các lĩnh vực kỹ thuật chuyên biệt cần thiết để xây dựng các hệ thống con của mình. Điều khiển chuyển động là một trong những lĩnh vực kiến ​​thức chuyên môn quan trọng. Tuy nhiên, việc biết những câu hỏi phù hợp trước khi chọn một thiết bị để thực hiện điều khiển chuyển động trong một thiết kế không phải lúc nào cũng trực quan. Chúng tôi sử dụng công nghệ in 3D/sản xuất máy tính để bàn kỹ thuật số làm ví dụ thực tế về cách điều khiển chuyển động tác động đến ứng dụng.,.

Điều khiển chuyển động (Motion Control) là gì?

Điều khiển chuyển động là một phần của tự động hóa xử lý phần động học và cơ điện của máy móc một cách có chủ ý và có kiểm soát. Các thành phần chính của hệ thống điều khiển chuyển động là bộ điều khiển và bộ khuếch đại công suất hoặc giai đoạn trình điều khiển. Các tác vụ điều khiển chuyển động điển hình bao gồm tạo đường dốc vận tốc/tạo hồ sơ chuyển động, bước vi mô và vận hành vòng kín.

Nhưng ngày nay, điều khiển chuyển động không chỉ có ý nghĩa đơn thuần là điều khiển động cơ: nó còn có nghĩa là lập kế hoạch chuyển động cho nhiều trục hoặc quyết định tất cả các chuyển động riêng biệt xác định cách các vật thể sẽ di chuyển theo nhiều chiều theo thời gian. Vì nhiều lý do, điều khiển chuyển động không còn chỉ là một mục trong danh sách kiểm tra trong thiết kế. Một là vì các thuật toán được sử dụng để triển khai nó đã thay đổi và ngày càng trở nên phức tạp hơn.

Khi mức độ tự động hóa tiếp tục tăng, kèm theo một thay đổi khác là sự gia tăng đáng kể số lượng động cơ điện được sử dụng trong ngày càng nhiều ứng dụng và môi trường hoạt động khác nhau, đồng thời tăng các yêu cầu về động lực học, phát thải tiếng ồn thấp và hiệu quả năng lượng. Đồng thời, những động cơ này ngày càng trở nên nhỏ hơn, mạnh hơn và hiệu quả hơn, trong khi kỳ vọng về chất lượng của các chức năng điều khiển chuyển động ngày càng tăng.

Ngày nay, các tác vụ xử lý tổng thể đã trở nên nặng nề và phức tạp hơn trước vì nhiều lý do.

Các thuật toán phức tạp đã tồn tại để điều khiển động cơ và chuyển động, nhưng chúng chỉ có thể được sử dụng trong các ứng dụng cao cấp đắt tiền do thiếu bộ vi điều khiển nhỏ, mạnh mẽ. Giờ đây, các thuật toán này đang trở thành xu hướng chủ đạo và việc sử dụng chúng trong các hệ thống nhúng nhỏ trở nên khả thi. Đồng thời, do sự tích hợp ngày càng tăng, điều khiển chuyển động đang trở thành một nhiệm vụ xử lý thứ cấp. Ngày nay, các kỹ sư phải tập trung chủ yếu vào ứng dụng của họ, vì vậy nhiệm vụ xử lý chính của họ là ở cấp độ ứng dụng, ví dụ như nhận dạng hình ảnh, điện toán hình ảnh, mã hóa/giải mã và trí tuệ nhân tạo.

Sự phức tạp trong quá trình xử lý cũng xuất phát từ thực tế là giao tiếp hiện nay bao gồm các kênh điều khiển và phản hồi, cũng như các giao diện truyền thông ở cấp độ bus, độ trễ thấp, băng thông cao. Ngoài ra, việc thực hiện tính đồng bộ, hoạt động theo thời gian thực và thời gian phản hồi nhanh đã là điều bắt buộc để đồng bộ hóa nhiều trục.

Một kết quả khác của những thay đổi này là trong nhiều thiết kế, điều khiển chuyển động đã trở thành một khối xây dựng. Bây giờ, kỹ sư phải xem xét không chỉ một động cơ và tốc độ quay của nó mà còn cả cách nó kết nối và tương tác với tất cả các khối xây dựng khác trong một thiết kế phần cứng thực sự, cũng như từ quan điểm phần mềm: ví dụ như cảm biến, một thiết bị khác trục cơ giới trong cùng một máy hoặc trên cùng một bo mạch hoặc các máy tự động khác được kết nối qua các loại mạng khác nhau.

Quyết định thi hành

Ngày nay, các kỹ sư thiết kế phát triển hệ thống điều khiển chuyển động không chỉ phải giải quyết các câu hỏi liên quan đến công nghệ mà còn phải giải quyết một danh sách dài các thách thức thương mại và các câu hỏi liên quan đến dự án ảnh hưởng đến quyết định triển khai của họ.

Để tìm hiểu xem một số có được xếp hạng cao hơn những cái khác hay không, chúng tôi đã hỏi các kỹ sư ứng dụng hiện trường của mình về năm câu hỏi, vấn đề hoặc vấn đề hàng đầu về thiết kế điều khiển chuyển động mà họ nghe đi nghe lại từ khách hàng là gì. Đó là:

• Thời gian đưa sản phẩm ra thị trường - Các yêu cầu ngày càng khắt khe hơn trong toàn bộ chu trình phát triển, bao gồm tạo nguyên mẫu và các giai đoạn phát triển khác, xuyên suốt quá trình thử nghiệm và sản xuất. Vì vậy, sản phẩm dùng cho phần điều khiển chuyển động của hệ thống cơ điện tử phải dễ sử dụng, dễ hiểu, dễ tham số hóa. Các kỹ sư muốn các sản phẩm khối xây dựng có thể được sử dụng ngay lập tức và cung cấp công cụ cần thiết mà không cần phải đọc bảng dữ liệu 200 trang. Thiết kế nhanh có nghĩa là họ có thể bắt đầu tập trung vào ứng dụng của mình nhanh hơn.
• Thu nhỏ/Tích hợp cao nhất - Đặc biệt là trong các động cơ điều khiển chuyển động nhúng ngày càng nhỏ hơn và không gian sẵn có cho một số loại giai đoạn điều khiển hoặc thiết bị điện tử nhúng cũng vậy. Đồng thời, những gì trước đây chỉ có thể được thực hiện trong một bộ vi điều khiển lớn (MCU) giờ đây có thể được thực hiện bằng những miếng silicon nhỏ và thông minh. Các kỹ sư đang tìm kiếm mức độ tích hợp cao nhất, cả về mặt chức năng và vật lý, trong không gian nhỏ nhất có thể. Điều này đúng với cả silicon và bao bì sản phẩm, vì ngày càng có nhiều kỹ sư sử dụng cấu hình hệ thống trên chip (SoC) và cấu hình hệ thống trong gói (SiP) kết hợp với bảng mạch in (PCB) có đường viền nhỏ.
• Giảm chi phí - Áp lực lên các nhà OEM và kỹ sư của họ trong việc cắt giảm chi phí đang diễn ra. Điều này bao gồm chi phí một phần trong sản xuất số lượng lớn và tổng chi phí sở hữu phần mềm, phần cứng mô-đun và silicon.
• Chất lượng điều khiển chuyển động - Yêu cầu về hiệu suất của các ứng dụng điều khiển động cơ và điều khiển chuyển động ngày càng tăng, do đó chất lượng tổng thể của các thiết kế này cũng cần phải tăng lên. Khái niệm về chất lượng điều khiển chuyển động bao gồm nhiều khía cạnh đều ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng, bao gồm nhưng không giới hạn ở: độ ồn, độ chính xác, hiệu quả, hành vi động và độ chính xác.
• Giao diện, không phải động cơ - Ngày càng có nhiều kỹ sư không quen với dữ liệu vật lý của điều khiển chuyển động và động cơ hoặc hiểu biết về các thách thức cơ học và vật liệu. Trong các công ty khởi nghiệp và công ty nhỏ cũng như các công ty lớn hơn, có một thế hệ kỹ sư phần mềm hoàn toàn mới không quen với động cơ, cơ khí hoặc vật liệu. Họ muốn làm việc với các giao diện chứ không phải động cơ. Xu hướng này đang nâng cao mức độ trừu tượng cần thiết trong các sản phẩm được sử dụng để phát triển, do đó đòi hỏi cách tiếp cận khối xây dựng để điều khiển chuyển động.

Ví dụ ứng dụng: Sản xuất kỹ thuật số (In 3D & Máy CNC)

Ngày càng có nhiều máy móc công nghiệp được thu nhỏ thành các thiết bị để bàn. Các ví dụ bao gồm từ thiết bị chế tạo vật liệu trám răng và cấy ghép nha khoa mà các nha sĩ vận hành trong phòng khám của họ, cho đến máy in 3D trên máy tính để bàn của nhiều kỹ sư hiện đang in các bộ phận sử dụng cuối có thể được sao chép chính xác, cũng như các nguyên mẫu.

Khi các ứng dụng sản xuất máy tính để bàn hiện đại như in 3D, phay điều khiển số bằng máy tính (CNC) và cắt laser ngày càng hoàn thiện và dễ tiếp cận hơn, các sản phẩm cuối cùng trong thế giới thực giờ đây có thể được sản xuất trực tiếp từ phần mềm thiết kế. Phay CNC đã mang lại chất lượng cao trong sản xuất hàng loạt nhỏ

Điều khiển chuyển động là yếu tố đóng góp ngày càng quan trọng vào sự thành công của CNC và in 3D, nếu những công nghệ công nghiệp này muốn chuyển đổi thành công từ những người đam mê kỹ thuật sang người dùng phổ thông. Việc tạo ra các hình dạng đa chiều chất lượng cao đòi hỏi sự phối hợp chính xác trên hai, ba hoặc nhiều trục kết hợp với tốc độ và độ chính xác cao hơn của các bộ phận được sản xuất. Nó cũng yêu cầu độ ồn và độ rung thấp hơn. Đồng thời, những chiếc máy này phải cung cấp tất cả những thứ này với chi phí thấp hơn nhiều.

Chất lượng điều khiển chuyển động

Khái niệm về chất lượng điều khiển chuyển động bao gồm nhiều khía cạnh: độ ồn, độ chính xác, độ chính xác, hiệu quả và hành vi động. Trong in 3D, những điều cần cân nhắc chính là giảm tiếng ồn, độ chính xác của cơ chế in, đồng bộ hóa chính xác nhiều trục để đạt tốc độ cao và sử dụng điều khiển động cơ vòng kín và điều khiển servo để tăng tốc độ và độ chính xác in.

Động cơ bước thường được sử dụng để định vị chính xác trong các ứng dụng như máy CNC và hầu hết máy tính để bàn và máy in 3D "prosumer". Mặc dù được ưa chuộng vì độ tin cậy cao và chi phí thấp nhưng nhược điểm của chúng là độ ồn cao, ngay cả ở tốc độ thấp hoặc khi dừng. Vì máy in và thiết bị để bàn thường được đặt trên hoặc gần bàn làm việc của người dùng thương mại nên tiếng ồn đó có thể gây khó chịu, đặc biệt là trong các công việc in ấn đôi khi kéo dài nhiều giờ.

Với quy trình điều khiển hiện đại và cách bố trí cẩn thận, những động cơ này có thể hoạt động gần như im lặng. Cho đến nay, nguồn gây tiếng ồn chính là các chế độ chuyển mạch dưới mức tối ưu của động cơ, dẫn đến rung động và cộng hưởng của cơ chế định vị đầu in và động cơ máy đùn. Cách tốt nhất để giảm phát thải âm thanh là giảm sự cộng hưởng và rung động cơ học bằng cách tăng độ phân giải bước bằng trình điều khiển thông minh. Các bước nhỏ hơn, được gọi là "vi bước", vận hành động cơ trơn tru, giảm đáng kể sự cộng hưởng và cũng có thể tăng tốc độ máy in.

Bằng cách sử dụng phản hồi của bộ mã hóa vòng kín, vị trí thực tế của động cơ có thể được so sánh với vị trí mục tiêu đã ra lệnh của chúng và ghi lại những khác biệt. Nếu không có vòng kín, bộ phận đó thực sự có thể đáp ứng chính xác thông số kỹ thuật nhưng không có bằng chứng nào và không thể đảm bảo mức độ chính xác.

Ngoài ra, phản hồi của bộ mã hóa có thể được sử dụng để điều khiển servo của động cơ bằng thuật toán điều khiển hướng trường (FOC). Các thuật toán này thường yêu cầu một số nỗ lực tính toán: lấy mẫu phản hồi và tương tự, các vòng điều khiển đạo hàm tích phân tỷ lệ (PID), các phép biến đổi ma trận và tạo điều chế độ rộng xung (PWM). Chúng cũng có những hạn chế về thời gian thực khiến chúng trở thành ứng cử viên hoàn hảo để triển khai trong phần cứng, bên trong trình điều khiển thông minh hoặc IC điều khiển servo chuyên dụng. Lợi ích của FOC là cải thiện hiệu suất động cơ cũng như ngăn ngừa mất bước.

Điều khiển động cơ vòng kín và điều khiển servo cũng có thể được sử dụng để tăng cả tốc độ in và độ chính xác trong sản xuất máy tính để bàn.

Tương lai của điều khiển chuyển động

Điều khiển chuyển động ở nhiều khía cạnh đã có từ rất lâu. Nhưng bây giờ có gì mới? tương lai sẽ mang lại những gì? Chúng tôi tin chắc rằng một số xu hướng quan trọng đang diễn ra sẽ định hình mạnh mẽ tương lai của điều khiển chuyển động cũng như cách nó sẽ và nên được sử dụng.

Điều khiển chuyển động sẽ trở thành một khối xây dựng

Trong các hệ thống và môi trường nối mạng, các thuật ngữ như "IoT" hay "đầu vào và đầu ra" hiện chiếm ưu thế và giao diện chiếm ưu thế. Do đó, tư duy của các kỹ sư ngày càng tập trung vào phần mềm hơn và tập trung vào các khối và thành phần xây dựng sẵn sàng sử dụng đi kèm với giao diện và API được xác định hoặc thậm chí được tiêu chuẩn hóa và có thể dễ dàng tích hợp. Trong thế giới như vậy, điều khiển chuyển động chỉ là một phần của hệ thống - thường chỉ là một phần ngoại vi vì phần chính (theo quan điểm kỹ thuật) chính là ứng dụng. Do đó, điều khiển chuyển động phải có thể sử dụng được giống như bất kỳ khối con nào khác với một giao diện nhất định và một bộ chức năng xác định.

Sự tích hợp sẽ tăng lên

Các thiết bị điều khiển chuyển động, SoC và chip sẽ không chỉ bao gồm các khối tương tự (ADC, bộ điều khiển cổng, bộ điều chỉnh điện áp) và các khối tiêu chuẩn kỹ thuật số (logic chuyển mạch, điều khiển từ xa), mà còn trở nên thông minh hơn và phức tạp hơn. Ngăn xếp giao thức truyền thông tích hợp, tác vụ điều hòa tín hiệu, tính toán hồ sơ chuyển động nhanh chóng, thuật toán giao hoán cao cấp và vòng điều khiển sẽ làm cho các thiết bị này thông minh hơn. Sẽ có sự cạnh tranh rất gay gắt trong việc tích hợp chức năng và thu nhỏ kích thước, cho dù chúng ta xem xét các IC silicon đơn lẻ, SoC hay hệ thống trên mô-đun (SoM).

Điều khiển chuyển động sẽ trở nên phổ biến

Thế giới sẽ ngày càng được tự động hóa hoàn toàn. Điều khiển chuyển động sẽ tiếp tục đảm nhận nhiều ứng dụng, nhiệm vụ và nhu cầu hơn trong môi trường cá nhân và công nghiệp một cách không được chú ý. Điều này sẽ làm tăng các yêu cầu về chất lượng điều khiển chuyển động về mặt an toàn, độ tin cậy, hiệu quả, độ chính xác và độ chính xác, và cuối cùng nhưng quan trọng là tiếng ồn.

Trên đây là một số thông tin mà chúng tôi muốn cung cấp cho quý vị về các hệ thống điều khiển chuyển động, đi kèm với những xu hướng mà các nhà phát triển giải pháp cần quan tâm. Advantech tự hào là một trong những nhà cung cấp giải pháp IoT công nghiệp hàng đầu trên giới, bao gồm cả các giải pháp cho hệ thống điều khiển chuyển động. Nếu quý vị muốn tìm hiểu thêm thông tin, đừng ngần ngại liên hệ với chúng tôi để được hỗ trợ.