在工具機與工業(yè)機器人領(lǐng)域的應(yīng)用，運動控制的演進隨著自動化複雜度升高而加速，得以為智慧製造提供更高的生產(chǎn)力、彈性及自主性。藉由縮短完成製造步驟的時間，以及優(yōu)化製造流程以達到減少消耗能源的成效，進而達成更永續(xù)環(huán)保的智慧製造。
智慧運動控制對智慧製造的重要性
智慧運動控制（Intelligent motion control）是智慧製造的核心建構(gòu)元件，促成高彈性與高效率的製造流程。智慧運動控制結(jié)合精準(zhǔn)回饋、先進感測、高效能控制、以及無縫銜接的連結(jié)，造就出決定性（deterministic）運動解決方案。無縫銜接的連結(jié)機制，串接PLC與製造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的動作偵測情資，促成先進分析機制，藉以優(yōu)化製造流程，以及在生產(chǎn)停擺之前及時找出潛在問題。運用智慧運動控制技術(shù)的智慧製造能快速重設(shè)定（reconfigured），支援更敏捷與可擴充的製造環(huán)境，包括batch size 1此種一次量產(chǎn)僅一個的生產(chǎn)模式。藉由縮短完成製造步驟的時間，以及優(yōu)化製造流程以達到更高的吞吐量，即可減少消耗能源進而達成更永續(xù)環(huán)保的智慧製造。
智慧運動應(yīng)用項目，涵蓋：
*泵浦
*風(fēng)扇
*搬運機具（Hoists）
*冷暖空調(diào)設(shè)備（HVAC）
*輸送帶
*線圈（Winding）
*印刷（Printing）
*擠製機（Extrusion）
*機械加工（Machining）
*機器人（Robotics）
*取放搬運（Pick and place）
*裝卸操控（Handling）等
智慧運動控制解決方案的演進
運動控制歷經(jīng)長期演進，從簡單的併聯(lián)（grid connected）馬達到複雜的多軸伺服驅(qū)動解決方案，應(yīng)用在工具機（machine tool）與工業(yè)機器人領(lǐng)域。隨著自動化複雜度升高，這方面的演進隨之加速，藉以為智慧製造提供更高的生產(chǎn)力、彈性、以及自主性（圖1）。
併聯(lián)馬達
最基本的運動解決方案是基於併聯(lián)或交流供電的三相式固定速度馬達，運用一個配電盤（switchgear）提供開/關(guān)控制與保護電路。這些基礎(chǔ)運動解決方案在相對固定速度下運行，不受任何負載波動影響。調(diào)降輸出功率的方式是運用機械式控制–包括油門、阻尼、齒輪或閥門、泵浦、風(fēng)扇等都是典型的例子。
變流器驅(qū)動馬達
加入整流器、直流匯流排、以及三相變流級（inverter stage），實際上建構(gòu)出一個可變頻率與可變電壓源，套用到馬達上即構(gòu)成可變速度機制。這種變流器驅(qū)動馬達大幅降低耗電，根據(jù)負載與應(yīng)用進行調(diào)整，讓馬達在最適速度運轉(zhuǎn)。應(yīng)用實例包括更高效率的泵浦與風(fēng)扇。
變速驅(qū)動器
在更高效能的運動控制應(yīng)用方面，變速驅(qū)動器（VSD）促成精準(zhǔn)扭力、速度、以及位置控制機制。為達成上述目標(biāo)，電流與位置量測機制會加入到基本的開迴路變流驅(qū)動器。如此一來，更精準(zhǔn)地控制馬達速度、位置、扭力就變得可行。包括輸送帶、線圈、印刷、以及擠製機具都是這些應(yīng)用的典型例子。
伺服驅(qū)動系統(tǒng)
同步化多軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)則用在更複雜的運動應(yīng)用。工具機與電腦數(shù)值控制（CNC）機具需要多軸向的協(xié)調(diào)同步，涉及極精準(zhǔn)的位置回饋。在CNC數(shù)控加工方面，五軸協(xié)調(diào)同動（coordination）是很常見的機制，有些應(yīng)用甚至用到12軸，刀具與工件在加工時都會移動。
| 圖1 : 智慧併聯(lián)運動應(yīng)用的演進 |
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工業(yè)機器人/合作機器人/移動式機器人
工業(yè)機器人需要多軸伺服驅(qū)動器結(jié)合機器整合與先進機器控制演算法，藉以執(zhí)行複雜的3D空間定位。機器人通常需要協(xié)調(diào)控制六個軸向的運動，如果機器人會沿軌道移動就會需要控制七個軸向。協(xié)作機器人（cobot）採用工業(yè)機器人解決方案打造而成，加入功率與力道限制（PFL）機制，提供功能安全的多軸機器控制功能，讓操作者能安全地與協(xié)作機器人一同工作。最後，自主導(dǎo)航的功能安全機器控制方案部署在移動式機器人，結(jié)合本地端感測與碰撞規(guī)避機制。
帶動智慧運動控制成長的驅(qū)動力
四項關(guān)鍵成長驅(qū)動力加速智慧運動控制的發(fā)展:其中包括降低能耗、敏捷製造、數(shù)位轉(zhuǎn)型、以及移轉(zhuǎn)至新型服務(wù)式商業(yè)模式，降低停機時間以及提高智慧製造的資產(chǎn)使用率。讓我們詳加探索這四個關(guān)鍵成長驅(qū)動力。
降低能耗
工業(yè)近70%的用電都是由電動馬達系統(tǒng)消耗。智慧運動解決方案現(xiàn)今與未來都將持續(xù)提供大幅降低的能耗，讓更多應(yīng)用從固定速度馬達轉(zhuǎn)移至高效率馬達與可變速驅(qū)動器，因應(yīng)各項能源效率法規(guī)的要求。能耗的降低將促成更永續(xù)環(huán)保的製造。取得機器運動情資藉以優(yōu)化製造流程，將進一步降低智慧製造的能源消耗。
敏捷製造
隨著業(yè)界持續(xù)調(diào)適以因應(yīng)消費者的要求以及持續(xù)演變的買方行為，基於可設(shè)定生產(chǎn)線的敏捷製造就必須更多客製化以及更快的整備時間。消費者需求促使業(yè)界從少樣多量轉(zhuǎn)移至多樣少量的製造模式，促使工廠產(chǎn)線需要更高的彈性。許多複雜、重複性、高危險性的任務(wù)，現(xiàn)在都能由工業(yè)機器人執(zhí)行，進而達到更高的吞吐量與提高生產(chǎn)力。敏捷製造除了能在混亂時期提高應(yīng)變韌性，還能更快回應(yīng)持續(xù)變化的客戶要求。
數(shù)位轉(zhuǎn)型
全球在2023年在數(shù)位轉(zhuǎn)型的花費將達到6.8兆美元2。可變速驅(qū)動器與伺服驅(qū)動器運用包括電壓、電流、位置、溫度、功率、能耗等數(shù)據(jù)，結(jié)合外部感測器監(jiān)視振動與其他製程變數(shù)。運用匯整資訊科技/營運技術(shù)（IT/OT）乙太網(wǎng)路，讓運動應(yīng)用能與其他通訊資料與情資進行聯(lián)網(wǎng)。現(xiàn)在的運動資料與情資不僅具有更高的可存取性，還能由強大雲(yún)端運算與AI進行分析，藉以優(yōu)化製造流程，以及監(jiān)視整個廠區(qū)目前資產(chǎn)健康狀態(tài)（圖2）。
| 圖2 : 無縫銜接工業(yè)乙太網(wǎng)路促成數(shù)位轉(zhuǎn)型 |
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部署資產(chǎn)的新商業(yè)模式
資產(chǎn)製造商希望不光只銷售資產(chǎn)- 他們希望擴展其商業(yè)模式，涵蓋售後服務(wù)合約，根據(jù)生產(chǎn)力與資產(chǎn)使用率的高低來收費。舉例來說，幫浦製造商希望銷售新型態(tài)預(yù)測維護服務(wù)方案，按泵送液體（像是水或液體）容積銷售，依據(jù)泵送的每立方公尺（m3）容積計費，而不是只銷售幫浦。幫浦OEM代工廠預(yù)估未來五年50%到60%的營收將來自服務(wù)相關(guān)業(yè)務(wù)。系統(tǒng)整合廠商希望根據(jù)安裝機具製造能力的正常運作時間收費，取代根據(jù)最初安裝資產(chǎn)收費的營收模式。新型智慧運動解決方案整合各種狀態(tài)監(jiān)視功能，建置資產(chǎn)健康狀況的即時監(jiān)視機制，藉以規(guī)劃維護時程。這種監(jiān)視能消弭非規(guī)劃的資產(chǎn)停機，提供更高生產(chǎn)力與資產(chǎn)使用率，這些都是新型服務(wù)合約的重要基石。
智慧運動控制要求
為促成智慧製造達到更高的生產(chǎn)力與永續(xù)性，業(yè)界需要新型先進運動控制解決方案提供四大成長驅(qū)動力。圖3顯示關(guān)鍵的智慧運動控制要求。
卓越的運動控制
卓越的運動控制能縮短完成製造步驟的時間，不僅提高吞吐量與製造生產(chǎn)力，還能降低耗能。實際例子包括精準(zhǔn)位置與扭力控制促成更高品質(zhì)與更快的加工，像是減少加工複雜零件所需的步驟與時間。關(guān)鍵要求包括改進控制迴路效能、適用於嚴(yán)苛工業(yè)部署環(huán)境的強固解決方案、以及高水準(zhǔn)的整合度促成高可靠度小型化解決方案。這些目標(biāo)催生出低延遲、低漂移、多相位電流與位置感測以及訊號鏈，具備高瞬態(tài)強固性與高整合度元件。
強固、安全、可靠
強固可靠解決方案能延長資產(chǎn)的可用壽命，這些都是促成更高永續(xù)性智慧製造的關(guān)鍵要素。藉由延長資產(chǎn)壽命，我們能大幅縮減原物料與能源的消耗，製造替代資產(chǎn)。電源調(diào)節(jié)與電源保護的電源管理解決方案都是關(guān)鍵元件，協(xié)助提供更強固、可靠的資產(chǎn)。電源管理的要求包括支援絕緣閘雙極電晶體（IGBT）的高側(cè)電源供應(yīng)器、支援FPGA與處理器的高電源密度解決方案、電源管理遙測的數(shù)位負載點（PoL）、EMC強固性、高環(huán)境溫度工作、以及資料與電源隔離，保護使用者避免因高電壓受傷害。可靠地運用新型寬能隙電源開關(guān)（運用碳化矽（SiC）與氮化鎵（GaN））製成，則衍生許多新挑戰(zhàn)與需求，並協(xié)助業(yè)界提供快速過電流保護系統(tǒng)以及強固工作性能。
即時連結(jié)
在高效能、多軸、同步化運動應(yīng)用方面，控制時序要求都是精準(zhǔn)、決定性、以及時間要求嚴(yán)苛，必須盡可能減低端至端延遲，尤其是當(dāng)控制週期時間越來越短而控制演算法卻越來越複雜。這些高效能應(yīng)用需要即時連結(jié)，在次微秒（sub-ms）等級的網(wǎng)路週期時間下控制各種複雜的運動應(yīng)用。智慧製造採用視覺系統(tǒng)搭配運動應(yīng)用，用來監(jiān)視製造品質(zhì)與提高生產(chǎn)安全性。工業(yè)乙太網(wǎng)路必須支援即時決定性運動控制流量以及盡力傳輸（best-effort）視覺流量在Gb頻寬等級的網(wǎng)路上並存?zhèn)鬏敗１仨氁醒b置與控制器連上網(wǎng)路的互通性，才能在製造環(huán)境提供無縫銜接的資料流吞吐量，以及確保對更高層管理系統(tǒng)的資料透明度，並藉由縮短投產(chǎn)啟動時間讓這些網(wǎng)路更具彈性與擴充性。匯流（IT/OT）的乙太網(wǎng)路確保更高層管理軟體系統(tǒng)能無縫存取運動情資，經(jīng)過分析後著手優(yōu)化製造流程與加速數(shù)位轉(zhuǎn)型。
先進感測
先進感測解決方案獲取的運動情資能用來優(yōu)化製造流程，以及偵測的失效的早期跡像。感測的模態(tài)包括位置、電流、電壓、磁場、溫度、振動、以及衝擊。許多新發(fā)展的商業(yè)模式運用先進感測方案部署即時監(jiān)視機制，掌握資產(chǎn)的健康狀況，憑藉提升資產(chǎn)正常運行時間的效益，向客戶推出預(yù)測性維護服務(wù)合約方案。先進的感測要求包括在惡劣工業(yè)環(huán)境（像是充滿大量灰塵）中維持強固性、精準(zhǔn)的位置感測、無接觸高電流感測、高頻寬電流與振動感測、精減（reduced）校正以確保解決方案的精準(zhǔn)度、以及小型化解決方案尺吋支援各種類型編碼器應(yīng)用。
關(guān)鍵技術(shù)加速發(fā)展更高價值的運動控制解決方案
新一代智慧運動控制解決方案必須針對智慧製造結(jié)合各種技術(shù)。藉由從先進感測元件取得系統(tǒng)情資，這些技術(shù)能在各種惡劣工業(yè)環(huán)境提供強固、精準(zhǔn)的運動控制（圖4）。
| 圖4 : 關(guān)鍵技術(shù)藉由取得各項系統(tǒng)情資，加速發(fā)展更高價值的運動控制解決方案。 |
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精準(zhǔn)量測
複雜運動控制需要精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器技術(shù)來達到高品質(zhì)電流回饋，運用隔離與非隔離式解決方案來提供控制迴路效能，兼具高精準(zhǔn)與快速瞬態(tài)響應(yīng)的性能。電流回饋是基礎(chǔ)的建構(gòu)元件，用來提升驅(qū)動效能以及決定整體控制頻寬與反應(yīng)時間。電流回饋的關(guān)鍵要求包括與PWM週期進行同步量測、隔離或高共模量測、低偏置漂移以降低扭力漣波、以及在14至18位元解析度下的低延遲模擬取樣以量測相位電流。此外還需要精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器技術(shù)，藉以在編碼器與線性滑軌應(yīng)用中執(zhí)行精準(zhǔn)位置量測，藉以提供更高的吞吐量與生產(chǎn)力。
隔離與介面
促成複雜運動控制的新一代驅(qū)動器與馬達需要數(shù)位隔離技術(shù)來提供隔離式資料與隔離式通訊介面，像是RS-485、USB、以及LVDS。此外還需要隔離式閘極驅(qū)動器來驅(qū)動高側(cè)與低側(cè)電力半導(dǎo)體，以提供強固、安全合規(guī)、高度可靠的資產(chǎn)。閘極驅(qū)動器能將邏輯層級PWM訊號轉(zhuǎn)換成高側(cè)參考訊號，用來控制功率電晶體。高電壓逆變器應(yīng)用通常採用IBGT元件，未來的趨勢是採用碳化矽與氮化鎵元件來提高切換頻率與/或降低切換損耗。低電壓應(yīng)用通常採用MOSFET型開關(guān)元件。閘極驅(qū)動器的關(guān)鍵要求包括高速、低傳播延遲、低延遲時滯、強固性、以及共模瞬態(tài)免疫力、切換保護功能（DESAT、米勒鉗位、軟關(guān)閉、UVLO）、以及可控制切換（可變扭轉(zhuǎn)率切換）。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)位隔離器用在許多驅(qū)動器，負責(zé)在高電壓功率電子域與安全超低電壓（SELV）域之間轉(zhuǎn)換訊號，支援PWM與其他訊號。這類例子包括為整合式電源模組（IPM）隔離訊號。完全隔離式電源解決方案亦可結(jié)合數(shù)位隔離器或其他隔離功能，提供比分立式變壓器解決方案大幅縮減的尺寸。
工業(yè)乙太網(wǎng)路
工業(yè)乙太網(wǎng)路具備次微秒等級的網(wǎng)路效能，滿足運動控制應(yīng)用（伺服與驅(qū)動器）決定性即時通訊的要求。100 Mb 與Gb速度的強固實體層元件，結(jié)合Layer 2工業(yè)乙太網(wǎng)路協(xié)定，像是EtherCAT、PROFINET、EtherNET/IP、以及IEEE 時間敏感型網(wǎng)路（TSN） ，確保確定性乙太網(wǎng)路連結(jié)能力。新一代設(shè)計朝Gb TSN匯流網(wǎng)路邁進，結(jié)合多種流量類型; 支援控制的周期性通訊; 支援盡力傳送（best effort）流量的非週期性通訊（像是視覺與監(jiān)視流量）。在多軸應(yīng)用中，低延遲工業(yè)乙太網(wǎng)路解決方案必須降低週期時間。這些決定性運動解決方案促成更複雜的運動應(yīng)用，協(xié)助業(yè)界達成更高的製造生產(chǎn)力與彈性。
磁性感測
磁性感測基於異向性磁電阻（AMR）位置感測解決方案，為編碼器應(yīng)用提供強固且精準(zhǔn)的位置感測機制。位置回饋用在直接位置控制或推算旋轉(zhuǎn)速度，以及在伺服驅(qū)動器中建置機器速度控制機制。磁性感測提供比光學(xué)編碼器成本更低的解決方案，以及為充斥污塵與振動的工業(yè)應(yīng)用提供更強固的解決方案。
電源管理
智慧運動應(yīng)用通常部署在惡劣的工業(yè)環(huán)境，因此除了要求各種在高環(huán)境溫度下工作，還要對導(dǎo)通雜訊與高電壓瞬態(tài)具有免疫力。在一些去中心化應(yīng)用上，驅(qū)動器設(shè)置在靠近馬達處以裝入更小的機殼，在其他應(yīng)用中驅(qū)動器甚至和馬達整合在一起。更高電力密度的電源管理解決方案，同時能在環(huán)境溫度下工作，才能促成這些更小型的智慧運動應(yīng)用。
機器健康
機器健康採用振動與衝擊感測器執(zhí)行即時狀況監(jiān)視，藉由掌握資產(chǎn)的健康狀況來消弭非規(guī)劃停機、延長資產(chǎn)的可使用壽命、以及降低維護成本。藉由將機器健康整合到運動應(yīng)用，即可透過數(shù)位化策略來開創(chuàng)新的營收來源，根據(jù)保證正常運行時間以達到更高的製造生產(chǎn)力，創(chuàng)造出新型服務(wù)商業(yè)模式。包括振動、衝擊、溫度等資產(chǎn)健康資料透過邊緣AI轉(zhuǎn)換成資產(chǎn)健康情資，再透過有線或無線解決方案傳送到管理控制軟體，由這些軟體提供關(guān)鍵資產(chǎn)的即時健康狀態(tài)。
總結(jié)
敏捷製造必須快速回應(yīng)持續(xù)變化的消費者要求，以及支援最低到批次數(shù)量僅一個（batch size of 1）的高效率生產(chǎn)。運用智慧連網(wǎng)資產(chǎn)的敏捷製造，可快速重新設(shè)定。這些連網(wǎng)資產(chǎn)能即時共享資料，而這類資料可用來找出生產(chǎn)瓶頸，藉以提升營運效能，以及監(jiān)視資產(chǎn)的健康狀況，藉以消弭非規(guī)劃的停機。運用智慧運動解決方案的智慧製造不僅減少耗能，還促成更複雜的運動，藉以達到更高的彈性、生產(chǎn)力及永續(xù)性。
（本文作者Maurice O’Brien為ADI策略行銷經(jīng)理）
**刊頭圖（source：ADI）
