在工具机与工业机器人领域的应用，运动控制的演进随着自动化复杂度升高而加速，得以为智慧制造提供更高的生产力、弹性及自主性。藉由缩短完成制造步骤的时间，以及优化制造流程以达到减少消耗能源的成效，进而达成更永续环保的智慧制造。

智慧运动控制对智慧制造的重要性

智慧运动控制（Intelligent motion control）是智慧制造的核心建构元件，促成高弹性与高效率的制造流程。智慧运动控制结合精准回馈、先进感测、高效能控制、以及无缝衔接的连结，造就出决定性（deterministic）运动解决方案。无缝衔接的连结机制，串接PLC与制造执行系统（MES）的动作侦测情资，促成先进分析机制，借以优化制造流程，以及在生产停摆之前及时找出潜在问题。运用智慧运动控制技术的智慧制造能快速重设定（reconfigured），支援更敏捷与可扩充的制造环境，包括batch size 1此种一次量产仅一个的生产模式。藉由缩短完成制造步骤的时间，以及优化制造流程以达到更高的吞吐量，即可减少消耗能源进而达成更永续环保的智慧制造。

智慧运动应用项目，涵盖：

*泵浦

*风扇

*搬运机具（Hoists）

*冷暖空调设备（HVAC）

*输送带

*线圈（Winding）

*印刷（Printing）

*挤制机（Extrusion）

*机械加工（Machining）

*机器人（Robotics）

*取放搬运（Pick and place）

*装卸操控（Handling）等

智慧运动控制解决方案的演进

运动控制历经长期演进，从简单的并联（grid connected）马达到复杂的多轴伺服驱动解决方案，应用在工具机（machine tool）与工业机器人领域。随着自动化复杂度升高，这方面的演进随之加速，借以为智慧制造提供更高的生产力、弹性、以及自主性（图1）。

并联马达

最基本的运动解决方案是基于并联或交流供电的三相式固定速度马达，运用一个配电盘（switchgear）提供开/关控制与保护电路。这些基础运动解决方案在相对固定速度下运行，不受任何负载波动影响。调降输出功率的方式是运用机械式控制–包括油门、阻尼、齿轮或阀门、泵浦、风扇等都是典型的例子。

变流器驱动马达

加入整流器、直流汇流排、以及三相变流级（inverter stage），实际上建构出一个可变频率与可变电压源，套用到马达上即构成可变速度机制。这种变流器驱动马达大幅降低耗电，根据负载与应用进行调整，让马达在最适速度运转。应用实例包括更高效率的泵浦与风扇。

变速驱动器

在更高效能的运动控制应用方面，变速驱动器（VSD）促成精准扭力、速度、以及位置控制机制。为达成上述目标，电流与位置量测机制会加入到基本的开回路变流驱动器。如此一来，更精准地控制马达速度、位置、扭力就变得可行。包括输送带、线圈、印刷、以及挤制机具都是这些应用的典型例子。

伺服驱动系统

同步化多轴伺服驱动系统则用在更复杂的运动应用。工具机与电脑数值控制（CNC）机具需要多轴向的协调同步，涉及极精准的位置回馈。在CNC数控加工方面，五轴协调同动（coordination）是很常见的机制，有些应用甚至用到12轴，刀具与工件在加工时都会移动。

图1 : 智慧并联运动应用的演进

工业机器人/合作机器人/移动式机器人

工业机器人需要多轴伺服驱动器结合机器整合与先进机器控制演算法，借以执行复杂的3D空间定位。机器人通常需要协调控制六个轴向的运动，如果机器人会沿轨道移动就会需要控制七个轴向。协作机器人（cobot）采用工业机器人解决方案打造而成，加入功率与力道限制（PFL）机制，提供功能安全的多轴机器控制功能，让操作者能安全地与协作机器人一同工作。最后，自主导航的功能安全机器控制方案部署在移动式机器人，结合本地端感测与碰撞规避机制。

带动智慧运动控制成长的驱动力

四项关键成长驱动力加速智慧运动控制的发展:其中包括降低能耗、敏捷制造、数位转型、以及移转至新型服务式商业模式，降低停机时间以及提高智慧制造的资产使用率。让我们详加探索这四个关键成长驱动力。

降低能耗

工业近70%的用电都是由电动马达系统消耗。智慧运动解决方案现今与未来都将持续提供大幅降低的能耗，让更多应用从固定速度马达转移至高效率马达与可变速驱动器，因应各项能源效率法规的要求。能耗的降低将促成更永续环保的制造。取得机器运动情资借以优化制造流程，将进一步降低智慧制造的能源消耗。

敏捷制造

随着业界持续调适以因应消费者的要求以及持续演变的买方行为，基于可设定生产线的敏捷制造就必须更多客制化以及更快的整备时间。消费者需求促使业界从少样多量转移至多样少量的制造模式，促使工厂产线需要更高的弹性。许多复杂、重复性、高危险性的任务，现在都能由工业机器人执行，进而达到更高的吞吐量与提高生产力。敏捷制造除了能在混乱时期提高应变韧性，还能更快回应持续变化的客户要求。

数位转型

全球在2023年在数位转型的花费将达到6.8兆美元2。可变速驱动器与伺服驱动器运用包括电压、电流、位置、温度、功率、能耗等数据，结合外部感测器监视振动与其他制程变数。运用汇整资讯科技/营运技术（IT/OT）乙太网路，让运动应用能与其他通讯资料与情资进行联网。现在的运动资料与情资不仅具有更高的可存取性，还能由强大云端运算与AI进行分析，借以优化制造流程，以及监视整个厂区目前资产健康状态（图2）。

图2 : 无缝衔接工业乙太网路促成数位转型

部署资产的新商业模式

资产制造商希望不光只销售资产- 他们希望扩展其商业模式，涵盖售后服务合约，根据生产力与资产使用率的高低来收费。举例来说，帮浦制造商希望销售新型态预测维护服务方案，按泵送液体（像是水或液体）容积销售，依据泵送的每立方公尺（m3）容积计费，而不是只销售帮浦。帮浦OEM代工厂预估未来五年50%到60%的营收将来自服务相关业务。系统整合厂商希望根据安装机具制造能力的正常运作时间收费，取代根据最初安装资产收费的营收模式。新型智慧运动解决方案整合各种状态监视功能，建置资产健康状况的即时监视机制，借以规划维护时程。这种监视能消弭非规划的资产停机，提供更高生产力与资产使用率，这些都是新型服务合约的重要基石。

智慧运动控制要求

为促成智慧制造达到更高的生产力与永续性，业界需要新型先进运动控制解决方案提供四大成长驱动力。图3显示关键的智慧运动控制要求。

图3 : 智慧运动要求

卓越的运动控制

卓越的运动控制能缩短完成制造步骤的时间，不仅提高吞吐量与制造生产力，还能降低耗能。实际例子包括精准位置与扭力控制促成更高品质与更快的加工，像是减少加工复杂零件所需的步骤与时间。关键要求包括改进控制回路效能、适用于严苛工业部署环境的强固解决方案、以及高水准的整合度促成高可靠度小型化解决方案。这些目标催生出低延迟、低漂移、多相位电流与位置感测以及讯号链，具备高瞬态强固性与高整合度元件。

强固、安全、可靠

强固可靠解决方案能延长资产的可用寿命，这些都是促成更高永续性智慧制造的关键要素。藉由延长资产寿命，我们能大幅缩减原物料与能源的消耗，制造替代资产。电源调节与电源保护的电源管理解决方案都是关键元件，协助提供更强固、可靠的资产。电源管理的要求包括支援绝缘闸双极电晶体（IGBT）的高侧电源供应器、支援FPGA与处理器的高电源密度解决方案、电源管理遥测的数位负载点（PoL）、EMC强固性、高环境温度工作、以及资料与电源隔离，保护使用者避免因高电压受伤害。可靠地运用新型宽能隙电源开关（运用碳化矽（SiC）与氮化镓（GaN））制成，则衍生许多新挑战与需求，并协助业界提供快速过电流保护系统以及强固工作性能。

即时连结

在高效能、多轴、同步化运动应用方面，控制时序要求都是精准、决定性、以及时间要求严苛，必须尽可能减低端至端延迟，尤其是当控制周期时间越来越短而控制演算法却越来越复杂。这些高效能应用需要即时连结，在次微秒（sub-ms）等级的网路周期时间下控制各种复杂的运动应用。智慧制造采用视觉系统搭配运动应用，用来监视制造品质与提高生产安全性。工业乙太网路必须支援即时决定性运动控制流量以及尽力传输（best-effort）视觉流量在Gb频宽等级的网路上并存传输。必须要有装置与控制器连上网路的互通性，才能在制造环境提供无缝衔接的资料流吞吐量，以及确保对更高层管理系统的资料透明度，并藉由缩短投产启动时间让这些网路更具弹性与扩充性。汇流（IT/OT）的乙太网路确保更高层管理软体系统能无缝存取运动情资，经过分析后着手优化制造流程与加速数位转型。

先进感测

先进感测解决方案获取的运动情资能用来优化制造流程，以及侦测的失效的早期迹像。感测的模态包括位置、电流、电压、磁场、温度、振动、以及冲击。许多新发展的商业模式运用先进感测方案部署即时监视机制，掌握资产的健康状况，凭借提升资产正常运行时间的效益，向客户推出预测性维护服务合约方案。先进的感测要求包括在恶劣工业环境（像是充满大量灰尘）中维持强固性、精准的位置感测、无接触高电流感测、高频宽电流与振动感测、精减（reduced）校正以确保解决方案的精准度、以及小型化解决方案尺吋支援各种类型编码器应用。

关键技术加速发展更高价值的运动控制解决方案

新一代智慧运动控制解决方案必须针对智慧制造结合各种技术。藉由从先进感测元件取得系统情资，这些技术能在各种恶劣工业环境提供强固、精准的运动控制（图4）。

图4 : 关键技术藉由取得各项系统情资，加速发展更高价值的运动控制解决方案。

精准量测

复杂运动控制需要精准转换器技术来达到高品质电流回馈，运用隔离与非隔离式解决方案来提供控制回路效能，兼具高精准与快速瞬态响应的性能。电流回馈是基础的建构元件，用来提升驱动效能以及决定整体控制频宽与反应时间。电流回馈的关键要求包括与PWM周期进行同步量测、隔离或高共模量测、低偏置漂移以降低扭力涟波、以及在14至18位元解析度下的低延迟模拟取样以量测相位电流。此外还需要精准转换器技术，借以在编码器与线性滑轨应用中执行精准位置量测，借以提供更高的吞吐量与生产力。

隔离与介面

促成复杂运动控制的新一代驱动器与马达需要数位隔离技术来提供隔离式资料与隔离式通讯介面，像是RS-485、USB、以及LVDS。此外还需要隔离式闸极驱动器来驱动高侧与低侧电力半导体，以提供强固、安全合规、高度可靠的资产。闸极驱动器能将逻辑层级PWM讯号转换成高侧参考讯号，用来控制功率电晶体。高电压逆变器应用通常采用IBGT元件，未来的趋势是采用碳化矽与氮化镓元件来提高切换频率与/或降低切换损耗。低电压应用通常采用MOSFET型开关元件。闸极驱动器的关键要求包括高速、低传播延迟、低延迟时滞、强固性、以及共模瞬态免疫力、切换保护功能（DESAT、米勒钳位、软关闭、UVLO）、以及可控制切换（可变扭转率切换）。标准数位隔离器用在许多驱动器，负责在高电压功率电子域与安全超低电压（SELV）域之间转换讯号，支援PWM与其他讯号。这类例子包括为整合式电源模组（IPM）隔离讯号。完全隔离式电源解决方案亦可结合数位隔离器或其他隔离功能，提供比分立式变压器解决方案大幅缩减的尺寸。

工业乙太网路

工业乙太网路具备次微秒等级的网路效能，满足运动控制应用（伺服与驱动器）决定性即时通讯的要求。 100 Mb 与Gb速度的强固实体层元件，结合Layer 2工业乙太网路协定，像是EtherCAT、PROFINET、EtherNET/IP、以及IEEE 时间敏感型网路（TSN） ，确保确定性乙太网路连结能力。新一代设计朝Gb TSN汇流网路迈进，结合多种流量类型; 支援控制的周期性通讯; 支援尽力传送（best effort）流量的非周期性通讯（像是视觉与监视流量）。在多轴应用中，低延迟工业乙太网路解决方案必须降低周期时间。这些决定性运动解决方案促成更复杂的运动应用，协助业界达成更高的制造生产力与弹性。

磁性感测

磁性感测基于异向性磁电阻（AMR）位置感测解决方案，为编码器应用提供强固且精准的位置感测机制。位置回馈用在直接位置控制或推算旋转速度，以及在伺服驱动器中建置机器速度控制机制。磁性感测提供比光学编码器成本更低的解决方案，以及为充斥污尘与振动的工业应用提供更强固的解决方案。

电源管理

智慧运动应用通常部署在恶劣的工业环境，因此除了要求各种在高环境温度下工作，还要对导通杂讯与高电压瞬态具有免疫力。在一些去中心化应用上，驱动器设置在靠近马达处以装入更小的机壳，在其他应用中驱动器甚至和马达整合在一起。更高电力密度的电源管理解决方案，同时能在环境温度下工作，才能促成这些更小型的智慧运动应用。

机器健康

机器健康采用振动与冲击感测器执行即时状况监视，藉由掌握资产的健康状况来消弭非规划停机、延长资产的可使用寿命、以及降低维护成本。藉由将机器健康整合到运动应用，即可透过数位化策略来开创新的营收来源，根据保证正常运行时间以达到更高的制造生产力，创造出新型服务商业模式。包括振动、冲击、温度等资产健康资料透过边缘AI转换成资产健康情资，再透过有线或无线解决方案传送到管理控制软体，由这些软体提供关键资产的即时健康状态。

总结

敏捷制造必须快速回应持续变化的消费者要求，以及支援最低到批次数量仅一个（batch size of 1）的高效率生产。运用智慧连网资产的敏捷制造，可快速重新设定。这些连网资产能即时共享资料，而这类资料可用来找出生产瓶颈，借以提升营运效能，以及监视资产的健康状况，借以消弭非规划的停机。运用智慧运动解决方案的智慧制造不仅减少耗能，还促成更复杂的运动，借以达到更高的弹性、生产力及永续性。

（本文作者Maurice O’Brien为ADI策略行销经理）

**刊头图（source：ADI）