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一家做运动控制的德国小微企业为何能“全球领先”?

2019-04-25
关键词: 运动控制 电机控制

  最近,德国一家做运动控制的公司Trinamic在慕尼黑上海电子展上宣传“全球领先”,“为运动和电机控制应用开发了世界上最先进的技术”。先进的集成电路,模块和机电一体化系统使当今的软件工程师能够快速,可靠地开发高效,平稳和静音工作的高精度驱动器。为此,机器人网&国际电子商情前往探访。

  首先,我们从网上扒出了他们的资料:

  Trinamic位于德国汉堡,成立于2004年,主要是技术人员,大概30人左右,在中国还没有任何总部,目前只有一个工程师在苏州地区负责。

  Trinamic的产品主要是:运动控制特制芯片、智能马达驱动器、嵌入式计算机控制系统。其实主要的产品就是运动控制芯片。

  在中国,这是一个典型的小微企业。

  在慕尼黑上海展会上我们在现场看了一个运动控制方面的小实验,后来从网上下载了这个视频:

  对此,Trianamic的销售总监用了一句话解释:对德国人来说,每一滴啤酒都是很宝贵的。

  德国人的逻辑与严谨在全世界都是出了名的最NB,看了这个关于运动控制方面的小视频后,不由得对这个公司肃然起敬,哪怕他是一个很小的小微企业。

  我们又从国外网站扒出了他们的一个视频:

  于是,我们继续了解了他们的产品。

  通过嵌入式运动控制加速创新

  Trinamic推出的嵌入式运动控制技术使得3D打印机和下一代“智能”假肢成为受益者。这些系统将特定应用的运动控制芯片与开放式硬件和软件平台相结合,是第四次工业革命的一部分。这一趋势正在加速机器人技术、工业自动化甚至是使用机电一体化技术的消费产品的创新速度。

  这种新型设备通过将大多数基本控制功能“封装”为硬件逻辑或经验证的软件构建模块,嵌入式开发人员可以使用与传统应用程序相同的丰富工具集和代码库来简化机电一体化产品的开发。除了大大缩短开发周期外,嵌入式运动控制器还可以为现有产品添加新功能,并支持许多新类别产品的出现。

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  智能电机智能世界

  嵌入式运动控制器可以将几乎所有的电机转变为“智能电机”,使设计师能够轻松、经济地创造出性能、效率更高的产品,在某些情况下,还可以创造出全新的功能。其中包括:

  ?高级斜坡运动(也称为“S”形斜坡运动):上面视频中所示的“啤酒移动器”是一种奇特的“啤酒移动器”,它演示了如何使用加速形状在两点之间快速移动一个装满啤酒的玻璃杯,而不会溢出一滴啤酒。同样的原理也适用于医学研究或其他液体处理应用中使用的移液机器人。同样地,不断调整机械臂的加速和减速率,使其能够达到更高的速度,并且仍然能精确地到达其下一个位置,对其有效载荷的干扰最小。这些算法还可以帮助工业物料运输车快速、高效地移动重型载荷。

  ?磁场定向电机控制(也称为“矢量控制”):通过计算实时传送到定子的驱动电流的相位和幅度,以最高效率运行电动机的技术。该算法是众所周知的,并且广泛用于大型电动机,但它可以在电动自行车,电动工具和其他消费者应用中提供更长的电池寿命,更冷静的操作和其他益处。

  ?更智能的步进电机:步进电机价格低廉且易于使用,但在精确度方面存在局限性,并且运行噪音较大。这些问题可通过智能控制算法克服,这些算法可实现微步进,使其表现得像更昂贵的伺服电机,并塑造其驱动脉冲以产生更平滑,更安静的步骤。

  直到最近,这些类型的功能太复杂,无法在许多商业和消费产品中实施。然而,这种情况正在发生变化,因为运动控制受益于同样的“硅革命”,它帮助计算机从20世纪60年代的早期大型机发展到今天功能强大且价格合理的PC。

  从大型机到大众市场

  最初由高端工作站和定制电子设备机架驱动,早期的运动控制系统体积庞大,价格昂贵。这些早期的系统很快就证明了其强大的价格标签具有独特的功能,例如可变加速和负载感应,这为制造和其他工业自动化应用带来了新的精度、灵活性和生产力水平。

  在接下来的十年里,越来越强大的数字信号处理器(DSP)和更大的低成本现场可编程门阵列(FPGAS)使运行复杂算法的控制器的成本大幅降低,这些算法对机械的运动学建模和需要以精确的方式移动的电机控制信号是必要的。尽管如此,该技术的采用仍然受到创建应用软件所需的时间和专业知识的限制。尽管存在可重复使用的DSP和用于运动控制的FPGA代码的库,但它们通常由设备制造商严格控制。此外,大多数代码没有遵循可重用性的现代指导原则,因此为每个应用程序实现这些代码仍然需要花费许多人几个月的时间,即使对于经验丰富的开发人员也是如此。

  Trinamic的嵌入式运动控制器克服了软件障碍,该控制器在电机方面有丰富的实际经验。他们的单芯片设备集成了强大的运动控制算法和专门设计的硬件逻辑,以加速运动控制算法,从实时关键任务中卸载处理器。由于大多数嵌入式开发人员不是运动学或运动物理学方面的专家,因此这些设备附带了一个电机控制和运动控制功能库,可通过标准应用程序编程接口(API)访问。这种方法使设计人员在无需成为电机物理专家的情况下也能够为其3D打印机,真空清洁机器人或生物分析仪提供先进的功能 - 例如加速成型,微步进和步进噪声抑制。

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  大胆的发展周期

  嵌入式运动控制器进一步简化了开发周期,因为它们的开发平台通常设计为与常用嵌入式系统通用的许多软件工具以及它们支持的大型开源参考代码库兼容。因此,通过产品化其数十年的专业知识,Trinamic使复杂的运动控制技术和组件易于使用和实施。因此,开发人员可以从现有Java,C / C + / C#和Linux代码库中构建其运动控制应用程序的基础,并将他们的大部分精力集中在5%到10%的代码上,这些代码对它们的设计是独一无二的。由于Trinamic的嵌入式运动控制器将其关键功能封装在预先验证的芯片和软件中,因此开发周期的这一部分从算法开发,实施和测试的多个周期减少到设置一些参数并将代码导出到您自己的固件。因此,生物测定移液机器人或高速定量食品分配器的开发工作流程与非机电一体化嵌入式应用程序没有太大差别。

  从胡克船长到钢铁侠:一个真实的成功故事

  最近开发的先进假肢为嵌入式运动控制器如何加速创新机电产品的开发提供了一个真实案例。冰岛制造商?ssur - 主动修复技术的市场领导者 - 开发了第一个用于批量生产的,具有电动膝盖和踝关节的假肢。它在2016年Cybathlon上首次亮相,这是由苏黎世联邦理工学院组织的一项国际比赛。在该比赛中,残疾选手使用最先进的辅助技术,如机器人假肢、脑机接口和电动外骨骼来完成日常任务。

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  该项目的目的是创造一种新型假肢,以逼真的方式移动,为用户提供舒适,稳健和运动效率。四肢的两个动力关节都依赖于TRINAMIC运动控制开发的嵌入式运动控制器来产生复杂的运动,并最有效地利用四肢有限的电池容量。

  控制器丰富的硬件运动控制功能和开发平台对经过验证的应用软件的补充消除了与控制器固件开发相关的许多风险,并缩短了验证和测试通常所需的时间。控制参数必须适应电机和设备应用的独特要求。

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  由于消除了通常与运动控制开发相关的许多步骤,设计团队能够在短短五个月内创建,调试和验证肢体定制电机控制器系统的功能。这有助于保持雄心勃勃的发展计划并及时在苏黎世的2016年Cybathlon比赛中胜出(观看参考资料5中的YouTube视频,了解Power Knee的实际运行情况)。虽然Power Knee的快速上市意味着?ssur能够获得更高的利润,但这项新技术带来的真正财富是它为用户提供的自由和性能。

  高功率BLDC / PMSM栅极驱动器

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  TMC6200是新型高压栅极驱动器,具有在线电机电流检测功能,可使用外部MOSFET实现高达100A的BLDC电机和PMSM伺服电机。

  这是2019年4月1日TRINAMIC刚刚推出的,该芯片具有强大而灵活的设计,具有与电机完美匹配的高电流曲线。

  工程师在设计过程中处理了一些限制,其中时间是最重要的限制。TMC6200补充了基于TMC4671硬件的伺服控制器构建块,并提供了例如短检测和超温阈值的可编程安全功能,使用现成的构建块实现了稳健可靠的设计。

  三个在线检测电阻可实现对PWM噪声具有鲁棒性的电流测量。这使得TMC6200非常适用于TMC4671中实现的Δ-Σ电流测量。这种类型的测量比底部分流测量更有效,底部分流测量需要在切换事件周围消除,并且只能与SAR ADC一起使用。

  栅极驱动器使用六个外部MOSFET和两个或三个检测电阻,集成了PMSM驱动系统的全高压部分,适用于12V,24V或48V。包括带可编程放大的在线电流检测放大器。因此,它可以驱动从Watt到Kilowatt的各种电机,非常适合工业驱动,工厂或实验室自动化,机器人,CNC机床,纺织机械,泵或其他使用PMSM FOC驱动器和BLDC电机的应用。

  该驱动器IC提供独立操作和SPI控制操作(包括诊断),可灵活应用,可快速适应新的使用案例和要求。 TMC6200采用9x9mm2 TQFP48封装。

  特点和好处

  高达100A线圈电流的三相电机(外部MOSFET)

  8 ... 60V直流电压范围

  可编程门驱动(0.5A / 1A / 1.5A)

  通过SPI接口提供全面保护和诊断

  SPI和独立操作

  100%工作循环运行的电荷泵

  可选BBM先断后合逻辑,用于单线控制

  可编程短路和过载电流阈值并重试

  可编程控制接口,带3线或6线驱动器

  紧凑型9x9mm2 TQFP48封装

  双引脚距离,可在高压下安全运行

  最后,我们从市场了解到,Trinamic占据了3D打印机芯片市场份额的40%。每年大概有100万 pcs的出货量。他们预计经过一个规律性的衰退性周期发展后,随着消费市场的崛起,到2025年,3D打印机市场会增长很大。

  就是这么一个30人的德国小微企业Trinamic,用他们长期的技术研发征服了我们和市场,这是值得我们学习的地方。


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