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构建与购买:为什么使用智能微系统开发电机驱动器可能是您的理想选择
通常,设计工程师需使用运动控制组件时,要么采购独立自足的完整单元,要么内部自行开发。但是,从头开始设计电机驱动器和运动控制组件要求全面掌握有关处理电动机的应用知识,还往往需要具备实施各种技术的经验,例如电机控制环路、读取位置传感器以及与各种总线和通信接口的连接。设备制造商和系统集成商主要将电力驱动装置集成到其产品中,其核心竞争力通常处于更高的抽象层次上,因此如果决定自行构建,可能会分散公司对核心开发任务的注意力和精力。
另一种选择是购买电机驱动器,它们作为独立自足的硬件和软件构建模块,可以集成到产品中,而设计工程师无需深入掌握关于电机控制的知识。是应该外购完整的电机驱动器单元或单独的构建模块集成到运动控制应用,还是应该内部自行开发?本文将比较这两种方案的利弊。本文还会讨论购买的驱动器和构建模块的不同架构类型和特性,及其重要性。
为什么要自行构建?内部开发伺服驱动器的优势
出于多种原因,公司可能会决定内部构建自己的伺服驱动器。其中,这些公司中大多数会顾虑到每种驱动器设计必须如何适应特定应用的复杂性,以及许多现有货架驱动解决方案的局限性。
此外,设计工程师通常对应用中的电机驱动器有非常具体的要求,包括尺寸、成本、功能、性能和功率。由于物理尺寸、外形尺寸或机械集成相关问题,找到完全符合所有要求的商业设备可能并不容易。相关产品还有可能不符合所需的技术规格,例如电压和功率水平。
即使工程师找到了合适的产品,相关器件也可能无法在特定的生产窗口内交付,或者价格不符合产品的目标成本。通常,工程师必须仔细权衡某些功能和规格,才能得到所需的产品。

内部开发伺服驱动器通常意味着工程师可以创建满足所有要求的设备。其他选择内部开发的原因包括:能够重新设计旧硬件来翻新产品,以及希望更加独立于外部供应商以更好地管理产品生命周期。选择自行构建而非购买的主要原因在于,公司希望使用自己的运动规划、加减速或定位功能。例如,某种产品可能需要一个非常快速且易于同步的接口,如多轴运动控制设备中的步进/方向接口。如果商用设备中没有这种接口,那么自行构建通常是唯一选择。
将数字数据转化为物理运动可能非常困难,如果商业驱动器不支持某种关键接口或运动模式,则可能需要额外的软件层。此类转换功能需要一些时间来开发和整合。更糟糕的是,新增通信层会引入延迟,从而降低现场控制系统的性能,并使产品开发过程中的所有工程工作变得更加复杂。无论简单的SPI(串行外设接口)或UART,还是复杂的CAN(控制器局域网络)或RS-485接口,工程师都应该先从演示设备或评估套件开始,然后才能估算集成时间。
开发的主要任务和问题
自行开发电机驱动器的公司需要完成一长串任务,这些任务会占用大量的开发时间,而且还伴随着一些负面影响。
首先,工程师必须从数百款可用微控制器中选择一款。所选取的器件必须足够便宜,并具备应用所需的最低算力,此外还要有合适的封装、引脚选项、电压水平和许多其他特性。由于选择数量众多,这项任务异常艰巨。此外,供应商每隔几年就会发布新版本,这可能会迫使公司将工业产品开发周期缩短到超过预期。
接下来,工程师必须选择并实现电机控制算法,这就需要电机和运动控制方面的专家。这不仅会增加研发人员的数量,而且此类专家比较稀有,对人力资源部门来说是一个问题。
工程师必须选择元器件并为功率级创建电子电路,包括栅极驱动器和MOSFET。工程师必须处理好机械集成,选择正确的连接器和电源,此外还必须设计必要的PCB(印刷电路板)原理图和布局,包括设计电流测量电路和额外的模拟电路。
克服这些障碍之后,研发部门必须确保设计符合特定标准或认证,例如医疗设备的安全要求,此外可能还需要确保产品与遗留设备兼容,这可能会产生旧部件供应问题。
除了这些一般任务外,工程师还必须选择一款或多款用于电机控制的传感器,并将其与电机驱动器连接起来。他们还必须选择通信接口(如EtherCAT)来与命令级控制器(如PLC(可编程逻辑控制器)或工业PC)通信。

为什么要购买?购买高度集成微系统的优势
在制定新电机驱动方案规范的过程中,设计工程师有许多不同的选择。现代微系统可以将电机控制和接口功能集中到易于使用的构建模块中。微系统有多种形式:预配置的微控制器,通过软件实现电机控制功能;具有电机和运动控制功能的多核微控制器;以及其他集成总线系统驱动和相应软件堆栈的解决方案。
与所有这些解决方案相比,完整的驱动解决方案将功率级和测量电路集成在一个整体模块中,灵活性比较低,同时开发成本也低,因为设计工程师只需将它们集成到系统中。此外还通常包含一些不需要但仍需付费的功能和特性。尽管内部设计电机驱动器的开发成本往往较高,但从制造成本的角度来看,这种办法通常更高效。因为工具成本一般较低,大部分成本集中在原型制作环节,这部分叫做开发成本。
高度集成的微系统在“构建与购买”之间提供了一种平衡方法。这些微系统不仅集成了电机和运动控制功能,以及CAN或EtherCAT这样的命令级接口,还集成了部分功率级,如栅极驱动器。有了这些系统,工程师无需设计关键功能,同时仍能保持所需的灵活性。这些解决方案还通过评估套件和标准模块,以及由运动控制专家精心开发且易于实施的标准API(应用程序编程接口)来加快设计过程。硬件设计工程师仍然可以灵活地根据需要匹配功率级,从而调整驱动器的外形和尺寸。
结论
在一般成本和时间限制下开发电机驱动器时,高度集成的运动控制微系统可以给设计工程师带来优势,不仅能提供工程师可能不具备的先进运动控制专业知识和功能,还有助于加速、简化设计过程。