看什么 一家专门从事运动控制的德国小微企业为何能成为全球领先者

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近日,德国运动控制公司Trinamic在慕尼黑上海电子展上宣扬“全球领先地位”,“开发了全球最先进的运动和电机控制应用技术”。 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、安静运行的高精度驱动器。 为此,机器人网&国际电商资讯前去探访。

首先,我在网上查到了他们的信息:

Trinamic 位于德国汉堡。 公司成立于2004年,主要由技术人员组成,约30人。 它在中国没有任何总部。 目前负责苏州地区的工程师只有一名。

Trinamic的产品主要包括:专用运动控制芯片、智能电机驱动器、嵌入式计算机控制系统。 事实上,主要产品是运动控制芯片。

在中国,这是典型的小微企业。

在慕尼黑上海展上,我现场观看了一个关于运动控制的小实验,后来从网上下载了这个视频:

对此,Trianamic的销售总监用一句话解释道:对于德国人来说,每一滴啤酒都弥足珍贵。

德国人以逻辑严谨闻名于世。 看完这个关于运动控制的短视频后,我不禁对这家公司产生了敬意,即使它是一个很小的微型企业。

我还从国外网站找到了他们的一个视频:

于是,我继续了解他们的产品。

通过嵌入式运动控制加速创新

Trinamic 的嵌入式运动控制技术使 3D 打印机和下一代“智能”假肢受益。 这些系统将专用运动控制芯片与开放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、工业自动化甚至使用机电一体化的消费产品的创新。

这种新型设备通过将最基本的控制功能“封装”为硬件逻辑或经过验证的软件构建块来简化机电一体化产品的设计,从而允许嵌入式开发人员使用与传统应用程序相同的丰富工具集和代码库。 发展。 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电机转变为“智能电机”,使设计人员能够轻松且经济高效地创建具有更高性能、效率以及在某些情况下全新功能的产品。 这些包括:

•高级斜坡(也称为“S”斜坡):上面视频中显示的“啤酒移动器”是一个奇特的“啤酒移动器”,演示了如何使用加速形状在两点之间移动快速移动装满啤酒的玻璃杯,而无需溢出一滴。 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,手臂的加速度和减速度会不断调整,以便它可以达到更高的速度,并且仍然精确地到达下一个位置,同时对其有效负载的干扰最小。 这些算法还可以帮助工业物料运输车辆快速高效地移动重物。

• 磁场定向电机控制(也称为“矢量控制”):一种通过实时计算传送到定子的驱动电流的相位和幅度来以最大效率运行电机的技术。 该算法众所周知并广泛应用于大型电动机,但它可以在电动自行车、电动工具和其他消费应用中提供更长的电池寿命、更凉爽的运行以及其他优势。

• 更智能的步进电机:步进电机价格低廉且易于使用,但精度有限且运行噪音较大。 这些问题可以通过智能控制算法来克服,这些算法可以实现微步进,使其表现得像更昂贵的伺服电机,并调整其驱动脉冲以产生更平滑、更安静的步进。

直到最近,这些类型的功能还过于复杂,无法在许多商业和消费产品中实现。 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”,这场革命帮助计算机从 20 世纪 60 年代早期的大型机发展到今天功能强大且价格实惠的 PC。

从大型机到大众市场

早期的运动控制系统最初由高端工作站和定制电子机架驱动,体积庞大且昂贵。 这些早期系统凭借可变加速度和负载传感等独特功能,迅速证明了其强大的价格标签的合理性,为制造和其他工业自动化应用带来了新水平的准确性、灵活性和生产力。

在接下来的十年中,功能日益强大的数字信号处理器 (DSP) 和更大、低成本的现场可编程门阵列 (FPGA) 使得大幅降低运行对机械至关重要的复杂算法的控制器的成本成为可能。 有必要对电机精确移动所需的运动学和控制信号进行建模。 尽管如此,该技术的采用仍受到创建应用软件所需的时间和专业知识的限制。 尽管存在用于运动控制的可重用 DSP 和 FPGA 代码库,但它们通常受到设备制造商的严格控制。 此外,大多数代码不遵循现代的可重用性准则,因此为每个应用程序实现它仍然需要许多人花费几个月的时间,即使对于经验丰富的开发人员也是如此。

Trinamic 凭借其嵌入式运动控制器克服了软件障碍,该控制器在电机方面拥有丰富的实际经验。 他们的单芯片设备将强大的运动控制算法与专门设计的硬件逻辑集成在一起,以加速运动控制算法,减轻处理器对实时关键任务的负担。 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,因此这些设备配备了可通过标准应用程序编程接口 (API) 访问的电机控制和运动控制功能库。 这种方法使设计人员能够为他们的 3D 打印机、真空清洁机器人或生物分析仪提供先进的功能,例如加速原型设计、微步进和阶跃噪声抑制,而无需成为运动物理学专家。

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大胆的开发周期

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常见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,通过将数十年的专业知识产品化,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的 Java、C/C+/C# 和 Linux 代码库构建运动控制应用程序的基础,并将大部分精力集中在其设计特有的 5% 到 10% 的代码上。 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,因此这部分开发周期从算法开发、实现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,生物识别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不同。

从胡克船长到钢铁侠:一个真实的成功故事

先进假肢的最新发展提供了嵌入式运动控制器如何加速创新机电产品开发的真实示例。 冰岛制造商 Össur – 主动假肢技术的市场领导者 – 开发了第一款带有电动膝关节和踝关节的假肢,用于批量生产。 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。 在本次比赛中,残疾运动员使用机器人假肢、脑机接口和电动外骨骼等最先进的辅助技术来完成日常任务。

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该项目的目的是创造一种新型假肢,其运动方式逼真,为用户提供舒适、坚固和高效的运动。 肢体的两个动力关节均依靠 TRINAMIC Motion Control 开发的嵌入式运动控制器来生成复杂的运动,并最有效地利用肢体有限的电池容量。

该控制器丰富的硬件运动控制功能和开发平台辅以经过验证的应用软件,消除了与控制器固件开发相关的许多风险,并减少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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通过消除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、调试和验证肢体的定制电机控制器系统的功能。 这有助于维持雄心勃勃的发展计划,并及时赢得 2016 年苏黎世 Cybathlon 比赛的胜利(观看参考文献 5 中的 YouTube 视频,了解 Power Knee 的实际应用)。 虽然 Power Knee 的上市速度意味着 Össur 能够获得更高的利润,但这项新技术的真正财富在于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 是一款新型高压栅极驱动器,具有在线电机电流感应,适用于使用外部 MOSFET 的 BLDC 电机和 PMSM 伺服电机,电流高达 100A。

这是TRINAMIC于2019年4月1日刚刚推出的。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遇到了一些限制,其中时间是最重要的。 TMC6200 补充了基于 TMC4671 硬件的伺服控制器构建模块,并提供短路检测和过温阈值等可编程安全功能,从而使用现成的构建模块实现稳健可靠的设计。

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 非常适合 TMC4671 中实现的 delta-sigma 电流测量。 这种类型的测量比底部分流测量更有效,底部分流测量需要消除开关事件,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器集成了 PMSM 驱动系统的完整高压部分,可用于 12V、24V 或 48V。 包括具有可编程放大功能的串联电流检测放大器。 因此,它可以驱动从瓦特到千瓦的各种电机,非常适合工业驱动、工厂或实验室自动化、机器人、数控机床、纺织机械、泵或使用 PMSM FOC 驱动器和 BLDC 电机的其他应用。

该驱动器 IC 提供独立操作和 SPI 控制操作(包括诊断),可实现灵活的应用,并可快速适应新的用例和要求。 TMC6200 采用 9x9mm2 TQFP48 封装。

特点和优点

• 三相电机线圈电流高达 100A(外部 MOSFET)

•8…60V 直流电压范围

•可编程栅极驱动器(0.5A/1A/1.5A)

•通过SPI接口进行全面的保护和诊断

•SPI和独立操作

•补油泵以 100% 占空比运行

•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和重试

•带有3线或6线驱动器的可编程控制接口

•紧凑型9x9mm2 TQFP48封装

•双引脚间距可在高电压下安全运行

最后,我们从市场了解到,Trinamic占据了3D打印机芯片市场40%的份额。 每年发货量约为 100 万件。 他们预测,经过常规的衰退周期后,随着消费市场的崛起,3D打印机市场到2025年将大幅增长。

正是这样一家只有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,征服了市场。 这是值得我们学习的。