在工具機(jī)與工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用，運(yùn)動(dòng)控制的演進(jìn)隨著自動(dòng)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(shí)間，以及優(yōu)化製造流程以達(dá)到減少消耗能源的成效，進(jìn)而達(dá)成更永續(xù)環(huán)保的智慧製造。
智慧運(yùn)動(dòng)控制對(duì)智慧製造的重要性
智慧運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制結(jié)合精準(zhǔn)回饋、先進(jìn)感測(cè)、高效能控制、以及無縫銜接的連結(jié)，造就出決定性（deterministic）運(yùn)動(dòng)解決方案。無縫銜接的連結(jié)機(jī)制，串接PLC與製造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的動(dòng)作偵測(cè)情資，促成先進(jìn)分析機(jī)制，藉以優(yōu)化製造流程，以及在生產(chǎn)停擺之前及時(shí)找出潛在問題。運(yùn)用智慧運(yùn)動(dòng)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(kuò)充的製造環(huán)境，包括batch size 1此種一次量產(chǎn)僅一個(gè)的生產(chǎn)模式。藉由縮短完成製造步驟的時(shí)間，以及優(yōu)化製造流程以達(dá)到更高的吞吐量，即可減少消耗能源進(jìn)而達(dá)成更永續(xù)環(huán)保的智慧製造。
智慧運(yùn)動(dòng)應(yīng)用項(xiàng)目，涵蓋：
*泵浦
*風(fēng)扇
*搬運(yùn)機(jī)具（Hoists）
*冷暖空調(diào)設(shè)備（HVAC）
*輸送帶
*線圈（Winding）
*印刷（Printing）
*擠製機(jī)（Extrusion）
*機(jī)械加工（Machining）
*機(jī)器人（Robotics）
*取放搬運(yùn)（Pick and place）
*裝卸操控（Handling）等
智慧運(yùn)動(dòng)控制解決方案的演進(jìn)
運(yùn)動(dòng)控制歷經(jīng)長(zhǎng)期演進(jìn)，從簡(jiǎn)單的併聯(lián)（grid connected）馬達(dá)到複雜的多軸伺服驅(qū)動(dòng)解決方案，應(yīng)用在工具機(jī)（machine tool）與工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域。隨著自動(dòng)化複雜度升高，這方面的演進(jìn)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(dá)
最基本的運(yùn)動(dòng)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(dá)，運(yùn)用一個(gè)配電盤（switchgear）提供開/關(guān)控制與保護(hù)電路。這些基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)解決方案在相對(duì)固定速度下運(yùn)行，不受任何負(fù)載波動(dòng)影響。調(diào)降輸出功率的方式是運(yùn)用機(jī)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(dòng)馬達(dá)
加入整流器、直流匯流排、以及三相變流級(jí)（inverter stage），實(shí)際上建構(gòu)出一個(gè)可變頻率與可變電壓源，套用到馬達(dá)上即構(gòu)成可變速度機(jī)制。這種變流器驅(qū)動(dòng)馬達(dá)大幅降低耗電，根據(jù)負(fù)載與應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整，讓馬達(dá)在最適速度運(yùn)轉(zhuǎn)。應(yīng)用實(shí)例包括更高效率的泵浦與風(fēng)扇。
變速驅(qū)動(dòng)器
在更高效能的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用方面，變速驅(qū)動(dòng)器（VSD）促成精準(zhǔn)扭力、速度、以及位置控制機(jī)制。為達(dá)成上述目標(biāo)，電流與位置量測(cè)機(jī)制會(huì)加入到基本的開迴路變流驅(qū)動(dòng)器。如此一來，更精準(zhǔn)地控制馬達(dá)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(jī)具都是這些應(yīng)用的典型例子。
伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
同步化多軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則用在更複雜的運(yùn)動(dòng)應(yīng)用。工具機(jī)與電腦數(shù)值控制（CNC）機(jī)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(dòng)（coordination）是很常見的機(jī)制，有些應(yīng)用甚至用到12軸，刀具與工件在加工時(shí)都會(huì)移動(dòng)。
| 圖1 : 智慧併聯(lián)運(yùn)動(dòng)應(yīng)用的演進(jìn) |
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工業(yè)機(jī)器人/合作機(jī)器人/移動(dòng)式機(jī)器人
工業(yè)機(jī)器人需要多軸伺服驅(qū)動(dòng)器結(jié)合機(jī)器整合與先進(jìn)機(jī)器控制演算法，藉以執(zhí)行複雜的3D空間定位。機(jī)器人通常需要協(xié)調(diào)控制六個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng)，如果機(jī)器人會(huì)沿軌道移動(dòng)就會(huì)需要控制七個(gè)軸向。協(xié)作機(jī)器人（cobot）採(cǎi)用工業(yè)機(jī)器人解決方案打造而成，加入功率與力道限制（PFL）機(jī)制，提供功能安全的多軸機(jī)器控制功能，讓操作者能安全地與協(xié)作機(jī)器人一同工作。最後，自主導(dǎo)航的功能安全機(jī)器控制方案部署在移動(dòng)式機(jī)器人，結(jié)合本地端感測(cè)與碰撞規(guī)避機(jī)制。
帶動(dòng)智慧運(yùn)動(dòng)控制成長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力
四項(xiàng)關(guān)鍵成長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力加速智慧運(yùn)動(dòng)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(jī)時(shí)間以及提高智慧製造的資產(chǎn)使用率。讓我們?cè)敿犹剿鬟@四個(gè)關(guān)鍵成長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力。
降低能耗
工業(yè)近70%的用電都是由電動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)消耗。智慧運(yùn)動(dòng)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(dá)轉(zhuǎn)移至高效率馬達(dá)與可變速驅(qū)動(dòng)器，因應(yīng)各項(xiàng)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(jī)器運(yùn)動(dòng)情資藉以優(yōu)化製造流程，將進(jìn)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(fèi)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(shí)間。消費(fèi)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(xiǎn)性的任務(wù)，現(xiàn)在都能由工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行，進(jìn)而達(dá)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(shí)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(fèi)將達(dá)到6.8兆美元2。可變速驅(qū)動(dòng)器與伺服驅(qū)動(dòng)器運(yùn)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(cè)器監(jiān)視振動(dòng)與其他製程變數(shù)。運(yùn)用匯整資訊科技/營(yíng)運(yùn)技術(shù)（IT/OT）乙太網(wǎng)路，讓運(yùn)動(dòng)應(yīng)用能與其他通訊資料與情資進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。現(xiàn)在的運(yùn)動(dòng)資料與情資不僅具有更高的可存取性，還能由強(qiáng)大雲(yún)端運(yùn)算與AI進(jìn)行分析，藉以優(yōu)化製造流程，以及監(jiān)視整個(gè)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(kuò)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(fèi)。舉例來說，幫浦製造商希望銷售新型態(tài)預(yù)測(cè)維護(hù)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(jì)費(fèi)，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(yíng)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(jī)具製造能力的正常運(yùn)作時(shí)間收費(fèi)，取代根據(jù)最初安裝資產(chǎn)收費(fèi)的營(yíng)收模式。新型智慧運(yùn)動(dòng)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(shí)監(jiān)視機(jī)制，藉以規(guī)劃維護(hù)時(shí)程。這種監(jiān)視能消弭非規(guī)劃的資產(chǎn)停機(jī)，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(yùn)動(dòng)控制要求
為促成智慧製造達(dá)到更高的生產(chǎn)力與永續(xù)性，業(yè)界需要新型先進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制解決方案提供四大成長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力。圖3顯示關(guān)鍵的智慧運(yùn)動(dòng)控制要求。
卓越的運(yùn)動(dòng)控制
卓越的運(yùn)動(dòng)控制能縮短完成製造步驟的時(shí)間，不僅提高吞吐量與製造生產(chǎn)力，還能降低耗能。實(shí)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(shí)間。關(guān)鍵要求包括改進(jìn)控制迴路效能、適用於嚴(yán)苛工業(yè)部署環(huán)境的強(qiáng)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(cè)以及訊號(hào)鏈，具備高瞬態(tài)強(qiáng)固性與高整合度元件。
強(qiáng)固、安全、可靠
強(qiáng)固可靠解決方案能延長(zhǎng)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(zhǎng)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(hù)的電源管理解決方案都是關(guān)鍵元件，協(xié)助提供更強(qiáng)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(cè)的數(shù)位負(fù)載點(diǎn)（PoL）、EMC強(qiáng)固性、高環(huán)境溫度工作、以及資料與電源隔離，保護(hù)使用者避免因高電壓受傷害。可靠地運(yùn)用新型寬能隙電源開關(guān)（運(yùn)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(hù)系統(tǒng)以及強(qiáng)固工作性能。
即時(shí)連結(jié)
在高效能、多軸、同步化運(yùn)動(dòng)應(yīng)用方面，控制時(shí)序要求都是精準(zhǔn)、決定性、以及時(shí)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(shí)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(shí)連結(jié)，在次微秒（sub-ms）等級(jí)的網(wǎng)路週期時(shí)間下控制各種複雜的運(yùn)動(dòng)應(yīng)用。智慧製造採(cǎi)用視覺系統(tǒng)搭配運(yùn)動(dòng)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(shí)決定性運(yùn)動(dòng)控制流量以及盡力傳輸（best-effort）視覺流量在Gb頻寬等級(jí)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(duì)更高層管理系統(tǒng)的資料透明度，並藉由縮短投產(chǎn)啟動(dòng)時(shí)間讓這些網(wǎng)路更具彈性與擴(kuò)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(yùn)動(dòng)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(jìn)感測(cè)
先進(jìn)感測(cè)解決方案獲取的運(yùn)動(dòng)情資能用來優(yōu)化製造流程，以及偵測(cè)的失效的早期跡像。感測(cè)的模態(tài)包括位置、電流、電壓、磁場(chǎng)、溫度、振動(dòng)、以及衝擊。許多新發(fā)展的商業(yè)模式運(yùn)用先進(jìn)感測(cè)方案部署即時(shí)監(jiān)視機(jī)制，掌握資產(chǎn)的健康狀況，憑藉提升資產(chǎn)正常運(yùn)行時(shí)間的效益，向客戶推出預(yù)測(cè)性維護(hù)服務(wù)合約方案。先進(jìn)的感測(cè)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(qiáng)固性、精準(zhǔn)的位置感測(cè)、無接觸高電流感測(cè)、高頻寬電流與振動(dòng)感測(cè)、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(jià)值的運(yùn)動(dòng)控制解決方案
新一代智慧運(yùn)動(dòng)控制解決方案必須針對(duì)智慧製造結(jié)合各種技術(shù)。藉由從先進(jìn)感測(cè)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(qiáng)固、精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制（圖4）。
| 圖4 : 關(guān)鍵技術(shù)藉由取得各項(xiàng)系統(tǒng)情資，加速發(fā)展更高價(jià)值的運(yùn)動(dòng)控制解決方案。 |
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精準(zhǔn)量測(cè)
複雜運(yùn)動(dòng)控制需要精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器技術(shù)來達(dá)到高品質(zhì)電流回饋，運(yùn)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(dòng)效能以及決定整體控制頻寬與反應(yīng)時(shí)間。電流回饋的關(guān)鍵要求包括與PWM週期進(jìn)行同步量測(cè)、隔離或高共模量測(cè)、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(cè)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(cè)，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(yùn)動(dòng)控制的新一代驅(qū)動(dòng)器與馬達(dá)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(dòng)器來驅(qū)動(dòng)高側(cè)與低側(cè)電力半導(dǎo)體，以提供強(qiáng)固、安全合規(guī)、高度可靠的資產(chǎn)。閘極驅(qū)動(dòng)器能將邏輯層級(jí)PWM訊號(hào)轉(zhuǎn)換成高側(cè)參考訊號(hào)，用來控制功率電晶體。高電壓逆變器應(yīng)用通常採(cǎi)用IBGT元件，未來的趨勢(shì)是採(cǎi)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(cǎi)用MOSFET型開關(guān)元件。閘極驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵要求包括高速、低傳播延遲、低延遲時(shí)滯、強(qiáng)固性、以及共模瞬態(tài)免疫力、切換保護(hù)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(dòng)器，負(fù)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(hào)，支援PWM與其他訊號(hào)。這類例子包括為整合式電源模組（IPM）隔離訊號(hào)。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(jí)的網(wǎng)路效能，滿足運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用（伺服與驅(qū)動(dòng)器）決定性即時(shí)通訊的要求。100 Mb 與Gb速度的強(qiáng)固實(shí)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(shí)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(jì)朝Gb TSN匯流網(wǎng)路邁進(jìn)，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(shí)間。這些決定性運(yùn)動(dòng)解決方案促成更複雜的運(yùn)動(dòng)應(yīng)用，協(xié)助業(yè)界達(dá)成更高的製造生產(chǎn)力與彈性。
磁性感測(cè)
磁性感測(cè)基於異向性磁電阻（AMR）位置感測(cè)解決方案，為編碼器應(yīng)用提供強(qiáng)固且精準(zhǔn)的位置感測(cè)機(jī)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(dòng)器中建置機(jī)器速度控制機(jī)制。磁性感測(cè)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(dòng)的工業(yè)應(yīng)用提供更強(qiáng)固的解決方案。
電源管理
智慧運(yùn)動(dòng)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(duì)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(dòng)器設(shè)置在靠近馬達(dá)處以裝入更小的機(jī)殼，在其他應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)器甚至和馬達(dá)整合在一起。更高電力密度的電源管理解決方案，同時(shí)能在環(huán)境溫度下工作，才能促成這些更小型的智慧運(yùn)動(dòng)應(yīng)用。
機(jī)器健康
機(jī)器健康採(cǎi)用振動(dòng)與衝擊感測(cè)器執(zhí)行即時(shí)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(jī)、延長(zhǎng)資產(chǎn)的可使用壽命、以及降低維護(hù)成本。藉由將機(jī)器健康整合到運(yùn)動(dòng)應(yīng)用，即可透過數(shù)位化策略來開創(chuàng)新的營(yíng)收來源，根據(jù)保證正常運(yùn)行時(shí)間以達(dá)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(dòng)、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?jìng)魉偷焦芾砜刂栖涹w，由這些軟體提供關(guān)鍵資產(chǎn)的即時(shí)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(fèi)者要求，以及支援最低到批次數(shù)量?jī)H一個(gè)（batch size of 1）的高效率生產(chǎn)。運(yùn)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(shí)共享資料，而這類資料可用來找出生產(chǎn)瓶頸，藉以提升營(yíng)運(yùn)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(jī)。運(yùn)用智慧運(yùn)動(dòng)解決方案的智慧製造不僅減少耗能，還促成更複雜的運(yùn)動(dòng)，藉以達(dá)到更高的彈性、生產(chǎn)力及永續(xù)性。
（本文作者M(jìn)aurice O’Brien為ADI策略行銷經(jīng)理）
**刊頭圖（source：ADI）
