机电一体化设计的整体分析

作者：Keith Curtis    来源：DesignNews

欢迎访问e展厅 展厅 2 工业设计/产品设计展厅 产品设计, 工业设计, 样件打样, 手板制作, 模型制作, ... 人们通过减少那些包含重新制作工作模型的设计成本，来降低生产成本。当削减成本的决定还悬而未决时，工程师们常常担心他们付出了几个星期甚至几个月心血的设计会修改或者被取消掉。更糟糕的是，对设计进行从头到尾的修改，采取完全不同的方式来制作，这对成本的削减有好处吗?反复的设计消耗的不仅仅是时间还有金钱，这两者都是现在我们所缺少的。人们急需的是可以让成本在设计之初就被最优化的方法。 如果我们看看其它已解决重复设计问题的地方，就会发现机电一体化的整体分析法。所有的设计都有四个法则——机电一体化、电子、控制理论以及微处理器——这四个法则被完全集合起来进行检查和塑模。结合每个部分来设计的目的是以整个系统的要求为基础。采用这样的方法，每个部件就会和其它部分紧密合作，使不必要的损耗最小化。 如果这样的概念被用在成本削减上，我们就能将不同的功能重新分配，使整体设计不仅成本低，还可以降低模型重复率。 信号发生条件 让我们从一个简单的例子着手——传感器，它的信号发生条件链以及模数转换器(ADC)。如上图1 当中就展示了一个带过滤器、信号捕获阶段以及将最终数值转换为数码的ADC 系统。通常的办法，是通过根据低补偿和持续获取信号来调整零部件以限制最终数值的错误率。同时，用温差补偿来清除环境的影响。结果得到的简单设计能够将最终数值错误率最小化。 这个方法的问题是， 多数零部件都非常昂贵。温差补偿和性能调整需要在制造商零部件组装线最后一步进行特别的测试和校准。另外，需要调整的电路需要在信号链的每个设备上都进行安装。结果是客户需要为额外的测试和传感器的弥补电路买单。从我们新的、整体的观点来看成本削减，这样额外的费用需要最先被砍掉。为了实现这个目标，我们必须简化微控制器而不是每个零部件最后数值的调整和补偿电路，来交换整个系统最后测试校准步骤所需的高额零部件成本。这就需要我们为系统增加额外的功能——例如电热调节器以及无反复的存储功能——但是其它功能也离不开温度传感器和存储器，因此成本的增加可以忽略。因为设计微控制器是为了处理加法、减法和乘法，额外的补偿电路、调节功能只会使软件成本微弱的上升。 校准是大多数生产线上最不堪的一步，但是相比非补偿传感器/ 信号链和全调整/ 补偿零部件的价格差，校准步骤还是非常值得的。另外，微控制器可以帮助处理器在多通路同时运行校准功能，在生产线最后的测试中自动对整个系统进行必要的校准(以温度为周期)。微控制器还可以在闲置状态，通过观察传感器输出值的不一致状况对系统的校准进行周期性检查。 另外，在生产线结尾处无需进行温度检测就可以对系统进行校验和补偿。如果只需要传感器用来监控指定参数的添加轴，那就无需补偿。同时也无需补偿温度变化。但是，如果温度是获取传感器/ 信号链的要素，那么则使用零部件温度系数和电热调节器，此时微控制器需要 “最佳猜想”温度补偿，而无需进行完整测试。 驱动器 那么驱动器电路又如何呢?——机电一体化设计方法又是如何帮助节省在驱动电机上的成本、数值或螺线管的?不考虑驱动的是何种机器，驱动器在一定范围控制之下必须尽可能的达到高效。这通常是意味要安装脉宽调制器(PWM)。 一般的办法是将微控制器的脉宽调制器PWM 连接到集成驱动单元来带动机器运转。集成驱动器非常便捷，因为它们包含了所有驱动器电路。另外，实际输出的金氧半场效电晶体MOSFET 和外围PWM 让微控制器更容易控制。遗憾的是，驱动器单元有几个缺点。它们价格昂贵，在某种程度上属于专业制造产品，同时输出电晶体比分离的电晶体一般具有更高的RDS 等级(MOSFET 电阻)。 如果我们从机电一体化的角度来看问题，首先需要提出的问题是——集成驱动器是否是必须的，或是否需要将控制逻辑输入其他的设计部分中，并降低成本?幸运的是，我们发现微控制器制造商在近两年间，已在PWM 外围设备中构建了H 桥架驱动控制功能。 PWM 外围设备通常不仅仅包括1/2或者全部H 桥架驱动输出值，但是他们还常有一个比较器关闭功能(见下方图2)。这个H 桥架驱动功能意味着PWM 外围设备可以直接在H 桥架中驱动四个分离的电晶体，而无需集成驱动器中包含控制功能。 比较器关闭功能可以被用在过电关闭或者扭转力控制循环的电流限制上。在一些较新的PWM 外围设备上，比较器还安装了模数转换器(DAC)来控制比较器阈值，这样便可以控制电机驱动器的速度和扭转力。外部零部件仅需要MOSFET 电晶体以及简单级别的——转化MOSEFT 通路驱动器。 传感器 传感器是机电一体化设计方法中可以确实降低成本的地方，因为设计师们可以将他们的传感器直接集成到系统机械结构中。例如，角度传感器能够监控伺服器控制的输出值(见图3，M15 页)。一般的设计会将光学编码器或电位计连接到轴上，然后监控计数器或模数转换器ADC 的输出值。 这个设计当中最不容易削减成本的地方，是设计需要安装的联轴器、传感器以及组装托架，这增加了材料的成本并延长了组装的时间。如果我们选择光学编码器，我们还需要增加家用限制开关以及将编码器连接到计数器上的电路接口。 从机电一体化的角度来看这个设计，你会问为什么我们需要将传感器添加到现有的轴承上?为什么不直接在轴里面安装传感器?另外，如果需要进行绝对角测量，为什么采用智能航迹推算系统? 为什么不直接测量角度大小?这些问题提的都非常好。我们能有办法在轴里面安装传感器并且进行绝对角测量吗?答案是有可能的。 让我们来看看下面这些传感器需求清单： 1. 高可靠性 2. 绝对角测量 3. 轴上最少的延迟时间 从电子和机械角度来看问题，我们就会有如下的选择： 1. 电位计 2. 带灰度掩模板的光学元件 3. 电导系统，如分相器 4. 电容系统 从可靠性角度来看，我们从一开始就要去掉电位计。从磨损角度看，电位计大大限制了设备的寿命。 如果我们在相对清洁的环境中工作，那么则可以使用光学元件，但是灰尘和润滑剂会对光学元件产生影响。 电导系统不受灰尘和润滑剂影响，但是将传感器线圈安装到轴上工艺复杂，摩擦会附带信号，这样又回到了灰尘和磨损问题上来。 电容传感器不受灰尘或润滑剂的影响，也不需要和轴接触，更不用说绕轴 安装了。没有任何磨损问题，唯一接触轴的是半圈带电导的金属板。电容的第二个金属板是另外一个固定在系统外壳上的电导体，与轴上的金属板十分接近(见图3，左边)。可以用现在市场上的电容触摸块来进行电容测量，或采用简单的压力对比器系统为模数转化器进行充电/ 放电。 结果是得到了无需接触轴而能够进行测量的相对简单的传感器。我们能够采用一些简单的、芯片微控制器外围设备进行数码转换。另外，这种类型的传感器相对来说受灰尘和润滑剂影响较小。更重要的是，成本较低。 每个例子当中，我们需要做的是避开一般的结构块问题，取而代之的是采用更加系统化的方法。这样的方法将整个系统都考虑在内，同时基于哪个系统能够最有效的完成任务来分配功能。与此同时，保留系统的完整性和精确性。最后，这就是机电一体化设计——评估整个系统，并且从采用对整个系统都受益的设计，而不是分开来看。 Keith Curtis 是美国微芯公司安全、微控制器和技术部门首席应用工程师。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/20/2009)