伺服控制器是一種用于精確控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)的電子設(shè)備，通過接收來自控制系統(tǒng)的指令以及監(jiān)測(cè)電機(jī)的位置、速度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。基于高精度、高速度、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，在制造業(yè)、航空航天、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

伺服控制器的關(guān)鍵是伺服控制芯片，例如ADI旗下的TMC4671就是一款完全集成的伺服控制芯片，可以為直流無刷電機(jī)、永磁同步電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直流有刷電機(jī)和音圈電機(jī)提供磁場(chǎng)定向控制。其特點(diǎn)是所有的控制功能都被集成在硬件上，例如集成了ADC、位置傳感器接口、位置差值器，該款功能齊全的伺服控制器適用于各種伺服應(yīng)用。本文以三個(gè)用例，看伺服控制器如何點(diǎn)亮生活。

睡眠呼吸機(jī)是用于治療在睡眠狀態(tài)下病人上呼吸道阻塞的一種設(shè)備。睡眠時(shí)上呼吸道阻塞會(huì)造成鼾聲、血氧降低、代謝紊亂等狀況，長(zhǎng)期會(huì)導(dǎo)致或加重各種慢性疾病。睡眠呼吸機(jī)通過對(duì)患者呼吸道持續(xù)輸送一定壓力的氣流，從而形成氣體支架，支撐患者的氣道開放，保證患者的呼吸通暢，消除鼾聲以及阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征（OSAHS）所帶來的負(fù)面影響。

多數(shù)使用正壓睡眠呼吸機(jī)的患者是在睡眠期間使用該設(shè)備，所以呼吸機(jī)的通氣舒適度及靜音性能是其重要的產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)。另外，睡眠呼吸機(jī)的一項(xiàng)重要功能之一，是能在系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并立即采取適合的保護(hù)措施，其核心要點(diǎn)即是呼吸機(jī)風(fēng)機(jī)的控制。

正壓睡眠呼吸機(jī)硬件設(shè)計(jì)方案使用TMC4671+TMC6200的組合，可以大大降低高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的門檻，使用戶可以非常快速地搭建相關(guān)的高性能電機(jī)應(yīng)用，無需編寫復(fù)雜費(fèi)時(shí)的底層驅(qū)動(dòng)，節(jié)省了了大量的調(diào)試時(shí)間。此外，相關(guān)診斷功能使工程師在調(diào)試初期可快速定位系統(tǒng)故障，配合TMC IDE，用戶可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)和控制參數(shù)優(yōu)化，加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型。如此一來，用戶可專注于產(chǎn)品本身的設(shè)計(jì)優(yōu)化，這是未來電機(jī)控制應(yīng)用的方向。

電機(jī)控制核心FOC算法及控制由TMC4671完成，功率驅(qū)動(dòng)部分及電流采樣使用TMC6200完成。TMC4671極大簡(jiǎn)化了電機(jī)控制部分的算法，解放了MCU的算力，使用戶可以專注于系統(tǒng)應(yīng)用級(jí)的設(shè)計(jì)，如更適于患者的壓力流量曲線等。通過壓力傳感器反饋，壓力值經(jīng)由MCU進(jìn)行運(yùn)算后，其輸出作為TMC4671的速度給定信號(hào)，TMC4671輸出風(fēng)機(jī)控制SVPWM信號(hào)給TMC6200，TMC6200作為MOS管門級(jí)驅(qū)動(dòng)，控制三相H橋以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，使呼吸機(jī)壓力保持在需要的值或按給定的曲線變化。

基于TMC4671的+TMC6200的方案，可以帶來三大系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)：涵蓋極高動(dòng)態(tài)的電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍——雙水平模式下，電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍會(huì)在10000rpm以內(nèi)及25000rpm以上快速切換，轉(zhuǎn)速切換時(shí)間可低于0.5秒；此外，該方案還可維持盡可能小的噪聲，呼吸機(jī)壓力為10cm水柱時(shí)一般要求低于30dB，高端的產(chǎn)品可以做到23dB及以下；第三，具有靈活方便的系統(tǒng)診斷和保護(hù)機(jī)制——以方便的結(jié)合驅(qū)動(dòng)器信息及相關(guān)傳感器定位相關(guān)異常事件，包括呼吸面罩脫落、呼吸管路漏氣、風(fēng)機(jī)堵轉(zhuǎn)等等。

下一代電動(dòng)自行車的許多創(chuàng)新將是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器和儲(chǔ)能系統(tǒng)的觸發(fā)，其中最重要的可能將集中在控件和用戶界面系統(tǒng)的改進(jìn)，這些控件提供了更好的總體用戶體驗(yàn)，并使電動(dòng)自行車能夠適應(yīng)騎手的需求。

TMC4671為電動(dòng)自行車制造商提供了其他方法來定制其產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)，包括將轉(zhuǎn)矩/速度曲線微調(diào)到其客戶的預(yù)期使用情況。控制器還可以通過監(jiān)視其加速度傳感器并閃爍尾燈，以在檢測(cè)到自行車騎手急劇制動(dòng)時(shí)提醒其他駕駛員，從而提高用戶安全性。下圖是由ADI Trinamic開發(fā)的實(shí)驗(yàn)性電動(dòng)貨運(yùn)自行車，是新一代電動(dòng)貨運(yùn)自行車的試驗(yàn)臺(tái)，具有高效的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，再生制動(dòng)和其他新功能。

TMC4671智能電機(jī)控制器為基于BLDC的電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了完整的解決方案。控制器功能強(qiáng)大的集成MCU可以進(jìn)行編程，以提供自定義用戶體驗(yàn)，并遵守有關(guān)最大速度和對(duì)踏板輸入的響應(yīng)的區(qū)域性法規(guī)。因此，ADI致力研究傳感方案和控制算法，以使自行車的電動(dòng)機(jī)以對(duì)稱的方式做出響應(yīng)，并在騎手開始踩踏板時(shí)立即將扭矩傳遞至驅(qū)動(dòng)輪。減少或消除非對(duì)稱輔助的最具成本效益的方法是使用來自左踏板的輸入來估計(jì)在右腳提供扭矩的那部分行程期間應(yīng)提供的支撐量。

由于電動(dòng)自行車很可能會(huì)以非線性方式加速，因此計(jì)算右踏板行程的電動(dòng)機(jī)電流的算法不能簡(jiǎn)單地匹配左踏板的最新扭矩讀數(shù)。ADI通過一種預(yù)測(cè)算法解決了這個(gè)問題，該算法使我們的控制器能夠在踏板旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)半圈期間提供平穩(wěn)，平衡的輔助。相同的算法使用踏板扭矩輸入來使電動(dòng)自行車能夠從死點(diǎn)處提供一些輔助，然后自行車滾動(dòng)后過渡到速度/扭矩模式。

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)高性能電機(jī)控制器的需求也日益增多，電機(jī)控制面臨諸多性能上的挑戰(zhàn)，例如高精度位置控制和運(yùn)動(dòng)控制，快速響應(yīng)和靈活性、平滑的運(yùn)動(dòng)特性，以及動(dòng)態(tài)性能和調(diào)速范圍、控制特性的連續(xù)性和直線性等等。

以廣泛應(yīng)用的AGV小車為例，在運(yùn)動(dòng)過程中涉及到人身安全、倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)行碰撞安全以及貨物安全等原因，所以它必須要有一個(gè)高精度的定位、運(yùn)行及軌跡運(yùn)行控制系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，必須有一個(gè)可靠、高精度的伺服控制器來實(shí)現(xiàn)這一套軌跡運(yùn)行。安全性極高的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，絕大多數(shù)情況下首選為伺服驅(qū)動(dòng)器，但是傳統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)器存在多方面的問題，例如體積大、價(jià)格昂貴，安裝與操作極其復(fù)雜，復(fù)雜的伺服算法等。

TMC4671作為一種先進(jìn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器芯片，為機(jī)器人應(yīng)用提供了高效、精確的電機(jī)控制解決方案。此外，TMC4671采用先進(jìn)的電機(jī)控制算法和功率電子技術(shù)，具有高速度、高精度和高效率的特點(diǎn)。它能夠提供出色的電機(jī)控制性能，滿足各種機(jī)器人應(yīng)用的需求。而TMC4671提供簡(jiǎn)單的接口和配置選項(xiàng)，更方便用戶進(jìn)行配置和控制。通過使用少量的外部元件，可以輕松地將TMC4671集成到機(jī)器人系統(tǒng)中。