基于机电一体化的嵌入式设计技术

   　为了提供与用户更实际的互动，嵌入系统设计者正在自己的产品中增加受控机械运动。
　　

        正在兴起的机电一体化工具集有望将电子、机械、控制与嵌入软件要求等整合在一起。
　　

        机电一体化工具使设计者能够在设计过程的早期仿真机器的性能，以验证需求。
　　

        产品建模与虚拟原型缩短了设计周期，因为电子、机械和软件团队可以并行工作。
　　

       市面上现成的运动控制板与开发套件提供了一种将机械装置集成到嵌入系统应用中的简便方法。

　　全互动产品现在成了标准，机械控制电路已逐步成为嵌入系统设计的一个组成部分。尽管在电子业的早期设计者就已经会用电磁控制电路来激励电机、继电器、螺线管和扬声器，不过今天“更智能”的运动控制元件已用微控制器电路代替了传统的机械部件，以提高精度并协调动作。这一趋势使传统的嵌入系统设计更接近了一种新方法，它是一个新出现的词“机电一体化”（mechatronics），包含了机械、电子、控制系统与嵌入软件设计。

        日本安川（Yaskawa）公司的工程师几乎在40 年前就构想出了“机电一体化”这个术语，而直到不久前还很少有人使用它。虽然一种简单的机电电路可能也能满足对机电一体化的最宽泛定义，但支持者们还是更愿意将这个术语用于需要更高层次学科组合的项目，包括电子电路设计、计算机辅助机械设计、数字控制系统，以及实时计算机软件。这种新的关注已促使一些领先的大学开设了相关课程，甚至设立了有关机电一体化方法的工程学位。例如，北卡罗来纳州立大学与北卡罗来纳大学就提供一种联合课程，可以授予机电一体化的工程学士学位。

　　机电一体化为系统设计提供了一种系统级的方案，它通过使用仿真、计算机辅助设计、虚拟原型以及设计工具集成，减少了产品开发时间与风险。机电一体化技术使设计者能够在设计过程的早期，准确模拟一台机器的性能，以确保该机器能满足要求和客户的期望。与传统机电系统开发不同，机电一体化工具的虚拟仿真目标为机械、电子与软件单元的同步开发提供了可能性。即将出现的自动化工具有望可以扩展各种控制系统的设计，从大部分的试设计直到通过仿真作优化。机电一体化确实需要一个可观的学习曲线以及在系统建模上的时间投入，而大多数嵌入式运动控制项目可能并不需要这些。

　　工程师可以对复杂的设计采用先进的机电一体化技术；在这些设计中，要协调多台电机或传动装置，控制精密运动。但是，基本的运动控制原理仍保持不变。例如，直流电机广泛用于需要转速或转矩伺服控制的应用中。这里有两个基本关系：电机速度与施加的电压成正比，而输出转矩与电流成正比。设计者的任务是提取运行速度，然后提供足够的驱动电流，以匹配所需的负载转矩。如果必须在运行期间控制直流电机速度，那么控制问题就成为一个更大的挑战。提高直流电机工作效率的最常用方法是采用一个 PWM（脉宽调制）方波，其开关时间比与所需速度相对应。电机作为一个低通滤波器，将 PWM 信号转换为一个等效直流电平。PWM 驱动信号很常见，因为采用微处理器的控制器可以很容易地生成这些信号。步进电机也是常见的嵌入运动控制设备，因为它们以分立的步长动作，能提供精准的角度位置信息，并且相对易于控制。步进电机的转子用永磁磁铁制造，磁铁被排列成一串磁极，这些磁极就决定了步长的大小。定子有多个绕组，它们产生一个与转子永磁磁铁相互作用的磁场。随着控制电路的一串脉冲对定子绕组的通、断，电机就正向或反向旋转。

　　机械附加功能也能找到进入很多传统全电子嵌入系统应用的方式。例如，用户经常抱怨触摸屏比实际按键更难使用，因为缺乏触觉反馈。虽然设计者采用了音、视频提示，但只靠这些提示并不符合一只机械开关的主动性感受。Immersion 用其 TouchSense 系统提供了一种新的替代方法，它能将普通的被动式触摸屏转化为主动显示器，其图形化按钮的按下和释放感觉都像按键一样。TouchSense 系统提供与声音与图像变化同步的快速触觉响应，不会影响到触摸屏的性能。可以将它加到对角线长度最大达6英寸的平板触摸屏上，并可用于大多数触摸屏感测技术，包括电容、电阻、表面声波和红外方式。一种软件化的触觉效果库可控制一个小型的机电传动装置（类似于手机中的振动器），产生实际动作。

　　为了支持日益流行的机械元件嵌入系统，相当多的板级制造商提供现成可用的插入式动作控制板，分别针对 PCI、CompactPCI、PC/104 和 VMEbus 等标准。这些电路板使设计者可以为一台 PC 或嵌入系统增加运动控制功能，而无需了解控制器设计的详细情况或反馈回路优化问题。例如，Adlink Technology 的 PCI-8174 低价步进与伺服运动控制卡用于 PCI 总线，用一个板载 DSP 简化了时间运动序列的实现（图1）。这种电路板可以用于很多场合，如半导体制造设备、电子装配、光学检查设备、车辆仿真器，以及精密雕刻机械等。PCI-8174有多轴工作设计，可以用全部四个轴作线性插值，以及用任何两个轴作循环插值。由于采用板载 DSP 设计，PCI-8174 亦支持固件定制。PCI-8174 的起价为 1190 美元。

        控制套件

　　如果目的是要在一种嵌入产品中快速集成运动控制，则最简单的方法是使用现成的开发工具包。例如，Technosoft 的 MCK2812 DSP 运动控制套件就是一种流行的评估平台，可同时检查直流电机的硬件与软件部分。该套件包含一个德州仪器公司的 TMS320LF2812 DSP、128KB的程序 RAM，以及一个串行通信接口，所有这些都装在一块小尺寸 PCB（印制电路板）上。该套件亦包含了一个电源转换器模块和一个带霍尔传感器的无刷电机，以及用于直接实验的一个 500 行编码器。主机 PC 与 DSP 板之间的所有通信均通过一个驻留在闪存中的通信监控器，它有下载、调试与检测功能。它还含有一组准备运行的带有汇编源码的实例。该套件亦采用了 DMCD（数字运动控制开发）软件平台，该平台有一个集成调试器、一个基础汇编器、一个链接器，以及可以在一个项目管理系统中创建、修改和测试汇编应用的其它功能部件。MCK2812 DSP 运动控制套件价格为 3290 美元，可以直接从 Technosoft 买到。

　　机电一体化工程师一般是通过详细的预先建模和设计仿真，确定其工作性能，并揭示出系统的缺陷。工程师可以在得到实际硬件前用一个精确的系统模型作练习，以确定系统是否符合规范与客户预期。不幸的是，当同时存在机械与电子部分时，需要的建模过程过于繁复。这个问题的一种解决方法是扩展建模语言，使之能覆盖混合型系统。IEEE 就采用了这种方法，它用 AMS（模拟/混合信号）扩展了 VHDL（超高级硬件描述语言）。IEEE 根据 IEEE 标准 1076-1993 语言建立了这个语言，非正式名称为 VHDL-AMS，它允许设计者开发并仿真模拟与混合信号模型。

　　Mentor Graphics 的 SystemVision 开发工具的基础就是 VHDL-AMS 语言，用于描述嵌入式机电一体化系统中常见的混合硬件技术特性（参考文献 1）。这些系统包含了模拟、数字与机电元件的组合，每种都要求各不相同的建模技术。SystemVision 使设计者能够在同一个系统模型中包括不同抽象级别的元件，它们各专注于系统一个部分的细节，并维护与总体系统设计的上下关系。设计者可以使用高级别框图中的 VHDL-AMS 信号流模型，然后，随着设计的进行，他们可以在系统模型中组合物理硬件模型，继续验证正确的系统性能。他们可以用代数方程或差分方程描述一个包括各种技术组合的系统模型，如机械、磁、液压或热效应。例如，设计者可以用一个来自 Infolytica 的三阶段设计工具，建立一个汽车交流发电机的 VHDL-AMS 模型。

        混合仿真

　　National Instruments 与 SolidWorks 携手，向机电一体化设计者大规模推广电子与机械的建模与仿真。它们最新发布的 alpha 版 Mechatronics Toolkit 可以使设计者用软件仿真集成的机械与控制设计，然后再进入原型与量产阶段。设计者可以仿真机械动力学，包括质量与摩擦效应、循环次数，以及单个元件的性能，然后再规定某个物理部件。他们可以完全通过软件模型，对控制系统和反馈元件作微调与定制。他们在工作极限点上测试电气性能与实时响应时间，而不致对部件造成应力。当他们的设计从原型进入量产时，可以再次使用前面用于仿真的同一软件。

　　Mechatronics Toolkit 集成了多个图形化设计包，并带有在电气与机械环境之间传送参数的软件链接。SolidWorks 是一款流行的 3 维计算机辅助机械设计程序，带有用于机械设计、验证、运动仿真、数据管理和项目通信的工具。CosmosMotion 是用于虚拟原型的 SolidWorks 附加程序，它使用机械动力学协助完成机械运动的仿真。National Instruments 的 LabView 提供用于电子与控制系统设计、仿真和自动代码生成的工具。控制设计环境的 LabView 与用于机械设计环境的 SolidWorks/CosmosMotion 相结合，为设计者提供了一个针对机械动力学及作用其上起控制功能的真正闭环仿真（图 2）。National Instruments 提供一个免费的机电一体化资源套件，它演示了如何用这些工具实现机械设计、控制设计、仿真、检测与传动、信号处理以及电子设计的集成（参考文献 2）。

       所有这些工具与技术都证明，全行业都在努力理顺设计、原型与部署，改进机电一体化的开发工作。最新的机电一体化技术有望能够通过低风险、低成本的开发实现更高的收益，并提高效率。为充分利用这些好处，设计者必须采用一种新的设计策略，即依靠图形化建模与系统仿真。这些工具有能力大大缩短开发周期，甚至可以排除对某些项目工程师或软件开发人员的需求。现在，业内已经有这样的图形化工具，它能够完成对目标系统的建模、用微处理器和定制电路对现有的 FPGA 作自动的重新配置、优化机械控制电路，并且完成对所需软件的综合。也许下一代将完全不需要一名工程人员。

      参考文献
      1. Egel, Tom, “SystemVision for Embedded Mechatronic Systems: Hardware Modeling,” Mentor Graphics Corp. 
      2. Mechatronics Resource Kit, National Instruments.

本文来源：    作者：Warren Webb

隐藏原文↑