機(jī)器人、分析和處理系統(tǒng)都需要將大量高能效的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高動(dòng)態(tài)控制器和聯(lián)網(wǎng)總線系統(tǒng)以緊湊方式整合。"EPOS4 Micro"電機(jī)控制器基于現(xiàn)有的工業(yè)解決方案，使用CANopen或EtherCAT實(shí)現(xiàn)模塊化的多軸系統(tǒng)，而無(wú)需高昂的開(kāi)發(fā)成本。

圖1：操作機(jī)器人是多軸系統(tǒng)的典型應(yīng)用

需求：緊湊型多軸系統(tǒng)概念

手術(shù)機(jī)器人、醫(yī)療和實(shí)驗(yàn)室技術(shù)中的分析設(shè)備，以及放射治療中的多葉準(zhǔn)直器，尤其依賴于小型化的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)極為高效，需要以高密度的方式進(jìn)行安裝。maxon DC 和 BLDC 電機(jī)系列與減速器、集成編碼器（用于測(cè)量位置和速度）組合而成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是此類(lèi)應(yīng)用的理想解決方案。這樣的"驅(qū)動(dòng)包"通常還包括電機(jī)控制器，理想情況下能夠直接集成在設(shè)備里靠近電機(jī)和傳感器的位置。

其中，一個(gè)卓越的主控制器能夠協(xié)調(diào)各個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的移動(dòng)、與用戶進(jìn)行信息交換（>用戶界面）、數(shù)據(jù)處理以及與 ERP 軟件聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)不同的應(yīng)用方向，主站可以是PLC、可編程多軸控制器（例如zub MasterMACS）、PC或基于微控制器的其他解決方案。

聚焦：微型電機(jī)控制器

電機(jī)控制器最重要的特性是高能效和高功率密度，使得所有組件能以節(jié)省空間的方式"打包"集成。同樣重要的是各種傳感器和執(zhí)行器的連接，以及一個(gè)快速總線接口。對(duì)于將標(biāo)準(zhǔn)解決方案進(jìn)行整合、以達(dá)到省空間的目的來(lái)說(shuō)，連接技術(shù)是關(guān)鍵，但有時(shí)也是難關(guān)。因此在硬件層面上，必須在功能和連接技術(shù)之間找到一個(gè)實(shí)用的接口。"EPOS4 Micro"模塊提供廣泛的高標(biāo)準(zhǔn)化功能、現(xiàn)代控制器算法、緊湊型功率級(jí)以及 CANopen 或 EtherCAT 總線接口，且其尺寸僅有郵票大?。?2 x 22 mm）。設(shè)備制造商可以將插件模塊集成到自己的電子元件或具有所需軸數(shù)的主板中，以結(jié)合設(shè)備特有的連接技術(shù)和附加功能。必要時(shí)，maxon 還可作為工程合作者參與此類(lèi)電子板的開(kāi)發(fā)。"EPOS4 Micro"是批量生產(chǎn)的工業(yè)組件（"COTS"= 現(xiàn)成商用），最大限度地減少了開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)和成本。每個(gè)微型模塊都包含完整的硬件和軟件，用于激活和控制有刷、無(wú)刷電機(jī)及總線通訊。這使得優(yōu)化成本后的多軸系統(tǒng)在生產(chǎn)或維修時(shí)具有最緊湊的外觀、簡(jiǎn)化的組裝方式和全部系統(tǒng)組件的接線。

總線接口：整個(gè)系統(tǒng)和 IIoT 的主干

每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元和主控制器之間通過(guò)總線接口交換數(shù)據(jù)以協(xié)調(diào)各軸間的運(yùn)動(dòng)，并為維護(hù)和基于IIoT（=工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)提供信息。機(jī)器人和設(shè)備/系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)是CANopen和EtherCAT。EtherCAT 具有高傳輸速率，因此在復(fù)雜的多軸應(yīng)用中具有特殊優(yōu)勢(shì)。但是，當(dāng)作為單軸連接使用時(shí)，它的缺點(diǎn)在于需要額外硬件及使用大型標(biāo)準(zhǔn)化 RJ45 端子連接器。雖然控制器尺寸和端子技術(shù)在機(jī)柜中算不上問(wèn)題，但卻能成為EtherCAT 的"致命準(zhǔn)則"，尤其是在手持設(shè)備和機(jī)器人應(yīng)用方面。對(duì)于“EPOS4 Micro EtherCAT”而言，在其開(kāi)發(fā)階段就已明確需求，使用EtherCAT空間緊湊整合方式及特有連接技術(shù)為多軸系統(tǒng)應(yīng)用提供完美解決方案。

圖2：與 RJ45 外部連接。三軸板上的電容耦合（內(nèi)部）。

 “Micro（微型）”且EtherCAT

以 EtherCAT 為例，電感變送器（下文中為"磁性元件"）用于消除由于電勢(shì)差而產(chǎn)生的直流信號(hào)元件，抑制干擾，并確保信號(hào)完整性。磁性元件可以是單獨(dú)的組件，也可以集成在 RJ45 連接器中。但是，磁性元件和 RJ 連接器都需要印刷電路板上的很大空間。如果必須為每個(gè)單獨(dú)的軸控制器和 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集成它們，它們也會(huì)提高成本。然而對(duì)于那些在通用主板上具有多個(gè)模塊化電機(jī)控制器的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，EtherCAT 通過(guò)磁性元件連接并非絕對(duì)必要，存在通過(guò)電容耦合（即電容器）在內(nèi)部（無(wú)磁性元件）連接單個(gè)控制器的 EtherCAT 端口的可能性。這樣做的前提是 EtherCAT 接口之間的導(dǎo)線短（通常10 厘米以內(nèi)），以及各個(gè)控制器的邏輯電源間沒(méi)有電勢(shì)差。對(duì)于相應(yīng)的電子元件設(shè)計(jì)而言，這樣做能夠確保其容納多個(gè)"EPOS4 Micro"模塊。在主板中，單個(gè)"EPOS4 Micro"電機(jī)控制器之間有可能建立經(jīng)濟(jì)高效且節(jié)省空間的電容式EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)連接，意味著帶磁性元件的 RJ 連接器現(xiàn)在僅作為外部的 EtherCAT 連接使用。

"EPOS4 Micro EtherCAT"支持電容式內(nèi)部EtherCAT連接，以及通過(guò)磁性技術(shù)進(jìn)行外部連接。在此基礎(chǔ)上，可以采用非常緊湊的多軸主板和直插式"EPOS4 Micro"模塊，同時(shí)降低成本和尺寸。根據(jù)這一原理，maxon 提供極其緊湊的多軸控制器：安裝表面為 90 x 56 mm（近似名片大?。?，同時(shí)配備三 組"EPOS4 Micro 24/5 EtherCAT"模塊。該產(chǎn)品作為使用"EPOS4 Micro"設(shè)計(jì)多軸系統(tǒng)的出色方案之一，在其緊湊的外觀、高性能和高輸出功率方面無(wú)與倫比。

 “Micro（微型）”且易于集成

使用"EPOS4 Micro"，數(shù)據(jù)和命令通過(guò) CANopen 或 EtherCAT（取決于所選產(chǎn)品類(lèi)型）傳輸并遵循 CiA^?402 協(xié)議（"驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備配置文件"），同時(shí)支持標(biāo)準(zhǔn)化操作模式"PPM = 輪廓位置模式"，"PVM = 輪廓速度模式"，"HM = 回零模式"，"CSP = 循環(huán)同步位置"，"CSV = 循環(huán)同步速度"和"CST = 循環(huán)同步扭矩"。作為標(biāo)準(zhǔn)化的運(yùn)動(dòng)控制從站（Motion Control Slave），"EPOS4 Micro"（以及所有EPOS4系列）可以非常輕松地集成到不同 PLC 制造商的系統(tǒng)管理器工具和運(yùn)動(dòng)庫(kù)中。

對(duì)于那些不需要在毫秒周期內(nèi)進(jìn)行快速、循環(huán)數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用程序，基于Windows和Linux 的系統(tǒng)環(huán)境（例如 PC 或Raspberry Pi）也可以作為更高級(jí)別的系統(tǒng)控制器 （=主站）使用。maxon 的"EPOS 命令庫(kù)"是一個(gè)特定的運(yùn)動(dòng)控制功能庫(kù)，能夠加速主站方面的軟件開(kāi)發(fā)，同時(shí)也支持用于數(shù)據(jù)交換的 USB、RS232 和 CAN 接口。

 “Micro（微型）”且適合IIoT

EPOS4 在機(jī)器或傳動(dòng)系 IIoT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）環(huán)境中是級(jí)別最低的信息提供者。通過(guò)總線系統(tǒng)，EPOS4 可根據(jù)要求提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如電機(jī)電流和扭矩、轉(zhuǎn)速、位置值、誤差狀態(tài)、控制器和電機(jī)的溫度及負(fù)載值，傳感器和執(zhí)行器狀態(tài)等。不同數(shù)據(jù)的高帶寬以及快速循環(huán)數(shù)據(jù)交換的可能性是流程和生產(chǎn)監(jiān)控的 IIoT 基礎(chǔ)，也可用于預(yù)防性維護(hù)優(yōu)化。

 “Micro（微型）”但多功能

在功能、操作和軟件方面，"EPOS4 Micro"模塊與市場(chǎng)上已建立的 EPOS4 系列差不多。由于元件集成的密度大幅提高，僅少數(shù)功能和個(gè)別輸入/輸出端被省略，但并沒(méi)有放過(guò)任何有關(guān)控制器功能和性能的環(huán)節(jié)。與 EPOS4 產(chǎn)品系列其他型號(hào)同樣，"EPOS4 Micro"具有 25 kHz 電流控制頻率和 2.5 kHz 速度/位置控制頻率。現(xiàn)代控制器概念（如磁場(chǎng)導(dǎo)向控制（FOC）、前饋、觀測(cè)器控制及雙閉環(huán)控制器）同樣意味著"EPOS4 Micro"可以提供最大的電機(jī)性能和運(yùn)動(dòng)精度，可針對(duì)不同的應(yīng)用要求、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳感器進(jìn)行優(yōu)化。雙閉環(huán)控制器在電機(jī)軸上具有增量編碼器，在輸出軸上具有 SSI 絕對(duì)編碼器，即使在傳動(dòng)系統(tǒng)具有一定內(nèi)部彈性或間隙的情況下，也可以對(duì)負(fù)載端進(jìn)行精確的相關(guān)定位。"EPOS Studio"軟件具有不同向?qū)?，以便更好地支持用戶進(jìn)行調(diào)試和參數(shù)調(diào)整。

 “Micro（微型）”但通用

"EPOS4 Micro"支持帶霍爾傳感器、數(shù)字增量編碼器和 SSI 絕對(duì)編碼器的有刷或無(wú)刷直流電機(jī)。如果電機(jī)軸上已有完成校準(zhǔn)的 SSI 絕對(duì)編碼器（通常包含于 maxon 電機(jī)組合），可以運(yùn)行不帶霍爾傳感器的 EC 電機(jī)。

總共5 個(gè)數(shù)字輸入、3 個(gè)數(shù)字輸出、2 個(gè)模擬輸入 （+/-10V） 和 1 個(gè)模擬輸出 （+/-4V）允許連接和評(píng)估涉及多軸的傳感器，如限位開(kāi)關(guān)和參考點(diǎn)開(kāi)關(guān)。作為總線系統(tǒng)的替代方案，也可以通過(guò)模擬信號(hào)控制扭矩或速度控制器（閉環(huán)）。

圖3：EPOS4 Micro與 U盤(pán)尺寸對(duì)比

 “Micro（微型）”，但功能強(qiáng)大

"EPOS Micro"提供高功率密度——每個(gè)cm²安裝表面的峰值性能超過(guò)50 W，無(wú)需散熱器或主動(dòng)冷卻。具體而言，對(duì)于大小只有 32 x 22 mm（"EPOS 24/5 Micro CAN"）和 7 mm 厚度的控制器，要使得其表面滿足相當(dāng)?shù)墓β始?jí)，意味著在24V電機(jī)電壓和 5A 連續(xù)電流，以及 15A 峰值電流情況下工作10 秒以上（相當(dāng)于 360W）。上述性能均適用于 -30°C 至 45°C 的環(huán)境溫度，無(wú)需額外冷卻。隨著輸出電流的相對(duì)下降，環(huán)境溫度可能會(huì)超過(guò) 60°C，但控制器仍可正常運(yùn)行。由傳感器監(jiān)控該功率級(jí)的溫度，同時(shí)通過(guò) I2t 監(jiān)控防止電機(jī)過(guò)載。

 “Micro（微型）”，即使在調(diào)試時(shí)

現(xiàn)有的數(shù)字或模擬量的輸入和輸出可自由配置，并且與 CiA? 402 （CoE） 位置控制器的眾多功能和操作模式完美匹配。EPOS Studio 調(diào)試軟件的啟動(dòng)向?qū)⒓捌渲庇^地引導(dǎo)用戶進(jìn)行基本配置，并對(duì)所有控制器參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)微調(diào)，甚至可以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的雙閉環(huán)控制器結(jié)構(gòu)。EPOS Studio 的集成數(shù)據(jù)記錄器能夠用來(lái)記錄和評(píng)估控制器行為和相關(guān)過(guò)程數(shù)據(jù)。對(duì)于沒(méi)有主板設(shè)計(jì)的初始測(cè)試環(huán)境，可選配即用式評(píng)估板。該選項(xiàng)同時(shí)包含各類(lèi)附件和產(chǎn)品詳述文件。

圖4：EPOS Studio：雙環(huán)路參數(shù)微調(diào)功能

不僅僅是產(chǎn)品：作為系統(tǒng)合作伙伴的maxon

憑借產(chǎn)品支持及各種服務(wù)，maxon 所提供的不僅僅是目錄上的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。特別是在集成一個(gè)或多個(gè)"EPOS Micro"產(chǎn)品期間，在尺寸、連接技術(shù)或主板附加功能方面可能會(huì)出現(xiàn)非常具體的應(yīng)用要求。主板電子設(shè)計(jì)的具體信息包含在"EPOS4 Micro"的"硬件參考"手冊(cè)中，作為應(yīng)用程序端系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員的指南。

如果客戶沒(méi)有資源進(jìn)行此類(lèi)開(kāi)發(fā)，maxon 可提供定制電子板的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)等補(bǔ)充服務(wù)。在這里，maxon 不僅是產(chǎn)品供應(yīng)商，同時(shí)也在驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，作為一名工程合作者承擔(dān)并且勝任系統(tǒng)化的工作。盡早與maxon展開(kāi)信息交流和集思廣益，是找到技術(shù)和商業(yè)方向上優(yōu)化解決方案的第一步。