從微控制器到執(zhí)行器——電機驅動器應用的集成方案

目前，步進電機出現(xiàn)在很多應用場合，也將繼續(xù)被追求高精度定位的設計人員所選擇。與此同時，其高能效、高性能及逐漸縮小的尺寸等特性，使其對從劑量泵到執(zhí)行器、閥及監(jiān)控相機等設備的吸引力日增。業(yè)界還探尋到更多的應用空間，如汽車前照燈及舞臺照明定位等動態(tài)應用，而且它們的增強型加速能力，也將在貼片機、縫紉機等制造設備中發(fā)揮作用。

控制策略

雖然大多數(shù)步進電機被用于開環(huán)模式，但現(xiàn)代的許多設計卻使用閉環(huán)控制技術。后者的優(yōu)勢在于，維持轉子真實位置與根據(jù)電氣驅動信號得到的預計位置之間的關聯(lián)，從而在保持精度的同時允許更快速的轉動。

傳統(tǒng)上，閉環(huán)系統(tǒng)一直使用傳感器或編碼器就轉子位置向驅動器電路提供反饋信息，從而產(chǎn)生實際位置與預計(“電氣”)位置之間的關聯(lián)。這樣的反饋不僅能更好地控制驅動電流以產(chǎn)生所需的加速度及轉矩，還能夠提供失速檢測能力，從而消除失步。

在實現(xiàn)基于傳感器的控制時，最常見的方法是使用霍爾傳感器，盡管也會有其他選擇，如在轉子軸上貼裝光學編碼及電位計等。最近，無傳感器的閉環(huán)設計已經(jīng)面世。這些設計感測實際驅動電流及轉子運動產(chǎn)生的反電動勢，來計算轉子的機械位置。

ASSP幫助實現(xiàn)步進電機控制

隨著控制算法及驅動電路的演變，器件制造商不斷開發(fā)日益復雜的芯片來應對電機設計所遇到的諸多繁雜工作。例如安森美半導體AMIS-305xx系列等ASSP產(chǎn)品就集成了轉換器，將連續(xù)的步長轉換為所需的線圈電流(可通過查找表或其他方式)。該系列還集成了采用H橋配置的驅動器晶體管、flyback二極管、經(jīng)PWM的片上穩(wěn)流，以及多種保護電路。

這樣做的最終結果，是單顆芯片就能夠直接驅動步進電機。此類芯片通過如SPI總線等邏輯型接口接收到高層“下一步”位置指令，從而進行啟動。它們還完整實現(xiàn)了微步(micro-stepping)，不僅大幅提高精度，還在低速率時提升轉矩，降低可聽噪聲，并消除步損(step loss)。

此類ASSP分為兩個寬泛的類別，典型代表是AMIS-305xx和AMIS-306xx系列。后者更進一步提供完全集成的解決方案，通過I2C或LIN接口接收高層指令。控制算法以狀態(tài)機的形式集成在IC內(nèi)，設計人員只需簡單提供輸入，“告知”AMIS-306xx使用期望的微步大小按規(guī)定的加速度和最大速度將電機轉動至某特定位置。

這樣的方案非常適合于定位監(jiān)控相機等應用。工程師需要盡快構建施工設計。設計人員不必擔心運動算法中的動力學設計，因為這些已嵌入在ASSP中。他們只需設計電機的總體運動，而相關IC可以實現(xiàn)如無傳感器失速檢測等先進特性，從而更進一步簡化設計人員工作。

多芯片方法帶來的優(yōu)勢

雖然類似AMIS-305xx這樣的器件犧牲了如AMIS-306xx等turnkey方案中的一些特性及上市時間優(yōu)勢，但是設計人員卻能夠更加精細地控制系統(tǒng)的動態(tài)行為。使用此類智能驅動器的設計人員采用更加傳統(tǒng)的控制電路架構，用MCU或DSP運行控制軟件并產(chǎn)生“下一(微)步”脈沖。

這個脈沖信號充當驅動器IC本身的輸入。可以使用一個額外的SPI接口來規(guī)定電流幅值、步進模式、PWM頻率等參數(shù)。反過來，該智能驅動器通常會反向提供狀態(tài)標記、開路及短路警示等信息給控制器。

為了削減基于傳感器方案的BOM成本及設計復雜度，該驅動器通常也會提供足夠的反饋來實現(xiàn)閉環(huán)控制，從而也減少了外部傳感器電路的復雜性及BOM成本。AMIS-306xx系列器件中，該反饋限制在運轉良好的失速檢測信號，從內(nèi)部向集成狀態(tài)機提供。但在AMIS-305xx系列中，反饋通過速度及負載角(SLA)輸出引腳外部提供。這就讓設計人員能夠直接獲得電機線圈通過轉子磁極時線圈中感應的反電動勢的測量方法。

從外部獲得反電動勢的測量方法為設計人員改進電機設計提供了各種可能性。因為允許設計人員獲悉轉子位置及速度，當然也允許MCU在轉子電氣位置與預計位置之間進行比較。

最為簡單的應用是實現(xiàn)失速檢測。然而，也可以動態(tài)監(jiān)測反電動勢，產(chǎn)生實際位置與預計位置之間的實時比較。因此，其能夠讓電路“獲悉”什么時候可能會面臨失步并采取措施。此外，實際位置與預計位置之差也為電機所用轉矩提供了指示。

實際上，隨著電機上的機械負載增加，反電動勢與電機線圈電流之間的相位差也隨之增加——這就是所謂的負載角。如果轉子上的機械負載增加，同步采樣反電動勢會產(chǎn)生連續(xù)減小的結果。這就提供了實現(xiàn)復雜轉矩控制算法的可能性。

診斷窗口

或許最重要的是：這種現(xiàn)象在驅動器、電機和所用負載完整合并的運作中提供了一個診斷“窗口”。這對設計人員來說意義深遠，從選擇恰當?shù)碾姍C，自始至終將簡化貫穿設計實現(xiàn)，再到最終達到高質(zhì)量及精密性。

對于設計人員而言，反電動勢測量的第一個應用可能是電機的自身選擇，因為能夠使用改良的控制策略來拓寬電機的工作限制。電機通常采用轉矩與速率曲線對比進行表征，該曲線會給出一個上限速度，超過了它電機就不能使用。然而，運行電機行為的特性并通過查看SLA輸出推斷出電機提供的轉矩，可能會展示出更加微妙的局面。

一般情況下，電機會指定用于整步(full-step)模式。隨著速度增加，當?shù)竭_某個點時，電機轉矩會急劇下降。這通常就是截止(cut-off)點，電機制造商建議用戶使用其產(chǎn)品時不要高于該速度。然而，如果電機采用相同的速度但使用了微步模式，轉矩下降可能壓根就不是一個大問題。隨著速度進一步增加，整步轉矩返回到了在較低頻率下就可獲得的數(shù)值并不稀奇。速率與轉矩曲線的對比，看上去更像是“notch”函數(shù)，而非“低通”函數(shù)(見圖1)。通常notch是由振蕩引起的。

圖1

在電機上運行正特性允許設計人員實現(xiàn)這樣的控制算法：在極低和極高速度下使用整步模式，并在測量到速度值處于中間范圍(較窄)時切換至微步模式。這樣的操作不僅對設計系統(tǒng)級方案的終端用戶有用，還使智能電機(帶內(nèi)置驅動器電路)制造商能夠充分擴展其產(chǎn)品的特定范圍。就安森美半導體而言，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些改進能將電機的有效速度范圍擴充多達2或3倍。

通過智能驅動器SLA引腳測量反電動勢也能夠用于終端系統(tǒng)行為的確定，使設計人員能夠避免電機在禁止的共振特征頻率時工作。這些頻率是整個電機-驅動器-負載系統(tǒng)的特性，因此無法輕易在數(shù)據(jù)表中看到。然而，監(jiān)控SLA引腳時還是能夠輕易發(fā)現(xiàn)這些特性，因為它們會在振動時顯現(xiàn)(見圖2)。

圖2: 監(jiān)控SLA引腳時發(fā)現(xiàn)的共振特征頻率

這個問題通常利用盡可能快的特征頻率來加速電機得以解決，這樣做消除了振動危險。擁有現(xiàn)成的揭示系統(tǒng)危險速率范圍的診斷方法，能夠讓設計人員快速簡便地精確找出問題，并因此大幅縮短上市時間。某些情況下，新驅動器件的診斷能力使設計團隊可完成以前難以解決的項目。

動態(tài)轉矩控制

內(nèi)置診斷還意味，系統(tǒng)設計能夠使電機提供的轉矩適應瞬時需求。這在控制器確定可能即將出現(xiàn)步損的情況下很有用：它通過提供更大轉矩進行響應。但內(nèi)置診斷更強大的地方，或許是能夠實現(xiàn)“自動速度”功能。

在這種情況下，MCU要求智能驅動器電路“以可能的最大速度”將電機帶至期望位置。然后在這個動作期間，使用反電動勢反饋機制確定是否及何時采取“下一步”動作。

這種方法有雙重優(yōu)勢。執(zhí)行指定動作所需的功率減半，而動作發(fā)生所采用的時間亦減半。這兩個結果有關聯(lián)：電機準確傳遞適量的瞬時轉矩來盡可能快地轉動轉子，而且該事實也表明系統(tǒng)充分利用了提供給它的能量。

這類優(yōu)勢對使用步進電機的應用極具吸引力，這些應用通常高度動態(tài)化，但不涉及連續(xù)的動作。如貼片設備這樣的產(chǎn)品需要能夠精確完成突發(fā)動作，速度要盡可能地快，而且之后轉向“下一個”設定點要同樣地快。而且，盡管在大功率應用中這些并不常見，所以節(jié)能并不具有固有優(yōu)勢，但是，減小功率要求的確帶來沖擊效應：有可能將電機的功率提供量化在更接近于系統(tǒng)額定行為而非其峰值功耗的水平。這通常表示能夠使用70牛米(Nm)的電機而非100 Nm的電機。

總結

在快速、精確及動態(tài)的動作控制應用中，步進電機是越來越普及的另一選擇。隨著電機技術的發(fā)展，智能驅動器/控制器ASSP也涌現(xiàn)出來，且能夠高效地驅動這些電機。當今的器件為設計人員提供了以總線控制而工作的整體IC的選擇，也提供了更加靈活的方案，開創(chuàng)空間實踐創(chuàng)新特性，并為這技術尋獲新的應用。

這些ASSP除了提供基于參數(shù)的控制架構，還能提供系統(tǒng)性能“診斷窗口”，讓工程師能夠快速簡易地實現(xiàn)復雜的電機系統(tǒng)，并解決其中的問題。設計團隊憑借先進的特征能力，能夠解決復雜的問題，加快產(chǎn)品上市 ，并提供高產(chǎn)品質(zhì)量。

為持續(xù)創(chuàng)新，設計人員會繼續(xù)要求整體IC與多芯片方案組合，讓他們能夠在有需要時解決新應用中的復雜問題快，速及高性價比地實施?？梢源_定的是，步進電機及復雜“機電設備”的應用范圍將不斷擴展。

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