【精準(zhǔn)高效 驅(qū)動智能運動新時代】深入探討ADI電機運動控制方案

隨著工業(yè)自動化、智能制造和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，市場對運動控制解決方案的需求持續(xù)增長。作為驅(qū)動機械運動的關(guān)鍵技術(shù)，電機和運動控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、機器人、消費電子、醫(yī)療設(shè)備、自動駕駛以及智能家居等多個行業(yè)。據(jù)市場調(diào)研公司GMI預(yù)測，2023年，全球運動控制市場的規(guī)模約為203億美元；市場預(yù)計在2024至2032年期間的復(fù)合年增長率（CAGR）為5.5%，2032年，市場規(guī)模預(yù)計達到334億美元。

電機和運動控制是現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)應(yīng)用的核心領(lǐng)域。ADI擁有業(yè)界領(lǐng)先的電機和運動控制產(chǎn)品，旨在將數(shù)字信息完美地轉(zhuǎn)換為物理運動，使工業(yè)4.0能夠在先進機器人、自動化、醫(yī)療假肢、3D打印等應(yīng)用中發(fā)揮作用。從底層芯片到上位模塊，ADI可提供全方位的解決方案，而且產(chǎn)品組合十分廣泛，包括電機、編碼器、電機控制IC和模塊，可提高智能運動系統(tǒng)的效率、縮小物理尺寸，并縮短上市時間。

步進電機（Step Motor）

步進電機是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成精確角位移的電動機，通常由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子上有繞組，轉(zhuǎn)子上有齒，通過控制定子繞組的通電順序，電機能夠以固定的步進角度逐步旋轉(zhuǎn)。步進電機通過將電能轉(zhuǎn)化為機械能，可以通過精確和可預(yù)測的方式控制運動，因此廣泛應(yīng)用于需要精確定位和速度控制的場合。

根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理，步進電機可分為多種類型，包括：永磁式步進電機（PM）、可變磁阻步進電機（VR）和混合式步進電機（HB）。每種類型都有其獨特的特點和應(yīng)用場景。按照驅(qū)動方式的不同，也可以分為雙極性和單極性步進電機。選擇合適的步進電機類型，取決于具體的應(yīng)用需求，包括精度、轉(zhuǎn)矩、速度和成本等因素。

步進電機的工作原理是通過電機線圈發(fā)送電流，產(chǎn)生電磁場，迫使磁性轉(zhuǎn)子進入所需位置。這可以使用附加電流狀態(tài)，以全步、半步或更小的微步來完成。微步進可提高步進電機應(yīng)用的精度、扭矩、能源效率和平滑度，同時減少步進損耗、振動和噪聲。步進電機驅(qū)動器可通過將全步細分成更小的微步，以便使用正弦電流波形進行控制，從而實現(xiàn)極高精度和平滑度的運動。ADI Trinamic技術(shù)將每一個全步細分成最多256個微步，讓數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為平滑的物理運動。由此產(chǎn)生的電流控制方案可減少噪聲和振動，同時提高可實現(xiàn)的扭矩和精度。步進電機是耐用型開環(huán)電機，是唯一在開環(huán)情況下既可以精確的控制位置，又可以精確地實現(xiàn)速度的一類電機。與其他電機相比具有多方面的優(yōu)勢，比如低速和靜止?fàn)顟B(tài)時具有高扭矩、邊際定位誤差不會累積、對啟動/停止響應(yīng)出色、具有成本效益且易于使用。

當(dāng)需要精確可靠的開環(huán)定位時，步進電機就是優(yōu)先選擇。針對ADI的步進電機驅(qū)動器產(chǎn)品，全球排名前列的電子元器件授權(quán)代理商WT文曄科技結(jié)合當(dāng)前市場，重點推薦一款效率和空間都優(yōu)于市場同級產(chǎn)品的靜音步進電機驅(qū)動器TMC5240。TMC5240是一款智能高性能步進電機控制器和驅(qū)動器IC，具有串行通信接口（SPI、UART）和廣泛的診斷功能。它結(jié)合了靈活的、經(jīng)過加加速度優(yōu)化的斜坡發(fā)生器（用于自動目標(biāo)定位）和業(yè)界最先進的步進電機驅(qū)動器（基于256步內(nèi)置索引器和兩個完全集成的 36V、3.0A(最大) H橋以及非耗散集成電流感應(yīng)(ICS)。該控制器效率約為目前市場其他方案的兩倍，空間方面高度集成（節(jié)省60%+），擁有卓越的電流控制和運動控制。ADI先進的 StealthChop2 斬波器可確保確保達到業(yè)界極低的噪聲水平，并確保效率和扭矩。高集成度、高能效和小尺寸使系統(tǒng)小型化和可擴展，從而實現(xiàn)經(jīng)濟高效的解決方案。完整的解決方案大大降低了應(yīng)用開發(fā)者的學(xué)習(xí)曲線，同時提供了比同類競品更優(yōu)秀的性能表現(xiàn)。

伺服電機（BLDC/PMSM

/DC Servo Controller）

伺服電機是一種能夠精確控制角度、速度和位置的電動機，廣泛應(yīng)用于需要高精度運動控制的領(lǐng)域。伺服電機與伺服控制器（Servo Controller）協(xié)同工作，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過伺服控制系統(tǒng)接收指令信號，并將其轉(zhuǎn)化為電機軸的運動，以實現(xiàn)精確的定位和速度控制。

伺服電機控制器來控制伺服電機，該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于需要精確位置、速度和力矩控制的領(lǐng)域，如工業(yè)自動化、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療設(shè)備和自動化生產(chǎn)線。與步進電機控制器不同的是，伺服控制器的核心功能是實現(xiàn)閉環(huán)控制（Closed-loop Control）。

本次介紹的伺服控制器主要包含無刷直流電機（BLDC）、永磁同步電機（PMSM）以及直流電機伺服控制器。首先，無刷直流電機伺服控制器通過電子換向技術(shù)和閉環(huán)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對BLDC電機的精確控制，廣泛應(yīng)用于需要高精度、高效率和高響應(yīng)速度的應(yīng)用場景，如工業(yè)自動化、機器人技術(shù)和精密儀器；PMSM/DC伺服控制器的核心也在于實現(xiàn)對電機的閉環(huán)控制，以達到對位置、速度和力矩的精確把控，因此同樣用于該場景。根據(jù)市場表現(xiàn)，文曄重點推薦一款為BLDC/PMSM、2相步進電機以及直流電機和音圈提供磁場定向控制（FOC）的業(yè)界完全集成的伺服控制器TMC4671。所有控制功能均在硬件中實現(xiàn)，集成的ADC、位置傳感器接口、位置插值器使全功能伺服控制器能夠適用于各種伺服應(yīng)用，比如機器人、拾放機、工廠自動化、電動汽車等。

ADI TMC4671是專用于運動控制器功能強大的芯片，可以極大限度提高驅(qū)動效率和動態(tài)性能，而且通過硬件中的所有時間關(guān)鍵計算，開發(fā)動態(tài)伺服控制器僅需要幾行代碼，因此能快速縮短高性能伺服控制器的上市時間。TMC4671具有高達100kHz的開關(guān)頻率和控制器更新速率，并具有濾波和插值功能，如數(shù)字霍爾信號插值，以實現(xiàn)更順暢的操作。該集成電路可以與各類編碼器協(xié)同工作，從A/B/Z增量式簡單的數(shù)字或模擬霍爾傳感器到高分辨率正弦/余弦模擬編碼器。傳感器可靈活地映射為位置和速度控制回路的輸入。

直流有刷電機（DC Motor）

直流有刷電機（Brushed DC Motor）是一種通過機械換向器和電刷來實現(xiàn)電流換向，從而驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子的電機，由定子（通常是永磁體）和轉(zhuǎn)子（線圈繞組）組成。它是常見的電機類型之一，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低和控制方便等特點，廣泛應(yīng)用于各類小型電動工具、家用電器、玩具和汽車等領(lǐng)域。

直流有刷電機驅(qū)動器負責(zé)提供直流有刷電機所需的電流和電壓以控制電機的速度和方向，該系統(tǒng)盡管面臨無刷電機系統(tǒng)的競爭壓力，但簡單的控制方式、低成本和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域仍然使其在市場中占據(jù)重要地位。未來的發(fā)展將集中在提高能效、智能化、微型化、改善EMI/EMC性能以及滿足特定市場需求等方面。對此，文曄結(jié)合當(dāng)前市場重點推薦ADI的一款超小尺寸單通道有刷電機驅(qū)動器解決方案MAX22201/2/7。該芯片集成一個36V、3.5A峰值全橋，可驅(qū)動一個有刷直流電機。全橋具有極低阻抗FET，典型RON（高側(cè)+低側(cè)）為0.3Ω，可實現(xiàn)高驅(qū)動效率。3.5A的額定峰值電流受過流保護閾值（OCP）限制。峰值電流定義為驅(qū)動器針對短暫瞬變可提供的最大電流。值得一提的是，該驅(qū)動器的最大有效值電流（RMS）為2A，通常受散熱考慮因素限制。2ARMS電流值是指標(biāo)準(zhǔn)JEDEC 4層板在25°C環(huán)境溫度下得到的數(shù)值。實際最大工作電流取決于應(yīng)用的熱特性（PCB接地平面、散熱器、通風(fēng)等）。

MAX22201/2/7具有準(zhǔn)確的無損耗集成電流檢測（ICS）功能和嵌入式內(nèi)部電流驅(qū)動調(diào)節(jié)（CDR）電路，用于監(jiān)測通過電機線圈的電流并限制峰值輸出電流。當(dāng)電機電流超過限流閾值時，全橋進入衰減模式并持續(xù)固定的關(guān)斷時間（tOFF）。對于有刷電機驅(qū)動應(yīng)用，電流驅(qū)動調(diào)節(jié)可確保驅(qū)動器在正常條件下或電機啟動和失速條件下安全可靠地運行，同時降低系統(tǒng)電源和電源旁路要求。內(nèi)部感測電流的縮放副本輸出到外部引腳（ISEN）。所有版本均具有過流保護（OCP）、熱關(guān)斷（TSD）和欠壓保護（UVLO）功能。每次檢測到故障條件時，都會激活開漏低電平有效故障指示引腳（FAULT）。該器件采用小型TDFN12 3mm x 3mm封裝。MAX22201/2/7具有小尺寸封裝、高效率并集成準(zhǔn)確的電流檢測功能，因此非常適合空間和功耗敏感型應(yīng)用，比如有刷直流電機驅(qū)動、鎖閉閥和電磁閥以及單相步進電機驅(qū)動。

H橋驅(qū)動器（H-Bridge Driver）

H橋驅(qū)動器（H-Bridge Driver）是一種電路配置，用于控制直流電機的方向和速度。它利用四個開關(guān)（通常是晶體管或MOSFET）以“橋”的形式連接，允許電流在兩個方向上流過電機。H橋驅(qū)動器廣泛應(yīng)用于機器人、電動工具、汽車電動座椅和工業(yè)自動化等領(lǐng)域。

H橋驅(qū)動器擁有諸多優(yōu)勢，比如可以雙向控制電機的正反轉(zhuǎn)，適用于需要頻繁變換轉(zhuǎn)動方向的應(yīng)用；可以通過脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)精確控制電機速度；可以通過同時導(dǎo)通對角線的開關(guān)使電機快速停止（短路制動）；還有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低等優(yōu)點。H橋驅(qū)動器是一種靈活且高效的電機控制解決方案，通過合理選擇和設(shè)計可以實現(xiàn)對直流電機的雙向控制和速度調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。WT文曄結(jié)合當(dāng)前市場，重點推薦一款具有集成電流檢測功能的業(yè)界超小65V、3.8A雙通道有刷或單通道步進電機驅(qū)動器解決方案MAX22203。MAX22203是一款雙通道65V、3.8AMAX H橋驅(qū)動器，提供PWM輸入和高精度的電流驅(qū)動調(diào)節(jié)（CDR），集成的CDR可以限制有刷直流電機的啟動或停止其電流，或控制步進點擊操作的相電流。每個H橋都可以單獨控制，并且具有0.3Ω的超低典型RON（高側(cè)+低側(cè)），可實現(xiàn)高驅(qū)動效率和低發(fā)熱。MAX22203可用于驅(qū)動兩個有刷直流電機或單個步進電機。電橋輸出電流由無損耗集成電流檢測（ICS）功能進行檢測，無需使用體積較大的外部功率電阻（對于此功能通常是必要的），并與可配置的閾值電流（ITRIP）進行比較。通過將外部電阻連接到引腳REFA和REFB，可以為兩個全橋獨立設(shè)置ITRIP閾值。

每個H橋的最大輸出電流為IMAX = 3.8A，并受過流保護（OCP）電路限制?？梢詾榉浅６虝旱乃沧凃?qū)動該電流，旨在有效驅(qū)動小電容負載。用戶可配置的最大電流調(diào)節(jié)閾值為ITRIP_MAX = 3A。在標(biāo)準(zhǔn)JEDEC 4層板上，每個H橋的最大RMS電流(IRMS)為2ARMS。最大RMS電流可能受到散熱考慮因素的限制，并取決于應(yīng)用的熱特性（PCB接地層、散熱器、強制通風(fēng)等）。MAX22203具有過流保護（OCP）、熱關(guān)斷（TSD）和欠壓閉鎖（UVLO）功能。每次檢測到故障條件時，都會激活一個開漏低電平有效nFAULT引腳。在熱關(guān)斷和欠壓鎖定期間，驅(qū)動器為三態(tài)，直到恢復(fù)正常工作為止。該期間采用小型TQFN38 5mm x 7mm封裝。

綜上所述，ADI運動控制解決方案憑借其先進的技術(shù)和卓越的性能，滿足了工業(yè)自動化、智能制造和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的嚴(yán)格要求。通過創(chuàng)新的StealthChop2斬波技術(shù)和高精度電流控制，確保無噪音運行和優(yōu)異的電機扭矩控制。TMC4671伺服控制器和MAX22203 H橋驅(qū)動器的高效動態(tài)響應(yīng)和精確電流調(diào)節(jié)，使其在各種高要求應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

此外，文曄與ADI長期合作、持續(xù)創(chuàng)新。通過提供全面的技術(shù)支持和定制化的解決方案，文曄不僅幫助客戶應(yīng)對當(dāng)前的技術(shù)挑戰(zhàn)，還為未來的技術(shù)進步和市場需求提供了堅實的支持。相信憑借高效、精確和可擴展等領(lǐng)先特性，ADI運動控制解決方案將在推動行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展中繼續(xù)發(fā)揮重要作用。