從微控制器到執(zhí)行器——電機驅(qū)動器應(yīng)用的集成方案

從微控制器到執(zhí)行器——電機驅(qū)動器應(yīng)用的集成方案

目前，步進電機出現(xiàn)在很多應(yīng)用場合，也將繼續(xù)被追求高精度定位的設(shè)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(shè)備的吸引力日增。業(yè)界還探尋到更多的應(yīng)用空間，如汽車前照燈及舞臺照明定位等動態(tài)應(yīng)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(shè)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(shè)計卻使用閉環(huán)控制技術(shù)。后者的優(yōu)勢在于，維持轉(zhuǎn)子真實位置與根據(jù)電氣驅(qū)動信號得到的預(yù)計位置之間的關(guān)聯(lián)，從而在保持精度的同時允許更快速的轉(zhuǎn)動。

傳統(tǒng)上，閉環(huán)系統(tǒng)一直使用傳感器或編碼器就轉(zhuǎn)子位置向驅(qū)動器電路提供反饋信息，從而產(chǎn)生實際位置與預(yù)計(“電氣”)位置之間的關(guān)聯(lián)。這樣的反饋不僅能更好地控制驅(qū)動電流以產(chǎn)生所需的加速度及轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子軸上貼裝光學(xué)編碼及電位計等。最近，無傳感器的閉環(huán)設(shè)計已經(jīng)面世。這些設(shè)計感測實際驅(qū)動電流及轉(zhuǎn)子運動產(chǎn)生的反電動勢，來計算轉(zhuǎn)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(qū)動電路的演變，器件制造商不斷開發(fā)日益復(fù)雜的芯片來應(yīng)對電機設(shè)計所遇到的諸多繁雜工作。例如安森美半導(dǎo)體AMIS-305xx系列等ASSP產(chǎn)品就集成了轉(zhuǎn)換器，將連續(xù)的步長轉(zhuǎn)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(qū)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(jié)果，是單顆芯片就能夠直接驅(qū)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(zhuǎn)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?？刂扑惴ㄒ誀顟B(tài)機的形式集成在IC內(nèi)，設(shè)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(zhuǎn)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(yīng)用。工程師需要盡快構(gòu)建施工設(shè)計。設(shè)計人員不必擔(dān)心運動算法中的動力學(xué)設(shè)計，因為這些已嵌入在ASSP中。他們只需設(shè)計電機的總體運動，而相關(guān)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(shè)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(shè)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(qū)動器的設(shè)計人員采用更加傳統(tǒng)的控制電路架構(gòu)，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(dāng)驅(qū)動器IC本身的輸入?？梢允褂靡粋€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(qū)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(shè)計復(fù)雜度，該驅(qū)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(fù)雜性及BOM成本。AMIS-306xx系列器件中，該反饋限制在運轉(zhuǎn)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(shè)計人員能夠直接獲得電機線圈通過轉(zhuǎn)子磁極時線圈中感應(yīng)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(shè)計人員改進電機設(shè)計提供了各種可能性。因為允許設(shè)計人員獲悉轉(zhuǎn)子位置及速度，當(dāng)然也允許MCU在轉(zhuǎn)子電氣位置與預(yù)計位置之間進行比較。

最為簡單的應(yīng)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(yù)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(yù)計位置之差也為電機所用轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)果。這就提供了實現(xiàn)復(fù)雜轉(zhuǎn)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(qū)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(shè)計人員來說意義深遠，從選擇恰當(dāng)?shù)碾姍C，自始至終將簡化貫穿設(shè)計實現(xiàn)，再到最終達到高質(zhì)量及精密性。

對于設(shè)計人員而言，反電動勢測量的第一個應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)?shù)竭_某個點時，電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(qū)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(dǎo)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(qū)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(shè)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(qū)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(shè)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(qū)動器件的診斷能力使設(shè)計團隊可完成以前難以解決的項目。

動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制

內(nèi)置診斷還意味，系統(tǒng)設(shè)計能夠使電機提供的轉(zhuǎn)矩適應(yīng)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(zhuǎn)矩進行響應(yīng)。但內(nèi)置診斷更強大的地方，或許是能夠?qū)崿F(xiàn)“自動速度”功能。

在這種情況下，MCU要求智能驅(qū)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(jié)果有關(guān)聯(lián)：電機準確傳遞適量的瞬時轉(zhuǎn)矩來盡可能快地轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)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(yīng)用極具吸引力，這些應(yīng)用通常高度動態(tài)化，但不涉及連續(xù)的動作。如貼片設(shè)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(zhuǎn)向“下一個”設(shè)定點要同樣地快。而且，盡管在大功率應(yīng)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(yīng)：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(jié)

在快速、精確及動態(tài)的動作控制應(yīng)用中，步進電機是越來越普及的另一選擇。隨著電機技術(shù)的發(fā)展，智能驅(qū)動器/控制器ASSP也涌現(xiàn)出來，且能夠高效地驅(qū)動這些電機。當(dāng)今的器件為設(shè)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(shù)尋獲新的應(yīng)用。

這些ASSP除了提供基于參數(shù)的控制架構(gòu)，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(fù)雜的電機系統(tǒng)，并解決其中的問題。設(shè)計團隊?wèi){借先進的特征能力，能夠解決復(fù)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(shè)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(yīng)用中的復(fù)雜問題快，速及高性價比地實施?？梢源_定的是，步進電機及復(fù)雜“機電設(shè)備”的應(yīng)用范圍將不斷擴展。

?