在從汽車的氣候環(huán)境控制到工業(yè)用的劑量泵以及舞臺(tái)燈光控制等各種應(yīng)用中，都選用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)態(tài)置位解決方案。步進(jìn)電機(jī)之所以能夠進(jìn)入主流應(yīng)用，得益于其性能好、體積小以及成本低。

隨著電機(jī)及其應(yīng)用的演進(jìn)，需要用來驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路也在得到不斷的演進(jìn)。特別是，汽車電子設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)了分布式的處理策略，其中，他們向電機(jī)的周邊電路注入了日益增加的智能。這種控制方案自身也在滲入更多的通用領(lǐng)域，使得典型的電機(jī)/驅(qū)動(dòng)組合更類似于一個(gè)機(jī)電分系統(tǒng)，而不再僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的執(zhí)行器。

如今，設(shè)計(jì)師在構(gòu)建一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的架構(gòu)時(shí)有3個(gè)基本選擇。傳統(tǒng)的方案是采用一個(gè)通用的微處理器或DSP，配之于模擬驅(qū)動(dòng)電路和基于傳感器的反饋回路。但是，日益增加的成本、上市時(shí)間和復(fù)雜度等方面的壓力，使得工程師正在轉(zhuǎn)入使用專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的應(yīng)用特定產(chǎn)品(ASSP)。這樣的方案本身有兩類：即單芯片或雙芯片解決方案。

盡管傳統(tǒng)的微處理器方案正在逐步被ASSP所取代，為了理解這類設(shè)計(jì)中的典型的設(shè)計(jì)約束和需求，首先還是應(yīng)該了解一下這類方案的基礎(chǔ)架構(gòu)。這種情況中，其程序代碼通常存在閃存中的內(nèi)核控制器提供一個(gè)PWM信號(hào)來驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組。模擬電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大來驅(qū)動(dòng)功率級(jí)，而功率級(jí)則驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組。

為了計(jì)算出正確的PWM輸出，微控制器需要從外部獲取所需的大量信息。特別是，它需要對(duì)電機(jī)定位進(jìn)行反饋。該功能通常由一個(gè)霍爾傳感器來實(shí)現(xiàn)，該傳感器不僅提供定位信息，還傳感電機(jī)轉(zhuǎn)子的停頓和死鎖(阻塞)。在非常簡(jiǎn)單的情況下，可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的端環(huán)路定位開關(guān)來代替霍爾傳感器。另外一種方法是使用光學(xué)位置編碼，或者是使用一個(gè)安裝在電機(jī)軸上的阻性電位器。

除了定位數(shù)據(jù)外，控制器還需要有關(guān)電機(jī)電流方面的信息。這一信息是經(jīng)過一個(gè)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相串聯(lián)的一只電阻傳感出來的，提取出來的數(shù)據(jù)經(jīng)過QDC變換后作為控制器自身的輸入。ASSP方案將絕大部分上述功能集成到了一個(gè)或兩個(gè)器件中，在處理過程中用的是無傳感控制方案。像AMIS-30624這類的控制器/驅(qū)動(dòng)器一體的解決方案，提供了最高的集成度，它將控制器、速度、位置電流、故障診斷和功率級(jí)全部集成到一個(gè)芯片中。盡管這樣的全集成解決方案提供了最小的系統(tǒng)體積和最低的建構(gòu)成本，但為了其他功能，許多工程師還是喜歡選其作為中間級(jí)，而將內(nèi)核控制器保留在一個(gè)像AMIS-30522(圖)這樣的智能驅(qū)動(dòng)器芯片上。

將內(nèi)核控制器保留在AMIS-3052這類的智能驅(qū)動(dòng)器芯片上

采用這種雙芯片方案的動(dòng)機(jī)是兩方面的。其一是，某些應(yīng)用需要比單芯片所能提供的更大的驅(qū)動(dòng)電流。不過更多的情況是，設(shè)計(jì)師選用雙芯片解決方案的原因是為了更大可能地發(fā)揮其現(xiàn)有IP的價(jià)值。他們或許已經(jīng)利用更喜歡使用的標(biāo)準(zhǔn)微控制器或DSP，開發(fā)出了高級(jí)的專用軟件。這是非常自然的事情，他們希望復(fù)用或者改善已有的資源。

上述的智能集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片是為下類用戶設(shè)計(jì)的。應(yīng)用中只需微控制器提供一個(gè)下一步微步進(jìn)指令作為輸入，并提供電機(jī)繞組所需的PWM信號(hào)。BOM清單大大地減少了，微控制器的載荷也減到了最小，甚至利用一個(gè)微控制器都可以控制多個(gè)電機(jī)。

采用一片上述的集成驅(qū)動(dòng)器可以根據(jù)具體需要，使主控制器功能變得非常簡(jiǎn)單或非常復(fù)雜。驅(qū)動(dòng)器可以直接實(shí)現(xiàn)微步進(jìn)，減小了噪音和因諧振產(chǎn)生的步進(jìn)損耗，同時(shí)改進(jìn)了低速時(shí)的力矩。由于集成了電流轉(zhuǎn)換表并整合了一個(gè)用于可靠的電流控制的專用PWM算法，進(jìn)而使處理負(fù)荷從主控制器上進(jìn)一步卸載。

通過I/O和一個(gè)簡(jiǎn)單的SPI連接，可以對(duì)許多參數(shù)進(jìn)行控制，包括電流幅度，步進(jìn)模式，PWM頻率，EMC斜率控制，以及睡眠模式。該驅(qū)動(dòng)器還可以用來為控制器提供(也是通過SPI)所需要的有關(guān)速度、位置、繞組電流以及像開路、短路或過熱這類的故障診斷相關(guān)的所有信息。但就像已經(jīng)看到的一樣，進(jìn)一步集成是可能的。例如在AMIS-30624中，集成了智能驅(qū)動(dòng)器的所有功能，其中還加入了一個(gè)可編程的狀態(tài)機(jī)，該狀態(tài)機(jī)將目標(biāo)位置轉(zhuǎn)換成按規(guī)定的加速度，速度或減速到達(dá)某位置所需的(微)步進(jìn)序列。目標(biāo)位置和其他高級(jí)信息有遠(yuǎn)程主機(jī)下達(dá)，通過I2C或LIN.這類的總線接口進(jìn)行通信。這樣的架構(gòu)由一個(gè)特殊的優(yōu)點(diǎn)，即能夠很好地按比例調(diào)節(jié)多個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng)：硬件和軟件可以按模塊方式擴(kuò)展，而總線通信本來就可以升級(jí)。

為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，利用集成控制器能夠大大簡(jiǎn)化電機(jī)控制算法的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，這通常歸功于運(yùn)行了一個(gè)返回所需參數(shù)設(shè)置的描述算法。

上面研究了如何按照一個(gè)定義的序列來不失步地驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通常由用來確定所需電機(jī)電流的系統(tǒng)要求來確定力矩和速度。下一步就需要考慮電機(jī)的動(dòng)態(tài)問題。其中最值得注意的是諧振頻率或需要禁止的頻率。在加速和減速過程中都必須盡快地穿越該頻率。在AMIS-30624中，允許將速度配置為“最低”和“正常”速度，還可以配置加速和減速時(shí)間，從而使電機(jī)實(shí)現(xiàn)正確的運(yùn)動(dòng)軌跡。所有相關(guān)的參數(shù)一旦被計(jì)算出來，就會(huì)通過I2C總線發(fā)送到器件。這些參數(shù)可以被反復(fù)迭代訓(xùn)練，以證明其可靠性，最后在作為操作數(shù)據(jù)燒寫到非易失性存儲(chǔ)器(NVM)中。

除了減少BOM清單并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)外，用于步進(jìn)電機(jī)的ASSP方案還能夠?qū)崿F(xiàn)比較復(fù)雜的控制策略和更貼合應(yīng)用需求的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是無傳感延遲檢測(cè)和動(dòng)態(tài)力矩調(diào)節(jié)。

步進(jìn)電機(jī)通常用在開環(huán)系統(tǒng)中。盡管根據(jù)定義可以說這類系統(tǒng)既簡(jiǎn)單又穩(wěn)定，但它有一個(gè)缺點(diǎn)，就是缺乏絕對(duì)位置反饋。如果電機(jī)被鎖住了，這將是危險(xiǎn)的，因?yàn)轵?qū)動(dòng)器/定位器認(rèn)為電機(jī)還在運(yùn)轉(zhuǎn)，因此將繼續(xù)驅(qū)動(dòng)繞組。這將產(chǎn)生噪聲，更重要的是，這將切斷了電機(jī)的實(shí)際位置和定位器中所存信息之間的關(guān)聯(lián)。

不過，AMIS 30522和AMIS-30624這類器件通過回傳電機(jī)繞組通過電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)時(shí)所產(chǎn)生的EMF(BEMF)信號(hào)，可以檢測(cè)電機(jī)的死鎖。BEMF的檢測(cè)原理是，就像磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體將會(huì)受到一個(gè)作用力(引起導(dǎo)體運(yùn)動(dòng))，這樣的導(dǎo)體通過一個(gè)磁場(chǎng)時(shí)將有產(chǎn)生一個(gè)EMF抗力。EMF力的大小與電機(jī)的速度呈線性關(guān)系。最為重要的依據(jù)是，當(dāng)電機(jī)鎖住時(shí)，該值將為零。

與絕大多數(shù)特征和功能的實(shí)現(xiàn)一樣，具體的實(shí)現(xiàn)取決于所選的驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)。當(dāng)選用像AMIS-30522這樣的智能驅(qū)動(dòng)器時(shí)，可以從一個(gè)外部引腳上得到BEMF電壓，然后將其送回微控制器。而集成度最高的器件，像AMIS-30624，在內(nèi)部嵌有檢測(cè)電路，只需通過一個(gè)簡(jiǎn)單的I2C指令來設(shè)定檢測(cè)門限電平。

該BEMF還可以用來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)力矩調(diào)節(jié)，這樣潛在地意味著可以減小電機(jī)的體積和成本，還改進(jìn)了能量效率。

BENF是電機(jī)速度的時(shí)變函數(shù)。繞組中BEMF電壓和電流的相位差受電機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載大小的影響：負(fù)載增加時(shí)，相位差也增大。因此，如果總在相同的時(shí)間采樣的話，采出來的BEMF電平將隨著負(fù)載的增加而減小，這種現(xiàn)象就是眾所周知的負(fù)載角(功角)。

在AMIS-30522上，可以從一個(gè)外部引腳上觀察負(fù)載角的變化。增加機(jī)械負(fù)載時(shí)-反映出來的是電壓降低-可以通過選擇一個(gè)大電流來補(bǔ)償，最終使電機(jī)的力矩增加。這樣的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)意味著設(shè)計(jì)師不再需要在一開始時(shí)就根據(jù)所預(yù)期的峰值負(fù)載來考慮系統(tǒng)在“最壞情況”下應(yīng)具備的馬力。而是可以選用小一些的，因而也比較便宜的電機(jī)。

集成電機(jī)控制ASSP減輕了步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)-強(qiáng)化了目前的趨勢(shì)，即利用這樣的電機(jī)來執(zhí)行日益增多的各種不同應(yīng)用。除了減少了BOM清單，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，縮短了上市時(shí)間，還使得工程師可以將主要精力放在增值設(shè)計(jì)上，而不是放在如何實(shí)現(xiàn)低級(jí)的控制上，另外，還可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的控制策略，同時(shí)還豐富了功能集。

作者：Guido Remmerie 工業(yè)產(chǎn)品經(jīng)理
Peter Cox 工程市場(chǎng)經(jīng)理
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