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从微控制器到执行器——电机驱动器应用的集成方案

导读: 目前,步进电机出现在很多应用场合,也将继续被追求高精度定位的设计人员所选择。与此同时,其高能效、高性能及逐渐缩小的尺寸等特性,使其对从剂量泵到执行器、阀及监控相机等设备的吸引力日增。

  目前,步进电机出现在很多应用场合,也将继续被追求高精度定位的设计人员所选择。与此同时,其高能效、高性能及逐渐缩小的尺寸等特性,使其对从剂量泵到执行器、阀及监控相机等设备的吸引力日增。业界还探寻到更多的应用空间,如汽车前照灯及舞台照明定位等动态应用,而且它们的增强型加速能力,也将在贴片机、缝纫机等制造设备中发挥作用。

 

  控制策略

 

  虽然大多数步进电机被用于开环模式,但现代的许多设计却使用闭环控制技术。后者的优势在于,维持转子真实位置与根据电气驱动信号得到的预计位置之间的关联,从而在保持精度的同时允许更快速的转动。

  传统上,闭环系统一直使用传感器或编码器就转子位置向驱动器电路提供反馈信息,从而产生实际位置与预计(“电气”)位置之间的关联。这样的反馈不仅能更好地控制驱动电流以产生所需的加速度及转矩,还能够提供失速检测能力,从而消除失步。

  在实现基于传感器的控制时,最常见的方法是使用霍尔传感器,尽管也会有其他选择,如在转子轴上贴装光学编码及电位计等。最近,无传感器的闭环设计已经面世。这些设计感测实际驱动电流及转子运动产生的反电动势,来计算转子的机械位置。

 

  ASSP帮助实现步进电机控制

 

  随着控制算法及驱动电路的演变,器件制造商不断开发日益复杂的芯片来应对电机设计所遇到的诸多繁杂工作。例如安森美半导体AMIS-305xx系列等ASSP产品就集成了转换器,将连续的步长转换为所需的线圈电流(可通过查找表或其他方式)。该系列还集成了采用H桥配置的驱动器晶体管、flyback二极管、经PWM的片上稳流,以及多种保护电路。

  这样做的最终结果,是单颗芯片就能够直接驱动步进电机。此类芯片通过如SPI总线等逻辑型接口接收到高层“下一步”位置指令,从而进行启动。它们还完整实现了微步(micro-stepping),不仅大幅提高精度,还在低速率时提升转矩,降低可听噪声,并消除步损(step loss)。

  此类ASSP分为两个宽泛的类别,典型代表是AMIS-305xx和AMIS-306xx系列。后者更进一步提供完全集成的解决方案,通过I2C或LIN接口接收高层指令。控制算法以状态机的形式集成在IC内,设计人员只需简单提供输入,“告知”AMIS-306xx使用期望的微步大小按规定的加速度和最大速度将电机转动至某特定位置。

  这样的方案非常适合于定位监控相机等应用。工程师需要尽快构建施工设计。设计人员不必担心运动算法中的动力学设计,因为这些已嵌入在ASSP中。他们只需设计电机的总体运动,而相关IC可以实现如无传感器失速检测等先进特性,从而更进一步简化设计人员工作。

 

  多芯片方法带来的优势

 

  虽然类似AMIS-305xx这样的器件牺牲了如AMIS-306xx等turnkey方案中的一些特性及上市时间优势,但是设计人员却能够更加精细地控制系统的动态行为。使用此类智能驱动器的设计人员采用更加传统的控制电路架构,用MCU或DSP运行控制软件并产生“下一(微)步”脉冲。

  这个脉冲信号充当驱动器IC本身的输入。可以使用一个额外的SPI接口来规定电流幅值、步进模式、PWM频率等参数。反过来,该智能驱动器通常会反向提供状态标记、开路及短路警示等信息给控制器。

  为了削减基于传感器方案的BOM成本及设计复杂度,该驱动器通常也会提供足够的反馈来实现闭环控制,从而也减少了外部传感器电路的复杂性及BOM成本。AMIS-306xx系列器件中,该反馈限制在运转良好的失速检测信号,从内部向集成状态机提供。但在AMIS-305xx系列中,反馈通过速度及负载角(SLA)输出引脚外部提供。这就让设计人员能够直接获得电机线圈通过转子磁极时线圈中感应的反电动势的测量方法。

  从外部获得反电动势的测量方法为设计人员改进电机设计提供了各种可能性。因为允许设计人员获悉转子位置及速度,当然也允许MCU在转子电气位置与预计位置之间进行比较。

  最为简单的应用是实现失速检测。然而,也可以动态监测反电动势,产生实际位置与预计位置之间的实时比较。因此,其能够让电路“获悉”什么时候可能会面临失步并采取措施。此外,实际位置与预计位置之差也为电机所用转矩提供了指示。

  实际上,随着电机上的机械负载增加,反电动势与电机线圈电流之间的相位差也随之增加——这就是所谓的负载角。如果转子上的机械负载增加,同步采样反电动势会产生连续减小的结果。这就提供了实现复杂转矩控制算法的可能性。

 

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