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燈光控制等各種應(yīng)用中,都選用步進電機作為動態(tài)置位解決方案。步進電機之所以能夠進入主流應(yīng)用,得益于其性能好、體積小以及成本低。
隨著電機及其應(yīng)用的演進,需要用來驅(qū)動電機的驅(qū)動電路也在得到不斷的演進。特別是,汽車電子設(shè)計師實現(xiàn)了分布式的處理策略,其中,他們向電機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/驅(qū)動組合更類似于一個機電分系統(tǒng),而不再僅僅是一個簡單的執(zhí)行器。
如今,設(shè)計師在構(gòu)建一個步進電機驅(qū)動電路的架構(gòu)時有3個基本選擇。傳統(tǒng)的方案是采用一個通用的微處理器或DSP,配之于模擬驅(qū)動電路和基于傳感器的反饋回路。但是,日益增加的成本、上市時間和復雜度等方面的壓力,使得工程師正在轉(zhuǎn)入使用專為電機控制設(shè)計的應(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)計中的典型的設(shè)計約束和需求,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PWM信號來驅(qū)動電機繞組。模擬電路對該信號進行放大來驅(qū)動功率級,而功率級則驅(qū)動電機繞組。
為了計算出正確的PWM輸出,微控制器需要從外部獲取所需的大量信息。特別是,它需要對電機定位進行反饋。該功能通常由一個霍爾傳感器來實現(xiàn),該傳感器不僅提供定位信息,還傳感電機轉(zhuǎn)子的停頓和死鎖(阻塞)。在非常簡單的情況下,可以使用一個簡單的端環(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位置編碼,或者是使用一個安裝在電機軸上的阻性電位器。
除了定位數(shù)據(jù)外,控制器還需要有關(guān)電機電流方面的信息。這一信息是經(jīng)過一個與電機驅(qū)動器相串聯(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或兩個器件中,在處理過程中用的是無傳感控制方案。像AMIS-30624(圖1)這類的控制器/驅(qū)動器一體的解決方案,提供了最高的集成度,它將控制器、速度、位置電流、故障診斷和功率級全部集成到一個芯片中。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,而將內(nèi)核控制器保留在一個像AMIS-30522(圖2)這樣的智能驅(qū)動器芯片上。
圖1:集控制器和驅(qū)動器于一體的解決方案。
圖2:將內(nèi)核控制器保留在AMIS-3052這類的智能驅(qū)動器芯片上。
采用這種雙芯片方案的動機是兩方面的。其一是,某些應(yīng)用需要比單芯片所能提供的更大的驅(qū)動電流。不過更多的情況是,設(shè)計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的價值。他們或許已經(jīng)利用更喜歡使用的標準微控制器或DSP,開發(fā)出了高級的專用軟件。這是非常自然的事情,他們希望復用或者改善已有的資源。
上述的智能集成電機驅(qū)動芯片是為下類用戶設(shè)計的。應(yīng)用中只需微控制器提供一個下一步微步進指令作為輸入,并提供電機繞組所需的PWM信號。BOM清單大大地減少了,微控制器的載荷也減到了最小,甚至利用一個微控制器都可以控制多個電機。
采用一片上述的集成驅(qū)動器可以根據(jù)具體需要,使主控制器功能變得非常簡單或非常復雜。驅(qū)動器可以直接實現(xiàn)微步進,減小了噪音和因諧振產(chǎn)生的步進損耗,同時改進了低速時的力矩。由于集成了電流轉(zhuǎn)換表并整合了一個用于可靠的電流控制的專用PWM算法,進而使處理負荷從主控制器上進一步卸載。
通過I/O和一個簡單的SPI連接,可以對許多參數(shù)進行控制,包括電流幅度,步進模式,PWM頻率,EMC斜率控制,以及睡眠模式。該驅(qū)動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,進一步集成是可能的。例如在AMIS-30624中,集成了智能驅(qū)動器的所有功能,其中還加入了一個可編程的狀態(tài)機,該狀態(tài)機將目標位置轉(zhuǎn)換成按規(guī)定的加速度,速度或減速到達某位置所需的(微)步進序列。目標位置和其他高級信息有遠程主機下達,通過I2C或LIN.這類的總線接口進行通信。這樣的架構(gòu)由一個特殊的優(yōu)點,即能夠很好地按比例調(diào)節(jié)多個軸向的運動:硬件和軟件可以按模塊方式擴展,而總線通信本來就可以升級。
為了進一步簡化硬件設(shè)計,利用集成控制器能夠大大簡化電機控制算法的開發(fā)和實現(xiàn)。實際上,這通常歸功于運行了一個返回所需參數(shù)設(shè)置的描述算法。
上面研究了如何按照一個定義的序列來不失步地驅(qū)動電機,通常由用來確定所需電機電流的系統(tǒng)要求來確定力矩和速度。下一步就需要考慮電機的動態(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間,從而使電機實現(xiàn)正確的運動軌跡。所有相關(guān)的參數(shù)一旦被計算出來,就會通過I2C總線發(fā)送到器件。這些參數(shù)可以被反復迭代訓練,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器(NVM)中。
除了減少BOM清單并簡化設(shè)計外,用于步進電機的ASSP方案還能夠?qū)崿F(xiàn)比較復雜的控制策略和更貼合應(yīng)用需求的設(shè)計。實現(xiàn)這一目標的兩項關(guān)鍵技術(shù)就是無傳感延遲檢測和動態(tài)力矩調(diào)節(jié)。
步進電機通常用在開環(huán)系統(tǒng)中。盡管根據(jù)定義可以說這類系統(tǒng)既簡單又穩(wěn)定,但它有一個缺點,就是缺乏絕對位置反饋。如果電機被鎖住了,這將是危險的,因為驅(qū)動器/定位器認為電機還在運轉(zhuǎn),因此將繼續(xù)驅(qū)動繞組。這將產(chǎn)生噪聲,更重要的是,這將切斷了電機的實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繞組通過電機內(nèi)的磁場時所產(chǎn)生的EMF(BEMF)信號,可以檢測電機的死鎖。BEMF的檢測原理是,就像磁場中的載流導體將會受到一個作用力(引起導體運動),這樣的導體通過一個磁場時將有產(chǎn)生一個EMF抗力。EMF力的大小與電機的速度呈線性關(guān)系。最為重要的依據(jù)是,當電機鎖住時,該值將為零。
與絕大多數(shù)特征和功能的實現(xiàn)一樣,具體的實現(xiàn)取決于所選的驅(qū)動器架構(gòu)。當選用像AMIS-30522這樣的智能驅(qū)動器時,可以從一個外部引腳上得到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)部嵌有檢測電路,只需通過一個簡單的I2C指令來設(shè)定檢測門限電平。
該BEMF還可以用來實現(xiàn)動態(tài)力矩調(diào)節(jié),這樣潛在地意味著可以減小電機的體積和成本,還改進了能量效率。
BENF是電機速度的時變函數(shù)。繞組中BEMF電壓和電流的相位差受電機軸上的機械負載大小的影響:負載增加時,相位差也增大。因此,如果總在相同的時間采樣的話,采出來的BEMF電平將隨著負載的增加而減小,這種現(xiàn)象就是眾所周知的負載角(功角)。
在AMIS-30522上,可以從一個外部引腳上觀察負載角的變化。增加機械負載時-反映出來的是電壓降低-可以通過選擇一個大電流來補償,最終使電機的力矩增加。這樣的動態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)意味著設(shè)計師不再需要在一開始時就根據(jù)所預期的峰值負載來考慮系統(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。
集成電機控制ASSP減輕了步進電機系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)-強化了目前的趨勢,即利用這樣的電機來執(zhí)行日益增多的各種不同應(yīng)用。除了減少了BOM清單,簡化了設(shè)計,縮短了上市時間,還使得工程師可以將主要精力放在增值設(shè)計上,而不是放在如何實現(xiàn)低級的控制上,另外,還可以實現(xiàn)更復雜的控制策略,同時還豐富了功能集。
作者:Guido Remmerie
工業(yè)產(chǎn)品經(jīng)理
Peter Cox
工程市場經(jīng)理
AMI半導體
