用于工业运动控制的ASSP技术

作者：Guido Remmerie    来源：设计创新

欢迎访问e展厅 展厅 4 伺服与运动控制展厅 电机驱动器, 伺服电机, 伺服控制系统, 数控系统, ... 对于很多工业应用，从简单的X-Y工作台到复杂的机器人技术以及安全实施，高效的运动控制都非常关键。多年以来，这些功能中设计驱动和控制电路的方式基本未变。硬件架构一般包括一个标准的微控制器或DSP、提供解码器输入和电机输出的定制逻辑电路、一组模数和数模转换器（ADC和DAC）、以及用于驱动转子和定子电流的模拟电路（对于步进电机，一般是一个H桥FET布局）。 这份很长的集成电路和分离器件清单无疑很全面：此类系统经常需要一个网络接口（例如RS-485或CAN）协调运动与其它系统动作。并且，这种系统还需要外部存储器来设置和存储各种参数。它还带来沉重的软件开销：这包括从生成所需驱动波形的低层代码到故障诊断等较高层控制与监视功能的各种开销。 最近，电机和控制器制造商们已开始生产更多集成标准产品。使用PCB或混合互联技术，所有必需的分离式元件都被组合在一起：整个主板（或模块）或者是单独提供，或者与电机集成到一起销售。 虽然这种次组装在高电流（几安培）、多相步进电机应用中有其价值，但它们仍要求相当高的编程知识，并且不适用于空间和成本构成重要问题的应用，尤其是电流要求比较低的情况。 单芯片解决方案 因此，半导体供应商已将目光转向开发单芯片解决方案，以期取代大部分（有些情况下是全部）电机驱动电路。这些器件的生产一直非常有挑战性，因为它们将数字逻辑电路、高压开关和模拟功能结合在了一起。只有用成熟、经过验证的混合信号处理工艺（比如AMIS I2T、I3T和C5x）的制造商，才有望成功生产这种集成电路。 这些亚微型工艺能在同一衬底上将高压操作、很大的电源范围、数字逻辑电路和精密模拟电路结合起来。正是这种集成能力，让AMIS得以推出业内首个带有LIN接口的单芯片微步进电机驱动器，这也是AMIS-3062x系列特定应用标准产品(ASSP)的一部分。由于使用高级混合信号工艺，才能将总线连接、位置控制、控制电路和电机驱动器集成于单一封装，使这些器件位于技术的前沿成为可能。 作为最新技术的一个范例，图1提供了AMIS-30623的框图。这个集成电路的核心是一个数字运动控制器和一个H桥布局的50mA至800mA双极两相步进电机驱动器。这种驱动器提供微步进操作，因此不再需要在速度、噪声和共振导致的失步之间进行权衡。运动控制器提供可编程峰值电流，采用20kHz PWM电流控制方案。它还集成了系统通讯接口，有LIN或I2C接口可供选择。 这些设备的一个主要优点就是，所有针对应用的运动控制功能都是在厂内进行预编程的。反之，这也明显减少了工程师要求的编码工作。实际上，对于选择这种设备的设计人员而言，首要标准往往是易于使用和编程。因此，开发与评估工具和硬件同等重要。AMIS EVK-3062x（图2）等评估工具包内包含了通过USB和LIN或I2C将控制器连接到个人电脑所需的全部工具。该工具包能够实现对这一系列四种设备中任何一种基于GUI或脚本的控制。 开发阶段的灵活性是缩短开发时间的关键。出于同一原因，设计人员在选择运动控制器时非常重视众多的存储器选件。特别是设备的闪存版本，它允许在开发应用及之后测试和调试软件时进行再编程。这显著加快了设计更迭的速度。 接口选件 从系统设计角度来说，通信接口选件也很关键，常见的两种是LIN和I2C。LIN特别适于实现总线型架构。在包括汽车工业在内的远程或分布式应用中，这种架构可以减少布线和改善EMC性能。配有I2C的设备更适合在独立PCB上与本地微处理器一起用作外围设备。 设计师认为最合适的接口，将被用于将高水平位置的指令传递到电机控制芯片，该芯片是主驱动器或控制器的有力部件。在发送指令之外，主驱动器或控制器能向设备询问状态信息，比如实际位置和错误标记：接口还能用于设定运动控制参数，比如微步进分辨率、运行电流、保持电流、加速度和减速度，这些通常更多的是保留在一次性可编程存储器中。 传感器或无传感器 选定一个接口之后，设计师的下一个任务就是在基于传感器和无传感器控制环路策略之间做出选择。后者在定子线圈中使用了反电势（或电流），以推断出转子位置，结果是产生了一个只有很少外部元件容噪的系统。基于传感器的反馈增加了一个外部传感器元件，也造就了高质量闭路控制。它提供了一个全天候转子位置的绝对测量方法，这对于时间关键和高动态的应用会很重要，不过增加的传感器提高了系统的复杂性和成本。 许多基于步进电机的位置控制器不需要转子测量位置的连续反馈。这种“开路”运行依赖正确的设计，只要求检测“运行结束”位置和阻止转子运动的事件。一般而言，正常运行可通过统计方法得到验证，方法是在转子处于给定位置时闭合／打开一个简易开关。AMIS-3062x系列提供与嵌入位置控制器同步的开关输入，因此也适用这种方法。另外，该系列还能够实现完全无传感器的运动控制。集成式无传感器停转检测功能可以防止失步，还能够在电机出现机械障碍时停止电机。它的使用非常简单，只需预编程参数即可实现。它还允许在接近系统机械终点止动位时执行半闭路运行。对于AMIS-3062x，无传感器停转检测不需要额外编程，能保证快速、经济而且可靠的实施。 微步进 工业工程师应该熟知微步进电机概念，一般大多数集成控制器都为设计师提供了分辨率选择：对于AMIS-3062x系列，就有1/2、1/4、1/8和1/16步进操作可用。微步进以更低的频率产生更平稳的运动和更高效的操作，使系统更能免于受共振效果影响，因为它消除了全或半步进系统所产生的大型不连贯波形。总体效果就是更低的机械和电机震动及噪音。 当然，利用微步进优势的能力取决于控制器将驱动电流调整至更高精密度的能力，不管是在振幅还是时序方面。H桥内的两种驱动电流的比率能够确定电机位置，而扭矩则由振幅控制。这种控制对准确度的需求与此应用中要求的最大驱动电流一样是重要的设计参数。 几项设备规格一起影响了这些参数：比如，PWM频率的合适选择（在一般的AMIS-3 026x中为20kHz），而振荡器的频率和精密度也就由此得出了（4MHz、±10%）。但驱动器的瞬变开关时间也很重要：AMIS-3026x针对这些数量分别规定了350ns和250ns的规格。该设备还包括作为精密度参考的片内平衡电压源。最后，被选中的运动控制器必须能够提供所需的高端驱动电流：AMIS设备为此提供了一个集成的250kHz电荷泵。 尺寸和功率 确认了拥有所需性能的设备后，设计人员还必须记住在许多应用中都必须考虑的两个因素：尺寸和功耗。汽车、工业设备和楼宇自动化等应用经常需要将运动控制器直接安装在电机上，要求使用有结实包装的小型组件。采用Micro Leadframe (MLF)包装的设备现已上市，它们是此类应用的理想之选。这种“近芯片尺度”NQFP包装的横断面不足1mm，占用面积仅为7mm×7mm。这种新设备的另一个优点是，通过采用裸露下垫板设计，热阻得到显著改善，这有助于更有效地从集成电路向安装基体散热。同样重要的是设备的集成度：例如，大多数控制器芯片都将至少包含功率应用中通常所需的一些保护功能。这些功能包括过电流、欠压与过压、高温与低温警告和管理。一般而言，这些不是“额外功能”：有一些必需的系统零件，一旦没有装进控制器，就需要额外的元件以实现其功能。 同时功耗是一个需要从两方面看待的问题。主要用于H桥FET内的主动散热不仅浪费能源而且还会导致工作温度升高：而这反过来又会导致需要使用额外的冷却组件，并且还会影响长期可靠性。另一方面，在汽车等应用中，睡眠模式功耗是一个比较特殊的问题，因为设备将在关机模式耗用大量时间，等待中断或按键。关机供电电流一般为50礎的设备（如AMIS-3026x）特别适合此类应用。 未来前景 今天，单芯片电机控制器正迅速地从基于分离式设备的解决方案中抢夺市场份额。虽然一些应用仍然要求采用子系统方法，ASSP产品正在逐渐兴起。AMIS预计未来发展集中在两个关键领域。第一是将驱动电流提高至2.5A以上，但同时，设计人员也期望更高的集成水平和更小的整体系统尺寸。 第二，将来的设备能够提供更大的灵活性。这不但能在单一应用中提升可取得的功能范围，也能在多个项目中部署同样的硬件，减轻设计人员的学习负担。 对所有这些时下和将来发展起关键作用的，是将在不同电压下工作的混合信号电路、特殊应用软件和易于使用的开发工具集成在一起的能力。随着像AMIS这样的公司不断扩大这些技术的应用范围，模拟世界和数字世界越来越接近，这将为设计人员解决当今现实世界中的问题带来切实的好处。 作者简介：Guido Remmerie, AMI Semiconductor公司工业产品部门经理(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/8/2007)