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伺服与运动控制 |
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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 |
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作者：安森美半导体 Guido Remmerie |
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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。
诊断窗口
或许最重要的是：这种现象在驱动器、电机和所用负载完整合并的运作中提供了一个诊断“窗口”。这对设计人员来说意义深远，从选择恰当的电机，自始至终将简化贯穿设计实现，再到最终达到高质量及精密性。
对于设计人员而言，反电动势测量的第一个应用可能是电机的自身选择，因为能够使用改良的控制策略来拓宽电机的工作限制。电机通常采用转矩与速率曲线对比进行表征，该曲线会给出一个上限速度，超过了它电机就不能使用。然而，运行电机行为的特性并通过查看SLA输出推断出电机提供的转矩，可能会展示出更加微妙的局面。
一般情况下，电机会指定用于整步(full-step)模式。随着速度增加，当到达某个点时，电机转矩会急剧下降。这通常就是截止(cut-off)点，电机制造商建议用户使用其产品时不要高于该速度。然而，如果电机采用相同的速度但使用了微步模式，转矩下降可能压根就不是一个大问题。随着速度进一步增加，整步转矩返回到了在较低频率下就可获得的数值并不稀奇。速率与转矩曲线的对比，看上去更像是“notch”函数，而非“低通”函数(见图1)。通常notch是由振荡引起的。
图1
在电机上运行正特性允许设计人员实现这样的控制算法：在极低和极高速度下使用整步模式，并在测量到速度值处于中间范围(较窄)时切换至微步模式。这样的操作不仅对设计系统级方案的终端用户有用，还使智能电机(带内置驱动器电路)制造商能够充分扩展其产品的特定范围。就安森美半导体而言，我们已经发现这些改进能将电机的有效速度范围扩充多达2或3倍。
通过智能驱动器SLA引脚测量反电动势也能够用于终端系统行为的确定，使设计人员能够避免电机在禁止的共振特征频率时工作。这些频率是整个电机-驱动器-负载系统的特性，因此无法轻易在数据表中看到。然而，监控SLA引脚时还是能够轻易发现这些特性，因为它们会在振动时显现(见图2)。
图2: 监控SLA引脚时发现的共振特征频率
这个问题通常利用尽可能快的特征频率来加速电机得以解决，这样做消除了振动危险。拥有现成的揭示系统危险速率范围的诊断方法，能够让设计人员快速简便地精确找出问题，并因此大幅缩短上市时间。某些情况下，新驱动器件的诊断能力使设计团队可完成以前难以解决的项目。
动态转矩控制
内置诊断还意味，系统设计能够使电机提供的转矩适应瞬时需求。这在控制器确定可能即将出现步损的情况下很有用：它通过提供更大转矩进行响应。但内置诊断更强大的地方，或许是能够实现“自动速度”功能。
在这种情况下，MCU要求智能驱动器电路“以可能的最大速度”将电机带至期望位置。然后在这个动作期间，使用反电动势反馈机制确定是否及何时采取“下一步”动作。
这种方法有双重优势。执行指定动作所需的功率减半，而动作发生所采用的时间亦减半。这两个结果有关联：电机准确传递适量的瞬时转矩来尽可能快地转动转子，而且该事实也表明系统充分利用了提供给它的能量。
这类优势对使用步进电机的应用极具吸引力，这些应用通常高度动态化，但不涉及连续的动作。如贴片设备这样的产品需要能够精确完成突发动作，速度要尽可能地快，而且之后转向“下一个”设定点要同样地快。而且，尽管在大功率应用中这些并不常见，所以节能并不具有固有优势，但是，减小功率要求的确带来冲击效应：有可能将电机的功率提供量化在更接近于系统额定行为而非其峰值功耗的水平。这通常表示能够使用70牛米(Nm)的电机而非100 Nm的电机。
总结
在快速、精确及动态的动作控制应用中，步进电机是越来越普及的另一选择。随着电机技术的发展，智能驱动器/控制器ASSP也涌现出来，且能够高效地驱动这些电机。当今的器件为设计人员提供了以总线控制而工作的整体IC的选择，也提供了更加灵活的方案，开创空间实践创新特性，并为这技术寻获新的应用。
这些ASSP除了提供基于参数的控制架构，还能提供系统性能“诊断窗口”，让工程师能够快速简易地实现复杂的电机系统，并解决其中的问题。设计团队凭借先进的特征能力，能够解决复杂的问题，加快产品上市 ，并提供高产品质量。
为持续创新，设计人员会继续要求整体IC与多芯片方案组合，让他们能够在有需要时解决新应用中的复杂问题快，速及高性价比地实施。可以确定的是，步进电机及复杂“机电设备”的应用范围将不断扩展。
作者： Guido Remmerie，运动控制及能源管理产品总监
Peter Cox，产品应用经理
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(9/7/2009) |
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