如何針對工業(yè)應用改造螺線(xiàn)管和步進(jìn)電機驅動(dòng)器

作者：Bill Schweber

工廠(chǎng)車(chē)間控制系統、汽車(chē)和實(shí)驗室設備等邊緣設備應用越來(lái)越多地利用物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和人工智能 (AI) 功能，以實(shí)現低延遲決策、更強性能、更低成本以及更高的安全性和生產(chǎn)力。螺線(xiàn)管和步進(jìn)電機的驅動(dòng)器需要與時(shí)俱進(jìn)，加入更多板載傳感和智能功能，以便集成到快速發(fā)展的新環(huán)境中，進(jìn)一步改善精度、可靠性、閉環(huán)控制、成本、占地面積以及易用性。

本文總結了螺線(xiàn)管和步進(jìn)電機的基本操作，并概述了專(zhuān)為智能邊緣應用設計的驅動(dòng)器 IC 的優(yōu)勢。然后，文中介紹并解釋了如何使用 [Analog Devices]的示例驅動(dòng)器開(kāi)始設計。

螺線(xiàn)管和步進(jìn)電機：相似而又不同

螺線(xiàn)管和步進(jìn)電機通過(guò)充當電磁體的繞接線(xiàn)圈將電流轉換為物理運動(dòng)。盡管二者在外觀(guān)和功能上存在差異，但線(xiàn)圈的共性使得在某些情況下，兩種致動(dòng)器可以使用相同的驅動(dòng)器 IC。

螺線(xiàn)管是一種相對簡(jiǎn)單的元器件，可通過(guò)施加電流產(chǎn)生線(xiàn)性機械運動(dòng)。此類(lèi)元器件中有電氣線(xiàn)圈繞在圓柱形管上，而空芯位置有一個(gè)鐵磁致動(dòng)器（也稱(chēng)為柱塞或電樞），可在線(xiàn)圈內部自由移動(dòng)（圖 1，左）。

相比之下，步進(jìn)電機則用到多個(gè)定子線(xiàn)圈，這些線(xiàn)圈圍繞電機機身呈圓周排列（圖 1，右）。電機轉子上還裝有一組永磁體。

圖 1：螺線(xiàn)管的結構包括帶內部滑動(dòng)柱塞的繞接線(xiàn)圈（左圖）；步進(jìn)電機則更為復雜，轉子上有永磁體，定子上有電磁線(xiàn)圈（右圖）。（圖片來(lái)源：Analog Devices、Monolithic Power Systems）

對于螺線(xiàn)管，柱塞的運動(dòng)源自施加電流時(shí)發(fā)生的單次“沖撞”，這會(huì )將柱塞撞擊到極限位置。斷電后，大多數螺線(xiàn)管會(huì )利用彈簧將柱塞恢復到所謂的靜止位置。

在最基本的驅動(dòng)方案中，螺線(xiàn)管由清晰的開(kāi)/關(guān)電流脈沖控制。雖然這種方法簡(jiǎn)單直接，不過(guò)缺點(diǎn)頗多，包括沖擊力大、振動(dòng)大、聲學(xué)噪音和電氣噪音大、電氣效率低，而且幾乎無(wú)法控制柱塞的動(dòng)作或返回。

隨著(zhù)定子線(xiàn)圈依次通電，由此產(chǎn)生的旋轉磁場(chǎng)拉動(dòng)電樞磁鐵，使步進(jìn)電機開(kāi)始旋轉。通過(guò)控制時(shí)序，步進(jìn)電機的轉子可以連續旋轉、停止，或者反向旋轉。

與不需要考慮定時(shí)問(wèn)題的螺線(xiàn)管不同，定子線(xiàn)圈必須按順序依次通電，并滿(mǎn)足正確的脈沖寬度等特性要求。

智能驅動(dòng)器突破限制，提升性能

通過(guò)謹慎控制驅動(dòng)螺線(xiàn)管和步進(jìn)電機線(xiàn)圈的電流，包括波形輪廓形狀、上下斜率和其他參數，智能驅動(dòng)器可帶來(lái)諸多優(yōu)勢，包括：

• 增強運動(dòng)和旋轉的平穩性，盡量減少顫動(dòng)
• 減少振動(dòng)和沖擊，尤其是對于螺線(xiàn)管
• 步進(jìn)電機啟動(dòng)/停止/反向運動(dòng)的定位更加精確
• 性能穩定，可適應瞬態(tài)或多變的負載條件
• 提高效率
• 減少物理磨損
• 產(chǎn)生的聲學(xué)噪音和電氣噪音更少
• 易于與監控處理器連接，這對于物聯(lián)網(wǎng)設施至關(guān)重要

Analog Devices 的 [MAX22200] 是一款集成式串行控制螺線(xiàn)管和電機驅動(dòng)器，展示了精密驅動(dòng)器對于螺線(xiàn)管的意義（圖 2）。這款 36 V IC 中的 8 個(gè) 1 A 半橋驅動(dòng)器可以并聯(lián)，將驅動(dòng)電流提升一倍，也可配置為全橋，以驅動(dòng)多達 4 個(gè)閉鎖閥（也稱(chēng)為雙穩態(tài)閥）。

圖 2：Analog Devices MAX22200 是一款集成式串行控制螺線(xiàn)管和電機驅動(dòng)器，具有八個(gè)可按不同配置排列的半橋驅動(dòng)器。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

該驅動(dòng)器支持兩種控制方法：電壓驅動(dòng)調節 (VDR) 和電流驅動(dòng)調節 (CDR)。使用 VDR 時(shí)，器件輸出脈寬調制 (PWM) 電壓，其占空比可通過(guò) SPI 接口編程。對于給定電源電壓和螺線(xiàn)管電阻，輸出電流與編程的占空比成正比。CDR 屬于閉環(huán)控制形式，由集成式無(wú)損電流感應電路感測電流，并與內部可編程基準電流進(jìn)行比較。

不同于簡(jiǎn)單的電流源驅動(dòng)器，MAX22200 可以量身定制電流驅動(dòng)分布。為了優(yōu)化螺線(xiàn)管驅動(dòng)應用中的電源管理，可以單獨配置每個(gè)通道的勵磁驅動(dòng)電流 (I 打 )、保持驅動(dòng)電流 (I 抓住 ) 和勵磁驅動(dòng)時(shí)間 (t 打 )。此外，它還提供多種與保護和故障相關(guān)的功能，包括

• 過(guò)流保護 (OCP)
• 負載開(kāi)路 (OL) 檢測
• 熱關(guān)斷 (TSD)
• 欠壓鎖定 (UVLO)
• 柱塞運動(dòng)檢測 (DPM) 驗證

前四項是眾所周知的標準功能。DPM 則需要進(jìn)一步解釋。舉例而言，在螺線(xiàn)管控制的閥門(mén)中，如果螺線(xiàn)管啟動(dòng)時(shí)閥門(mén)工作正常，則電流分布不是單調的（圖 3，黑色曲線(xiàn)）。相反，受柱塞運動(dòng)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢 (BEMF) 影響，電流會(huì )出現下降（圖 3，藍色曲線(xiàn)）。

圖 3：在驅動(dòng)螺線(xiàn)管時(shí)，當螺線(xiàn)管從起始電流 (I 開(kāi)始 ) 被驅動(dòng)到最終勵磁驅動(dòng)電流 (I 打 ) 時(shí)，MAX22200 可通過(guò)判斷預期 BEMF 驅動(dòng)電流下降與閾值 (IDPM_TH) 的關(guān)系來(lái)檢測螺線(xiàn)管或閥門(mén)是否卡住。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

當設置并用于螺線(xiàn)管時(shí)，MAX22200 的 DPM 功能會(huì )在勵磁階段檢測是否存在 BEMF 下降。如果未檢測到下降，則會(huì )在 FAULT 引腳和內部故障寄存器中設置指示。

評估套件幫助簡(jiǎn)化流程

為了解決系統在不同靜態(tài)和動(dòng)態(tài)需求以及負載條件下的性能問(wèn)題，Analog Devices 為 MAX22200 提供了 [MAX22200EVKIT#] 螺線(xiàn)管控制電源管理評估板（圖 4）。該評估套件 (EVK) 支持 MAX22200 的串行控制，并支持通過(guò)板載 USB 轉 SPI 接口和 [MAX32625] 微控制器進(jìn)行故障監測。它包括一個(gè) Windows 兼容的圖形用戶(hù)界面 (GUI)，用于執行 MAX22200 IC 的功能，使其成為一個(gè)基于 PC 的完整評估系統。

圖 4：用于 MAX22200 的 MAX22200EVKIT# 螺線(xiàn)管控制電源管理評估板，可通過(guò)基于 Windows 的圖形用戶(hù)界面對 IC 及其負載進(jìn)行充分測試。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

這塊完整組裝且經(jīng)過(guò)測試的電路板可配置為高壓側/低壓側螺線(xiàn)管，也可用于閉鎖閥（通常由螺線(xiàn)管驅動(dòng)）或有刷直流電機。

步進(jìn)電機：控制自由度更高

步進(jìn)電機比螺線(xiàn)管更復雜，控制要求更高。這從 Analog Devices 的 [TMC5240]（圖 5）中可見(jiàn)一斑，其是一款集成的高性能步進(jìn)電機控制器和驅動(dòng)器 IC，具有串行通信接口（SPI、UART）和豐富的診斷功能，并提供嵌入式算法。

圖 5：TMC5240 高性能步進(jìn)電機控制器和驅動(dòng)器 IC 中嵌入了復雜的算法，可幫助螺線(xiàn)管和步進(jìn)電機實(shí)現最佳性能。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

該 IC 包含一個(gè)靈活的八點(diǎn)斜坡發(fā)生器，可將自動(dòng)目標定位中的急動(dòng)度降至最低。急動(dòng)度是加速度的變化率，急動(dòng)度過(guò)大會(huì )導致諸多系統問(wèn)題及性能問(wèn)題。這款步進(jìn)電機驅動(dòng)器集成了導通電阻為 0.23 Ω 的 36 V、3 A H 橋以及非耗散集成電流感測 (ICS)。TMC5240 采用 5 × 5 mm 小型 TQFN32 封裝和帶裸焊盤(pán)的 9.7 × 4.4 mm 散熱優(yōu)化 TSSOP38 封裝。

TMC5240 具有獨特的先進(jìn)功能，可實(shí)現更高的精度，并支持高能效、高可靠性、平滑運動(dòng)以及低溫運行。這些功能包括：

• StealthChop2：采用無(wú)噪音、高精度斬波算法，讓電機運動(dòng)和靜止安靜無(wú)聲，與較簡(jiǎn)單的 StealthChop 相比，該功能可實(shí)現更快的電機加減速
• SpreadCycle：高精度、逐周期電流控制，可實(shí)現最高動(dòng)態(tài)運動(dòng)
• StallGuard2：為 SpreadCycle 提供無(wú)傳感器失速檢測和機械負載測量
• StallGuard4：為 StealthChop 提供無(wú)傳感器失速檢測和機械負載測量
• CoolStep：利用 StallGuard 測量調整電機電流，以盡可能提升效率并降低電機和驅動(dòng)器的發(fā)熱量

用戶(hù)可以預先設置這些功能，并在電機運行周期內調用。此外，還可以結合加速度來(lái)控制扭矩，在達到所需值的同時(shí)，實(shí)現高效而平穩的加減速。

例如，三個(gè)加減速段的組合可以有兩種用途：在較低速度下使用較高加速度值以適應電機扭矩曲線(xiàn)，或者在從一個(gè)加速段過(guò)渡到下一個(gè)時(shí)減少急動(dòng)。針對這兩類(lèi)情況，TMC5240 控制器憑借八點(diǎn)運動(dòng)曲線(xiàn)生成器，可在所需目標位置實(shí)時(shí)變化的同時(shí)保持恒定速度段，從而實(shí)現順暢的模式轉換（圖 6）。

圖 6：TMC5240 提供八點(diǎn)斜坡，支持實(shí)時(shí)目標位置更改，可實(shí)現順暢的模式轉換。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

鑒于該驅動(dòng)器 IC 的靈活性、多功能性與復雜性，[TMC5240-EVAL]評估板已成為一款頗受歡迎的輔助工具（圖 7）。它使用 IC 的標準原理圖，并在軟件中提供多個(gè)選項，讓設計人員能夠測試不同的工作模式。

圖 7：使用 TMC5240-EVAL 評估板和相關(guān)圖形用戶(hù)界面，設計人員可以根據特定的致動(dòng)器和負載組合，研究并微調 TMC5240 的性能。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

針對評估和設計要求復雜性較低的設計人員，Analog Devices 還提供了 [TMC5240-BOB]。這款基本型 IC 分線(xiàn)板將 TMC5240 的物理引腳連接到便于用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)的針座排上。

總結

通過(guò)為螺線(xiàn)管和步進(jìn)電機驅動(dòng)器增加智能功能，可提供更好的控制和故障檢測，實(shí)現實(shí)時(shí)決策，并與更高級別的控制系統或基于人工智能的生產(chǎn)力系統進(jìn)行通信。利用 Analog Devices MAX22200 和 TMC5240 等高度集成的驅動(dòng)器，用戶(hù)能夠快速啟動(dòng)并運行高級算法，針對特定應用優(yōu)化螺線(xiàn)管和步進(jìn)電機的性能。

審核編輯 黃宇