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控制技術/MCU  

ASSP為步進馬達控制增加全新功能選項

上網時間: 2008年01月22日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:ASSP  步進馬達  控制 

在從汽車的氣候環境控制到工業用的劑量泵以及舞台燈光控制等各種應用中,都選用步進馬達作為動態置位解決方案。步進馬達之所以能夠進入主流應用,得益於其性能好、體積小以及成本低。

隨著馬達及其應用的演進,需要用來驅動馬達的驅動電路也正不斷演進。特別是汽車電子設計師實現了分散式處理策略,他們向馬達的週邊電路注入了更智慧功能。這種控制方案自身也在向更多領域滲透,使得典型的馬達/驅動組合更類似於一個電子機械系統,而不再僅僅是一個簡單的執行器。

今天的設計師在建構一個步進馬達驅動電路架構時,有三種基本選擇。傳統方案是採用一個通用微處理器或DSP,搭配類比驅動電路和基於感測器的反饋迴路。但日益增加的成本、上市時間和複雜度等壓力,使得工程師正轉而使用專為馬達控制設計的ASSP。這種方案本身有兩種:即單晶片或雙晶片解決方案。

儘管傳統的微處理器方案正逐步被ASSP所取代,為了瞭解這類設計中的典型設計約束和需求,首先必須探討這類方案的基礎架構。這種情況中,其程式碼通常在快閃記憶體中的核心控制器中提供一個PWM訊號來驅動馬達繞組。類比電路對該訊號進行放大來驅動功率級,而功率級則驅動馬達繞組。

為了計算正確的PWM輸出,微控制器必須從外部獲取所需的大量資訊。特別是,它必須對馬達定位進行反饋。該功能通常由一個霍爾感測器來實現,該感測器不僅提供定位資訊,還感應馬達轉子的停頓和死鎖(阻塞)。在非常簡單的情況下,可以使用一個簡單的端迴路定位開關來代替霍爾感測器。另外一種方法是使用光學位置編碼,或是使用一個安裝在馬達軸上的阻性電位器。

除了定位數據外,控制器還需要有關馬達電流方面的資訊。這一資訊是經過一個與馬達驅動器相串聯的電阻感應出來的,擷取出來的數據經過QDC變換後作為控制器自身的輸入。ASSP方案將上述大部份功能整合在一個或兩個元件中,在處理過程中採用無感應控制方案。像AMIS-30624(圖1)這類集控制器/驅動器於一體的解決方案則提供了最高的整合度,它將控制器、速度、位置電流、故障診斷和功率級全部整合在單晶片中。儘管這種整合方案提供了最小的系統體積和最低的建構成本,但為了其他功能,許多工程師還是喜歡選其作為中間級,而將核心控制器保留在一個像AMIS-30522(圖2)這樣的智慧驅動器晶片上。

採用這種雙晶片方案的動機有兩種。其一是某些應用需要的驅動電流較單晶片所能提供的更高。不過更多情況是,設計師選用雙晶片解決方案的原因是為了發揮其現有IP的更大價值。他們或許已經利用了喜愛的標準微控制器或DSP,並開發出高階專用軟體。這是非常自然的事情,他們希望再使用或改善現有資源。

上述的智慧整合馬達驅動晶片能允許應用中只需微控制器提供一個下一步微步進指令作為輸入,並提供馬達繞組所需的PWM訊號。這樣一來大幅減少了BOM清單及微控制器載荷,甚至利用一個微控制器就能控制多個馬達。

圖1:集控制器和驅動器於一體的解決方案。
圖1:集控制器和驅動器於一體的解決方案。

圖2:將核心控制器保留在AMIS-3052這類智慧驅動器晶片上。
圖2:將核心控制器保留在AMIS-3052這類智慧驅動器晶片上。

只要採用一款上述的整合驅動器,就可根據具體需要,使主控制器功能變得非常簡單或非常複雜。驅動器可以直接實現微步進,減少了噪音和因諧振產生的步進損耗,同時改進了低速時的力矩。由於整合了電流轉換表並整合了一個用於可靠的電流控制的專用PWM演算法,也能進一步卸載主控制器上的處理負載。

透過I/O和一個簡單的SPI連接,可以對許多參數進行控制,包括電流幅度、步進模式、PWM頻率、EMC斜率控制及睡眠模式。該驅動器還可用來為控制器提供(也是透過SPI)所需的有關速度、位置、繞組電流以及像開路、短路或過熱這類故障診斷相關資訊。但仍可能進一步整合。例如AMIS-30624整合了智慧驅動器的所有功能,其中還加入了一個可編程的狀態機,該狀態機將目標位置轉換成依規定的加速度、速度或減速到達某位置所需的(微)步進序列。目標位置和其他高階資訊由遠端主機下達,透過I2C或LIN這類匯流排介面進行通訊。這種架構的特性之一,是能很好地依比例調節多個軸向的運動:硬體和軟體可依模組方式擴展,而匯流排通訊本身即可升級。

為了進一步簡化硬體設計,利用整合控制器能夠大幅簡化馬達控制演算法的開發和實現。實際上,這通常歸功於執行了一個返回所需參數設置的描述演算法。

以上研究了如何依照一個定義的序列來驅動馬達,通常由用來確定所需馬達電流的系統要求來確定力矩和速度。下一步就需要考慮馬達的動態問題。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,使馬達實現正確的運動軌跡。所有相關的參數一旦被計算出來,就會透過I2C匯流排發送到元件。這些參數可以被反覆迴圈訓練,以證明其可靠性,最後在作為作業數據寫入非揮發性記憶體(NVM)中。

除了減少BOM清單並簡化設計外,用於步進馬達的ASSP方案還能夠實現比較複雜的控制策略和更貼合應用需求的設計。實現這一目標的兩項關鍵技術就是無感應延遲檢測和動態力矩調節。

步進馬達通常用在開環系統中。儘管根據定義,這類系統可說是既簡單又穩定,但它有一個缺點,就是缺乏絕對位置反饋。如果馬達被鎖住了,這將是危險的,因為驅動器/定位器認為馬達還在運轉,因此將繼續驅動繞組。這將產生噪音,更重要的是,這將切斷了馬達的實際位置和定位器中所存資訊之間的關聯。

不過,AMIS 30522和AMIS-30624這類元件透過回傳馬達繞組通過馬達內的磁場時所產生的EMF(BEMF)訊號,可以檢測馬達的死鎖。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產生EMF抗力。EMF力的大小與馬達的速度呈線性關係。最重要的依據是,當馬達鎖住時,該值將為零。

與大多數功能的實驗一樣,具體情況取決於所選的驅動器架構。當選用像AMIS-30522這類智慧驅動器時,可以從一個外部接腳上得到BEMF電壓,然後將其送回微控制器。而整合度最高的元件,像AMIS-30624,在內部嵌有檢測電路,只需透過一個簡單的I2C指令來設定檢測閾值電平。該BEMF還可用來實現動態力矩調節,這意味著可減少馬達的體積和成本,並改進能量效率。

BENF是馬達速度的時變函數。繞組中BEMF電壓和電流的相位差受馬達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採樣的話,採出來的BEMF電平將隨著負載的增加而減少,這種現象就是眾所周知的負載角(功角)。在AMIS-30522上,可以從一個外部接腳上觀察負載角的變化。增加機械負載時(電壓會降低)可透過選擇一個大電流來補償,最終使馬達的力矩增加。這樣的動態調節技術意味著設計師不再需要在一開始時就根據所預期的峰值負載來考慮系統在‘最壞情況’下應具備的馬力。而是可以選用小一些且較便宜的馬達。

整合馬達控制ASSP減輕了步進馬達系統的設計任務,可利用這種馬達來執行日益增多的各種不同應用。除了減少了BOM清單、簡化設計、縮短上市時間外,還使得工程師可將主要精力放在增值設計上,而不是放在如何實現低階控制上,另外,還可以實現更複雜的控制策略,同時還豐富了功能集。

作者:Guido Remmerie

工業產品經理

Peter Cox

工程市場經理

AMI半導體




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