如何針對工業(yè)應(yīng)用改造螺線管和步進電機驅(qū)動器

作者：Bill Schweber

工廠車間控制系統(tǒng)、汽車和實驗室設(shè)備等邊緣設(shè)備應(yīng)用越來越多地利用物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和人工智能 (AI) 功能，以實現(xiàn)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。螺線管和步進電機的驅(qū)動器需要與時俱進，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(jié)了螺線管和步進電機的基本操作，并概述了專為智能邊緣應(yīng)用設(shè)計的驅(qū)動器 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(qū)動器開始設(shè)計。

螺線管和步進電機：相似而又不同

螺線管和步進電機通過充當(dāng)電磁體的繞接線圈將電流轉(zhuǎn)換為物理運動。盡管二者在外觀和功能上存在差異，但線圈的共性使得在某些情況下，兩種致動器可以使用相同的驅(qū)動器 IC。

螺線管是一種相對簡單的元器件，可通過施加電流產(chǎn)生線性機械運動。此類元器件中有電氣線圈繞在圓柱形管上，而空芯位置有一個鐵磁致動器（也稱為柱塞或電樞），可在線圈內(nèi)部自由移動（圖 1，左）。

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

圖 1：螺線管的結(jié)構(gòu)包括帶內(nèi)部滑動柱塞的繞接線圈（左圖）；步進電機則更為復(fù)雜，轉(zhuǎn)子上有永磁體，定子上有電磁線圈（右圖）。（圖片來源：Analog Devices、Monolithic Power Systems）

對于螺線管，柱塞的運動源自施加電流時發(fā)生的單次“沖撞”，這會將柱塞撞擊到極限位置。斷電后，大多數(shù)螺線管會利用彈簧將柱塞恢復(fù)到所謂的靜止位置。

在最基本的驅(qū)動方案中，螺線管由清晰的開/關(guān)電流脈沖控制。雖然這種方法簡單直接，不過缺點頗多，包括沖擊力大、振動大、聲學(xué)噪音和電氣噪音大、電氣效率低，而且?guī)缀鯚o法控制柱塞的動作或返回。

隨著定子線圈依次通電，由此產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場拉動電樞磁鐵，使步進電機開始旋轉(zhuǎn)。通過控制時序，步進電機的轉(zhuǎn)子可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)、停止，或者反向旋轉(zhuǎn)。

與不需要考慮定時問題的螺線管不同，定子線圈必須按順序依次通電，并滿足正確的脈沖寬度等特性要求。

智能驅(qū)動器突破限制，提升性能

通過謹(jǐn)慎控制驅(qū)動螺線管和步進電機線圈的電流，包括波形輪廓形狀、上下斜率和其他參數(shù)，智能驅(qū)動器可帶來諸多優(yōu)勢，包括：

• 增強運動和旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，盡量減少顫動
• 減少振動和沖擊，尤其是對于螺線管
• 步進電機啟動/停止/反向運動的定位更加精確
• 性能穩(wěn)定，可適應(yīng)瞬態(tài)或多變的負(fù)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(jiān)控處理器連接，這對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施至關(guān)重要

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

圖 2：Analog Devices MAX22200 是一款集成式串行控制螺線管和電機驅(qū)動器，具有八個可按不同配置排列的半橋驅(qū)動器。（圖片來源：Analog Devices）

該驅(qū)動器支持兩種控制方法：電壓驅(qū)動調(diào)節(jié) (VDR) 和電流驅(qū)動調(diào)節(jié) (CDR)。使用 VDR 時，器件輸出脈寬調(diào)制 (PWM) 電壓，其占空比可通過 SPI 接口編程。對于給定電源電壓和螺線管電阻，輸出電流與編程的占空比成正比。CDR 屬于閉環(huán)控制形式，由集成式無損電流感應(yīng)電路感測電流，并與內(nèi)部可編程基準(zhǔn)電流進行比較。

不同于簡單的電流源驅(qū)動器，MAX22200 可以量身定制電流驅(qū)動分布。為了優(yōu)化螺線管驅(qū)動應(yīng)用中的電源管理，可以單獨配置每個通道的勵磁驅(qū)動電流 (I 打 )、保持驅(qū)動電流 (I 抓住 ) 和勵磁驅(qū)動時間 (t 打 )。此外，它還提供多種與保護和故障相關(guān)的功能，包括

• 過流保護 (OCP)
• 負(fù)載開路 (OL) 檢測
• 熱關(guān)斷 (TSD)
• 欠壓鎖定 (UVLO)
• 柱塞運動檢測 (DPM) 驗證

前四項是眾所周知的標(biāo)準(zhǔn)功能。DPM 則需要進一步解釋。舉例而言，在螺線管控制的閥門中，如果螺線管啟動時閥門工作正常，則電流分布不是單調(diào)的（圖 3，黑色曲線）。相反，受柱塞運動產(chǎn)生的反向電動勢 (BEMF) 影響，電流會出現(xiàn)下降（圖 3，藍(lán)色曲線）。

圖 3：在驅(qū)動螺線管時，當(dāng)螺線管從起始電流 (I 開始 ) 被驅(qū)動到最終勵磁驅(qū)動電流 (I 打 ) 時，MAX22200 可通過判斷預(yù)期 BEMF 驅(qū)動電流下降與閾值 (IDPM_TH) 的關(guān)系來檢測螺線管或閥門是否卡住。（圖片來源：Analog Devices）

當(dāng)設(shè)置并用于螺線管時，MAX22200 的 DPM 功能會在勵磁階段檢測是否存在 BEMF 下降。如果未檢測到下降，則會在 FAULT 引腳和內(nèi)部故障寄存器中設(shè)置指示。

評估套件幫助簡化流程

為了解決系統(tǒng)在不同靜態(tài)和動態(tài)需求以及負(fù)載條件下的性能問題，Analog Devices 為 MAX22200 提供了 [MAX22200EVKIT#] 螺線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，并支持通過板載 USB 轉(zhuǎn) SPI 接口和 [MAX32625] 微控制器進行故障監(jiān)測。它包括一個 Windows 兼容的圖形用戶界面 (GUI)，用于執(zhí)行 MAX22200 IC 的功能，使其成為一個基于 PC 的完整評估系統(tǒng)。

圖 4：用于 MAX22200 的 MAX22200EVKIT# 螺線管控制電源管理評估板，可通過基于 Windows 的圖形用戶界面對 IC 及其負(fù)載進行充分測試。（圖片來源：Analog Devices）

這塊完整組裝且經(jīng)過測試的電路板可配置為高壓側(cè)/低壓側(cè)螺線管，也可用于閉鎖閥（通常由螺線管驅(qū)動）或有刷直流電機。

步進電機：控制自由度更高

步進電機比螺線管更復(fù)雜，控制要求更高。這從 Analog Devices 的 [TMC5240]（圖 5）中可見一斑，其是一款集成的高性能步進電機控制器和驅(qū)動器 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 高性能步進電機控制器和驅(qū)動器 IC 中嵌入了復(fù)雜的算法，可幫助螺線管和步進電機實現(xiàn)最佳性能。（圖片來源：Analog Devices）

該 IC 包含一個靈活的八點斜坡發(fā)生器，可將自動目標(biāo)定位中的急動度降至最低。急動度是加速度的變化率，急動度過大會導(dǎo)致諸多系統(tǒng)問題及性能問題。這款步進電機驅(qū)動器集成了導(dǎo)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 封裝和帶裸焊盤的 9.7 × 4.4 mm 散熱優(yōu)化 TSSOP38 封裝。

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

• StealthChop2：采用無噪音、高精度斬波算法，讓電機運動和靜止安靜無聲，與較簡單的 StealthChop 相比，該功能可實現(xiàn)更快的電機加減速
• SpreadCycle：高精度、逐周期電流控制，可實現(xiàn)最高動態(tài)運動
• StallGuard2：為 SpreadCycle 提供無傳感器失速檢測和機械負(fù)載測量
• StallGuard4：為 StealthChop 提供無傳感器失速檢測和機械負(fù)載測量
• CoolStep：利用 StallGuard 測量調(diào)整電機電流，以盡可能提升效率并降低電機和驅(qū)動器的發(fā)熱量

用戶可以預(yù)先設(shè)置這些功能，并在電機運行周期內(nèi)調(diào)用。此外，還可以結(jié)合加速度來控制扭矩，在達(dá)到所需值的同時，實現(xiàn)高效而平穩(wěn)的加減速。

例如，三個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(yīng)電機扭矩曲線，或者在從一個加速段過渡到下一個時減少急動。針對這兩類情況，TMC5240 控制器憑借八點運動曲線生成器，可在所需目標(biāo)位置實時變化的同時保持恒定速度段，從而實現(xiàn)順暢的模式轉(zhuǎn)換（圖 6）。

圖 6：TMC5240 提供八點斜坡，支持實時目標(biāo)位置更改，可實現(xiàn)順暢的模式轉(zhuǎn)換。（圖片來源：Analog Devices）

鑒于該驅(qū)動器 IC 的靈活性、多功能性與復(fù)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(biāo)準(zhǔn)原理圖，并在軟件中提供多個選項，讓設(shè)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)圖形用戶界面，設(shè)計人員可以根據(jù)特定的致動器和負(fù)載組合，研究并微調(diào) TMC5240 的性能。（圖片來源：Analog Devices）

針對評估和設(shè)計要求復(fù)雜性較低的設(shè)計人員，Analog Devices 還提供了 [TMC5240-BOB]。這款基本型 IC 分線板將 TMC5240 的物理引腳連接到便于用戶訪問的針座排上。

總結(jié)

通過為螺線管和步進電機驅(qū)動器增加智能功能，可提供更好的控制和故障檢測，實現(xiàn)實時決策，并與更高級別的控制系統(tǒng)或基于人工智能的生產(chǎn)力系統(tǒng)進行通信。利用 Analog Devices MAX22200 和 TMC5240 等高度集成的驅(qū)動器，用戶能夠快速啟動并運行高級算法，針對特定應(yīng)用優(yōu)化螺線管和步進電機的性能。

審核編輯 黃宇