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如何針對(duì)工業(yè)應(yīng)用改造螺線管和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
發(fā)布時(shí)間：2024-03-09 14:40:16 瀏覽：417次
作者：Bill Schweber
工廠車(chē)間控制系統(tǒng)、汽車(chē)和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備等邊緣設(shè)備應(yīng)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(xiàn)低延遲決策、更強(qiáng)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(jìn)電機(jī)的驅(qū)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(jié)了螺線管和步進(jìn)電機(jī)的基本操作，并概述了專為智能邊緣應(yīng)用設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器 IC 的優(yōu)勢(shì)。然后，文中介紹并解釋了如何使用 Analog Devices 的示例驅(qū)動(dòng)器開(kāi)始設(shè)計(jì)。
螺線管和步進(jìn)電機(jī)：相似而又不同
螺線管和步進(jìn)電機(jī)通過(guò)充當(dāng)電磁體的繞接線圈將電流轉(zhuǎn)換為物理運(yùn)動(dòng)。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(dòng)器可以使用相同的驅(qū)動(dòng)器 IC。
螺線管是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的元器件，可通過(guò)施加電流產(chǎn)生線性機(jī)械運(yùn)動(dòng)。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(gè)鐵磁致動(dòng)器（也稱為柱塞或電樞），可在線圈內(nèi)部自由移動(dòng)（圖 1，左）。
相比之下，步進(jìn)電機(jī)則用到多個(gè)定子線圈，這些線圈圍繞電機(jī)機(jī)身呈圓周排列（圖 1，右）。電機(jī)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(dòng)柱塞的繞接線圈（左圖）；步進(jìn)電機(jī)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(lái)源：Analog Devices、Monolithic Power Systems）
對(duì)于螺線管，柱塞的運(yùn)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(shù)螺線管會(huì)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(dòng)方案中，螺線管由清晰的開(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?guī)缀鯚o(wú)法控制柱塞的動(dòng)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(chǎng)拉動(dòng)電樞磁鐵，使步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。通過(guò)控制時(shí)序，步進(jìn)電機(jī)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(shí)問(wèn)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(dòng)器突破限制，提升性能
通過(guò)謹(jǐn)慎控制驅(qū)動(dòng)螺線管和步進(jìn)電機(jī)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(dòng)器可帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)，包括：
· 增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，盡量減少顫動(dòng)
· 減少振動(dòng)和沖擊，尤其是對(duì)于螺線管
· 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)/停止/反向運(yùn)動(dòng)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(duì)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(jī)驅(qū)動(dòng)器，展示了精密驅(qū)動(dòng)器對(duì)于螺線管的意義（圖 2）。這款 36 V IC 中的 8 個(gè) 1 A 半橋驅(qū)動(dòng)器可以并聯(lián)，將驅(qū)動(dòng)電流提升一倍，也可配置為全橋，以驅(qū)動(dòng)多達(dá) 4 個(gè)閉鎖閥（也稱為雙穩(wěn)態(tài)閥）。.jpg)
圖 2：Analog Devices MAX22200 是一款集成式串行控制螺線管和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，具有八個(gè)可按不同配置排列的半橋驅(qū)動(dòng)器。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
該驅(qū)動(dòng)器支持兩種控制方法：電壓驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié) (VDR) 和電流驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié) (CDR)。使用 VDR 時(shí)，器件輸出脈寬調(diào)制 (PWM) 電壓，其占空比可通過(guò) SPI 接口編程。對(duì)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(wú)損電流感應(yīng)電路感測(cè)電流，并與內(nèi)部可編程基準(zhǔn)電流進(jìn)行比較。
不同于簡(jiǎn)單的電流源驅(qū)動(dòng)器，MAX22200 可以量身定制電流驅(qū)動(dòng)分布。為了優(yōu)化螺線管驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的電源管理，可以單獨(dú)配置每個(gè)通道的勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電流 (IHIT)、保持驅(qū)動(dòng)電流 (IHOLD) 和勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)時(shí)間 (tHIT)。此外，它還提供多種與保護(hù)和故障相關(guān)的功能，包括
· 過(guò)流保護(hù) (OCP)
· 負(fù)載開(kāi)路 (OL) 檢測(cè)
· 熱關(guān)斷 (TSD)
· 欠壓鎖定 (UVLO)
· 柱塞運(yùn)動(dòng)檢測(cè) (DPM) 驗(yàn)證
前四項(xiàng)是眾所周知的標(biāo)準(zhǔn)功能。DPM 則需要進(jìn)一步解釋。舉例而言，在螺線管控制的閥門(mén)中，如果螺線管啟動(dòng)時(shí)閥門(mén)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì) (BEMF) 影響，電流會(huì)出現(xiàn)下降（圖 3，藍(lán)色曲線）。
圖 3：在驅(qū)動(dòng)螺線管時(shí)，當(dāng)螺線管從起始電流 (ISTART) 被驅(qū)動(dòng)到最終勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電流 (IHIT) 時(shí)，MAX22200 可通過(guò)判斷預(yù)期 BEMF 驅(qū)動(dòng)電流下降與閾值 (IDPM_TH) 的關(guān)系來(lái)檢測(cè)螺線管或閥門(mén)是否卡住。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
當(dāng)設(shè)置并用于螺線管時(shí)，MAX22200 的 DPM 功能會(huì)在勵(lì)磁階段檢測(cè)是否存在 BEMF 下降。如果未檢測(cè)到下降，則會(huì)在 FAULT 引腳和內(nèi)部故障寄存器中設(shè)置指示。
評(píng)估套件幫助簡(jiǎn)化流程
為了解決系統(tǒng)在不同靜態(tài)和動(dòng)態(tài)需求以及負(fù)載條件下的性能問(wèn)題，Analog Devices 為 MAX22200 提供了 MAX22200EVKIT# 螺線管控制電源管理評(píng)估板（圖 4）。該評(píng)估套件 (EVK) 支持 MAX22200 的串行控制，并支持通過(guò)板載 USB 轉(zhuǎn) SPI 接口和 MAX32625 微控制器進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)。它包括一個(gè) 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(gè)基于 PC 的完整評(píng)估系統(tǒng)。
圖 4：用于 MAX22200 的 MAX22200EVKIT# 螺線管控制電源管理評(píng)估板，可通過(guò)基于 Windows 的圖形用戶界面對(duì) IC 及其負(fù)載進(jìn)行充分測(cè)試。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
這塊完整組裝且經(jīng)過(guò)測(cè)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(dòng)）或有刷直流電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)：控制自由度更高
步進(jìn)電機(jī)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(jiàn)一斑，其是一款集成的高性能步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)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(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器 IC 中嵌入了復(fù)雜的算法，可幫助螺線管和步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)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(biāo)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(dǎo)致諸多系統(tǒng)問(wèn)題及性能問(wèn)題。這款步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(cè) (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(dú)特的先進(jìn)功能，可實(shí)現(xiàn)更高的精度，并支持高能效、高可靠性、平滑運(yùn)動(dòng)以及低溫運(yùn)行。這些功能包括：
· StealthChop2：采用無(wú)噪音、高精度斬波算法，讓電機(jī)運(yùn)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(xiàn)更快的電機(jī)加減速
· SpreadCycle：高精度、逐周期電流控制，可實(shí)現(xiàn)最高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)
· StallGuard2：為 SpreadCycle 提供無(wú)傳感器失速檢測(cè)和機(jī)械負(fù)載測(cè)量
· StallGuard4：為 StealthChop 提供無(wú)傳感器失速檢測(cè)和機(jī)械負(fù)載測(cè)量
· CoolStep：利用 StallGuard 測(cè)量調(diào)整電機(jī)電流，以盡可能提升效率并降低電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的發(fā)熱量
用戶可以預(yù)先設(shè)置這些功能，并在電機(jī)運(yùn)行周期內(nèi)調(diào)用。此外，還可以結(jié)合加速度來(lái)控制扭矩，在達(dá)到所需值的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高效而平穩(wěn)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(yīng)電機(jī)扭矩曲線，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(duì)這兩類情況，TMC5240 控制器憑借八點(diǎn)運(yùn)動(dòng)曲線生成器，可在所需目標(biāo)位置實(shí)時(shí)變化的同時(shí)保持恒定速度段，從而實(shí)現(xiàn)順暢的模式轉(zhuǎn)換（圖 6）。
圖 6：TMC5240 提供八點(diǎn)斜坡，支持實(shí)時(shí)目標(biāo)位置更改，可實(shí)現(xiàn)順暢的模式轉(zhuǎn)換。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
鑒于該驅(qū)動(dòng)器 IC 的靈活性、多功能性與復(fù)雜性，TMC5240-EVAL 評(píng)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(gè)選項(xiàng)，讓設(shè)計(jì)人員能夠測(cè)試不同的工作模式。
圖 7：使用 TMC5240-EVAL 評(píng)估板和相關(guān)圖形用戶界面，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)特定的致動(dòng)器和負(fù)載組合，研究并微調(diào) TMC5240 的性能。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
針對(duì)評(píng)估和設(shè)計(jì)要求復(fù)雜性較低的設(shè)計(jì)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(wèn)的針座排上。
總結(jié)
通過(guò)為螺線管和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器增加智能功能，可提供更好的控制和故障檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)決策，并與更高級(jí)別的控制系統(tǒng)或基于人工智能的生產(chǎn)力系統(tǒng)進(jìn)行通信。利用 Analog Devices MAX22200 和 TMC5240 等高度集成的驅(qū)動(dòng)器，用戶能夠快速啟動(dòng)并運(yùn)行高級(jí)算法，針對(duì)特定應(yīng)用優(yōu)化螺線管和步進(jìn)電機(jī)的性能。
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