步進電機已成為從車輛氣候控制到工業(yè)劑量泵和劇院舞臺照明等應用的動態(tài)定位解決方案。更好的性能、更小的尺寸和更低的成本都有助于它們進入主流應用。
    正如電機及其應用的發(fā)展一樣，控制電機所需的驅動電子設備也在不斷發(fā)展。特別是，汽車設計人員已經(jīng)實施了分布式處理策略，為電機注入了越來越高的智能水平。
    這種控制方法已經(jīng)滲透到更通用的應用領域，使得典型的電機/驅動器組合更類似于機電一體化子系統(tǒng)，而不是簡單的執(zhí)行器。
    在確定步進電機驅動電子器件的架構時，設計人員有三個基本選擇。傳統(tǒng)方法是使用通用微控制器或 DSP，結合模擬驅動器電子設備和基于傳感器的反饋環(huán)路。
    然而，成本、上市時間和復雜性限制越來越多地促使工程師使用專用于電機控制的 ASSP。此類解決方案本身分為兩種類型：單芯片或雙芯片實現(xiàn)。
    設計注意事項
    盡管傳統(tǒng)的基于微控制器的方法正逐漸被 ASSP 的使用所取代，但首先考慮這種基本架構以了解此類設計的典型設計約束和要求是很有幫助的。

    在這種情況下，控制器的程序代碼通常位于閃存中，提供 PWM 信號來驅動電機線圈。模擬電路放大該信號并驅動功率級，功率級又驅動電機的線圈。

    圖 1：控制器/驅動器解決方案將控制器、速度、位置電流、診斷和功率級集成在一個芯片中。
    微控制器需要從外界獲取一系列信息來計算正確的 PWM 輸出。特別是，它需要轉子位置的反饋。
    此功能通常由霍爾傳感器來實現(xiàn)，它不僅提供位置信息，還可以感測失速或阻塞轉子。在非常簡單的情況下，可以用簡單的環(huán)路末端位置開關替換霍爾傳感器。
    其他選項包括光學位置編碼，甚至是安裝在電機軸上的電阻電位計。除了位置數(shù)據(jù)之外，控制器還需要有關電機電流的信息。這是通過與電機驅動器串聯(lián)的電阻器來感測的，并通過 ADC 作為控制器本身的數(shù)字輸入呈現(xiàn)。
    ASSP 解決方案將大部分功能集成到一兩個設備中，在此過程中實施無傳感器控制策略?？刂破?驅動器解決方案提供了別的組件集成，例如 AMIS-30624（上圖 1），它將控制器、速度、位置電流、診斷和功率級全部集成在一個芯片中。
    化現(xiàn)有IP

    雖然這種完整的集成解決方案提供了的系統(tǒng)尺寸和的構建成本，但許多設計人員更愿意選擇中間級，保留控制器，但依賴于智能驅動芯片，例如AMIS-30522（下圖2） ）用于其他功能。

    圖 2：一些設計人員更喜歡保留控制器以及用于其他功能的智能驅動芯片。
    這種雙芯片策略背后的動機有兩個。首先，一些應用需要比單個芯片所能提供的更多的電流驅動。但更常見的是，設計人員選擇兩芯片解決方案，因為他們的目標是限度地發(fā)揮現(xiàn)有 IP 的價值。
    他們可能已經(jīng)開發(fā)出高水平的知識和相關軟件，并與他們的標準微控制器或 DSP 一起使用。很自然地，他們希望重新利用和改進該資源。
    智能集成電機驅動芯片就是為此類用戶而設計的。它僅需要來自微控制器的下一個微步命令作為其輸入，并在電機線圈處提供所需的 PWM。BOM 顯著減少，微控制器上的負載也化，有可能達到一個微步命令可以控制多個電機的程度。
    使用集成驅動程序可以使主機控制器功能根據(jù)需要變得簡單或復雜。驅動器直接實現(xiàn)微步進，減少可聽噪聲和共振引起的失步，同時提高低速扭矩。
    通過集成電流轉換表并結合用于可靠電流控制的專有 PWM算法，進一步減輕了主機控制器的處理負擔。
    通過I/O引腳和簡單的 SPI 進行連接，提供對各種參數(shù)的控制，包括電流幅度、步進模式、PWM 頻率、EMC 斜率控制和睡眠模式。還可以選擇驅動器向控制器（再次通過 SPI）提供其所需的速度、位置和線圈電流以及開路、短路檢測或過熱等診斷信息。
    進一步整合
    然而，正如我們已經(jīng)觀察到的，進一步整合是可能的。AMIS-30624 等設備實現(xiàn)了智能駕駛員的所有功能。它還具有可編程狀態(tài)機的功能，可將目標位置轉換為以指定的加速度、速度和減速度到達該位置所需的（微）步驟序列。
    目標位置和其他信息由遠程主機指定，并通過I2C 或 LIN 等總線級接口進行通信。這種架構具有特殊的優(yōu)勢，即它可以很好地擴展以適應更多的運動軸：硬件和軟件設計以模塊化方式擴展，并且基于總線的通信本質上是可擴展的。
    除了簡化硬件設計之外，集成控制器的使用還大大簡化了適當運動控制算法的開發(fā)和實施。在實踐中，這通常歸結為運行返回所需參數(shù)設置的表征算法。
    電機動力學
    按照定義的順序研究如何在不丟失步數(shù)的情況下驅動電機。扭矩和速度通常是定義的系統(tǒng)要求，可用于確定所需的電機電流。
    下一步是考慮電機動力學。特別令人感興趣的是共振或禁止頻率。在加速和減速期間，必須盡快越過此線。AMIS-30624 允許配置“”和“正常”運行速度以及加速和減速時間，以實現(xiàn)所用電機的正確運動曲線。
    一旦計算出所有相關參數(shù)，它們就會通過 I2C 總線發(fā)送到設備。它們可以經(jīng)過迭代磨練以證明穩(wěn)定性，并終作為終操作參數(shù)燒錄到非易失性存儲器中。
    除了減少 BOM 和簡化設計之外，用于步進電機控制的 ASSP 方法還可以產(chǎn)生更復雜的控制策略和設計，更適合應用需求。實現(xiàn)此類改進的兩項關鍵技術是無傳感器失速檢測和動態(tài)扭矩調節(jié)。
    步進電機主要用于開環(huán)系統(tǒng)。盡管此類系統(tǒng)簡單且穩(wěn)定（根據(jù)定義），但它們的缺點是缺乏位置反饋。
    如果電機被阻塞，則存在驅動器/定位器將繼續(xù)驅動線圈的危險，就好像電機仍在移動一樣。這會產(chǎn)生噪音，更重要的是，破壞了真實位置和定位器中存儲的信息之間的聯(lián)系。
    使用 BEMF 反饋
    AMIS-30522 和 AMIS-30624 等設備可用于檢測何時發(fā)生此類阻塞。它們通過感測電機線圈在電機磁場內移動時產(chǎn)生的反電動勢 (BEMF) 來實現(xiàn)這一點。
    BEMF 檢測依賴于這樣一個事實：正如磁場中的載流導體會受到力（導致其移動）一樣，在磁場中移動的導體也會產(chǎn)生相反的 EMF。該 EMF 的幅度是電機速度的線性函數(shù)：對于失速檢測實現(xiàn)重要的是，當電機被阻塞時它為零。
    與大多數(shù)功能一樣，確切的實現(xiàn)取決于所選的驅動程序架構。像 AMIS-30522 這樣的智能驅動器可以在外部引腳上提供BEMF電壓，從而可以反饋到微控制器。
    AMIS-30624 等集成度更高的設備嵌入了檢測電路，并通過簡單的 I2C 命令設置閾值水平。BEMF 還可用于實現(xiàn)動態(tài)扭矩調節(jié)，從而可能減小電機尺寸和成本，并提高能源效率。
    BEMF 是電機運動速度的時變函數(shù)。線圈中的反電動勢電壓和電流之間的相位差受到電機軸上的機械負載的影響：隨著機械負載的增加，相位差也會增加。因此，如果始終同時對 BEMF 進行采樣，則采樣的 BEMF 水平將隨著機械負載的增加而降低，這種現(xiàn)象稱為負載角。
    負載角可以通過 AMIS-30522 器件上的外部引腳觀察。增加的機械負載（由電壓降表示）可以通過選擇更高的電流來補償，從而增加電機的扭矩。這種動態(tài)扭矩調節(jié)策略意味著設計人員不再需要針對峰值預期負載的“壞情況”來初始設計系統(tǒng)尺寸。相反，可以使用更小、更便宜的電機。
    集成電機控制 ASSP 簡化了步進電機子系統(tǒng)的設計任務，強化了在日益多樣化的應用中使用此類電機的現(xiàn)有趨勢。它們減少了 BOM、簡化了設計并縮短了上市時間。此外，它們使設計工程師能夠專注于增加價值，而不是實施低級控制策略，同時實現(xiàn)更復雜的控制策略和更豐富的功能集。