如何针对工业应用改造螺线管和步进电机驱动器
发布日期:2024-03-09
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作者：Bill Schweber
工厂车间控制系统、汽车和实验室设备等边缘设备应用越来越多地利用物联网 (IoT) 和人工智能 (AI) 功能，以实现低延迟决策、更强性能、更低成本以及更高的安全性和生产力。螺线管和步进电机的驱动器需要与时俱进，加入更多板载传感和智能功能，以便集成到快速发展的新环境中，进一步改善精度、可靠性、闭环控制、成本、占地面积以及易用性。
本文总结了螺线管和步进电机的基本操作，并概述了专为智能边缘应用设计的驱动器 IC 的优势。然后，文中介绍并解释了如何使用 Analog Devices 的示例驱动器开始设计。
螺线管和步进电机：相似而又不同
螺线管和步进电机通过充当电磁体的绕接线圈将电流转换为物理运动。尽管二者在外观和功能上存在差异，但线圈的共性使得在某些情况下，两种致动器可以使用相同的驱动器 IC。
螺线管是一种相对简单的元器件，可通过施加电流产生线性机械运动。此类元器件中有电气线圈绕在圆柱形管上，而空芯位置有一个铁磁致动器（也称为柱塞或电枢），可在线圈内部自由移动（图 1，左）。
相比之下，步进电机则用到多个定子线圈，这些线圈围绕电机机身呈圆周排列（图 1，右）。电机转子上还装有一组永磁体。
图 1：螺线管的结构包括带内部滑动柱塞的绕接线圈（左图）；步进电机则更为复杂，转子上有永磁体，定子上有电磁线圈（右图）。（图片来源：Analog Devices、Monolithic Power Systems）
对于螺线管，柱塞的运动源自施加电流时发生的单次“冲撞”，这会将柱塞撞击到极限位置。断电后，大多数螺线管会利用弹簧将柱塞恢复到所谓的静止位置。
在最基本的驱动方案中，螺线管由清晰的开/关电流脉冲控制。虽然这种方法简单直接，不过缺点颇多，包括冲击力大、振动大、声学噪音和电气噪音大、电气效率低，而且几乎无法控制柱塞的动作或返回。
随着定子线圈依次通电，由此产生的旋转磁场拉动电枢磁铁，使步进电机开始旋转。通过控制时序，步进电机的转子可以连续旋转、停止，或者反向旋转。
与不需要考虑定时问题的螺线管不同，定子线圈必须按顺序依次通电，并满足正确的脉冲宽度等特性要求。
智能驱动器突破限制，提升性能
通过谨慎控制驱动螺线管和步进电机线圈的电流，包括波形轮廓形状、上下斜率和其他参数，智能驱动器可带来诸多优势，包括：
· 增强运动和旋转的平稳性，尽量减少颤动
· 减少振动和冲击，尤其是对于螺线管
· 步进电机启动/停止/反向运动的定位更加精确
· 性能稳定，可适应瞬态或多变的负载条件
· 提高效率
· 减少物理磨损
· 产生的声学噪音和电气噪音更少
· 易于与监控处理器连接，这对于物联网设施至关重要
Analog Devices 的 MAX22200 是一款集成式串行控制螺线管和电机驱动器，展示了精密驱动器对于螺线管的意义（图 2）。这款 36 V IC 中的 8 个 1 A 半桥驱动器可以并联，将驱动电流提升一倍，也可配置为全桥，以驱动多达 4 个闭锁阀（也称为双稳态阀）。
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图 2：Analog Devices MAX22200 是一款集成式串行控制螺线管和电机驱动器，具有八个可按不同配置排列的半桥驱动器。（图片来源：Analog Devices）
该驱动器支持两种控制方法：电压驱动调节 (VDR) 和电流驱动调节 (CDR)。使用 VDR 时，器件输出脉宽调制 (PWM) 电压，其占空比可通过 SPI 接口编程。对于给定电源电压和螺线管电阻，输出电流与编程的占空比成正比。CDR 属于闭环控制形式，由集成式无损电流感应电路感测电流，并与内部可编程基准电流进行比较。
不同于简单的电流源驱动器，MAX22200 可以量身定制电流驱动分布。为了优化螺线管驱动应用中的电源管理，可以单独配置每个通道的励磁驱动电流 (IHIT)、保持驱动电流 (IHOLD) 和励磁驱动时间 (tHIT)。此外，它还提供多种与保护和故障相关的功能，包括
· 过流保护 (OCP)
· 负载开路 (OL) 检测
· 热关断 (TSD)
· 欠压锁定 (UVLO)
· 柱塞运动检测 (DPM) 验证
前四项是众所周知的标准功能。DPM 则需要进一步解释。举例而言，在螺线管控制的阀门中，如果螺线管启动时阀门工作正常，则电流分布不是单调的（图 3，黑色曲线）。相反，受柱塞运动产生的反向电动势 (BEMF) 影响，电流会出现下降（图 3，蓝色曲线）。
图 3：在驱动螺线管时，当螺线管从起始电流 (ISTART) 被驱动到最终励磁驱动电流 (IHIT) 时，MAX22200 可通过判断预期 BEMF 驱动电流下降与阈值 (IDPM_TH) 的关系来检测螺线管或阀门是否卡住。（图片来源：Analog Devices）
当设置并用于螺线管时，MAX22200 的 DPM 功能会在励磁阶段检测是否存在 BEMF 下降。如果未检测到下降，则会在 FAULT 引脚和内部故障寄存器中设置指示。
评估套件帮助简化流程
为了解决系统在不同静态和动态需求以及负载条件下的性能问题，Analog Devices 为 MAX22200 提供了 MAX22200EVKIT# 螺线管控制电源管理评估板（图 4）。该评估套件 (EVK) 支持 MAX22200 的串行控制，并支持通过板载 USB 转 SPI 接口和 MAX32625 微控制器进行故障监测。它包括一个 Windows 兼容的图形用户界面 (GUI)，用于执行 MAX22200 IC 的功能，使其成为一个基于 PC 的完整评估系统。
图 4：用于 MAX22200 的 MAX22200EVKIT# 螺线管控制电源管理评估板，可通过基于 Windows 的图形用户界面对 IC 及其负载进行充分测试。（图片来源：Analog Devices）
这块完整组装且经过测试的电路板可配置为高压侧/低压侧螺线管，也可用于闭锁阀（通常由螺线管驱动）或有刷直流电机。
步进电机：控制自由度更高
步进电机比螺线管更复杂，控制要求更高。这从 Analog Devices 的 TMC5240（图 5）中可见一斑，其是一款集成的高性能步进电机控制器和驱动器 IC，具有串行通信接口（SPI、UART）和丰富的诊断功能，并提供嵌入式算法。
图 5：TMC5240 高性能步进电机控制器和驱动器 IC 中嵌入了复杂的算法，可帮助螺线管和步进电机实现最佳性能。（图片来源：Analog Devices）
该 IC 包含一个灵活的八点斜坡发生器，可将自动目标定位中的急动度降至最低。急动度是加速度的变化率，急动度过大会导致诸多系统问题及性能问题。这款步进电机驱动器集成了导通电阻为 0.23 Ω 的 36 V、3 A H 桥以及非耗散集成电流感测 (ICS)。TMC5240 采用 5 × 5 mm 小型 TQFN32 封装和带裸焊盘的 9.7 × 4.4 mm 散热优化 TSSOP38 封装。
TMC5240 具有独特的先进功能，可实现更高的精度，并支持高能效、高可靠性、平滑运动以及低温运行。这些功能包括：
· StealthChop2：采用无噪音、高精度斩波算法，让电机运动和静止安静无声，与较简单的 StealthChop 相比，该功能可实现更快的电机加减速
· SpreadCycle：高精度、逐周期电流控制，可实现最高动态运动
· StallGuard2：为 SpreadCycle 提供无传感器失速检测和机械负载测量
· StallGuard4：为 StealthChop 提供无传感器失速检测和机械负载测量
· CoolStep：利用 StallGuard 测量调整电机电流，以尽可能提升效率并降低电机和驱动器的发热量
用户可以预先设置这些功能，并在电机运行周期内调用。此外，还可以结合加速度来控制扭矩，在达到所需值的同时，实现高效而平稳的加减速。
例如，三个加减速段的组合可以有两种用途：在较低速度下使用较高加速度值以适应电机扭矩曲线，或者在从一个加速段过渡到下一个时减少急动。针对这两类情况，TMC5240 控制器凭借八点运动曲线生成器，可在所需目标位置实时变化的同时保持恒定速度段，从而实现顺畅的模式转换（图 6）。
图 6：TMC5240 提供八点斜坡，支持实时目标位置更改，可实现顺畅的模式转换。（图片来源：Analog Devices）
鉴于该驱动器 IC 的灵活性、多功能性与复杂性，TMC5240-EVAL 评估板已成为一款颇受欢迎的辅助工具（图 7）。它使用 IC 的标准原理图，并在软件中提供多个选项，让设计人员能够测试不同的工作模式。
图 7：使用 TMC5240-EVAL 评估板和相关图形用户界面，设计人员可以根据特定的致动器和负载组合，研究并微调 TMC5240 的性能。（图片来源：Analog Devices）
针对评估和设计要求复杂性较低的设计人员，Analog Devices 还提供了 TMC5240-BOB。这款基本型 IC 分线板将 TMC5240 的物理引脚连接到便于用户访问的针座排上。
总结
通过为螺线管和步进电机驱动器增加智能功能，可提供更好的控制和故障检测，实现实时决策，并与更高级别的控制系统或基于人工智能的生产力系统进行通信。利用 Analog Devices MAX22200 和 TMC5240 等高度集成的驱动器，用户能够快速启动并运行高级算法，针对特定应用优化螺线管和步进电机的性能。
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