【導讀】工廠車間控製係統

、汽車和實驗室設備等邊緣設備應用越來越多地利用物聯網 (IoT) 和人工智能 (AI) 功能，以實現低延遲決策
、更強性能
、更(geng)低(di)成(cheng)本(ben)以(yi)及(ji)更(geng)高(gao)的(de)安(an)全(quan)性(xing)和(he)生(sheng)產(chan)力(li)。螺(luo)線(xian)管(guan)和(he)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)驅(qu)動(dong)器(qi)需(xu)要(yao)與(yu)時(shi)俱(ju)進(jin)
，加(jia)入(ru)更(geng)多(duo)板(ban)載(zai)傳(chuan)感(gan)和(he)智(zhi)能(neng)功(gong)能(neng)，以(yi)便(bian)集(ji)成(cheng)到(dao)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)的(de)新(xin)環(huan)境(jing)中(zhong)，進(jin)一(yi)步(bu)改(gai)善(shan)精(jing)度(du)、可靠性
、閉環控製、成本
、占地麵積以及易用性。

工廠車間控製係統
、汽車和實驗室設備等邊緣設備應用越來越多地利用物聯網 (IoT) 和人工智能 (AI) 功能，以實現低延遲決策、更強性能、更(geng)低(di)成(cheng)本(ben)以(yi)及(ji)更(geng)高(gao)的(de)安(an)全(quan)性(xing)和(he)生(sheng)產(chan)力(li)。螺(luo)線(xian)管(guan)和(he)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)驅(qu)動(dong)器(qi)需(xu)要(yao)與(yu)時(shi)俱(ju)進(jin)，加(jia)入(ru)更(geng)多(duo)板(ban)載(zai)傳(chuan)感(gan)和(he)智(zhi)能(neng)功(gong)能(neng)
，以(yi)便(bian)集(ji)成(cheng)到(dao)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)的(de)新(xin)環(huan)境(jing)中(zhong)，進(jin)一(yi)步(bu)改(gai)善(shan)精(jing)度(du)、可靠性、閉環控製、成本、占地麵積以及易用性。

本文總結了螺線管和步進電機的基本操作

，並概述了專為智能邊緣應用設計的驅動器 IC 的優勢。然後
，文中介紹並解釋了如何使用 Analog Devices 的示例驅動器開始設計。

螺線管和步進電機：相似而又不同

螺luo線xian管guan和he步bu進jin電dian機ji通tong過guo充chong當dang電dian磁ci體ti的de繞rao接jie線xian圈quan將jiang電dian流liu轉zhuan換huan為wei物wu理li運yun動dong。盡jin管guan二er者zhe在zai外wai觀guan和he功gong能neng上shang存cun在zai差cha異yi
，但dan線xian圈quan的de共gong性xing使shi得de在zai某mou些xie情qing況kuang下xia，兩liang種zhong致zhi動dong器qi可ke以yi使shi用yong相xiang同tong的de驅qu動dong器qi IC。

螺luo線xian管guan是shi一yi種zhong相xiang對dui簡jian單dan的de元yuan器qi件jian，可ke通tong過guo施shi加jia電dian流liu產chan生sheng線xian性xing機ji械xie運yun動dong。此ci類lei元yuan器qi件jian中zhong有you電dian氣qi線xian圈quan繞rao在zai圓yuan柱zhu形xing管guan上shang
，而er空kong芯xin位wei置zhi有you一yi個ge鐵tie磁ci致zhi動dong器qi（也稱為柱塞或電樞），可在線圈內部自由移動（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）。電機轉子上還裝有一組永磁體。

圖 1：螺線管的結構包括帶內部滑動柱塞的繞接線圈（左圖）；步進電機則更為複雜，轉子上有永磁體
，定子上有電磁線圈（右圖）。（圖片來源：Analog Devices、Monolithic Power Systems）

對於螺線管，柱塞的運動源自施加電流時發生的單次“衝撞”，這會將柱塞撞擊到極限位置。斷電後
，大多數螺線管會利用彈簧將柱塞恢複到所謂的靜止位置。

在最基本的驅動方案中，螺線管由清晰的開/關電流脈衝控製。雖然這種方法簡單直接
，不過缺點頗多


，包括衝擊力大
、振動大、聲學噪音和電氣噪音大、電氣效率低
，而且幾乎無法控製柱塞的動作或返回。

隨著定子線圈依次通電
，由此產生的旋轉磁場拉動電樞磁鐵
，使步進電機開始旋轉。通過控製時序，步進電機的轉子可以連續旋轉、停止，或者反向旋轉。

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，並滿足正確的脈衝寬度等特性要求。

智能驅動器突破限製，提升性能

通過謹慎控製驅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
，智能驅動器可帶來諸多優勢，包括：

· 增強運動和旋轉的平穩性，盡量減少顫動
· 減少振動和衝擊，尤其是對於螺線管
· 步進電機啟動/停止/反向運動的定位更加精確
· 性能穩定，可適應瞬態或多變的負載條件
· 提高效率
· 減少物理磨損
· 產生的聲學噪音和電氣噪音更少
· 易於與監控處理器連接，這對於物聯網設施至關重要

Analog Devices 的 MAX22200 是一款集成式串行控製螺線管和電機驅動器，展示了精密驅動器對於螺線管的意義（圖 2）。這款 36 V IC 中的 8 個 1 A 半橋驅動器可以並聯，將驅動電流提升一倍，也可配置為全橋
，以驅動多達 4 個閉鎖閥（也稱為雙穩態閥）。

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

該驅動器支持兩種控製方法：電壓驅動調節 (VDR) 和電流驅動調節 (CDR)。使用 VDR 時，器件輸出脈寬調製 (PWM) 電壓
，其占空比可通過 SPI 接口編程。對於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 屬於閉環控製形式
，由集成式無損電流感應電路感測電流，並與內部可編程基準電流進行比較。

不同於簡單的電流源驅動器，MAX22200 可以量身定製電流驅動分布。為了優化螺線管驅動應用中的電源管理


，可以單獨配置每個通道的勵磁驅動電流 (IHIT)


、保持驅動電流 (IHOLD) 和勵磁驅動時間 (tHIT)。此外，它還提供多種與保護和故障相關的功能，包括

· 過流保護 (OCP)
· 負載開路 (OL) 檢測
· 熱關斷 (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準功能。DPM 則需要進一步解釋。舉例而言
，在螺線管控製的閥門中，如果螺線管啟動時閥門工作正常，則電流分布不是單調的（圖 3
，黑色曲線）。相反
，受柱塞運動產生的反向電動勢 (BEMF) 影響

，電流會出現下降（圖 3，藍色曲線）。

圖 3：在驅動螺線管時

，當螺線管從起始電流 (ISTART) 被驅動到最終勵磁驅動電流 (IHIT) 時，MAX22200 可通過判斷預期 BEMF 驅動電流下降與閾值 (IDPM_TH) 的關係來檢測螺線管或閥門是否卡住。（圖片來源：Analog Devices）

當設置並用於螺線管時，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 引腳和內部故障寄存器中設置指示。

評估套件幫助簡化流程

為了解決係統在不同靜態和動態需求以及負載條件下的性能問題

，Analog Devices 為 MAX22200 提供了 MAX22200EVKIT# 螺線管控製電源管理評估板（圖 4）。該評估套件 (EVK) 支持 MAX22200 的串行控製，並支持通過板載 USB 轉 SPI 接口和 MAX32625 微控製器進行故障監測。它包括一個 Windows 兼容的圖形用戶界麵 (GUI)，用於執行 MAX22200 IC 的功能，使其成為一個基於 PC 的完整評估係統。

圖 4：用於 MAX22200 的 MAX22200EVKIT# 螺線管控製電源管理評估板，可通過基於 Windows 的圖形用戶界麵對 IC 及其負載進行充分測試。（圖片來源：Analog Devices）

這塊完整組裝且經過測試的電路板可配置為高壓側/低壓側螺線管，也可用於閉鎖閥（通常由螺線管驅動）或有刷直流電機。

步進電機：控製自由度更高

步進電機比螺線管更複雜

，控製要求更高。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製器和驅動器 IC，具有串行通信接口（SPI、UART）和豐富的診斷功能，並提供嵌入式算法。

圖 5：TMC5240 高性能步進電機控製器和驅動器 IC 中嵌入了複雜的算法，可幫助螺線管和步進電機實現最佳性能。（圖片來源：Analog Devices）

該 IC 包bao含han一yi個ge靈ling活huo的de八ba點dian斜xie坡po發fa生sheng器qi，可ke將jiang自zi動dong目mu標biao定ding位wei中zhong的de急ji動dong度du降jiang至zhi最zui低di。急ji動dong度du是shi加jia速su度du的de變bian化hua率lv
，急ji動dong度du過guo大da會hui導dao致zhi諸zhu多duo係xi統tong問wen題ti及ji性xing能neng問wen題ti。這zhe款kuan步bu進jin電dian機ji驅qu動dong器qi集ji成cheng了le導dao通tong電dian阻zu為wei 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 散熱優化 TSSOP38 封裝。

TMC5240 具有獨特的先進功能，可實現更高的精度
，並支持高能效、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，該功能可實現更快的電機加減速
· SpreadCycle：高精度、逐周期電流控製，可實現最高動態運動
· StallGuard2：為 SpreadCycle 提供無傳感器失速檢測和機械負載測量
· StallGuard4：為 StealthChop 提供無傳感器失速檢測和機械負載測量
· CoolStep：利用 StallGuard 測量調整電機電流，以盡可能提升效率並降低電機和驅動器的發熱量

用yong戶hu可ke以yi預yu先xian設she置zhi這zhe些xie功gong能neng
，並bing在zai電dian機ji運yun行xing周zhou期qi內nei調tiao用yong。此ci外wai
，還hai可ke以yi結jie合he加jia速su度du來lai控kong製zhi扭niu矩ju，在zai達da到dao所suo需xu值zhi的de同tong時shi
，實shi現xian高gao效xiao而er平ping穩wen的de加jia減jian速su。

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 控製器憑借八點運動曲線生成器，可在所需目標位置實時變化的同時保持恒定速度段，從而實現順暢的模式轉換（圖 6）。

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

鑒於該驅動器 IC 的靈活性、多功能性與複雜性，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 的標準原理圖
，並在軟件中提供多個選項，讓設計人員能夠測試不同的工作模式。

圖 7：使用 TMC5240-EVAL 評估板和相關圖形用戶界麵，設計人員可以根據特定的致動器和負載組合，研究並微調 TMC5240 的性能。（圖片來源：Analog Devices）

針對評估和設計要求複雜性較低的設計人員
，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於用戶訪問的針座排上。

總結

通(tong)過(guo)為(wei)螺(luo)線(xian)管(guan)和(he)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)增(zeng)加(jia)智(zhi)能(neng)功(gong)能(neng)，可(ke)提(ti)供(gong)更(geng)好(hao)的(de)控(kong)製(zhi)和(he)故(gu)障(zhang)檢(jian)測(ce)，實(shi)現(xian)實(shi)時(shi)決(jue)策(ce)，並(bing)與(yu)更(geng)高(gao)級(ji)別(bie)的(de)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)或(huo)基(ji)於(yu)人(ren)工(gong)智(zhi)能(neng)的(de)生(sheng)產(chan)力(li)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)通(tong)信(xin)。利(li)用(yong) Analog Devices MAX22200 和 TMC5240 等高度集成的驅動器
，用戶能夠快速啟動並運行高級算法，針對特定應用優化螺線管和步進電機的性能。

（作者：Bill Schweber）

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