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對(duì)于很多工業(yè)應(yīng)用，從簡(jiǎn)單的X-Y工作臺(tái)到復(fù)雜的機(jī)器人技術(shù)以及安全實(shí)施，高效的運(yùn)動(dòng)控制都非常關(guān)鍵。多年以來(lái)，這些功能中設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)和控制電路的方式基本未變。硬件架構(gòu)一般包括一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的微控制器或DSP、提供解碼器輸入和電機(jī)輸出的定制邏輯電路、一組模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC和DAC）、以及用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子和定子電流的模擬電路（對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，一般是一個(gè)H橋FET布局）。
　　

這份很長(zhǎng)的集成電路和分離器件清單無(wú)疑很全面：此類系統(tǒng)經(jīng)常需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口（例如RS-485或CAN）協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)與其它系統(tǒng)動(dòng)作。并且，這種系統(tǒng)還需要外部存儲(chǔ)器來(lái)設(shè)置和存儲(chǔ)各種參數(shù)。它還帶來(lái)沉重的軟件開(kāi)銷：這包括從生成所需驅(qū)動(dòng)波形的低層代碼到故障診斷等較高層控制與監(jiān)視功能的各種開(kāi)銷。
　　
最近，電機(jī)和控制器制造商們已開(kāi)始生產(chǎn)更多集成標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。使用PCB或混合互聯(lián)技術(shù)，所有必需的分離式元件都被組合在一起：整個(gè)主板（或模塊）或者是單獨(dú)提供，或者與電機(jī)集成到一起銷售。
　　
雖然這種次組裝在高電流（幾安培）、多相步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用中有其價(jià)值，但它們?nèi)砸笙喈?dāng)高的編程知識(shí)，并且不適用于空間和成本構(gòu)成重要問(wèn)題的應(yīng)用，尤其是電流要求比較低的情況。
　　
單芯片解決方案
　　因此，半導(dǎo)體供應(yīng)商已將目光轉(zhuǎn)向開(kāi)發(fā)單芯片解決方案，以期取代大部分（有些情況下是全部）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。這些器件的生產(chǎn)一直非常有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈儗?shù)字邏輯電路、高壓開(kāi)關(guān)和模擬功能結(jié)合在了一起。只有用成熟、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的混合信號(hào)處理工藝（比如AMIS I2T、I3T和C5x）的制造商，才有望成功生產(chǎn)這種集成電路。
　　這些亞微型工藝能在同一襯底上將高壓操作、很大的電源范圍、數(shù)字邏輯電路和精密模擬電路結(jié)合起來(lái)。正是這種集成能力，讓AMIS得以推出業(yè)內(nèi)首個(gè)帶有LIN接口的單芯片微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，這也是AMIS-3062x系列特定應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)的一部分。由于使用高級(jí)混合信號(hào)工藝，才能將總線連接、位置控制、控制電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成于單一封裝，使這些器件位于技術(shù)的前沿成為可能。




　　作為最新技術(shù)的一個(gè)范例，圖1提供了AMIS-30623的框圖。這個(gè)集成電路的核心是一個(gè)數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器和一個(gè)H橋布局的50mA至800mA雙極兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。這種驅(qū)動(dòng)器提供微步進(jìn)操作，因此不再需要在速度、噪聲和共振導(dǎo)致的失步之間進(jìn)行權(quán)衡。運(yùn)動(dòng)控制器提供可編程峰值電流，采用20kHz PWM電流控制方案。它還集成了系統(tǒng)通訊接口，有LIN或I2C接口可供選擇。

　　這些設(shè)備的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)就是，所有針對(duì)應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)控制功能都是在廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)編程的。反之，這也明顯減少了工程師要求的編碼工作。實(shí)際上，對(duì)于選擇這種設(shè)備的設(shè)計(jì)人員而言，首要標(biāo)準(zhǔn)往往是易于使用和編程。因此，開(kāi)發(fā)與評(píng)估工具和硬件同等重要。AMIS EVK-3062x（圖2）等評(píng)估工具包內(nèi)包含了通過(guò)USB和LIN或I2C將控制器連接到個(gè)人電腦所需的全部工具。該工具包能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)這一系列四種設(shè)備中任何一種基于GUI或腳本的控制。

　　開(kāi)發(fā)階段的靈活性是縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間的關(guān)鍵。出于同一原因，設(shè)計(jì)人員在選擇運(yùn)動(dòng)控制器時(shí)非常重視眾多的存儲(chǔ)器選件。特別是設(shè)備的閃存版本，它允許在開(kāi)發(fā)應(yīng)用及之后測(cè)試和調(diào)試軟件時(shí)進(jìn)行再編程。這顯著加快了設(shè)計(jì)更迭的速度。

接口選件
　　從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)，通信接口選件也很關(guān)鍵，常見(jiàn)的兩種是LIN和I2C。LIN特別適于實(shí)現(xiàn)總線型架構(gòu)。在包括汽車工業(yè)在內(nèi)的遠(yuǎn)程或分布式應(yīng)用中，這種架構(gòu)可以減少布線和改善EMC性能。配有I2C的設(shè)備更適合在獨(dú)立PCB上與本地微處理器一起用作外圍設(shè)備。

　　設(shè)計(jì)師認(rèn)為最合適的接口，將被用于將高水平位置的指令傳遞到電機(jī)控制芯片，該芯片是主驅(qū)動(dòng)器或控制器的有力部件。在發(fā)送指令之外，主驅(qū)動(dòng)器或控制器能向設(shè)備詢問(wèn)狀態(tài)信息，比如實(shí)際位置和錯(cuò)誤標(biāo)記：接口還能用于設(shè)定運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，比如微步進(jìn)分辨率、運(yùn)行電流、保持電流、加速度和減速度，這些通常更多的是保留在一次性可編程存儲(chǔ)器中。
傳感器或無(wú)傳感器
　　選定一個(gè)接口之后，設(shè)計(jì)師的下一個(gè)任務(wù)就是在基于傳感器和無(wú)傳感器控制環(huán)路策略之間做出選擇。后者在定子線圈中使用了反電勢(shì)（或電流），以推斷出轉(zhuǎn)子位置，結(jié)果是產(chǎn)生了一個(gè)只有很少外部元件容噪的系統(tǒng)?；趥鞲衅鞯姆答佋黾恿艘粋€(gè)外部傳感器元件，也造就了高質(zhì)量閉路控制。它提供了一個(gè)全天候轉(zhuǎn)子位置的絕對(duì)測(cè)量方法，這對(duì)于時(shí)間關(guān)鍵和高動(dòng)態(tài)的應(yīng)用會(huì)很重要，不過(guò)增加的傳感器提高了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

　　許多基于步進(jìn)電機(jī)的位置控制器不需要轉(zhuǎn)子測(cè)量位置的連續(xù)反饋。這種“開(kāi)路”運(yùn)行依賴正確的設(shè)計(jì)，只要求檢測(cè)“運(yùn)行結(jié)束”位置和阻止轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的事件。一般而言，正常運(yùn)行可通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法得到驗(yàn)證，方法是在轉(zhuǎn)子處于給定位置時(shí)閉合／打開(kāi)一個(gè)簡(jiǎn)易開(kāi)關(guān)。AMIS-3062x系列提供與嵌入位置控制器同步的開(kāi)關(guān)輸入，因此也適用這種方法。另外，該系列還能夠?qū)崿F(xiàn)完全無(wú)傳感器的運(yùn)動(dòng)控制。集成式無(wú)傳感器停轉(zhuǎn)檢測(cè)功能可以防止失步，還能夠在電機(jī)出現(xiàn)機(jī)械障礙時(shí)停止電機(jī)。它的使用非常簡(jiǎn)單，只需預(yù)編程參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)。它還允許在接近系統(tǒng)機(jī)械終點(diǎn)止動(dòng)位時(shí)執(zhí)行半閉路運(yùn)行。對(duì)于AMIS-3062x，無(wú)傳感器停轉(zhuǎn)檢測(cè)不需要額外編程，能保證快速、經(jīng)濟(jì)而且可靠的實(shí)施。

微步進(jìn)
　　工業(yè)工程師應(yīng)該熟知微步進(jìn)電機(jī)概念，一般大多數(shù)集成控制器都為設(shè)計(jì)師提供了分辨率選擇：對(duì)于AMIS-3062x系列，就有1/2、1/4、1/8和1/16步進(jìn)操作可用。微步進(jìn)以更低的頻率產(chǎn)生更平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)和更高效的操作，使系統(tǒng)更能免于受共振效果影響，因?yàn)樗巳虬氩竭M(jìn)系統(tǒng)所產(chǎn)生的大型不連貫波形。總體效果就是更低的機(jī)械和電機(jī)震動(dòng)及噪音。

　　當(dāng)然，利用微步進(jìn)優(yōu)勢(shì)的能力取決于控制器將驅(qū)動(dòng)電流調(diào)整至更高精密度的能力，不管是在振幅還是時(shí)序方面。H橋內(nèi)的兩種驅(qū)動(dòng)電流的比率能夠確定電機(jī)位置，而扭矩則由振幅控制。這種控制對(duì)準(zhǔn)確度的需求與此應(yīng)用中要求的最大驅(qū)動(dòng)電流一樣是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。

　　幾項(xiàng)設(shè)備規(guī)格一起影響了這些參數(shù)：比如，PWM頻率的合適選擇（在一般的AMIS-3
026x中為20kHz），而振蕩器的頻率和精密度也就由此得出了（4MHz、±10%）。但驅(qū)動(dòng)器的瞬變開(kāi)關(guān)時(shí)間也很重要：AMIS-3026x針對(duì)這些數(shù)量分別規(guī)定了350ns和250ns的規(guī)格。該設(shè)備還包括作為精密度參考的片內(nèi)平衡電壓源。最后，被選中的運(yùn)動(dòng)控制器必須能夠提供所需的高端驅(qū)動(dòng)電流：AMIS設(shè)備為此提供了一個(gè)集成的250kHz電荷泵。
　　
尺寸和功率
　　確認(rèn)了擁有所需性能的設(shè)備后，設(shè)計(jì)人員還必須記住在許多應(yīng)用中都必須考慮的兩個(gè)因素：尺寸和功耗。汽車、工業(yè)設(shè)備和樓宇自動(dòng)化等應(yīng)用經(jīng)常需要將運(yùn)動(dòng)控制器直接安裝在電機(jī)上，要求使用有結(jié)實(shí)包裝的小型組件。采用Micro Leadframe (MLF)包裝的設(shè)備現(xiàn)已上市，它們是此類應(yīng)用的理想之選。這種“近芯片尺度”NQFP包裝的橫斷面不足1mm，占用面積僅為7mm×7mm。這種新設(shè)備的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)采用裸露下墊板設(shè)計(jì)，熱阻得到顯著改善，這有助于更有效地從集成電路向安裝基體散熱。同樣重要的是設(shè)備的集成度：例如，大多數(shù)控制器芯片都將至少包含功率應(yīng)用中通常所需的一些保護(hù)功能。這些功能包括過(guò)電流、欠壓與過(guò)壓、高溫與低溫警告和管理。一般而言，這些不是“額外功能”：有一些必需的系統(tǒng)零件，一旦沒(méi)有裝進(jìn)控制器，就需要額外的元件以實(shí)現(xiàn)其功能。

　　同時(shí)功耗是一個(gè)需要從兩方面看待的問(wèn)題。主要用于H橋FET內(nèi)的主動(dòng)散熱不僅浪費(fèi)能源而且還會(huì)導(dǎo)致工作溫度升高：而這反過(guò)來(lái)又會(huì)導(dǎo)致需要使用額外的冷卻組件，并且還會(huì)影響長(zhǎng)期可靠性。另一方面，在汽車等應(yīng)用中，睡眠模式功耗是一個(gè)比較特殊的問(wèn)題，因?yàn)樵O(shè)備將在關(guān)機(jī)模式耗用大量時(shí)間，等待中斷或按鍵。關(guān)機(jī)供電電流一般為50礎(chǔ)的設(shè)備（如AMIS-3026x）特別適合此類應(yīng)用。
　　
未來(lái)前景
　　今天，單芯片電機(jī)控制器正迅速地從基于分離式設(shè)備的解決方案中搶奪市場(chǎng)份額。雖然一些應(yīng)用仍然要求采用子系統(tǒng)方法，ASSP產(chǎn)品正在逐漸興起。AMIS預(yù)計(jì)未來(lái)發(fā)展集中在兩個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。第一是將驅(qū)動(dòng)電流提高至2.5A以上，但同時(shí)，設(shè)計(jì)人員也期望更高的集成水平和更小的整體系統(tǒng)尺寸。

　　第二，將來(lái)的設(shè)備能夠提供更大的靈活性。這不但能在單一應(yīng)用中提升可取得的功能范圍，也能在多個(gè)項(xiàng)目中部署同樣的硬件，減輕設(shè)計(jì)人員的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

　　對(duì)所有這些時(shí)下和將來(lái)發(fā)展起關(guān)鍵作用的，是將在不同電壓下工作的混合信號(hào)電路、特殊應(yīng)用軟件和易于使用的開(kāi)發(fā)工具集成在一起的能力。隨著像AMIS這樣的公司不斷擴(kuò)大這些技術(shù)的應(yīng)用范圍，模擬世界和數(shù)字世界越來(lái)越接近，這將為設(shè)計(jì)人員解決當(dāng)今現(xiàn)實(shí)世界中的問(wèn)題帶來(lái)切實(shí)的好處。

　　作者簡(jiǎn)介：Guido Remmerie, AMI Semiconductor公司工業(yè)產(chǎn)品部門經(jīng)理