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ADI電機運動控制解決方案驅動智能運動新時代

文章來源：永阜康科技更新時間：2024/12/13 11:48:00

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隨著工業自動化、智能制造和物聯網的發展，市場對運動控制解決方案的需求持續增長。作為驅動機械運動的關鍵技術，電機和運動控制系統被廣泛應用于工業自動化、機器人、消費電子、醫療設備、自動駕駛以及智能家居等多個行業。據市場調研公司GMI預測，2023年，全球運動控制市場的規模約為203億美元；市場預計在2024至2032年期間的復合年增長率（CAGR）為5.5%，2032年，市場規模預計達到334億美元。

電機和運動控制是現代工業和技術應用的核心領域。ADI擁有業界領先的電機和運動控制產品，旨在將數字信息完美地轉換為物理運動，使工業4.0能夠在先進機器人、自動化、醫療假肢、3D打印等應用中發揮作用。從底層芯片到上位模塊，ADI可提供全方位的解決方案，而且產品組合十分廣泛，包括電機、編碼器、電機控制IC和模塊，可提高智能運動系統的效率、縮小物理尺寸，并縮短上市時間。

步進電機（Step Motor）

步進電機是一種能夠將電脈沖信號轉換成精確角位移的電動機，通常由定子和轉子兩部分組成。定子上有繞組，轉子上有齒，通過控制定子繞組的通電順序，電機能夠以固定的步進角度逐步旋轉。步進電機通過將電能轉化為機械能，可以通過精確和可預測的方式控制運動，因此廣泛應用于需要精確定位和速度控制的場合。

根據結構和工作原理，步進電機可分為多種類型，包括：永磁式步進電機（PM）、可變磁阻步進電機（VR）和混合式步進電機（HB）。每種類型都有其獨特的特點和應用場景。按照驅動方式的不同，也可以分為雙極性和單極性步進電機。選擇合適的步進電機類型，取決于具體的應用需求，包括精度、轉矩、速度和成本等因素。

步進電機的工作原理是通過電機線圈發送電流，產生電磁場，迫使磁性轉子進入所需位置。這可以使用附加電流狀態，以全步、半步或更小的微步來完成。微步進可提高步進電機應用的精度、扭矩、能源效率和平滑度，同時減少步進損耗、振動和噪聲。

步進電機驅動器可通過將全步細分成更小的微步，以便使用正弦電流波形進行控制，從而實現極高精度和平滑度的運動。ADI Trinamic™技術將每一個全步細分成最多256個微步，讓數字信息轉化為平滑的物理運動。由此產生的電流控制方案可減少噪聲和振動，同時提高可實現的扭矩和精度。

步進電機是耐用型開環電機，是唯一在開環情況下既可以精確的控制位置，又可以精確地實現速度的一類電機。與其他電機相比具有多方面的優勢，比如低速和靜止狀態時具有高扭矩、邊際定位誤差不會累積、對啟動/停止響應出色、具有成本效益且易于使用。當需要精確可靠的開環定位時，步進電機就是優先選擇。

針對ADI的步進電機驅動器產品，全球排名前列的電子元器件授權代理商WT文曄科技結合當前市場，重點推薦一款效率和空間都優于市場同級產品的靜音步進電機驅動器 TMC5240。

TMC5240是一款智能高性能步進電機控制器和驅動器IC，具有串行通信接口（SPI、UART）和廣泛的診斷功能。它結合了靈活的、經過加加速度優化的斜坡發生器（用于自動目標定位）和業界最先進的步進電機驅動器（基于256步內置索引器和兩個完全集成的36V、3.0A（最大） H橋以及非耗散集成電流感應（ICS）。

該控制器效率約為目前市場其他方案的兩倍，空間方面高度集成（節省60%+），擁有卓越的電流控制和運動控制。ADI先進的 StealthChop2 斬波器可確保確保達到業界極低的噪聲水平，并確保效率和扭矩。高集成度、高能效和小尺寸使系統小型化和可擴展，從而實現經濟高效的解決方案。完整的解決方案大大降低了應用開發者的學習曲線，同時提供了比同類競品更優秀的性能表現。

伺服電機（BLDC/PMSM/DC Servo Controller）

伺服電機是一種能夠精確控制角度、速度和位置的電動機，廣泛應用于需要高精度運動控制的領域。伺服電機與伺服控制器（Servo Controller）協同工作，形成閉環控制系統，通過伺服控制系統接收指令信號，并將其轉化為電機軸的運動，以實現精確的定位和速度控制。

伺服電機控制器來控制伺服電機，該系統廣泛應用于需要精確位置、速度和力矩控制的領域，如工業自動化、機器人、數控機床、醫療設備和自動化生產線。與步進電機控制器不同的是，伺服控制器的核心功能是實現閉環控制（Closed-loop Control）。本次介紹的伺服控制器主要包含無刷直流電機（BLDC）、永磁同步電機（PMSM）以及直流電機伺服控制器。

首先，無刷直流電機伺服控制器通過電子換向技術和閉環控制系統來實現對BLDC電機的精確控制，廣泛應用于需要高精度、高效率和高響應速度的應用場景，如工業自動化、機器人技術和精密儀器；PMSM/DC伺服控制器的核心也在于實現對電機的閉環控制，以達到對位置、速度和力矩的精確把控，因此同樣用于該場景。

根據市場表現，文曄重點推薦一款為BLDC/PMSM、2相步進電機以及直流電機和音圈提供磁場定向控制（FOC）的業界完全集成的伺服控制器 TMC4671。所有控制功能均在硬件中實現，集成的ADC、位置傳感器接口、位置插值器使全功能伺服控制器能夠適用于各種伺服應用，比如機器人、拾放機、工廠自動化、電動汽車等。

ADI TMC4671是專用于運動控制器功能強大的芯片，可以極大限度提高驅動效率和動態性能，而且通過硬件中的所有時間關鍵計算，開發動態伺服控制器僅需要幾行代碼，因此能快速縮短高性能伺服控制器的上市時間。

TMC4671具有高達100kHz的開關頻率和控制器更新速率，并具有濾波和插值功能，如數字霍爾信號插值，以實現更順暢的操作。該集成電路可以與各類編碼器協同工作，從A/B/Z增量式簡單的數字或模擬霍爾傳感器到高分辨率正弦/余弦模擬編碼器。傳感器可靈活地映射為位置和速度控制回路的輸入。

直流有刷電機（DC Motor）

直流有刷電機（Brushed DC Motor）是一種通過機械換向器和電刷來實現電流換向，從而驅動電機轉子的電機，由定子（通常是永磁體）和轉子（線圈繞組）組成。它是常見的電機類型之一，具有結構簡單、成本低和控制方便等特點，廣泛應用于各類小型電動工具、家用電器、玩具和汽車等領域。

直流有刷電機驅動器負責提供直流有刷電機所需的電流和電壓以控制電機的速度和方向，該系統盡管面臨無刷電機系統的競爭壓力，但簡單的控制方式、低成本和廣泛的應用領域仍然使其在市場中占據重要地位。未來的發展將集中在提高能效、智能化、微型化、改善EMI/EMC性能以及滿足特定市場需求等方面。

對此，文曄結合當前市場重點推薦ADI的一款超小尺寸單通道有刷電機驅動器解決方案 MAX22201/2/7。該芯片集成一個36V、3.5A峰值全橋，可驅動一個有刷直流電機。全橋具有極低阻抗FET，典型RON（高側+低側）為0.3Ω，可實現高驅動效率。3.5A的額定峰值電流受過流保護閾值（OCP）限制。峰值電流定義為驅動器針對短暫瞬變可提供的最大電流。

值得一提的是，該驅動器的最大有效值電流（RMS）為2A，通常受散熱考慮因素限制。2ARMS電流值是指標準JEDEC 4層板在25°C環境溫度下得到的數值。實際最大工作電流取決于應用的熱特性（PCB接地平面、散熱器、通風等）。

MAX22201/2/7具有準確的無損耗集成電流檢測（ICS）功能和嵌入式內部電流驅動調節（CDR）電路，用于監測通過電機線圈的電流并限制峰值輸出電流。當電機電流超過限流閾值時，全橋進入衰減模式并持續固定的關斷時間（t_OFF）。

對于有刷電機驅動應用，電流驅動調節可確保驅動器在正常條件下或電機啟動和失速條件下安全可靠地運行，同時降低系統電源和電源旁路要求。內部感測電流的縮放副本輸出到外部引腳（ISEN）。所有版本均具有過流保護（OCP）、熱關斷（TSD）和欠壓保護（UVLO）功能。每次檢測到故障條件時，都會激活開漏低電平有效故障指示引腳（FAULT）。

該器件采用小型TDFN12 3mm x 3mm封裝。MAX22201/2/7具有小尺寸封裝、高效率并集成準確的電流檢測功能，因此非常適合空間和功耗敏感型應用，比如有刷直流電機驅動、鎖閉閥和電磁閥以及單相步進電機驅動。

H橋驅動器（H-Bridge Driver）

H橋驅動器（H-Bridge Driver）是一種電路配置，用于控制直流電機的方向和速度。它利用四個開關（通常是晶體管或MOSFET）以“橋”的形式連接，允許電流在兩個方向上流過電機。H橋驅動器廣泛應用于機器人、電動工具、汽車電動座椅和工業自動化等領域。

H橋驅動器擁有諸多優勢，比如可以雙向控制電機的正反轉，適用于需要頻繁變換轉動方向的應用；可以通過脈寬調制（PWM）技術精確控制電機速度；可以通過同時導通對角線的開關使電機快速停止（短路制動）；還有結構簡單、成本較低等優點。

H橋驅動器是一種靈活且高效的電機控制解決方案，通過合理選擇和設計可以實現對直流電機的雙向控制和速度調節，提高系統的性能和可靠性。WT文曄結合當前市場，重點推薦一款具有集成電流檢測功能的業界超小65V、3.8A雙通道有刷或單通道步進電機驅動器解決方案 MAX22203。

MAX22203是一款雙通道65V、3.8A_MAX H橋驅動器，提供PWM輸入和高精度的電流驅動調節（CDR），集成的CDR可以限制有刷直流電機的啟動或停止其電流，或控制步進點擊操作的相電流。每個H橋都可以單獨控制，并且具有0.3Ω的超低典型RON（高側+低側），可實現高驅動效率和低發熱。MAX22203可用于驅動兩個有刷直流電機或單個步進電機。

電橋輸出電流由無損耗集成電流檢測（ICS）功能進行檢測，無需使用體積較大的外部功率電阻（對于此功能通常是必要的），并與可配置的閾值電流（ITRIP）進行比較。通過將外部電阻連接到引腳REFA和REFB，可以為兩個全橋獨立設置ITRIP閾值。

每個H橋的最大輸出電流為I_MAX= 3.8A，并受過流保護（OCP）電路限制。可以為非常短暫的瞬變驅動該電流，旨在有效驅動小電容負載。用戶可配置的最大電流調節閾值為I_{TRIP_MAX} = 3A。在標準JEDEC 4層板上，每個H橋的最大RMS電流（I_RMS）為2A_RMS。最大RMS電流可能受到散熱考慮因素的限制，并取決于應用的熱特性（PCB接地層、散熱器、強制通風等）。

MAX22203具有過流保護（OCP）、熱關斷（TSD）和欠壓閉鎖（UVLO）功能。每次檢測到故障條件時，都會激活一個開漏低電平有效nFAULT引腳。在熱關斷和欠壓鎖定期間，驅動器為三態，直到恢復正常工作為止。該期間采用小型TQFN38 5mm x 7mm封裝。

綜上所述，ADI運動控制解決方案憑借其先進的技術和卓越的性能，滿足了工業自動化、智能制造和物聯網領域的嚴格要求。通過創新的StealthChop2斬波技術和高精度電流控制，確保無噪音運行和優異的電機扭矩控制。TMC4671伺服控制器和MAX22203 H橋驅動器的高效動態響應和精確電流調節，使其在各種高要求應用中表現出色。

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