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作者：WT文曄科技 隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化、智能制造和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，市場(chǎng)對運動(dòng)控制解決方案的需求持續增長(cháng)。作為驅動(dòng)機械運動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)，電機和運動(dòng)控制系統被廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化、機器人、消費電子、醫療設備、自動(dòng)駕駛以及智能家居等多個(gè)行業(yè)。據市場(chǎng)調研公司GMI預測，2023年，全球運動(dòng)控制市場(chǎng)的規模約為203億美元；市場(chǎng)預計在2024至2032年期間的復合年增長(cháng)率（CAGR）為5.5%，2032年，市場(chǎng)規模預計達到334億美元。 
電機和運動(dòng)控制是現代工業(yè)和技術(shù)應用的核心領(lǐng)域。ADI擁有業(yè)界領(lǐng)先的電機和運動(dòng)控制產(chǎn)品，旨在將數字信息完美地轉換為物理運動(dòng)，使工業(yè)4.0能夠在先進(jìn)機器人、自動(dòng)化、醫療假肢、3D打印等應用中發(fā)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(chǎn)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(dòng)系統的效率、縮小物理尺寸，并縮短上市時(shí)間。
步進(jìn)電機（Step Motor） 步進(jìn)電機是一種能夠將電脈沖信號轉換成精確角位移的電動(dòng)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(guò)控制定子繞組的通電順序，電機能夠以固定的步進(jìn)角度逐步旋轉。步進(jìn)電機通過(guò)將電能轉化為機械能，可以通過(guò)精確和可預測的方式控制運動(dòng)，因此廣泛應用于需要精確定位和速度控制的場(chǎng)合。 根據結構和工作原理，步進(jìn)電機可分為多種類(lèi)型，包括：永磁式步進(jìn)電機（PM）、可變磁阻步進(jìn)電機（VR）和混合式步進(jìn)電機（HB）。每種類(lèi)型都有其獨特的特點(diǎn)和應用場(chǎng)景。按照驅動(dòng)方式的不同，也可以分為雙極性和單極性步進(jìn)電機。選擇合適的步進(jìn)電機類(lèi)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(jìn)電機的工作原理是通過(guò)電機線(xiàn)圈發(fā)送電流，產(chǎn)生電磁場(chǎng)，迫使磁性轉子進(jìn)入所需位置。這可以使用附加電流狀態(tài)，以全步、半步或更小的微步來(lái)完成。微步進(jìn)可提高步進(jìn)電機應用的精度、扭矩、能源效率和平滑度，同時(shí)減少步進(jìn)損耗、振動(dòng)和噪聲。 步進(jìn)電機驅動(dòng)器可通過(guò)將全步細分成更小的微步，以便使用正弦電流波形進(jìn)行控制，從而實(shí)現極高精度和平滑度的運動(dòng)。ADI Trinamic™技術(shù)將每一個(gè)全步細分成最多256個(gè)微步，讓數字信息轉化為平滑的物理運動(dòng)。由此產(chǎn)生的電流控制方案可減少噪聲和振動(dòng)，同時(shí)提高可實(shí)現的扭矩和精度。 步進(jìn)電機是耐用型開(kāi)環(huán)電機，是唯一在開(kāi)環(huán)情況下既可以精確的控制位置，又可以精確地實(shí)現速度的一類(lèi)電機。與其他電機相比具有多方面的優(yōu)勢，比如低速和靜止狀態(tài)時(shí)具有高扭矩、邊際定位誤差不會(huì )累積、對啟動(dòng)/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(kāi)環(huán)定位時(shí)，步進(jìn)電機就是優(yōu)先選擇。 針對ADI的步進(jìn)電機驅動(dòng)器產(chǎn)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(chǎng)，重點(diǎn)推薦一款效率和空間都優(yōu)于市場(chǎng)同級產(chǎn)品的靜音步進(jìn)電機驅動(dòng)器 TMC5240。 TMC5240是一款智能高性能步進(jìn)電機控制器和驅動(dòng)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(jīng)過(guò)加加速度優(yōu)化的斜坡發(fā)生器（用于自動(dòng)目標定位）和業(yè)界最先進(jìn)的步進(jìn)電機驅動(dòng)器（基于256步內置索引器和兩個(gè)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(chǎng)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(dòng)控制。ADI先進(jìn)的 StealthChop2 斬波器可確保確保達到業(yè)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(shí)現經(jīng)濟高效的解決方案。完整的解決方案大大降低了應用開(kāi)發(fā)者的學(xué)習曲線(xiàn)，同時(shí)提供了比同類(lèi)競品更優(yōu)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(dòng)機，廣泛應用于需要高精度運動(dòng)控制的領(lǐng)域。伺服電機與伺服控制器（Servo Controller）協(xié)同工作，形成閉環(huán)控制系統，通過(guò)伺服控制系統接收指令信號，并將其轉化為電機軸的運動(dòng)，以實(shí)現精確的定位和速度控制。 伺服電機控制器來(lái)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(lǐng)域，如工業(yè)自動(dòng)化、機器人、數控機床、醫療設備和自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)。與步進(jìn)電機控制器不同的是，伺服控制器的核心功能是實(shí)現閉環(huán)控制（Closed-loop Control）。本次介紹的伺服控制器主要包含無(wú)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(wú)刷直流電機伺服控制器通過(guò)電子換向技術(shù)和閉環(huán)控制系統來(lái)實(shí)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(chǎng)景，如工業(yè)自動(dòng)化、機器人技術(shù)和精密儀器；PMSM/DC伺服控制器的核心也在于實(shí)現對電機的閉環(huán)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(chǎng)景。 根據市場(chǎng)表現，文曄重點(diǎn)推薦一款為BLDC/PMSM、2相步進(jìn)電機以及直流電機和音圈提供磁場(chǎng)定向控制（FOC）的業(yè)界完全集成的伺服控制器 TMC4671。所有控制功能均在硬件中實(shí)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(chǎng)自動(dòng)化、電動(dòng)汽車(chē)等。 ADI TMC4671是專(zhuān)用于運動(dòng)控制器功能強大的芯片，可以極大限度提高驅動(dòng)效率和動(dòng)態(tài)性能，而且通過(guò)硬件中的所有時(shí)間關(guān)鍵計算，開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)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(shí)間。 TMC4671具有高達100kHz的開(kāi)關(guān)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(shí)現更順暢的操作。該集成電路可以與各類(lèi)編碼器協(xié)同工作，從A/B/Z增量式簡(jiǎn)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(guò)機械換向器和電刷來(lái)實(shí)現電流換向，從而驅動(dòng)電機轉子的電機，由定子（通常是永磁體）和轉子（線(xiàn)圈繞組）組成。它是常見(jiàn)的電機類(lèi)型之一，具有結構簡(jiǎn)單、成本低和控制方便等特點(diǎn)，廣泛應用于各類(lèi)小型電動(dòng)工具、家用電器、玩具和汽車(chē)等領(lǐng)域。 直流有刷電機驅動(dòng)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(wú)刷電機系統的競爭壓力，但簡(jiǎn)單的控制方式、低成本和廣泛的應用領(lǐng)域仍然使其在市場(chǎng)中占據重要地位。未來(lái)的發(fā)展將集中在提高能效、智能化、微型化、改善EMI/EMC性能以及滿(mǎn)足特定市場(chǎng)需求等方面。 對此，文曄結合當前市場(chǎng)重點(diǎn)推薦ADI的一款超小尺寸單通道有刷電機驅動(dòng)器解決方案 MAX22201/2/7。該芯片集成一個(gè)36V、3.5A峰值全橋，可驅動(dòng)一個(gè)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(shí)現高驅動(dòng)效率。3.5A的額定峰值電流受過(guò)流保護閾值（OCP）限制。峰值電流定義為驅動(dòng)器針對短暫瞬變可提供的最大電流。 值得一提的是，該驅動(dòng)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(huán)境溫度下得到的數值。實(shí)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(fēng)等）。 MAX22201/2/7具有準確的無(wú)損耗集成電流檢測（ICS）功能和嵌入式內部電流驅動(dòng)調節（CDR）電路，用于監測通過(guò)電機線(xiàn)圈的電流并限制峰值輸出電流。當電機電流超過(guò)限流閾值時(shí)，全橋進(jìn)入衰減模式并持續固定的關(guān)斷時(shí)間（tOFF）。 對于有刷電機驅動(dòng)應用，電流驅動(dòng)調節可確保驅動(dòng)器在正常條件下或電機啟動(dòng)和失速條件下安全可靠地運行，同時(shí)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(guò)流保護（OCP）、熱關(guān)斷（TSD）和欠壓保護（UVLO）功能。每次檢測到故障條件時(shí)，都會(huì )激活開(kāi)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(dòng)、鎖閉閥和電磁閥以及單相步進(jìn)電機驅動(dòng)。
H橋驅動(dòng)器（H-Bridge Driver） H橋驅動(dòng)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(gè)開(kāi)關(guān)（通常是晶體管或MOSFET）以“橋”的形式連接，允許電流在兩個(gè)方向上流過(guò)電機。H橋驅動(dòng)器廣泛應用于機器人、電動(dòng)工具、汽車(chē)電動(dòng)座椅和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。 H橋驅動(dòng)器擁有諸多優(yōu)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(dòng)方向的應用；可以通過(guò)脈寬調制（PWM）技術(shù)精確控制電機速度；可以通過(guò)同時(shí)導通對角線(xiàn)的開(kāi)關(guān)使電機快速停止（短路制動(dòng)）；還有結構簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。 H橋驅動(dòng)器是一種靈活且高效的電機控制解決方案，通過(guò)合理選擇和設計可以實(shí)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(chǎng)，重點(diǎn)推薦一款具有集成電流檢測功能的業(yè)界超小65V、3.8A雙通道有刷或單通道步進(jìn)電機驅動(dòng)器解決方案 MAX22203。 MAX22203是一款雙通道65V、3.8AMAX H橋驅動(dòng)器，提供PWM輸入和高精度的電流驅動(dòng)調節（CDR），集成的CDR可以限制有刷直流電機的啟動(dòng)或停止其電流，或控制步進(jìn)點(diǎn)擊操作的相電流。每個(gè)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(shí)現高驅動(dòng)效率和低發(fā)熱。MAX22203可用于驅動(dòng)兩個(gè)有刷直流電機或單個(gè)步進(jìn)電機。 電橋輸出電流由無(wú)損耗集成電流檢測（ICS）功能進(jìn)行檢測，無(wú)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(jìn)行比較。通過(guò)將外部電阻連接到引腳REFA和REFB，可以為兩個(gè)全橋獨立設置ITRIP閾值。 每個(gè)H橋的最大輸出電流為IMAX = 3.8A，并受過(guò)流保護（OCP）電路限制�？梢詾榉浅６虝旱乃沧凃寗�(dòng)該電流，旨在有效驅動(dòng)小電容負載。用戶(hù)可配置的最大電流調節閾值為ITRIP_MAX = 3A。在標準JEDEC 4層板上，每個(gè)H橋的最大RMS電流（IRMS）為2ARMS。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(fēng)等）。 MAX22203具有過(guò)流保護（OCP）、熱關(guān)斷（TSD）和欠壓閉鎖（UVLO）功能。每次檢測到故障條件時(shí)，都會(huì )激活一個(gè)開(kāi)漏低電平有效nFAULT引腳。在熱關(guān)斷和欠壓鎖定期間，驅動(dòng)器為三態(tài)，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(dòng)控制解決方案憑借其先進(jìn)的技術(shù)和卓越的性能，滿(mǎn)足了工業(yè)自動(dòng)化、智能制造和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的嚴格要求。通過(guò)創(chuàng )新的StealthChop2斬波技術(shù)和高精度電流控制，確保無(wú)噪音運行和優(yōu)異的電機扭矩控制。TMC4671伺服控制器和MAX22203 H橋驅動(dòng)器的高效動(dòng)態(tài)響應和精確電流調節，使其在各種高要求應用中表現出色。 此外，文曄與ADI長(cháng)期合作、持續創(chuàng )新。通過(guò)提供全面的技術(shù)支持和定制化的解決方案，文曄不僅幫助客戶(hù)應對當前的技術(shù)挑戰，還為未來(lái)的技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)需求提供了堅實(shí)的支持。相信憑借高效、精確和可擴展等領(lǐng)先特性，ADI運動(dòng)控制解決方案將在推動(dòng)行業(yè)技術(shù)創(chuàng )新和發(fā)展中繼續發(fā)揮重要作用。 |
