【精准高效驱动智能运动新时代】深入探讨ADI电机运动控制方案

Excelpoint世健 2024-12-10 09:04 262浏览 0评论 0点赞

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随着工业自动化、智能制造和物联网的发展，市场对运动控制解决方案的需求持续增长。作为驱动机械运动的关键技术，电机和运动控制系统被广泛应用于工业自动化、机器人、消费电子、医疗设备、自动驾驶以及智能家居等多个行业。据市场调研公司GMI预测，2023年，全球运动控制市场的规模约为203亿美元；市场预计在2024至2032年期间的复合年增长率（CAGR）为5.5%，2032年，市场规模预计达到334亿美元。

电机和运动控制是现代工业和技术应用的核心领域。ADI拥有业界领先的电机和运动控制产品，旨在将数字信息完美地转换为物理运动，使工业4.0能够在先进机器人、自动化、医疗假肢、3D打印等应用中发挥作用。从底层芯片到上位模块，ADI可提供全方位的解决方案，而且产品组合十分广泛，包括电机、编码器、电机控制IC和模块，可提高智能运动系统的效率、缩小物理尺寸，并缩短上市时间。

步进电机（Step Motor）

步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成精确角位移的电动机，通常由定子和转子两部分组成。定子上有绕组，转子上有齿，通过控制定子绕组的通电顺序，电机能够以固定的步进角度逐步旋转。步进电机通过将电能转化为机械能，可以通过精确和可预测的方式控制运动，因此广泛应用于需要精确定位和速度控制的场合。

根据结构和工作原理，步进电机可分为多种类型，包括：永磁式步进电机（PM）、可变磁阻步进电机（VR）和混合式步进电机（HB）。每种类型都有其独特的特点和应用场景。按照驱动方式的不同，也可以分为双极性和单极性步进电机。选择合适的步进电机类型，取决于具体的应用需求，包括精度、转矩、速度和成本等因素。

步进电机的工作原理是通过电机线圈发送电流，产生电磁场，迫使磁性转子进入所需位置。这可以使用附加电流状态，以全步、半步或更小的微步来完成。微步进可提高步进电机应用的精度、扭矩、能源效率和平滑度，同时减少步进损耗、振动和噪声。

步进电机驱动器可通过将全步细分成更小的微步，以便使用正弦电流波形进行控制，从而实现极高精度和平滑度的运动。ADI Trinamic™技术将每一个全步细分成最多256个微步，让数字信息转化为平滑的物理运动。由此产生的电流控制方案可减少噪声和振动，同时提高可实现的扭矩和精度。

步进电机是耐用型开环电机，是唯一在开环情况下既可以精确的控制位置，又可以精确地实现速度的一类电机。与其他电机相比具有多方面的优势，比如低速和静止状态时具有高扭矩、边际定位误差不会累积、对启动/停止响应出色、具有成本效益且易于使用。当需要精确可靠的开环定位时，步进电机就是优先选择。

针对ADI的步进电机驱动器产品，全球排名前列的电子元器件授权代理商WT文晔科技结合当前市场，重点推荐一款效率和空间都优于市场同级产品的静音步进电机驱动器TMC5240。

TMC5240是一款智能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）和广泛的诊断功能。它结合了灵活的、经过加加速度优化的斜坡发生器（用于自动目标定位）和业界最先进的步进电机驱动器（基于256步内置索引器和两个完全集成的 36V、3.0A(最大) H桥以及非耗散集成电流感应(ICS)。

该控制器效率约为目前市场其他方案的两倍，空间方面高度集成（节省60%+），拥有卓越的电流控制和运动控制。ADI先进的 StealthChop2 斩波器可确保确保达到业界极低的噪声水平，并确保效率和扭矩。高集成度、高能效和小尺寸使系统小型化和可扩展，从而实现经济高效的解决方案。完整的解决方案大大降低了应用开发者的学习曲线，同时提供了比同类竞品更优秀的性能表现。

伺服电机（BLDC/PMSM

/DC Servo Controller）

伺服电机是一种能够精确控制角度、速度和位置的电动机，广泛应用于需要高精度运动控制的领域。伺服电机与伺服控制器（Servo Controller）协同工作，形成闭环控制系统，通过伺服控制系统接收指令信号，并将其转化为电机轴的运动，以实现精确的定位和速度控制。

伺服电机控制器来控制伺服电机，该系统广泛应用于需要精确位置、速度和力矩控制的领域，如工业自动化、机器人、数控机床、医疗设备和自动化生产线。与步进电机控制器不同的是，伺服控制器的核心功能是实现闭环控制（Closed-loop Control）。本次介绍的伺服控制器主要包含无刷直流电机（BLDC）、永磁同步电机（PMSM）以及直流电机伺服控制器。

首先，无刷直流电机伺服控制器通过电子换向技术和闭环控制系统来实现对BLDC电机的精确控制，广泛应用于需要高精度、高效率和高响应速度的应用场景，如工业自动化、机器人技术和精密仪器；PMSM/DC伺服控制器的核心也在于实现对电机的闭环控制，以达到对位置、速度和力矩的精确把控，因此同样用于该场景。

根据市场表现，文晔重点推荐一款为BLDC/PMSM、2相步进电机以及直流电机和音圈提供磁场定向控制（FOC）的业界完全集成的伺服控制器TMC4671。所有控制功能均在硬件中实现，集成的ADC、位置传感器接口、位置插值器使全功能伺服控制器能够适用于各种伺服应用，比如机器人、拾放机、工厂自动化、电动汽车等。

ADI TMC4671是专用于运动控制器功能强大的芯片，可以极大限度提高驱动效率和动态性能，而且通过硬件中的所有时间关键计算，开发动态伺服控制器仅需要几行代码，因此能快速缩短高性能伺服控制器的上市时间。

TMC4671具有高达100kHz的开关频率和控制器更新速率，并具有滤波和插值功能，如数字霍尔信号插值，以实现更顺畅的操作。该集成电路可以与各类编码器协同工作，从A/B/Z增量式简单的数字或模拟霍尔传感器到高分辨率正弦/余弦模拟编码器。传感器可灵活地映射为位置和速度控制回路的输入。

直流有刷电机（DC Motor）

直流有刷电机（Brushed DC Motor）是一种通过机械换向器和电刷来实现电流换向，从而驱动电机转子的电机，由定子（通常是永磁体）和转子（线圈绕组）组成。它是常见的电机类型之一，具有结构简单、成本低和控制方便等特点，广泛应用于各类小型电动工具、家用电器、玩具和汽车等领域。

直流有刷电机驱动器负责提供直流有刷电机所需的电流和电压以控制电机的速度和方向，该系统尽管面临无刷电机系统的竞争压力，但简单的控制方式、低成本和广泛的应用领域仍然使其在市场中占据重要地位。未来的发展将集中在提高能效、智能化、微型化、改善EMI/EMC性能以及满足特定市场需求等方面。

对此，文晔结合当前市场重点推荐ADI的一款超小尺寸单通道有刷电机驱动器解决方案MAX22201/2/7。该芯片集成一个36V、3.5A峰值全桥，可驱动一个有刷直流电机。全桥具有极低阻抗FET，典型RON（高侧+低侧）为0.3Ω，可实现高驱动效率。3.5A的额定峰值电流受过流保护阈值（OCP）限制。峰值电流定义为驱动器针对短暂瞬变可提供的最大电流。

值得一提的是，该驱动器的最大有效值电流（RMS）为2A，通常受散热考虑因素限制。2ARMS电流值是指标准JEDEC 4层板在25°C环境温度下得到的数值。实际最大工作电流取决于应用的热特性（PCB接地平面、散热器、通风等）。

MAX22201/2/7具有准确的无损耗集成电流检测（ICS）功能和嵌入式内部电流驱动调节（CDR）电路，用于监测通过电机线圈的电流并限制峰值输出电流。当电机电流超过限流阈值时，全桥进入衰减模式并持续固定的关断时间（tOFF）。

对于有刷电机驱动应用，电流驱动调节可确保驱动器在正常条件下或电机启动和失速条件下安全可靠地运行，同时降低系统电源和电源旁路要求。内部感测电流的缩放副本输出到外部引脚（ISEN）。所有版本均具有过流保护（OCP）、热关断（TSD）和欠压保护（UVLO）功能。每次检测到故障条件时，都会激活开漏低电平有效故障指示引脚（FAULT）。

该器件采用小型TDFN12 3mm x 3mm封装。MAX22201/2/7具有小尺寸封装、高效率并集成准确的电流检测功能，因此非常适合空间和功耗敏感型应用，比如有刷直流电机驱动、锁闭阀和电磁阀以及单相步进电机驱动。

H桥驱动器（H-Bridge Driver）

H桥驱动器（H-Bridge Driver）是一种电路配置，用于控制直流电机的方向和速度。它利用四个开关（通常是晶体管或MOSFET）以“桥”的形式连接，允许电流在两个方向上流过电机。H桥驱动器广泛应用于机器人、电动工具、汽车电动座椅和工业自动化等领域。

H桥驱动器拥有诸多优势，比如可以双向控制电机的正反转，适用于需要频繁变换转动方向的应用；可以通过脉宽调制（PWM）技术精确控制电机速度；可以通过同时导通对角线的开关使电机快速停止（短路制动）；还有结构简单、成本较低等优点。

H桥驱动器是一种灵活且高效的电机控制解决方案，通过合理选择和设计可以实现对直流电机的双向控制和速度调节，提高系统的性能和可靠性。WT文晔结合当前市场，重点推荐一款具有集成电流检测功能的业界超小65V、3.8A双通道有刷或单通道步进电机驱动器解决方案MAX22203。

MAX22203是一款双通道65V、3.8AMAX H桥驱动器，提供PWM输入和高精度的电流驱动调节（CDR），集成的CDR可以限制有刷直流电机的启动或停止其电流，或控制步进点击操作的相电流。每个H桥都可以单独控制，并且具有0.3Ω的超低典型RON（高侧+低侧），可实现高驱动效率和低发热。MAX22203可用于驱动两个有刷直流电机或单个步进电机。

电桥输出电流由无损耗集成电流检测（ICS）功能进行检测，无需使用体积较大的外部功率电阻（对于此功能通常是必要的），并与可配置的阈值电流（ITRIP）进行比较。通过将外部电阻连接到引脚REFA和REFB，可以为两个全桥独立设置ITRIP阈值。

每个H桥的最大输出电流为IMAX = 3.8A，并受过流保护（OCP）电路限制。可以为非常短暂的瞬变驱动该电流，旨在有效驱动小电容负载。用户可配置的最大电流调节阈值为ITRIP_MAX = 3A。在标准JEDEC 4层板上，每个H桥的最大RMS电流(IRMS)为2ARMS。最大RMS电流可能受到散热考虑因素的限制，并取决于应用的热特性（PCB接地层、散热器、强制通风等）。

MAX22203具有过流保护（OCP）、热关断（TSD）和欠压闭锁（UVLO）功能。每次检测到故障条件时，都会激活一个开漏低电平有效nFAULT引脚。在热关断和欠压锁定期间，驱动器为三态，直到恢复正常工作为止。该期间采用小型TQFN38 5mm x 7mm封装。

综上所述，ADI运动控制解决方案凭借其先进的技术和卓越的性能，满足了工业自动化、智能制造和物联网领域的严格要求。通过创新的StealthChop2斩波技术和高精度电流控制，确保无噪音运行和优异的电机扭矩控制。TMC4671伺服控制器和MAX22203 H桥驱动器的高效动态响应和精确电流调节，使其在各种高要求应用中表现出色。

此外，文晔与ADI长期合作、持续创新。通过提供全面的技术支持和定制化的解决方案，文晔不仅帮助客户应对当前的技术挑战，还为未来的技术进步和市场需求提供了坚实的支持。相信凭借高效、精确和可扩展等领先特性，ADI运动控制解决方案将在推动行业技术创新和发展中继续发挥重要作用。

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