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在從汽車的氣候環(huán)境控制到工業(yè)用的劑量泵以及舞臺燈光控制等各種應(yīng)用中，都選用步進(jìn)電機作為動態(tài)置位解決方案。步進(jìn)電機之所以能夠進(jìn)入主流應(yīng)用，得益于其性能好、體積小以及成本低。
隨著電機及其應(yīng)用的演進(jìn)，需要用來驅(qū)動電機的驅(qū)動電路也在得到不斷的演進(jìn)。特別是，汽車電子設(shè)計師實現(xiàn)了分布式的處理策略，其中，他們向電機的周邊電路注入了日益增加的智能。這種控制方案自身也在滲入更多的通用領(lǐng)域，使得典型的電機/驅(qū)動組合更類似于一個機電分系統(tǒng)，而不再僅僅是一個簡單的執(zhí)行器。
如今，設(shè)計師在構(gòu)建一個步進(jìn)電機驅(qū)動電路的架構(gòu)時有3個基本選擇。傳統(tǒng)的方案是采用一個通用的微處理器或DSP，配之于模擬驅(qū)動電路和基于傳感器的反饋回路。但是，日益增加的成本、上市時間和復(fù)雜度等方面的壓力，使得工程師正在轉(zhuǎn)入使用專為電機控制設(shè)計的應(yīng)用特定產(chǎn)品(ASSP)。這樣的方案本身有兩類：即單芯片或雙芯片解決方案。
盡管傳統(tǒng)的微處理器方案正在逐步被ASSP所取代，為了理解這類設(shè)計中的典型的設(shè)計約束和需求，首先還是應(yīng)該了解一下這類方案的基礎(chǔ)架構(gòu)。這種情況中，其程序代碼通常存在閃存中的內(nèi)核控制器提供一個PWM信號來驅(qū)動電機繞組。模擬電路對該信號進(jìn)行放大來驅(qū)動功率級，而功率級則驅(qū)動電機繞組。
為了計算出正確的PWM輸出，微控制器需要從外部獲取所需的大量信息。特別是，它需要對電機定位進(jìn)行反饋。該功能通常由一個霍爾傳感器來實現(xiàn)，該傳感器不僅提供定位信息，還傳感電機轉(zhuǎn)子的停頓和死鎖(阻塞)。在非常簡單的情況下，可以使用一個簡單的端環(huán)路定位開關(guān)來代替霍爾傳感器。另外一種方法是使用光學(xué)位置編碼，或者是使用一個安裝在電機軸上的阻性電位器。
除了定位數(shù)據(jù)外，控制器還需要有關(guān)電機電流方面的信息。這一信息是經(jīng)過一個與電機驅(qū)動器相串聯(lián)的一只電阻傳感出來的，提取出來的數(shù)據(jù)經(jīng)過QDC變換后作為控制器自身的輸入。ASSP方案將絕大部分上述功能集成到了一個或兩個器件中，在處理過程中用的是無傳感控制方案。像AMIS-30624(圖1)這類的控制器/驅(qū)動器一體的解決方案，提供了最高的集成度，它將控制器、速度、位置電流、故障診斷和功率級全部集成到一個芯片中。盡管這樣的全集成解決方案提供了最小的系統(tǒng)體積和最低的建構(gòu)成本，但為了其他功能，許多工程師還是喜歡選其作為中間級，而將內(nèi)核控制器保留在一個像AMIS-30522(圖2)這樣的智能驅(qū)動器芯片上。
采用這種雙芯片方案的動機是兩方面的。其一是，某些應(yīng)用需要比單芯片所能提供的更大的驅(qū)動電流。不過更多的情況是，設(shè)計師選用雙芯片解決方案的原因是為了更大可能地發(fā)揮其現(xiàn)有IP的價值。他們或許已經(jīng)利用更喜歡使用的標(biāo)準(zhǔn)微控制器或DSP，開發(fā)出了高級的專用軟件。這是非常自然的事情，他們希望復(fù)用或者改善已有的資源。
上述的智能集成電機驅(qū)動芯片是為下類用戶設(shè)計的。應(yīng)用中只需微控制器提供一個下一步微步進(jìn)指令作為輸入，并提供電機繞組所需的PWM信號。BOM清單大大地減少了，微控制器的載荷也減到了最小，甚至利用一個微控制器都可以控制多個電機。
采用一片上述的集成驅(qū)動器可以根據(jù)具體需要，使主控制器功能變得非常簡單或非常復(fù)雜。驅(qū)動器可以直接實現(xiàn)微步進(jìn)，減小了噪音和因諧振產(chǎn)生的步進(jìn)損耗，同時改進(jìn)了低速時的力矩。由于集成了電流轉(zhuǎn)換表并整合了一個用于可靠的電流控制的專用PWM算法，進(jìn)而使處理負(fù)荷從主控制器上進(jìn)一步卸載。
通過I/O和一個簡單的SPI連接，可以對許多參數(shù)進(jìn)行控制，包括電流幅度，步進(jìn)模式，PWM頻率，EMC斜率控制，以及睡眠模式。該驅(qū)動器還可以用來為控制器提供(也是通過SPI)所需要的有關(guān)速度、位置、繞組電流以及像開路、短路或過熱這類的故障診斷相關(guān)的所有信息。但就像已經(jīng)看到的一樣，進(jìn)一步集成是可能的。例如在AMIS-30624中，集成了智能驅(qū)動器的所有功能，其中還加入了一個可編程的狀態(tài)機，該狀態(tài)機將目標(biāo)位置轉(zhuǎn)換成按規(guī)定的加速度，速度或減速到達(dá)某位置所需的(微)步進(jìn)序列。目標(biāo)位置和其他高級信息有遠(yuǎn)程主機下達(dá)，通過I2C或LIN.這類的總線接口進(jìn)行通信。這樣的架構(gòu)由一個特殊的優(yōu)點，即能夠很好地按比例調(diào)節(jié)多個軸向的運動：硬件和軟件可以按模塊方式擴展，而總線通信本來就可以升級。 |
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