【導(dǎo)讀】隨著工業(yè)自動(dòng)化、智能制造和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制解決方案的需求持續(xù)增長(zhǎng)。作為驅(qū)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)，電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、消費(fèi)電子、醫(yī)療設(shè)備、自動(dòng)駕駛以及智能家居等多個(gè)行業(yè)。據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司GMI預(yù)測(cè)，2023年，全球運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)的規(guī)模約為203億美元；市場(chǎng)預(yù)計(jì)在2024至2032年期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）為5.5%，2032年，市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到334億美元。
隨著工業(yè)自動(dòng)化、智能制造和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制解決方案的需求持續(xù)增長(zhǎng)。作為驅(qū)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)，電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、消費(fèi)電子、醫(yī)療設(shè)備、自動(dòng)駕駛以及智能家居等多個(gè)行業(yè)。據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司GMI預(yù)測(cè)，2023年，全球運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)的規(guī)模約為203億美元；市場(chǎng)預(yù)計(jì)在2024至2032年期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）為5.5%，2032年，市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到334億美元。
電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制是現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)應(yīng)用的核心領(lǐng)域。ADI擁有業(yè)界領(lǐng)先的電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品，旨在將數(shù)字信息完美地轉(zhuǎn)換為物理運(yùn)動(dòng)，使工業(yè)4.0能夠在先進(jìn)機(jī)器人、自動(dòng)化、醫(yī)療假肢、3D打印等應(yīng)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(jī)、編碼器、電機(jī)控制IC和模塊，可提高智能運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的效率、縮小物理尺寸，并縮短上市時(shí)間。
步進(jìn)電機(jī)（Step Motor）
步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成精確角位移的電動(dòng)機(jī)，通常由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子上有繞組，轉(zhuǎn)子上有齒，通過(guò)控制定子繞組的通電順序，電機(jī)能夠以固定的步進(jìn)角度逐步旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，可以通過(guò)精確和可預(yù)測(cè)的方式控制運(yùn)動(dòng)，因此廣泛應(yīng)用于需要精確定位和速度控制的場(chǎng)合。
根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理，步進(jìn)電機(jī)可分為多種類(lèi)型，包括：永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、可變磁阻步進(jìn)電機(jī)（VR）和混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）。每種類(lèi)型都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。按照驅(qū)動(dòng)方式的不同，也可以分為雙極性和單極性步進(jìn)電機(jī)。選擇合適的步進(jìn)電機(jī)類(lèi)型，取決于具體的應(yīng)用需求，包括精度、轉(zhuǎn)矩、速度和成本等因素。
步進(jìn)電機(jī)的工作原理是通過(guò)電機(jī)線圈發(fā)送電流，產(chǎn)生電磁場(chǎng)，迫使磁性轉(zhuǎn)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(jī)應(yīng)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(jī)驅(qū)動(dòng)器可通過(guò)將全步細(xì)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(xiàn)極高精度和平滑度的運(yùn)動(dòng)。ADI Trinamic?技術(shù)將每一個(gè)全步細(xì)分成最多256個(gè)微步，讓數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為平滑的物理運(yùn)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(xiàn)的扭矩和精度。
步進(jìn)電機(jī)是耐用型開(kāi)環(huán)電機(jī)，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(xiàn)速度的一類(lèi)電機(jī)。與其他電機(jī)相比具有多方面的優(yōu)勢(shì)，比如低速和靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)具有高扭矩、邊際定位誤差不會(huì)累積、對(duì)啟動(dòng)/停止響應(yīng)出色、具有成本效益且易于使用。當(dāng)需要精確可靠的開(kāi)環(huán)定位時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就是優(yōu)先選擇。
針對(duì)ADI的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，全球排名前列的電子元器件授權(quán)代理商WT文曄科技結(jié)合當(dāng)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(jí)產(chǎn)品的靜音步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 TMC5240。
TMC5240是一款智能高性能步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器IC，具有串行通信接口（SPI、UART）和廣泛的診斷功能。它結(jié)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(biāo)定位）和業(yè)界最先進(jìn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（基于256步內(nèi)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(yīng)（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(jié)省60%+），擁有卓越的電流控制和運(yùn)動(dòng)控制。ADI先進(jìn)的 StealthChop2 斬波器可確保確保達(dá)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(tǒng)小型化和可擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。完整的解決方案大大降低了應(yīng)用開(kāi)發(fā)者的學(xué)習(xí)曲線，同時(shí)提供了比同類(lèi)競(jìng)品更優(yōu)秀的性能表現(xiàn)。
伺服電機(jī)（BLDC/PMSM/DC Servo Controller）
伺服電機(jī)是一種能夠精確控制角度、速度和位置的電動(dòng)機(jī)，廣泛應(yīng)用于需要高精度運(yùn)動(dòng)控制的領(lǐng)域。伺服電機(jī)與伺服控制器（Servo Controller）協(xié)同工作，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)伺服控制系統(tǒng)接收指令信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電機(jī)軸的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)精確的定位和速度控制。
伺服電機(jī)控制器來(lái)控制伺服電機(jī)，該系統(tǒng)廣泛應(yīng)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(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療設(shè)備和自動(dòng)化生產(chǎn)線。與步進(jìn)電機(jī)控制器不同的是，伺服控制器的核心功能是實(shí)現(xiàn)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(jī)（BLDC）、永磁同步電機(jī)（PMSM）以及直流電機(jī)伺服控制器。
首先，無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制器通過(guò)電子換向技術(shù)和閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)BLDC電機(jī)的精確控制，廣泛應(yīng)用于需要高精度、高效率和高響應(yīng)速度的應(yīng)用場(chǎng)景，如工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)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(xiàn)對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制，以達(dá)到對(duì)位置、速度和力矩的精確把控，因此同樣用于該場(chǎng)景。
根據(jù)市場(chǎng)表現(xiàn)，文曄重點(diǎn)推薦一款為BLDC/PMSM、2相步進(jìn)電機(jī)以及直流電機(jī)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(xiàn)，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(yīng)用，比如機(jī)器人、拾放機(jī)、工廠自動(dòng)化、電動(dòng)汽車(chē)等。
ADI TMC4671是專(zhuān)用于運(yùn)動(dòng)控制器功能強(qiáng)大的芯片，可以極大限度提高驅(qū)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(jì)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(dá)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(shù)字霍爾信號(hào)插值，以實(shí)現(xiàn)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(shù)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(jī)（DC Motor）
直流有刷電機(jī)（Brushed DC Motor）是一種通過(guò)機(jī)械換向器和電刷來(lái)實(shí)現(xiàn)電流換向，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電機(jī)，由定子（通常是永磁體）和轉(zhuǎn)子（線圈繞組）組成。它是常見(jiàn)的電機(jī)類(lèi)型之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低和控制方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)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(jī)驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)提供直流有刷電機(jī)所需的電流和電壓以控制電機(jī)的速度和方向，該系統(tǒng)盡管面臨無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)壓力，但簡(jiǎn)單的控制方式、低成本和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域仍然使其在市場(chǎng)中占據(jù)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(duì)此，文曄結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)重點(diǎn)推薦ADI的一款超小尺寸單通道有刷電機(jī)驅(qū)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(qū)動(dòng)一個(gè)有刷直流電機(jī)。全橋具有極低阻抗FET，典型RON（高側(cè)+低側(cè)）為0.3Ω，可實(shí)現(xiàn)高驅(qū)動(dòng)效率。3.5A的額定峰值電流受過(guò)流保護(hù)閾值（OCP）限制。峰值電流定義為驅(qū)動(dòng)器針對(duì)短暫瞬變可提供的最大電流。
值得一提的是，該驅(qū)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(biāo)準(zhǔn)JEDEC 4層板在25°C環(huán)境溫度下得到的數(shù)值。實(shí)際最大工作電流取決于應(yīng)用的熱特性（PCB接地平面、散熱器、通風(fēng)等）。
MAX22201/2/7具有準(zhǔn)確的無(wú)損耗集成電流檢測(cè)（ICS）功能和嵌入式內(nèi)部電流驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)（CDR）電路，用于監(jiān)測(cè)通過(guò)電機(jī)線圈的電流并限制峰值輸出電流。當(dāng)電機(jī)電流超過(guò)限流閾值時(shí)，全橋進(jìn)入衰減模式并持續(xù)固定的關(guān)斷時(shí)間（tOFF）。
對(duì)于有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，電流驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)可確保驅(qū)動(dòng)器在正常條件下或電機(jī)啟動(dòng)和失速條件下安全可靠地運(yùn)行，同時(shí)降低系統(tǒng)電源和電源旁路要求。內(nèi)部感測(cè)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(hù)（OCP）、熱關(guān)斷（TSD）和欠壓保護(hù)（UVLO）功能。每次檢測(cè)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(zhǔn)確的電流檢測(cè)功能，因此非常適合空間和功耗敏感型應(yīng)用，比如有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、鎖閉閥和電磁閥以及單相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
H橋驅(qū)動(dòng)器（H-Bridge Driver）
H橋驅(qū)動(dòng)器（H-Bridge Driver）是一種電路配置，用于控制直流電機(jī)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(jī)。H橋驅(qū)動(dòng)器廣泛應(yīng)用于機(jī)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(qū)動(dòng)器擁有諸多優(yōu)勢(shì)，比如可以雙向控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，適用于需要頻繁變換轉(zhuǎn)動(dòng)方向的應(yīng)用；可以通過(guò)脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)精確控制電機(jī)速度；可以通過(guò)同時(shí)導(dǎo)通對(duì)角線的開(kāi)關(guān)使電機(jī)快速停止（短路制動(dòng)）；還有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。
H橋驅(qū)動(dòng)器是一種靈活且高效的電機(jī)控制解決方案，通過(guò)合理選擇和設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的雙向控制和速度調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。WT文曄結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)，重點(diǎn)推薦一款具有集成電流檢測(cè)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(jī)驅(qū)動(dòng)器解決方案 MAX22203。
MAX22203是一款雙通道65V、3.8AMAX H橋驅(qū)動(dòng)器，提供PWM輸入和高精度的電流驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)（CDR），集成的CDR可以限制有刷直流電機(jī)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(dú)控制，并且具有0.3Ω的超低典型RON（高側(cè)+低側(cè)），可實(shí)現(xiàn)高驅(qū)動(dòng)效率和低發(fā)熱。MAX22203可用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)有刷直流電機(jī)或單個(gè)步進(jìn)電機(jī)。
電橋輸出電流由無(wú)損耗集成電流檢測(cè)（ICS）功能進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)需使用體積較大的外部功率電阻（對(duì)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(dú)立設(shè)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(hù)（OCP）電路限制?？梢詾榉浅６虝旱乃沧凃?qū)動(dòng)該電流，旨在有效驅(qū)動(dòng)小電容負(fù)載。用戶(hù)可配置的最大電流調(diào)節(jié)閾值為ITRIP_MAX = 3A。在標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用的熱特性（PCB接地層、散熱器、強(qiáng)制通風(fēng)等）。
MAX22203具有過(guò)流保護(hù)（OCP）、熱關(guān)斷（TSD）和欠壓閉鎖（UVLO）功能。每次檢測(cè)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(qū)動(dòng)器為三態(tài)，直到恢復(fù)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(yùn)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(yán)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(yùn)行和優(yōu)異的電機(jī)扭矩控制。TMC4671伺服控制器和MAX22203 H橋驅(qū)動(dòng)器的高效動(dòng)態(tài)響應(yīng)和精確電流調(diào)節(jié)，使其在各種高要求應(yīng)用中表現(xiàn)出色。
此外，文曄與ADI長(zhǎng)期合作、持續(xù)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(yīng)對(duì)當(dāng)前的技術(shù)挑戰(zhàn)，還為未來(lái)的技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)需求提供了堅(jiān)實(shí)的支持。相信憑借高效、精確和可擴(kuò)展等領(lǐng)先特性，ADI運(yùn)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(xù)發(fā)揮重要作用。
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