Analog Devices 的 MAX22200 是一款集成式串行控制螺线管和电机驱动器,展示了精密驱动器对于螺线管的意义(图 2)。这款 36 V IC 中的 8 个 1 A 半桥驱动器可以并联,将驱动电流提升一倍,也可配置为全桥,以驱动多达 4 个闭锁阀(也称为双稳态阀)。
图 2:Analog Devices MAX22200 是一款集成式串行控制螺线管和电机驱动器,具有八个可按不同配置排列的半桥驱动器。(图片来源:Analog Devices)
该驱动器支持两种控制方法:电压驱动调节 (VDR) 和电流驱动调节 (CDR)。使用 VDR 时,器件输出脉宽调制 (PWM) 电压,其占空比可通过 SPI 接口编程。对于给定电源电压和螺线管电阻,输出电流与编程的占空比成正比。CDR 属于闭环控制形式,由集成式无损电流感应电路感测电流,并与内部可编程基准电流进行比较。
不同于简单的电流源驱动器,MAX22200 可以量身定制电流驱动分布。为了优化螺线管驱动应用中的电源管理,可以单独配置每个通道的励磁驱动电流 (IHIT)、保持驱动电流 (IHOLD) 和励磁驱动时间 (tHIT)。此外,它还提供多种与保护和故障相关的功能,包括
前四项是众所周知的标准功能。DPM 则需要进一步解释。举例而言,在螺线管控制的阀门中,如果螺线管启动时阀门工作正常,则电流分布不是单调的(图 3,黑色曲线)。相反,受柱塞运动产生的反向电动势 (BEMF) 影响,电流会出现下降(图 3,蓝色曲线)。
图 3:在驱动螺线管时,当螺线管从起始电流 (ISTART) 被驱动到最终励磁驱动电流 (IHIT) 时,MAX22200 可通过判断预期 BEMF 驱动电流下降与阈值 (IDPM_TH) 的关系来检测螺线管或阀门是否卡住。(图片来源:Analog Devices)
当设置并用于螺线管时,MAX22200 的 DPM 功能会在励磁阶段检测是否存在 BEMF 下降。如果未检测到下降,则会在 FAULT 引脚和内部故障寄存器中设置指示。
评估套件帮助简化流程
为了解决系统在不同静态和动态需求以及负载条件下的性能问题,Analog Devices 为 MAX22200 提供了 MAX22200EVKIT# 螺线管控制电源管理评估板(图 4)。该评估套件 (EVK) 支持 MAX22200 的串行控制,并支持通过板载 USB 转 SPI 接口和 MAX32625 微控制器进行故障监测。它包括一个 Windows 兼容的图形用户界面 (GUI),用于执行 MAX22200 IC 的功能,使其成为一个基于 PC 的完整评估系统。
图 4:用于 MAX22200 的 MAX22200EVKIT# 螺线管控制电源管理评估板,可通过基于 Windows 的图形用户界面对 IC 及其负载进行充分测试。(图片来源:Analog Devices)
这块完整组装且经过测试的电路板可配置为高压侧/低压侧螺线管,也可用于闭锁阀(通常由螺线管驱动)或有刷直流电机。
步进电机:控制自由度更高
步进电机比螺线管更复杂,控制要求更高。这从 Analog Devices 的 TMC5240(图 5)中可见一斑,其是一款集成的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)和丰富的诊断功能,并提供嵌入式算法。
图 5:TMC5240 高性能步进电机控制器和驱动器 IC 中嵌入了复杂的算法,可帮助螺线管和步进电机实现最佳性能。(图片来源:Analog Devices)
该 IC 包含一个灵活的八点斜坡发生器,可将自动目标定位中的急动度降至最低。急动度是加速度的变化率,急动度过大会导致诸多系统问题及性能问题。这款步进电机驱动器集成了导通电阻为 0.23 Ω 的 36 V、3 A H 桥以及非耗散集成电流感测 (ICS)。TMC5240 采用 5 × 5 mm 小型 TQFN32 封装和带裸焊盘的 9.7 × 4.4 mm 散热优化 TSSOP38 封装。
TMC5240 具有独特的先进功能,可实现更高的精度,并支持高能效、高可靠性、平滑运动以及低温运行。这些功能包括:
· StealthChop2:采用无噪音、高精度斩波算法,让电机运动和静止安静无声,与较简单的 StealthChop 相比,该功能可实现更快的电机加减速
· SpreadCycle:高精度、逐周期电流控制,可实现最高动态运动
· StallGuard2:为 SpreadCycle 提供无传感器失速检测和机械负载测量
· StallGuard4:为 StealthChop 提供无传感器失速检测和机械负载测量
· CoolStep:利用 StallGuard 测量调整电机电流,以尽可能提升效率并降低电机和驱动器的发热量
用户可以预先设置这些功能,并在电机运行周期内调用。此外,还可以结合加速度来控制扭矩,在达到所需值的同时,实现高效而平稳的加减速。
例如,三个加减速段的组合可以有两种用途:在较低速度下使用较高加速度值以适应电机扭矩曲线,或者在从一个加速段过渡到下一个时减少急动。针对这两类情况,TMC5240 控制器凭借八点运动曲线生成器,可在所需目标位置实时变化的同时保持恒定速度段,从而实现顺畅的模式转换(图 6)。
图 6:TMC5240 提供八点斜坡,支持实时目标位置更改,可实现顺畅的模式转换。(图片来源:Analog Devices)
鉴于该驱动器 IC 的灵活性、多功能性与复杂性,TMC5240-EVAL 评估板已成为一款颇受欢迎的辅助工具(图 7)。它使用 IC 的标准原理图,并在软件中提供多个选项,让设计人员能够测试不同的工作模式。
图 7:使用 TMC5240-EVAL 评估板和相关图形用户界面,设计人员可以根据特定的致动器和负载组合,研究并微调 TMC5240 的性能。(图片来源:Analog Devices)
针对评估和设计要求复杂性较低的设计人员,Analog Devices 还提供了 TMC5240-BOB。这款基本型 IC 分线板将 TMC5240 的物理引脚连接到便于用户访问的针座排上。
总结
通过为螺线管和步进电机驱动器增加智能功能,可提供更好的控制和故障检测,实现实时决策,并与更高级别的控制系统或基于人工智能的生产力系统进行通信。利用 Analog Devices MAX22200 和 TMC5240 等高度集成的驱动器,用户能够快速启动并运行高级算法,针对特定应用优化螺线管和步进电机的性能。