滿足更高能效要求的安森美半導體電機控制技術

隨著節(jié)能成為全球范圍關注的焦點，電機設計的能效也日益成為一個引人關注的問題。電機驅動產(chǎn)品不斷配合行業(yè)發(fā)展的趨勢，幫助設計人員提升能效、降低能耗、提高可靠性、減少元件數(shù)量等等，在實現(xiàn)節(jié)能方面發(fā)揮著積極的作用。

電機市場發(fā)展趨勢

歷經(jīng)百年的發(fā)展，電機的應用領域已非常廣泛。安森美半導體的電機驅動產(chǎn)品覆蓋的汽車及工業(yè)等領域的應用，正是電機市場主要趨勢的一個縮影。

首先是汽車電氣化的趨勢，即汽車制造商用集成的高能效電機替代傳統(tǒng)內燃引擎動力，通常是用無刷直流(BLDC)電機替代皮帶和齒輪驅動，用于引擎蓋下的輔助元件，如泵、閥、供暖及空調、風扇等。由于BLDC電機具有相當優(yōu)異的性能，也開始進入傳統(tǒng)上采用有刷直流(BDC)電機方案的其他應用。

另一個趨勢是應用裝配率的提升增加了電機的安裝數(shù)量，如電機化供暖通風空調(HVAC)氣瓣控制(主要用于有刷直流及單極步進電機)也開始應用于較低端汽車的HVAC系統(tǒng)。

BLDC電機在工業(yè)及電信中的應用也越來越普遍。典型應用包括風扇、鼓風機、泵及壓縮機。BLDC電機的能效比交流電機或開關磁阻電機更高。BLDC電機能實現(xiàn)低成本變速應用，特別是用于集成了無傳感器換相算法，從而能夠省卻外部傳感器。

節(jié)能趨勢對電機驅動應用的新要求

能源成本通常是電機整個壽命周期成本最主要的部分。因此，采用更高效的電機可以節(jié)約大量能源。

節(jié)能趨勢對電機驅動的新要求包括幾個方面，其一，能效是由所選擇的電機技術及電機結構決定的，因此要求選擇能將電能轉換為機械能的比例提升至最高的電機。其次，要選擇可以將驅動器的功耗降至最低并提高能效的驅動電路。其三，要通過提升電機驅動智能來實現(xiàn)優(yōu)化的能耗方案。

此外，一些應用還要求系統(tǒng)中不使用有刷電機(使用步進或無刷直流電機);而使用無傳感器換相(不使用電位計或霍爾傳感器反饋)、嵌入運動控制算法 (用于低動力應用)，將能效提到最高，降低可聽噪聲，改善電磁干擾(EMC)性能等。另外，還有一些應用需要將驅動電路與電機緊鄰布設在機電致動器上，并通過總線(LIN、I2C等)連接至中央控制單元。

安森美半導體提高電機設計能效的創(chuàng)新解決方案

在快速、精確及動態(tài)的動作控制應用中，步進電機是越來越普及的一種選擇。隨著電機技術的發(fā)展，智能驅動器/控制器專用標準產(chǎn)品(ASSP)也涌現(xiàn)出來，能夠高效地驅動這些電機。這些器件為設計人員提供了更加靈活的方案，開創(chuàng)了創(chuàng)新功能的空間，并發(fā)現(xiàn)了許多新的應用。

1. 雙極步進電機驅動及控制器

安森美半導體開發(fā)的AMIS-3062x系列的AMIS-30623就是高效驅動機電致動器中的雙極步進電機的驅動及控制器。這款產(chǎn)品嵌入了專用有限狀態(tài)機及針對先進前照燈系統(tǒng)(AFS)系統(tǒng)要求定制的本地互連網(wǎng)絡(LIN)指令集。該器件集成了非傳感控制檢測功能，能提高可靠性，減少元件數(shù)量和板上空間，降低產(chǎn)品成本。AMIS-30623專為遠程及多軸定位應用而設計，非傳感控制檢測功能的設計者能輕易完成精確的定位校準及半封閉式的循環(huán)操作。

AMIS-30623的LIN接口使其適用于需要連接遠程LIN主機的機械電子解決方案。這款產(chǎn)品的目標應用包括前照燈級測量、自動HVAC設計、監(jiān)控攝像頭控制、專業(yè)照明設備及工業(yè)機器人等。AMIS-30623的工作溫度均為-40℃至125℃，可傳輸高達800 mA的可編程電流。芯片上的定位控制器可依監(jiān)控類型、定位范圍和參數(shù)的不同而修改配置。這款產(chǎn)品還具備電流保持特性。圖1是AMIS-30623的框圖。

AMIS-30623步進電機驅動及控制器框圖

安森美半導體的AMIS-30624步進電機驅動器也可用于可移動式拍攝全景-上下擺動-放焦變大(PTZ)保安攝像機應用。該器件通過I2C總線以簡單的微控制器驅動3個電機。該拓撲結構支持極緊湊的攝像機設計，有助于降低成本及提供精確的工作。

AMIS-3062x單芯片解決方案的核心是一個數(shù)字運動控制器和一個H橋布局的50mA至800mA雙極兩相步進電機驅動器。這種驅動器提供微步進(micro-stepping)操作，因此不再需要在速度、噪聲和共振導致的失步(step loss)之間進行權衡。運動控制器提供可編程峰值電流，采用20kHz PWM電流控制方案。它還集成了系統(tǒng)通信接口，有LIN或I2C接口可供選擇。在包括汽車工業(yè)在內的遠程或分布式應用中，LIN架構可以減少布線和改善 EMC性能。配有I2C的器件更適合在獨立PCB上與本地微處理器一起用作外圍設備。

該系列器件的主要優(yōu)點是，所有針對應用的運動控制功能都可以在廠內進行預編程，明顯減少了工程師的編碼工作。如果選擇器件的閃存版本，還可以在開發(fā)應用及之后測試和調試軟件時進行再編程。這將顯著加快設計更新的速度。

2. 步進電機的精確動態(tài)控制

隨著步進電機出現(xiàn)在越來越多的應用場合，設計人員也在繼續(xù)追求高精度的定位。此外，其高能效、高性能及逐漸縮小的尺寸等特性，也使其對紡織機、機器人、計算機數(shù)控銑雕機等設備的吸引力與日俱增。安森美半導體的AMIS-305xx系列就是用于需要精確動態(tài)控制步進電機系統(tǒng)的ASSP，它能夠以SPI 接口提供可變電機電流控制，進而實現(xiàn)精確的動態(tài)控制。

AMIS-305xx系列集成了轉換器，將連續(xù)步長轉換為所需的線圈電流(可通過查找表或其他方式)。該系列還集成了采用H橋配置的驅動器晶體管、反激二極管、經(jīng)PWM的片上穩(wěn)流，以及多種保護電路。圖2是AMIS-30522應用框圖。

AMIS-30522應用框圖

該系列IC包含兩個內置H橋，能夠以最高達1600mA的電流驅動雙相步進電機。速度和負載角輸出使主微控制器能夠檢測阻轉轉子和運行結束狀況，而無需額外的開關、霍爾(Hall)傳感器或光學編碼器。除了停轉檢測，這些功能還允許設計人員為微控制器編程，以計算轉子位置，并按要求動態(tài)調節(jié)電流或速度，以防止失步。它還完美實現(xiàn)了微步進，能夠消除終點停止的噪聲和震動，并在無需添加元件的情況下提升運動控制的精確度和可靠性。

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