電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備的核心部件，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、3D 打印機(jī)、顯微鏡等領(lǐng)域。精密的電機(jī)控制能夠顯著提升設(shè)備的性能，然而許多開(kāi)發(fā)者面臨著缺乏內(nèi)部技術(shù)積累、開(kāi)發(fā)周期有限等挑戰(zhàn)，迫切希望在不耗費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計(jì)的情況下，快速實(shí)現(xiàn)平滑的電機(jī)控制。

本文將詳細(xì)介紹 ADI Trinamic 系列產(chǎn)品，幫助那些對(duì)高功能電機(jī)控制感興趣、或希望通過(guò)傳感器負(fù)載檢測(cè)和節(jié)能功能提升應(yīng)用附加值的開(kāi)發(fā)者更好地了解其優(yōu)勢(shì)。

什么是 ADI Trinamic 系列？

ADI Trinamic 系列 (以下簡(jiǎn)稱(chēng) Trinamic 系列) 是德國(guó)公司 Trinamic 推出的運(yùn)動(dòng)控制 IC 系列，于 2021 年并入 Analog Devices。

Trinamic 系列集成多種高性能專(zhuān)有算法，如實(shí)現(xiàn)超靜音運(yùn)行的 StealthChop 和用于無(wú)傳感器負(fù)荷檢測(cè)的 StallGuard，通過(guò)硬件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了精密且靈活的運(yùn)動(dòng)控制，適用于需要靜音、精確和節(jié)能的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，它可用于以下應(yīng)用程序：

平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)輸送機(jī)

需要安靜運(yùn)行的顯微鏡、驗(yàn)光鏡和監(jiān)控?cái)z像頭

電池供電的小型設(shè)備

需要裝載的機(jī)械臂

Trinamic 的特點(diǎn)

標(biāo)配精密控制算法的硬件架構(gòu)

可以動(dòng)態(tài)地進(jìn)行參數(shù)更改

精確的控制算法，可實(shí)現(xiàn)省電、靜音和減少停機(jī)時(shí)間

實(shí)現(xiàn)高效的即插即用開(kāi)發(fā)

傳統(tǒng)解決方案與 Trinamic 系列的區(qū)別

Trinamic 系列與傳統(tǒng)解決方案有何不同？下圖 (圖2) 為它們的優(yōu)勢(shì)對(duì)比：

圖2 傳統(tǒng)解決方案與 Trinamic 系列對(duì)比

傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要開(kāi)發(fā)者自行編寫(xiě)控制算法并將其嵌入 MCU 中，同時(shí)還需要設(shè)計(jì)功率級(jí)電路，面臨小型化和散熱等挑戰(zhàn)。Trinamic 系列將復(fù)雜的控制算法集成到硬件中，開(kāi)發(fā)者只需動(dòng)態(tài)更改寄存器設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)高性能電機(jī)。由于無(wú)需編寫(xiě)復(fù)雜的算術(shù)處理，因此可以輕松開(kāi)發(fā)多個(gè)通道的同步作業(yè)。

此外，Trinamic 系列還提供內(nèi)置功率級(jí)。它易于小型化，導(dǎo)通電阻低，可以抑制熱量的產(chǎn)生。因此，硬件設(shè)計(jì)工時(shí)也可以顯著減少。下表總結(jié)了 Trinamic 系列與傳統(tǒng)解決方案之間的差異：

通過(guò)使用 Trinamic 系列，可以實(shí)現(xiàn)高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制，同時(shí)顯著減少開(kāi)發(fā)工時(shí)?？擅赓M(fèi)下載的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境“TMCL-IDE”非常直觀，可以在檢查實(shí)際運(yùn)作的同時(shí)更改參數(shù)。它比一般的評(píng)估板更容易使用，并且可以在短短 30 分鐘內(nèi)運(yùn)行電機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)可以快速設(shè)計(jì)。

ADI Trinamic 系列產(chǎn)品陣容廣泛，從 IC 到模塊，可以根據(jù)自己的應(yīng)用進(jìn)行選擇。在 Trinamic 系列中，提供了“多步變速”和“運(yùn)動(dòng)平滑補(bǔ)充”等控制算法作為命令集，可以輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。

Trinamic 系列的四大核心算法

Trinamic 系列的平穩(wěn)運(yùn)行是通過(guò)四種專(zhuān)有算法實(shí)現(xiàn)的：

SpreadCycle：優(yōu)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流，提升電機(jī)效率和穩(wěn)定性

StealthChop：通過(guò)電壓控制顯著降低電機(jī)噪音，實(shí)現(xiàn)超靜音運(yùn)行

StallGuard：測(cè)量反電動(dòng)勢(shì) (BEMF) 實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器負(fù)載檢測(cè)

CoolStep：根據(jù)電機(jī)負(fù)載控制電流，從而降低功耗

SpreadCycle 和 StealthChop 有助于實(shí)現(xiàn)超靜音運(yùn)行

優(yōu)化電流 SpreadCycle 和優(yōu)化電壓 StealthChop 技術(shù)有助于電機(jī)靜音。為了提高步進(jìn)電機(jī)的效率和穩(wěn)定性，必須通過(guò)設(shè)計(jì)斬波和衰減技術(shù)來(lái)控制電流，這抑制了電機(jī)的振動(dòng)并提高靜音效果。Trinamic 系列可自動(dòng)執(zhí)行此電流控制，詳情可查看下圖 (圖3)：

圖3 電流感應(yīng)和衰減獨(dú)創(chuàng)性確保即使在 0A 左右也能平穩(wěn)運(yùn)行

如上圖 (圖3) 左上所示，上層是使用普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行的電流控制。執(zhí)行快速衰減和慢速衰減，但電流突然變化或偏離目標(biāo)電流。此外，很難控制 0A (安培) 左右的電流，并且波形是平坦的，如圖 3 右上所示。

上圖 (圖3) 下層是 Trinamic 系列的自動(dòng)控制圖像。通過(guò)使用 SpreadCycle 優(yōu)化電流和使用 StealthChop 優(yōu)化電壓，可以最大限度地減少電流的突然變化和與目標(biāo)電流的偏差，如圖 3 左下所示。此外，會(huì)自動(dòng)校正 0A 左右的波形，以實(shí)現(xiàn)靜音運(yùn)動(dòng)，如圖 3 右下所示。

StealthChop 提供的電壓控制大大降低了電機(jī)的聲音和噪音。借助 StealthChop，Trinamic 系列提供了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手無(wú)法比擬的超靜音運(yùn)行性能。

圖4 進(jìn)一步優(yōu)化電壓控制 StealthChop 實(shí)現(xiàn)超靜音運(yùn)行功能

StallGuard 和 CoolStep 用于無(wú)傳感器負(fù)載檢測(cè)和節(jié)能

接下來(lái)，我們將介紹有助于負(fù)載檢測(cè)和節(jié)能的兩項(xiàng)技術(shù)。它們是用于檢測(cè)電機(jī)狀態(tài) StallGuard 和用于提高能源效率的 CoolStep。

StallGuard 是一種測(cè)量電機(jī)無(wú)電流流動(dòng)部分的 BEMF 并確定電機(jī)狀態(tài)的技術(shù)。除了檢測(cè)何時(shí)發(fā)生 step out 之外，它還可以捕獲導(dǎo)致 step out 的跡象。CoolStep 是一種根據(jù) StallGuard 檢測(cè)到的電機(jī)負(fù)載優(yōu)化電流的技術(shù)。這減少了過(guò)去作為熱量消耗的無(wú)功電流，并提高了節(jié)能效果。在低負(fù)載下，電流最多可降低約 70%。

利用 StallGuard 代替?zhèn)鞲衅?/p>

StallGuard 可檢測(cè)電機(jī)負(fù)載，也可以用作傳感器的替代品。可以考慮將其用于各種應(yīng)用程序，如以下示例所示：

StallGuard 應(yīng)用示例

反饋電機(jī)負(fù)載并調(diào)整抓取強(qiáng)度，使機(jī)械臂能夠夾持軟物

檢測(cè)崎嶇路面上每個(gè)輪胎的負(fù)載差異并執(zhí)行扭矩校正

檢測(cè)與機(jī)器的碰撞并在不使用其他傳感器的情況下停止運(yùn)行

檢測(cè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)和扭矩的異常，并將其用于機(jī)器的預(yù)測(cè)性維護(hù)

除此以外，還可以進(jìn)行高靈敏度控制，例如在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，稍有接觸就會(huì)停止。該系統(tǒng)因其廣泛的應(yīng)用而日益受到關(guān)注，例如量化負(fù)載數(shù)量的頻率分析。

Trinamic 系列產(chǎn)品陣容

PAN 驅(qū)動(dòng)器 (帶或不帶編碼器)

它是結(jié)合了電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制器的模塊化產(chǎn)品，還提供帶有內(nèi)置編碼器的產(chǎn)品。

電機(jī)模塊

它將電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制器組合在一個(gè)模塊中，還提供可以輸出多個(gè)通道 (例如 4 通道和 6 通道) 的陣容。

驅(qū)動(dòng)器 IC 和控制器 IC

它是具有電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能或運(yùn)動(dòng)控制功能的 IC。

電機(jī)

它是一種步進(jìn)電機(jī)，可與電機(jī)模塊和 IC 組合使用。

BLDC 電機(jī)產(chǎn)品陣容

Trinamic 系列還提供 BLDC 電機(jī)產(chǎn)品陣容。矢量控制算法內(nèi)置于硬件中，即使對(duì)于那些沒(méi)有專(zhuān)業(yè)知識(shí)的人來(lái)說(shuō)，也可以輕松實(shí)現(xiàn)矢量控制。

總結(jié)

本文我們介紹了 ADI 的 Trinamic 系列，該系列可以輕松實(shí)現(xiàn)精細(xì)的運(yùn)動(dòng)控制。