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新一代电流控制技术助力 步进马达效能大跃进

2016-12-19 10:28:33     来源:安森美半导体        

【哔哥哔特导读】许多机器采用步进马达设计以提升经济性,更安静、更平滑和更高能效。为提供更好的用户体验。现在新一代解决方案以最少的额外电路实施新的控制策略,使无刷直流(BLDC)马达能实现高能效和平滑性。

许多机器采用步进马达设计以提升经济性,更安静、更平滑和更高能效。为提供更好的用户体验。现在新一代解决方案以最少的额外电路实施新的控制策略,使无刷直流(BLDC)马达能实现高能效和平滑性。

BLDC马达低噪又省电 成本偏高美中不足 

世界各地每天都有人在使用内置马达驱动的上百万台小型电子装置,利用步进马达实现低成本的运动控制,简单而不需要复杂的微处理器驱动器。这些装置包括多功能的办公室打印机或扫描仪、销售终端机、缝纫机和众多工业应用。 

许多情况下,步进马达尽管不是完美或理想的方案,但却最符合各种需求。马达噪声会形成干扰,特别是在工业场景中,大量马达在相同区域同时运行时。此外,马达降低转速仍会耗电,不仅不环保,也影响了手持应用的电池使用时间。而且,低总能效导致高散热,有时产品的设计必须再加上散热风扇,这增加了成本、复杂度和电力需求,并降低了系统的可靠性。 

可替代的马达类型,如无刷直流(BLDC)马达,可克服步进马达这些众所周知的缺点。它们的能效极高,采用优化的马达控制,其自由步态(Step-free)的运动控制更安静平滑,消耗的功率更少,产生的热量也更低。 

相对的,采用BLDC的整体系统成本往往更高。部分原因在于控制BLDC必须在一个微控制器内运行更复杂的演算。而且从步进马达改为BLDC,机械子系统需要大规模的重新设计,还须要开发控制软件。这些需求显著增加项目成本和延长上市时间。最终设计完成后,团队必须花时间收集长期的可靠数据。 

媲美BLDC效能 步进马达再升级 

更好的方案是,步进马达驱动可拥有比拟BLDC的效率,低噪声,但不需庞大的重新设计或昂贵的控制组件,如此一来,设计人员可创造出更安静、环保、可靠,且毋需散热风扇的新一代装置。 

两个关键领域的改进能让步进马达控制器的现有机制实现彷若BLDC的性能,产品设计者也有机会实现其设计目标。这两个领域便是马达驱动电流的调整和步进脉冲产生的方法。 

以安森美半导体为例,该公司的LC898240电流控制器提供了根据马达负载变化自动优化驱动器定电流设置的一种方案。这使步进马达能高效驱动,类似于BLDC的运动,同时尽量减小噪声和能耗。马达的负载则藉由监测图1所示马达绕组里的BEMF(反电动势)波形而得。 

图1 根据负载调节电流,实现更高能效、更安静的运行。

LC898240作为配套组件连接到传统的马达驱动器,能扩展步进马达的控制功能。 

藉由负载相关的绕组电流调节,并支持高能效马达驱动、独立产生马达步进脉冲,因此实现不需微处理器的运行。该特性藉由片上电子抹除式可复写只读存储器(EEPROM)实施,片上EEPROM用于储存九个不同用户可选的440步脉冲波形,提供各种不同应用的脉冲序列的选择。 
该IC还可编译来自微处理器的输入控制讯号,因此作为微处理器控制驱动的接口转换器。图2显示了储存于LC898240 EEPROM中的配置文件如何用于马达驱动IC。 

图2 默认储存于EEPROM中的脉冲配置文件支持无微处理器运行。

结合配套芯片/单芯片强化马达驱动能力 

LC898240可使用现有各等级的马达驱动IC,灵活根据马达驱动IC能力,利用各种不同的马达驱动电流将BLDC的运动优势带入步进马达驱动。配套IC的功能还整合到一个单芯片驱动IC LV8702V,能藉由内部BEMF波形监测适应马达负载,如LC898240般运行。图3说明了单芯片高能效步进马达驱动器的机会。 

图3 采用驱动器IC进行电流控制的波形监测。

LV8702V整合方案的高能效导通模式与传统驱动方式的高能效关断模式的性能比较,显示高能效模式驱动可降低达80%的功耗,如图4所示。 

图4 空载2000pps显著降低,从而提供更高能效。

图5则显示马达和LV8702在每种模式下的热图像。高能效模式驱动是电流控制模式,降低驱动器和马达的表面温度分别达46℃和28℃。这也突显了显著提升系统可靠性的可能。 

图5 更低的机箱温度说明了更高的能效与可靠性。

经济实惠 步进马达发展潜力佳 

步进马达是有吸引力的驱动机制方案,用于成本敏感的应用,如办公装置、交易装置和某些工业装置。为满足市场需求,以有吸引力、经济的价格实现更佳性能和可用性,马达控制策略的两个关键方面得以增强,从而提供高能效、热量减少、更安静流畅的运行。这可利用增添电流控制和基于查找的脉冲产生来实现,利用离散或整合的驱动电路,灵活支持微处理器控制或无微处理器运行,实现最佳系统性能、成本和方案尺寸。 

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