如何針對工業應用調整螺線管與步進馬達驅動器

諸如廠區控制系統、汽車和實驗室設備等邊緣裝置應用領域，皆日益傾向採用物聯網 (IoT) 與人工智慧 (AI) 功能來實現低延遲決策、提高效能、降低成本、增強安全性以及提高生產力。螺線管與步進馬達的驅動器需要與時俱進，採用更多的板載感測與智慧技術，以利整合到這個日新月異的環境中，同時進一步提高精準度、可靠度、封閉迴路控制、成本、覆蓋區和使用簡便性。

本文將概述螺線管與步進馬達的基本操作，並說明專為智慧型邊緣應用設計的驅動器 IC 的優勢。接著會介紹 Analog Devices 的驅動器範例，並說明如何藉此開始進行設計。

螺線管與步進：相似卻不同

螺線管與步進馬達會以繞線線圈當作電磁鐵，將電流轉換成物理運動。雖然在外觀與功能方面有所差異，但在某些情況下，有益於線圈的通用性，可在致動器上使用相同的驅動器 IC。

螺線管是相對簡易的元件，施加電流後可發出線性機械運動。螺線管的圓柱管四周包覆著電線圈，且在中空核心具有鐵磁性致動器 (亦稱柱塞或電樞)，可在線圈本體內部自由移動 (圖 1 左側)。

相較之下，步進馬達的馬達本體四周配有多個定子線圈 (圖 1 右側)。馬達也在轉子處裝有一組永久磁鐵。

圖 1：螺線管結構是由線圈與內部滑動柱塞組成 (左)；步進馬達則較為複雜，在轉子處裝有永久磁鐵，在定子處則裝有電磁線圈 (右)。(圖片來源：Analog Devices，Monolithic Power Systems)

對螺線管施加電流後，柱塞會產生單一種「衝孔」撞擊運動，且會將柱塞一路推至極限位置。斷電後，大部分的螺線管會使用彈簧將柱塞彈回至標準就緒位置。

在大部分的基本驅動機制下，螺線管是由清晰的開／關電流脈衝所控制。這種機制簡單直接，但缺點包括較高的衝擊力、振動、噪音和電氣雜訊、電氣效率不良，且對於柱塞的動作或其返回僅有少許控制。

當定子線圈依序通電時，步進馬達就會啟動旋轉動作，且產生的旋轉磁場會拖動電樞磁鐵。可透過順序的控制，讓步進馬達的轉子持續轉動、停止或逆向運作。

與螺線管的差別在於，無須考量時間、必須依序將定子線圈通電，以及在其他屬性之間維持正確的脈衝寬度。

智慧驅動器可克服這些限制並提高效能

智慧驅動器會仔細控制電流，以驅動螺線管與步進馬達的線圈 (包括波形曲線形狀、上下斜率和其他參數)，進而提供下列眾多優勢：

• 增強運動與轉動的順暢性，將顫動降至最低
• 減少振動與衝擊，特別是針對螺線管
• 讓步進馬達的啟動／停止／逆向運動有更精確的定位
• 提供一致的效能，並可因應暫態或各種負載狀況
• 提升效率
• 減少實際磨損
• 減少雜音與電氣雜訊的產生
• 輕鬆介接 IoT 架設所需的監控處理器

Analog Devices 的 MAX22200 是一款整合式的序列控制螺線管與馬達驅動器，可展現適合螺線管的精密驅動器 (圖 2)。此 36 V IC 配備 8 個 1 A 半橋驅動器，可並聯讓驅動電流加倍；或是配置成全橋電路，可驅動多達四個閂鎖閥 (亦稱雙穩態閥)。

圖 2：Analog Devices 的 MAX22200 是一款整合式的序列控制螺線管與馬達驅動器，配備 8 個可配置成不同設定的半橋驅動器。(圖片來源：Analog Devices)

此驅動器支援兩種控制方法：電壓驅動調節 (VDR) 與電流驅動調節 (CDR)。在 VDR 中，裝置會輸出一道脈寬調變 (PWM) 電壓，其工作週期是以 SPI 介面進行設定。在指定的電源電壓和螺線管電阻下，輸出電流會與編程的工作週期成正比。CDR 是一種封閉迴路控制，其配備整合式無損耗電流感測電路，可感測輸出電流，並與內部可編程的參考電流進行比較。

與簡易型電流來源驅動器不同的是，MAX22200 可提供量身打造的電流驅動曲線。為了讓螺線管驅動應用的電源管理達到最佳化，您可針對各個通道單獨設定激磁驅動位準 (I_HIT)、保留驅動位準 (I_HOLD) 和激磁驅動時間 (t_HIT)。此外，其還提供了以下多重保護與故障相關功能：

• 過電流保護 (OCP)
• 開路負載 (OL) 偵測
• 熱關斷 (TSD)
• 欠壓鎖定 (UVLO)
• 柱塞運動偵測 (DPM) 的驗證

前四項為眾所周知的標準功能。而 DPM 則需要進一步介紹說明。例如，若在螺線管控制閥中啟動螺線管時，閥門正確運作，則電流曲線為非單調 (圖 3，黑色曲線)。反之，會因為柱塞運動產生的反電動勢 (BEMF) 而出現下降 (圖 3，藍色曲線)。

圖 3：驅動螺線管時，MAX22200 可偵測堵塞的螺線管或閥門，方法是在螺線管從啟動電流 (I_START) 驅動至最終激磁驅動位準 (I_HIT) 時，查看相對於閥值的預期 BEMF 驅動電流壓降 (IDPM_TH)。(圖片來源：Analog Devices)

針對螺線管進行設定與使用時，MAX22200 的 DPM 功能可偵測激磁相位運作期間是否發生 BEMF 壓降。若未偵測到壓降，則會在 FAULT 引腳與內部故障暫存器中設定指示。

評估套件可簡化流程

為了在不同的靜態與動態需求及負載條件下，解決系統效能的相關問題，Analog Devices 推出適用於 MAX22200 的 MAX22200EVKIT# 螺線管控制電源管理評估板 (圖 4)。此評估套件 (EVK) 支援 MAX22200 的序列控制，並可透過 MAX32625 微控制器以板載 USB 對 SPI 介面達到故障監測。更包括一個 Windows 相容的圖形使用者介面 (GUI)，可執行 MAX22200 IC 的功能，因此是為一套 PC 架構的完整評估系統。

圖 4：MAX22200 用的 MAX22200EVKIT# 螺線管控制電源管理評估板，有助於使用基於 Windows 的 GUI 完整執行 IC 及其負載。(圖片來源：Analog Devices)

這款評估板已完全組裝好且經過測試，可配置成高／低側螺線管，適用於閂鎖閥 (有時由螺線管驅動) 或有刷 DC 馬達。

步進馬達：更高的控制自由度

相較於螺線管，步進馬達更為精密，且具有更多的控制要求。Analog Devices TMC5240 的各項功能就可呈現出這個特點 (圖 5)，這是一款整合式的高效能步進馬達控制器與驅動器 IC，具有序列通訊介面 (SPI、UART)、豐富的診斷功能以及嵌入式演算法。

圖 5：TMC5240 高效能步進馬達控制器與驅動器 IC 具有嵌入式精密演算法，可透過螺線管與步進馬達提供最佳效能。(圖片來源：Analog Devices)

此 IC 結合了靈活的八點斜坡產生器，可在抖動程度最低的情況下自動進行目標定位。抖動是指加速變更率，若抖動過度，系統與效能上可能會出現眾多問題。這款步進馬達驅動器整合了 36 V、3 A 全橋電路，具有 0.23 Ω 導通電阻以及非耗散型整合電流感測 (ICS)。TMC5240 採用小型的 5 × 5 mm TQFN32 封裝，或是具有裸焊盤的散熱最佳化 9.7 × 4.4 mm TSSOP38 封裝。

TMC5240 採用獨特且先進的功能，可達到增強精準度、高能效、高可靠度、順暢運動以及低溫運作。特點包括：

• StealthChop2：無雜訊的高精確度截波演算法，可讓馬達無雜音運動及保持靜止，相較於簡易的 StealthChop，可加快馬達的加速與減速運作
• SpreadCycle：高精確度的逐週期電流控制，可達到最高的動態運動
• StallGuard2：提供適用於 SpreadCycle 的無感測器失速偵測與機械負載量測
• StallGuard4：提供適用於 StealthChop 的無感測器失速偵測與機械負載量測
• CoolStep：使用 StallGuard 量測調整馬達電流，讓馬達與驅動器達到最佳效率及最低升溫

這些特點皆可在馬達運作週期預先設定和調用。此外，還可一併控制扭力與加速來達到目標值，同時提供高效率以及順暢的加速與減速。

例如，您可透過以下兩種方式使用一套三個加速與減速區段：以低速使用高加速值來因應馬達扭力曲線，或是從一個加速區段切換到下個區段來減少抖動。為了因應這些問題，TMC5240 的八點運動曲線產生器可讓控制器維持穩速區段，並即時變更所需的目標位置，進而達到無擾動模式轉換 (圖 6)。

圖 6：TMC5240 提供八點斜坡，可支援即時目標位置變更，進而達到無擾動模式轉換。(圖片來源：Analog Devices)

此驅動器 IC 具備靈活性、多功能性和複雜性，因此 TMC5240-EVAL 評估板是理想的輔助工具 (圖 7)。其使用適合 IC 的標準線路圖，更在自身軟體中提供數種選項，可讓設計人員測試不同的操作模式。

圖 7：設計人員可使用 TMC5240-EVAL 評估板及相關 GUI，針對其特定的致動器與負載組合研究和調整 TMC5240 的效能。(圖片來源：Analog Devices)

Analog Devices 亦提供 TMC5240-BOB，適合評估與設計需求較不複雜的設計人員使用。這款基本 IC 分接板將 TMC5240 的實體引腳連接轉化為可供使用者取用的排針座列。

結論

在螺線管與步進馬達驅動器上添加智慧功能，就可提供更優異的控制與故障偵測，有利於即時決策，並可與高階控制或 AI 型生產力系統進行通訊。諸如 Analog Devices MAX22200 和 TMC5240 的高整合度驅動器，能讓使用者快速設定和執行進階演算法，針對應用發揮螺線管與步進馬達的最佳化效能。