使用評估板加速馬達驅動器開發並取得最佳成果

作者：Bill Schweber

資料提供者：DigiKey 北美編輯群

2026-03-04

自動化和機器人高度依賴馬達及其相關的控制和驅動器積體電路。這些複雜的半導體不再只進行基本的動作控制，而是能夠執行先進的演算法，根據馬達和其負載，以及整體效能優先順序自訂系統作業。

然而，僅憑規格書或模擬結果設定這些複雜的積體電路及評估系統的潛在效能實屬不易。如此可能耗時且成本高昂，而且部署後還會出現不確定性。最好與系統設計、佈局、軟體同時進行開發，並且使用評估板。

本文著重於說明設計人員在使用動作控制積體電路時會面臨的一些挑戰，以及評估板如何加以解決。接著，介紹 Analog Devices 的範例積體電路和相關評估板。採用這些積體電路和評估板早期進行實際評估，可加速產品上市，同時減少硬體和軟體的不確定性。

動作控制積體電路需求概述

動作控制積體電路提供必要的智慧，以控制馬達及其內部功率元件，例如驅動馬達繞組的 MOSFET。馬達和 MOSFET 兩者都需要謹慎管理，才能在靜態和動態操作模式以及負載條件下達到最佳效能、軌跡、動作曲線、效率，並能處理異常、暫態、故障狀況。

驅動器積體電路廠商推出評估板，協助因應這些挑戰。這些評估板使用真實的馬達和實際的負載進行硬體迴路 (HITL) 測試，可簡化硬體和軟體的設定、最佳化、效能評估。此外，還可確保針對配電、寄生效應、輸入／輸出 (I/O) 連接和格式、實體連接器等，正確建立積體電路及其周圍電路的實體佈局。使用這些板件 (包括中階板、基本分接板 (BOB)、模組化解決方案)，可以評估並判定最適合應用的設定、配置、選項。

馬達控制積體電路及相關電路板

Analog Devices 的 TMC5130 系列的 TMC5130A-TA-T 即為馬達控制積體電路的良好一例。這是一款高效能步進馬達控制器和驅動器，具有序列通訊介面，並包含一個靈活的斜坡產生器，用於自動目標定位。

此驅動器採用精密的 StealthChop 截波演算法，確保近乎無雜訊運作，可達到最高效率及馬達扭矩。TMC5130 提供多項獨特的強化功能，源自於驅動器和控制器的系統單晶片 (SoC) 整合。例如，TMC5130 中的 SixPoint 斜坡產生器使用 DcStep、CoolStep、StallGuard2 功能自動最佳化每個馬達動作。

TMC5130-EVAL (圖 1) 板系統是一個方便的硬體平台及容易使用的評估軟體工具，協助設計人員入門 TMC5130。此板件系統包含三個部分：連接到電腦的底板連接橋接器 (左)、包含多個測試點的連接器板 (中)，以及 TMC5130-EVAL 板 (右)。

圖 1：TMC5130-EVAL 評估板 (右) 和馬達負載 (最右) 透過底板連接 USB 橋接器，連接至 PC (左) 以及含測試點的連接器板 (中)。(圖片來源：Analog Devices)

若設計人員偏好採用 TMC5130 核心開發電路，Analog Devices 提供 TMC5130A-BOB 分接板 (圖 2，上)。此板件提供作業所需的基本互連，並透過 SPI 介面進行控制。其線路圖 (圖 2，下) 顯示達到 TMC5130 IC 的功能所需的最少電路。

圖 2：TMC5130A-BOB (上) 提供一個基本的評估方法，其連接點位於邊緣而非獨立的連接器上；其線路圖 (下) 顯示 TMC5130 IC 達到功能所需的最少電路。(圖片來源：Analog Devices)

TMC5240-EVAL 評估套件基於成熟的 TMC5130-EVAL 平台，簡化新一代步進馬達評估，整合 36 V 全橋、無損耗電流感測、先進的動作控制，以及經過加加速度最佳化的斜坡產生器和超靜音 StealthChop2™ 操作，能更快啟動、更輕鬆調整，以及更有效率的達到順暢、精準的馬達效能。

具備先進的控制技術，無需回授感測器

磁場導向控制 (FOC)，也稱為向量控制，是一種更加普遍，用於控制各種馬達的方法，因為能在許多情況下針對編碼器或霍爾效應感測器等，消除回授感測器的需求，以及其相關的成本和空間。磁場導向控制和非磁場導向控制技術之間的主要權衡在於磁場導向控制需要即時執行大量的高精密度運算和矩陣運算。

Analog Devices 的 TMC4671-LA 馬達控制器積體電路專門針對磁場導向控制所設計，內嵌演算法和專用引擎，用於執行這些演算法所需的複雜運算。這款伺服控制器適用於直流馬達、無刷直流馬達 (BLDC)、步進馬達，以磁場導向控制提供扭力控制，並透過級聯控制達到速度和位置控制。

TMC4671-A 支援 SPI 和 UART 鏈路，可與低階監控微控制器單元 (MCU) 進行基本通訊。所有控制功能均實作於硬體，搭配整合式 ADC、用於可選回授的位置感測器介面、位置內插器等，為各種伺服應用提供功能齊全的伺服控制器。

TMC4671-A 的 TMC4671-EVAL 板 (圖 3) 簡化配置所需的磁場導向控制參數，並評估馬達在此進階控制機制下的效能。設計人員將 TMC4671-EVAL 與連接橋、相關基板、獨立的功率級連接。此設定可輕鬆配置比例積分 (PI) 控制器和回授機制，並支援馬達在標準位置、速度、扭力控制模式下運作。

Analog Devices 的 TMC4671-EVAL 板的圖片 圖 3：TMC4671-EVAL 板具有兩排用於訊號和電源 I/O 的排針座。(圖片來源：Analog Devices，經作者修改)

TMC4671-EVAL 頂部的排針用於連接數位編碼器、數位霍爾效應感測器訊號、參考開關。板件底部的排針用於連接類比霍爾效應感測器訊號或正弦／餘弦編碼器。

若設計人員偏好以功能性馬達驅動核心自行建立評估電路，可以使用 TMC4671-BOB 分接板 (圖 4，上)。此板件提供 SPI 和 UART 介面用於通訊和配置，以及即時監控介面 (RTMI)，可透過 USB-2-RTMI_V20 配接器進行即時偵錯和調整，該配接器具有電氣 (歐姆) 隔離 (圖 4，下)。

Analog Devices 的 TMC4671-BOB 和 USB-2-RTMI_V20 配接器的圖片 圖 4：TMC4671-BOB (上) 可直接存取 TMC4671 以及 SPI 和 UART 介面；配套的 USB-2-RTMI_V20 配接器 (下) 是一個電氣隔離的 USB 介面。(圖片來源：Analog Devices)