對于很多工業(yè)應(yīng)用，從簡單的X-Y工作臺到復(fù)雜的機器人技術(shù)以及安全實施，高效的運動控制都非常關(guān)鍵。多年以來，這些功能中設(shè)計驅(qū)動和控制電路的方式基本未變。硬件架構(gòu)一般包括一個標(biāo)準(zhǔn)的微控制器或DSP、提供解碼器輸入和電機輸出的定制邏輯電路、一組模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC和DAC）、以及用于驅(qū)動轉(zhuǎn)子和定子電流的模擬電路（對于步進(jìn)電機，一般是一個H橋FET布局）。 　　 這份很長的集成電路和分離器件清單無疑很全面：此類系統(tǒng)經(jīng)常需要一個網(wǎng)絡(luò)接口（例如RS-485或CAN）協(xié)調(diào)運動與其它系統(tǒng)動作。并且，這種系統(tǒng)還需要外部存儲器來設(shè)置和存儲各種參數(shù)。它還帶來沉重的軟件開銷：這包括從生成所需驅(qū)動波形的低層代碼到故障診斷等較高層控制與監(jiān)視功能的各種開銷。 最近，電機和控制器制造商們已開始生產(chǎn)更多集成標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。使用PCB或混合互聯(lián)技術(shù)，所有必需的分離式元件都被組合在一起：整個主板（或模塊）或者是單獨提供，或者與電機集成到一起銷售。 　　 雖然這種次組裝在高電流（幾安培）、多相步進(jìn)電機應(yīng)用中有其價值，但它們?nèi)砸笙喈?dāng)高的編程知識，并且不適用于空間和成本構(gòu)成重要問題的應(yīng)用，尤其是電流要求比較低的情況。 　　 單芯片解決方案 　　 因此，半導(dǎo)體供應(yīng)商已將目光轉(zhuǎn)向開發(fā)單芯片解決方案，以期取代大部分（有些情況下是全部）電機驅(qū)動電路。這些器件的生產(chǎn)一直非常有挑戰(zhàn)性，因為它們將數(shù)字邏輯電路、高壓開關(guān)和模擬功能結(jié)合在了一起。只有用成熟、經(jīng)過驗證的混合信號處理工藝（比如AMIS I2T、I3T和C5x）的制造商，才有望成功生產(chǎn)這種集成電路。 　　 這些亞微型工藝能在同一襯底上將高壓操作、很大的電源范圍、數(shù)字邏輯電路和精密模擬電路結(jié)合起來。正是這種集成能力，讓AMIS得以推出業(yè)內(nèi)首個帶有LIN接口的單芯片微步進(jìn)電機驅(qū)動器，這也是AMIS-3062x系列特定應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）的一部分。由于使用高級混合信號工藝，才能將總線連接、位置控制、控制電路和電機驅(qū)動器集成于單一封裝，使這些器件位于技術(shù)的前沿成為可能。 作為最新技術(shù)的一個范例，圖1提供了AMIS-30623的框圖。這個集成電路的核心是一個數(shù)字運動控制器和一個H橋布局的50mA至800mA雙極兩相步進(jìn)電機驅(qū)動器。這種驅(qū)動器提供微步進(jìn)操作，因此不再需要在速度、噪聲和共振導(dǎo)致的失步之間進(jìn)行權(quán)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)通訊接口，有LIN或I2C接口可供選擇。 　　 這些設(shè)備的一個主要優(yōu)點就是，所有針對應(yīng)用的運動控制功能都是在廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)編程的。反之，這也明顯減少了工程師要求的編碼工作。實際上，對于選擇這種設(shè)備的設(shè)計人員而言，首要標(biāo)準(zhǔn)往往是易于使用和編程。因此，開發(fā)與評估工具和硬件同等重要。AMIS EVK-3062x（圖2）等評估工具包內(nèi)包含了通過USB和LIN或I2C將控制器連接到個人電腦所需的全部工具。該工具包能夠?qū)崿F(xiàn)對這一系列四種設(shè)備中任何一種基于GUI或腳本的控制。 　　 開發(fā)階段的靈活性是縮短開發(fā)時間的關(guān)鍵。出于同一原因，設(shè)計人員在選擇運動控制器時非常重視眾多的存儲器選件。特別是設(shè)備的閃存版本，它允許在開發(fā)應(yīng)用及之后測試和調(diào)試軟件時進(jìn)行再編程。這顯著加快了設(shè)計更迭的速度。 　　 接口選件 　　 從系統(tǒng)設(shè)計角度來說，通信接口選件也很關(guān)鍵，常見的兩種是LIN和I2C。LIN特別適于實現(xiàn)總線型架構(gòu)。在包括汽車工業(yè)在內(nèi)的遠(yuǎn)程或分布式應(yīng)用中，這種架構(gòu)可以減少布線和改善EMC性能。配有I2C的設(shè)備更適合在獨立PCB上與本地微處理器一起用作外圍設(shè)備。 　　 設(shè)計師認(rèn)為最合適的接口，將被用于將高水平位置的指令傳遞到電機控制芯片，該芯片是主驅(qū)動器或控制器的有力部件。在發(fā)送指令之外，主驅(qū)動器或控制器能向設(shè)備詢問狀態(tài)信息，比如實際位置和錯誤標(biāo)記：接口還能用于設(shè)定運動控制參數(shù)，比如微步進(jìn)分辨率、運行電流、保持電流、加速度和減速度，這些通常更多的是保留在一次性可編程存儲器中。 　　 傳感器或無傳感器 　　 選定一個接口之后，設(shè)計師的下一個任務(wù)就是在基于傳感器和無傳感器控制環(huán)路策略之間做出選擇。后者在定子線圈中使用了反電勢（或電流），以推斷出轉(zhuǎn)子位置，結(jié)果是產(chǎn)生了一個只有很少外部元件容噪的系統(tǒng)?；趥鞲衅鞯姆答佋黾恿艘粋€外部傳感器元件，也造就了高質(zhì)量閉路控制。它提供了一個全天候轉(zhuǎn)子位置的絕對測量方法，這對于時間關(guān)鍵和高動態(tài)的應(yīng)用會很重要，不過增加的傳感器提高了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。 　　 許多基于步進(jìn)電機的位置控制器不需要轉(zhuǎn)子測量位置的連續(xù)反饋。這種“開路”運行依賴正確的設(shè)計，只要求檢測“運行結(jié)束”位置和阻止轉(zhuǎn)子運動的事件。一般而言，正常運行可通過統(tǒng)計方法得到驗證，方法是在轉(zhuǎn)子處于給定位置時閉合／打開一個簡易開關(guān)。AMIS-3062x系列提供與嵌入位置控制器同步的開關(guān)輸入，因此也適用這種方法。另外，該系列還能夠?qū)崿F(xiàn)完全無傳感器的運動控制。集成式無傳感器停轉(zhuǎn)檢測功能可以防止失步，還能夠在電機出現(xiàn)機械障礙時停止電機。它的使用非常簡單，只需預(yù)編程參數(shù)即可實現(xiàn)。它還允許在接近系統(tǒng)機械終點止動位時執(zhí)行半閉路運行。對于AMIS-3062x，無傳感器停轉(zhuǎn)檢測不需要額外編程，能保證快速、經(jīng)濟而且可靠的實施。 微步進(jìn) 　　 工業(yè)工程師應(yīng)該熟知微步進(jìn)電機概念，一般大多數(shù)集成控制器都為設(shè)計師提供了分辨率選擇：對于AMIS-3062x系列，就有1/2、1/4、1/8和1/16步進(jìn)操作可用。微步進(jìn)以更低的頻率產(chǎn)生更平穩(wěn)的運動和更高效的操作，使系統(tǒng)更能免于受共振效果影響，因為它消除了全或半步進(jìn)系統(tǒng)所產(chǎn)生的大型不連貫波形。總體效果就是更低的機械和電機震動及噪音。 　　 當(dāng)然，利用微步進(jìn)優(yōu)勢的能力取決于控制器將驅(qū)動電流調(diào)整至更高精密度的能力，不管是在振幅還是時序方面。H橋內(nèi)的兩種驅(qū)動電流的比率能夠確定電機位置，而扭矩則由振幅控制。這種控制對準(zhǔn)確度的需求與此應(yīng)用中要求的最大驅(qū)動電流一樣是重要的設(shè)計參數(shù)。 　　 幾項設(shè)備規(guī)格一起影響了這些參數(shù)：比如，PWM頻率的合適選擇（在一般的AMIS-3026x中為20kHz），而振蕩器的頻率和精密度也就由此得出了（4MHz、±10%）。但驅(qū)動器的瞬變開關(guān)時間也很重要：AMIS-3026x針對這些數(shù)量分別規(guī)定了350ns和250ns的規(guī)格。該設(shè)備還包括作為精密度參考的片內(nèi)平衡電壓源。最后，被選中的運動控制器必須能夠提供所需的高端驅(qū)動電流：AMIS設(shè)備為此提供了一個集成的250kHz電荷泵。 　　 尺寸和功率 　　 確認(rèn)了擁有所需性能的設(shè)備后，設(shè)計人員還必須記住在許多應(yīng)用中都必須考慮的兩個因素：尺寸和功耗。汽車、工業(yè)設(shè)備和樓宇自動化等應(yīng)用經(jīng)常需要將運動控制器直接安裝在電機上，要求使用有結(jié)實包裝的小型組件。采用Micro Leadframe （MLF）包裝的設(shè)備現(xiàn)已上市，它們是此類應(yīng)用的理想之選。這種“近芯片尺度”NQFP包裝的橫斷面不足1mm，占用面積僅為7mm×7mm。這種新設(shè)備的另一個優(yōu)點是，通過采用裸露下墊板設(shè)計，熱阻得到顯著改善，這有助于更有效地從集成電路向安裝基體散熱。同樣重要的是設(shè)備的集成度：例如，大多數(shù)控制器芯片都將至少包含功率應(yīng)用中通常所需的一些保護功能。這些功能包括過電流、欠壓與過壓、高溫與低溫警告和管理。一般而言，這些不是“額外功能”：有一些必需的系統(tǒng)零件，一旦沒有裝進(jìn)控制器，就需要額外的元件以實現(xiàn)其功能。 　　 同時功耗是一個需要從兩方面看待的問題。主要用于H橋FET內(nèi)的主動散熱不僅浪費能源而且還會導(dǎo)致工作溫度升高：而這反過來又會導(dǎo)致需要使用額外的冷卻組件，并且還會影響長期可靠性。另一方面，在汽車等應(yīng)用中，睡眠模式功耗是一個比較特殊的問題，因為設(shè)備將在關(guān)機模式耗用大量時間，等待中斷或按鍵。關(guān)機供電電流一般為50礎(chǔ)的設(shè)備（如AMIS-3026x）特別適合此類應(yīng)用。 　　 未來前景 　　 今天，單芯片電機控制器正迅速地從基于分離式設(shè)備的解決方案中搶奪市場份額。雖然一些應(yīng)用仍然要求采用子系統(tǒng)方法，ASSP產(chǎn)品正在逐漸興起。AMIS預(yù)計未來發(fā)展集中在兩個關(guān)鍵領(lǐng)域。第一是將驅(qū)動電流提高至2.5A以上，但同時，設(shè)計人員也期望更高的集成水平和更小的整體系統(tǒng)尺寸。 　　 第二，將來的設(shè)備能夠提供更大的靈活性。這不但能在單一應(yīng)用中提升可取得的功能范圍，也能在多個項目中部署同樣的硬件，減輕設(shè)計人員的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。 　　 對所有這些時下和將來發(fā)展起關(guān)鍵作用的，是將在不同電壓下工作的混合信號電路、特殊應(yīng)用軟件和易于使用的開發(fā)工具集成在一起的能力。隨著像AMIS這樣的公司不斷擴大這些技術(shù)的應(yīng)用范圍，模擬世界和數(shù)字世界越來越接近，這將為設(shè)計人員解決當(dāng)今現(xiàn)實世界中的問題帶來切實的好處。