安森美半导体先进电机控制技术满足更高能效要求
2010-09-10 14:14:08
来源：《半导体器件应用》2010年9月刊
1 引言
随着节能成为全球范围关注的焦点，电机设计的能效也日益成为一个引人关注的问题。电机驱动产品不断配合行业发展的趋势，帮助设计人员提升能效、降低能耗、提高可靠性、减少元件数量等等，在实现节能方面发挥着积极的作用。
2 电机市场发展趋势
历经百年的发展，电机的应用领域已非常广泛。安森美半导体的电机驱动产品覆盖的汽车及工业等领域的应用，正是电机市场主要趋势的一个缩影。
首先是汽车电气化的趋势，即汽车制造商用集成的高能效电机替代传统内燃引擎动力，通常是用无刷直流(BLDC)电机替代皮带和齿轮驱动。用于引擎盖下的辅助元件，如泵、阀、供暖及空调、风扇等。由于BLDC电机具有相当优异的性能，也开始进入传统上采用有刷直流(BDC)电机方案的其他应用。
另一个趋势是应用装配率的提升增加电机的安装数量，如电机化供暖通风空调(HVAC)气瓣控制（主要用于有刷直流及单极步进电机），也开始应用于较低端汽车的HVAC系统。
BLDC电机在工业及电信中的应用也越来越普遍。典型应用包括风扇、鼓风机、泵及压缩机。BLDC电机的能效比交流电机或开关磁阻电机更高。BLDC电机能实现低成本变速应用，特别是用于集成了无传感器换相算法，从而能够省却外部传感器。
3 节能趋势对电机驱动应用的新要求
能源成本通常是电机整个寿命周期成本最主要的部分。因此，采用更高效的电机可以节约大量能源。
节能趋势对电机驱动的新要求包括以下几个方面：(1)能效是由所选择的电机技术及电机结构决定的，因此要求选择能将电能转换为机械能的比例提升至最高的电机；(2)选择可以将驱动器的功耗降至最低并提高能效的驱动电路。(3)通过提升电机驱动智能来实现优化的能耗方案。
此外，一些应用还要求系统中不使用有刷电机（使用步进或无刷直流电机）；使用无传感器换相（不使用电位计或霍尔传感器反馈）、嵌入运动控制算法（用于低动力应用），将能效提到最高，降低可听噪声，改善电磁干扰(EMC)性能等。另外，还有一些应用需要将驱动电路与电机紧邻布设在机电致动器上，并通过总线（LIN、I2C等）连接至中央控制单元。
4 安森美半导体提高电机设计能效的创新解决方案
在快速、精确及动态的动作控制应用中，步进电机是越来越普及的一种选择。随着电机技术的发展，智能驱动器/控制器专用标准产品(ASSP)也涌现出来，能够高效地驱动这些电机。这些器件为设计人员提供了更加灵活的方案，开创了创新功能的空间，并发现了许多新的应用。
4.1 双极步进电机驱动及控制器
安森美半导体开发的AMIS-3062x系列的AMIS-30623，就是高效驱动机电致动器中的双极步进电机的驱动及控制器。这款产品嵌入了专用有限状态机及针对先进前照灯系统(AFS)要求定制的本地互连网络(LIN)指令集。该器件集成了非传感控制检测功能，能提高可靠性，减少元件数量和板上空间，降低产品成本。AMIS-30623专为远程及多轴定位应用而设计，非传感控制检测功能的设计者能轻易完成精确的定位校准及半封闭式的循环操作。
AMIS-30623的LIN接口使其适用于需要连接远程LIN主机的机械电子解决方案。这款产品的目标应用包括前照灯级测量、自动HVAC设计、监控摄像头控制、专业照明设备及工业机器人等。AMIS-30623的工作温度均为-40℃至125℃，可传输高达800mA的可编程电流。芯片上的定位控制器可依监控类型、定位范围和参数的不同而修改配置。这款产品还具备电流保持特性。图1是AMIS-30623的框图。
安森美半导体的AMIS-30624步进电机驱动器也可用于可移动式拍摄全景-上下摆动-放焦变大(PTZ)保安摄像机应用。该器件通过I2C总线以简单的微控制器驱动3个电机。该拓扑结构支持极紧凑的摄像机设计，有助于降低成本及提供精确的工作。
AMIS-3062x单芯片解决方案的核心是一个数字运动控制器，和一个H桥布局的50mA至800mA双极两相步进电机驱动器。这种驱动器提供微步进(micro-stepping)操作，因此不再需要在速度、噪声和共振导致的失步(step loss)之间进行权衡。运动控制器提供可编程峰值电流，采用20kHz PWM电流控制方案。它还集成了系统通信接口，有LIN或I2C接口可供选择。在包括汽车工业在内的远程或分布式应用中，LIN架构可以减少布线和改善EMC性能。配有I2C的器件更适合在独立PCB上与本地微处理器一起用作外围设备。
该系列器件的主要优点是，所有针对应用的运动控制功能都可以在厂内进行预编程，明显减少了工程师的编码工作。如果选择器件的闪存版本，还可以在开发应用及之后测试和调试软件时进行再编程。这将显著加快设计更新的速度。
4.2 步进电机的精确动态控制
随着步进电机出现在越来越多的应用场合，设计人员也在继续追求高精度的定位。此外，其高能效、高性能及逐渐缩小的尺寸等特性，也使其对纺织机、机器人、计算机数控铣雕机等设备的吸引力与日俱增。安森美半导体
随着节能成为全球范围关注的焦点，电机设计的能效也日益成为一个引人关注的问题。电机驱动产品不断配合行业发展的趋势，帮助设计人员提升能效、降低能耗、提高可靠性、减少元件数量等等，在实现节能方面发挥着积极的作用。
2 电机市场发展趋势
历经百年的发展，电机的应用领域已非常广泛。安森美半导体的电机驱动产品覆盖的汽车及工业等领域的应用，正是电机市场主要趋势的一个缩影。
首先是汽车电气化的趋势，即汽车制造商用集成的高能效电机替代传统内燃引擎动力，通常是用无刷直流(BLDC)电机替代皮带和齿轮驱动。用于引擎盖下的辅助元件，如泵、阀、供暖及空调、风扇等。由于BLDC电机具有相当优异的性能，也开始进入传统上采用有刷直流(BDC)电机方案的其他应用。
另一个趋势是应用装配率的提升增加电机的安装数量，如电机化供暖通风空调(HVAC)气瓣控制（主要用于有刷直流及单极步进电机），也开始应用于较低端汽车的HVAC系统。
BLDC电机在工业及电信中的应用也越来越普遍。典型应用包括风扇、鼓风机、泵及压缩机。BLDC电机的能效比交流电机或开关磁阻电机更高。BLDC电机能实现低成本变速应用，特别是用于集成了无传感器换相算法，从而能够省却外部传感器。
3 节能趋势对电机驱动应用的新要求
能源成本通常是电机整个寿命周期成本最主要的部分。因此，采用更高效的电机可以节约大量能源。
节能趋势对电机驱动的新要求包括以下几个方面：(1)能效是由所选择的电机技术及电机结构决定的，因此要求选择能将电能转换为机械能的比例提升至最高的电机；(2)选择可以将驱动器的功耗降至最低并提高能效的驱动电路。(3)通过提升电机驱动智能来实现优化的能耗方案。
此外，一些应用还要求系统中不使用有刷电机（使用步进或无刷直流电机）；使用无传感器换相（不使用电位计或霍尔传感器反馈）、嵌入运动控制算法（用于低动力应用），将能效提到最高，降低可听噪声，改善电磁干扰(EMC)性能等。另外，还有一些应用需要将驱动电路与电机紧邻布设在机电致动器上，并通过总线（LIN、I2C等）连接至中央控制单元。
4 安森美半导体提高电机设计能效的创新解决方案
在快速、精确及动态的动作控制应用中，步进电机是越来越普及的一种选择。随着电机技术的发展，智能驱动器/控制器专用标准产品(ASSP)也涌现出来，能够高效地驱动这些电机。这些器件为设计人员提供了更加灵活的方案，开创了创新功能的空间，并发现了许多新的应用。
4.1 双极步进电机驱动及控制器
安森美半导体开发的AMIS-3062x系列的AMIS-30623，就是高效驱动机电致动器中的双极步进电机的驱动及控制器。这款产品嵌入了专用有限状态机及针对先进前照灯系统(AFS)要求定制的本地互连网络(LIN)指令集。该器件集成了非传感控制检测功能，能提高可靠性，减少元件数量和板上空间，降低产品成本。AMIS-30623专为远程及多轴定位应用而设计，非传感控制检测功能的设计者能轻易完成精确的定位校准及半封闭式的循环操作。
AMIS-30623的LIN接口使其适用于需要连接远程LIN主机的机械电子解决方案。这款产品的目标应用包括前照灯级测量、自动HVAC设计、监控摄像头控制、专业照明设备及工业机器人等。AMIS-30623的工作温度均为-40℃至125℃，可传输高达800mA的可编程电流。芯片上的定位控制器可依监控类型、定位范围和参数的不同而修改配置。这款产品还具备电流保持特性。图1是AMIS-30623的框图。
安森美半导体的AMIS-30624步进电机驱动器也可用于可移动式拍摄全景-上下摆动-放焦变大(PTZ)保安摄像机应用。该器件通过I2C总线以简单的微控制器驱动3个电机。该拓扑结构支持极紧凑的摄像机设计，有助于降低成本及提供精确的工作。
AMIS-3062x单芯片解决方案的核心是一个数字运动控制器，和一个H桥布局的50mA至800mA双极两相步进电机驱动器。这种驱动器提供微步进(micro-stepping)操作，因此不再需要在速度、噪声和共振导致的失步(step loss)之间进行权衡。运动控制器提供可编程峰值电流，采用20kHz PWM电流控制方案。它还集成了系统通信接口，有LIN或I2C接口可供选择。在包括汽车工业在内的远程或分布式应用中，LIN架构可以减少布线和改善EMC性能。配有I2C的器件更适合在独立PCB上与本地微处理器一起用作外围设备。
该系列器件的主要优点是，所有针对应用的运动控制功能都可以在厂内进行预编程，明显减少了工程师的编码工作。如果选择器件的闪存版本，还可以在开发应用及之后测试和调试软件时进行再编程。这将显著加快设计更新的速度。
4.2 步进电机的精确动态控制
随着步进电机出现在越来越多的应用场合，设计人员也在继续追求高精度的定位。此外，其高能效、高性能及逐渐缩小的尺寸等特性，也使其对纺织机、机器人、计算机数控铣雕机等设备的吸引力与日俱增。安森美半导体
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