【世说芯品】电机驱动数字化制造的N个样本

车间装备线——装配系统变得越来越复杂，为高度灵活的模块化装配机器增加了智能。为了将这些机器提升到一个新的水平，每个部件都需要针对实时通信和监控进行优化。毕竟，在整个装配过程中，只有一个组件发生故障就可能导致完全关闭。

数字化加工——数字技术对原型设计和制造产生了巨大影响。就像3D打印一样，CNC铣削和激光切割等应用被广泛使用，加快了所有行业的开发周期。现在，可以直接通过设计软件制造实际产品，依靠具有集成安全功能的精确可靠的运动控制，从而实现更安全、更可靠、效率最高的设备。

自动拾取和放置机器——虽然拾取和放置机器似乎只进行基本运动，但有些机器需要最高的灵活性来完成要求苛刻的任务，例如将单个组件放置在PCB上或从传送带上拾取物体并相应地放置它们。无论任务如何，所有拾取和放置机器都需要高效、可靠和灵活的驱动器。

测试和测量设备——在现代工业制造技术和科学研究中，测量仪器具有精密化、集成化、智慧化的发展趋势。对于测试和测量设备，准确性和可重复性是获得可靠结果的关键。例如，对生产中的所有三维复杂零件尺寸、形状和相互位置进行高准确度测量，三坐标测量就很关键。

输送系统——物料的传送在工厂运营中具有非常重要的地位，它是工业化生产的一个重要环节，好的物料流转方式，不仅省时、省力、降低成本，可保持生产线的运转，而且会大大提高我们的生产效率。

在几乎所有这些工业应用的场景，我们可以发现几乎都有电机在里面发挥着重要作用。随着工业制造的数字化发展，市场对步进电机的要求也趋于严苛，不仅要求低噪声、运行平稳、高能效、高速度高扭矩，还要求增加对设备和过程的实时监控异常行为进行优化。

特别是与系统功能密切关联的步进电机，如果通过在芯片级集成高级诊断，实现运动和力控制与监测，可以提前实现部分工业4.0的自动诊断功能，提高准确性、可靠性和效率，无论是数字加工、车间装配线，还是自动拾取与放置机器或者生产线测试测量设备，将实现更高的精度和效率，并大大减少停机时间。

基于创新技术实现无传感器的运动

在步进电机应用场合如何实现运动和力控制？传统的思路可能立即会想到：第一，增加力矩传感器；第二，检测电机电流。但是，增加力传感器会带来系统成本的增加。对一个开环系统的步进电机来说，大多采用恒流斩波控制，其电流是恒定的。检测电机电流只能增加编码器，这种方法也会增加控制系统的成本。

步进器和 BLDC 等电动机利用磁场旋转，从转子的角度来看，定子的电磁场拉动或推动转子。这会导致转子磁场与定子旋转场方向之间的相移，该相移是负载角，或电机转子和定子的两个磁场方向之间的角度。在正常负载条件下，负载角较低，流入电机的部分能量也流回电源，从而产生反电动势。该反电动势表示电机上的机械负载，这意味着它可用于监控驱动系统的实际负载条件，而无需使用其他组件。

使用电机的反电动势原理，ADI Trinamic电机驱动StallGuard和CoolStep为电机应用增加了电机负载检测功能，实现无传感器归位和失速保护。StallGuard 是步进电机的无传感器负载测量，可提供有关负载角度的经济高效的反馈，灵敏度可根据应用需求进行调整，使其成为无传感器归位、自校准、距离测量或验证所有机械装置是否仍在安全裕度内运行的理想选择，无需参考或限位开关，并降低了需要精确参考的应用的成本和复杂性。通常，开环步进驱动器在过载情况下会因失速而丢失步数，例如当轴被阻塞时。StallGuard 技术可防止步进损失，通过在达到设定负载值时停止电机来保持步数完整性。无传感器技术可以检测多达 1024 个不同的负载水平，从而提供高分辨率反馈，以便对系统进行连续监控。

CoolStep提供基于StallGuard值的动态电流控制，最初为医疗设备和实验室自动化开发的无传感器负载相关电流控制，始终以实际负载条件所需的最小量驱动电机。基于CoolStep和StallGuard技术，可以将电机能耗降低最高达90%，并有效减少热量的产生。而且，通过消除电流安全裕度并允许临时电流提升，CoolStep允许更小的电机，因为需要的扭矩储备更少。

适合工业运动无传感器争端诊断的

电机驱动解决方案

基于 StallGuard 和 CoolStep 提供支持，整个电机控制系统可以通过实时监控异常行为进行优化，无论是机械磨损还是负载不在指定裕度内，ADI Trinamic的嵌入式解决方案都可以检测并标记事件，将电机以及整个系统变成“传感器”，通过向数据集添加有价值的信息来提高效率，以便实时控制生产线。

TMC5160就是带步进/方向接口和串行通信接口(SPI) 的高功率步进电机控制驱动芯片，将实现自动目标定位的灵活斜坡发生器和业界先进的步进电机驱动器结合在一起。通过外置外部晶体管，实现高动态、高扭矩电机驱动（高达 20A 线圈电流），使系统小型化和性能可扩展变得可行，从而让经济、高效的解决方案得以实现。完整的解决方案在实现高性能基础上，能将学习时间尽可能缩短，加快产品上市时间。

TMC4671 是另外一款适合工业电机驱动的完全集成的伺服控制器，为 BLDC/PMSM 和 2 相步进电机以及直流电机和音圈提供磁场定向控制（FOC）。所有控制功能都在硬件中实现。集成ADC、位置传感器接口、位置插补器，使功能齐全的伺服控制器适用于各种伺服应用。此外，客户也可以采用用于两相双极步进电机的三轴电机控制器/驱动板TMCM-3351，或者用于无传感器负载相关电流控制六轴步进电机控制器/驱动器模块TMCM-6110 。

简单易用和成本效益原则是ADI Trinamic设计师在设计步进电机驱控芯片时的指导方针。这些方案将强大的步进电机驱动器和运动控制器集成在一块芯片上，将数字信息直接转换为平滑、精确、可靠的物理运动，被广泛地用于机器人、工业驱动、纺织、缝纫机、包装、工厂和实验室自动化、高速 3D 打印机、液体处理、医疗、办公自动化、视频监控、自动取款机等应用中。