Семейство драйверов шаговых двигателей AMIS-30xxx от ON Semiconductor

Ситуация изменилась после того, как ON Semi­con­duc­tor приобрела в декабре 2007 г. компанию AMI Semi­con­ductor (AMIS), широко известную разработкой и производством заказных и специализированных ИС для автомобильного, медицинского и промышленного секторов рынка. Продукция этой фирмы характеризуется высоким качеством и уровнем интеграции аналоговой и цифровой технологий. Разработки AMI Semiconductor сохранили свой индекс в названиях — AMIS, но теперь выпускаются под брендом ON Semi. Одной из удачных разработок компании в 2005 г. стала серия драйверов для шаговых двигателей AMIS-30xx. По сути, она ознаменовала очередной этап эволюции архитектуры и технологии драйверов шаговых двигателей (ШД). Для того чтобы по достоинству оценить уровень разработок AMIS, рассмотрим процесс эволюции микросхем для ШД от различных производителей.

Шаговые двигатели были разработаны в начале 1960 гг. как более дешевая альтернатива позиционным сервоприводам для применения на растущем рынке периферийных компьютерных устройств. Главное преимущество ШД — обеспечение точного позиционирования без применения датчиков положения обратной связи. Это преимущество значительно снизило цену систем приводов компьютерной периферии и сделало ее массовым и доступным изделием. По мере совершенствования параметров, удешевления производства, а также упрощения и удешевления схем управления шаговые двигатели завоевали популярность и в других приложениях.

Униполярные двигатели проще в управлении и требуют меньше управляющих элементов. Ранее этот фактор имел решающее значение в цене готового решения. После того, как значительно повысился уровень интеграции и снизилась цена микросхем драйверов, униполярные шаговые двигатели потеряли это преимущество. Если сравнивать их между собой, то биполярный ШД имеет более высокую удельную мощность. При одних и тех же размерах биполярные двигатели обеспечивают больший момент, который пропорционален магнитному полю, создаваемому обмотками статора. Именно биполярные шаговые двигатели в основном выпускаются производителями.

Двигатель имеет две обмотки, каждая из которых управляется мостовой схемой ключей. На рисунке 1 показана базовая схема управления биполярным шаговым двигателем.
Для требуемой фазировки токов через обмотки внешняя схема должна обеспечить синхронное управление ключами двух мостовых схем. Первые схемы управления шаговыми двигателями были реализованы полностью на дискретных элементах и микросхемах комбинационной логики.

Рис. 1. Базовая схема управления биполярным шаговым двигателем

Первым этапом интеграции стала реализация в одном корпусе элементов моста и простой логики управления его ключами. Примером такой микросхемы является UC3717 фирмы Unitrode (в настоящее время часть TI), которая была разработана до 1995 г. Для управления двигателем требовалось использовать две такие микросхемы и внешний контроллер шаговых перемещений. Применялся линейный токовый режим с большими потерями мощности на обмотках и биполярных транзисторах.
Компания Infineon примерно в то же время (1996 г.) стала выпускать микросхему драйвера SAA1042, в котором были интегрированы сразу две мостовых схемы, логика управления двумя мостовыми схемами, тактовый генератор, логика управления поворота на шаг и полшага, а также защитные диоды. К тому же времени компания Motorola разработала драйвер MC3479, аналогичный по структуре SAA1042.

В структуру драйвера стали вводить датчики выходного тока для слежения за токовой перегрузкой в мостовых схемах. Примером такого драйвера явилась микросхема TLE4729G Infineon. Контроль тока производился отдельно в каждом мосту (в нижнем плече) через внешний резистивный датчик. Сигналы перегрузки по каждому каналу управления обмотками были доступны внешнему управляющему контроллеру в виде сигналов ошибки (открытый коллектор).

На следующем этапе эволюции структуры драйвера для снижения потерь в мостовых схемах биполярные транзисторы заменили на DMOS. Кроме того, стал использоваться метод ШИМ токового управления, который позволил значительно уменьшить рассеиваемую на драйвере мощность. В структуре драйвера появились схемы защиты от перегрузки по току и перегрева кристалла, схемы обнаружения обрыва обмоток и короткого замыкания. Был добавлен режим энергосбережения.

На рисунке 2 показаны диаграммы сигналов управления обмотками шагового биполярного двигателя для различных режимов. Обычно используется полношаговый или полушаговый режимы. Драйверы для их поддержки существенно проще и дешевле.

Рис. 2. Диаграммы сигналов для управления шаговым двигателем

Микрошаговый режим позволяет осуществлять дробление основного шага на несколько позиций и получать непосредственно без редуктора большую точность позиционирования вала двигателя. Allegro Microsystems была первой фирмой, которая разработала и начала серийный выпуск недорогих интегральных драйверов SLA7042M и SLA7044M для двигателей, которые поддерживали режим микрошагового управления (1996 г.).

На следующем этапе в структуру драйвера была добавлена логика, которая упростила управление двигателем и снизила нагрузку на внешний контроллер. Отныне для управления вращением вала на один шаговый угол требовались всего два сигнала — сигнал направления DIR и тактовый сигнал CLK (или NXT), задающий скорость вращения. Этот интерфейс впервые появился у драйверов Allegro Microsystems и в дальнейшем стал использоваться в драйверах других производителей.

Шаговые двигатели имеют ряд особенностей управления, связанных с инерционностью вала двигателя с нагрузкой и дискретностью движений вала. После выполнения каждого шага под управлением токовых импульсов, поданных на обмотки, производилась фиксация вала за счет закорачивания цепей обмоток (режим Slow) или переполюсовки сигналов для более быстрой фиксации (Fast) (см. рис. 3).

Рис. 3. Режимы переключения мостовой схемы драйвера

При большой нагрузке на валу, а также при большой скорости вращения могли возникать паразитные явления — проскок на шаг вперед, пропуск шага или полное заклинивание двигателя, а также резонансные явления, когда двигатель находился на границе допустимых режимов. Для преодоления этих недостатков потребовалась обратная связь, возможность изменять режимы управления фазами разгона и торможения при выполнении шага и др.

После оценки сигнала обратной связи можно выработать стратегию для изменения параметров управляющих сигналов. Например, если ситуация соответствует зоне проскока на шаг вперед, значит, для данного скоростного режима недостаточна сила торможения. В этом случае можно уменьшить ток активной фазы или использовать режим быстрого торможения. В руководстве по драйверам приводятся методики для выбора оптимальных параметров управления. Для адаптации параметров управляющих сигналов под конкретные параметры двигателя и режим движения, а также возможности динамической подстройки параметров сигналов для устранения потери шага, резонансного эффекта, повышения динамики на больших скоростях был добавлен последовательный интерфейс и соответствующие схемы цифровой регулировки параметров. Параметры загружались в соответствующие режимные регистры. Этот уровень был впервые использован в микросхемах драйверов Allegro Microsystems, а затем появился в структурах драйверов STMicroelectronics, TI, Infineon.

К началу разработки компанией AMIS своей архитектуры драйверов на рынке уже присутствовали драйверы шаговых двигателей, которые имели, с одной стороны, достаточно высокий уровень интеграции, а с другой — набор функциональных параметров, обеспечивавших реализацию оптимальной и дешевой схемы управления. В качестве примера такого драйвера можно привести драйвер-контроллер А3992 Allegro Microsystems. Для его управления использовался ШИМ, в мостовых схемах — полевые ключи; были реализованы различные типы защит от перегрузок. Загрузка параметров и управление движением производилась через последовательный интерфейс. Поддерживался режим микрошага. В обеих мостовых схемах использовались два внешних резистивных токовых датчика для контроля перегрузки. Для улучшения формы кривой при микрошаговом режиме в А3977 применялось автоматическое изменение режима спада тока в зависимости от текущего микрошага (Mixed Decay Mode).

При ее разработке требовалось создать модульную архитектуру для реализации линейки микросхем с функциональными параметрами, ориентированными на различные варианты применения с разными уровнями цен. Степень интеграции и функциональности должна была соответствовать лучшим на то время образцам интегральных драйверов-контроллеров. В архитектуре требовались модули, обеспечивавшие расширенные функциональные возможности. На рисунке 4 показана модульная архитектура линейки драйверов AMIS-30xxx.

Рис. 4. Архитектура микросхем драйверов AMIS-30xxx

Белые поля соответствуют резидентным модулям, которые присутствуют во всех микросхемах семейства. Цветными полями маркированы необязательные модули, определяющие специфику и назначение микросхемы драйвера. В семейство AMIS-30xxx входит семь микросхем (A–G), различающихся интерфейсом управления, поддержкой некоторых функций и электрическими характеристиками (см. табл. 1).
Размер микрокорпуса NQFP32 — всего 7×7мм. Семей­ство образовано двумя сериями драйверов AMIS-305xx (четыре микросхемы) и AMIS-306xx (три микросхемы). Они отличаются некоторыми функциональными элементами, применением и, что особенно важно, ценой.

Первая серия микросхем AMIS-305xx (см. рис. 5) имеет простой пошаговый режим управления движения валом. При разработке большинства современных приложений она может служить отличной и недорогой альтернативой драйверам Allegro Microsystems, Infineon, Toshiba, TI, National Semiconductor, ROHM, обеспечивая функциональную совместимость. Их интерфейс управления образован последовательным портом SPI для конфигурирования и мониторинга и специализированными линиями ввода-вывода, в т.ч. для управления ШД.

Рис. 5. Структурная схема ASSP AMIS-305xx

Пошаговая система управления производится в данной серии двумя сигналами. DIR (direction) определяет направление вращения, а сигнал на входе NXT (Next) подается в качестве команды для выполнения очередного шага поворота вала. Скорость движения и режим дробления шага устанавливаются предварительно через режимные регистры драйвера.
Работая совместно с внешним микроконтроллером, ИС AMIS305xx выполняет преобразование заданной команды управления путем генерации на выходе драйверного каскада ШИМ-сигналов. Важным преимуществом AMIS-305xx является реализация слежения за рассогласованием угла поворота вала за счет контроля сигнала противо-ЭДС на обмотках двигателя через вывод SLA. Эта функция открывает широкие возможности по контролю и анализу работы ШД, обнаружению пропуска шага и возврата на шаг назад, введению обратных связей по положению и скорости, не требуя применения каких-либо дополнительных внешних компонентов. 

Серия имеет три характерных отличия от AMIS-305xx:
1) в микросхеме через последовательный интерфейс реализована поддержка управления движением на уровне команд позиционирования;
2) в структуре имеется контроллер позиционирования, состоящий из программируемых счетчиков и регистров;
3) слежение за рассогласованием угла вала выполняется автоматически и не требует дополнительной программной поддержки. Используется тот же сигнал противо-ЭДС и интегрированный автомат, изменяющий динамические параметры сигналов управления.

Рис. 6. Структурная схема драйвера

Контроллер позиционирования обеспечивает управление разгоном и замедлением двигателя по определенной диаграмме скорости с программируемыми значениями минимальной и максимальной скорости, ускорения/замедления, для определения исходного положения ротора и перевода его в заданное положение, а также для контроля состояния внешнего контакта на входе SWI. Вход SWI можно использовать при отладке рабочих режимов или в штатном режиме типа концевика. Вход подключен к отдельному механическому замыкателю/концевику, связанному с валом. При прохождении заданной позиции вала, когда происходит замыкание/размыкание механического ключа, это состояние транслируется по последовательному интерфейсу в управляющий внешний контроллер и может быть использовано для контроля точности работы позиционирования или в качестве опорной точки для калибровки прохождения заданного угла, или точки реверса движения вала.

Драйвер AMIS-306xx управляется командами высокого уровня, которые подаются через I2C или LIN-интерфейс. Алгоритм управления AMIS-306XX реализован в виде конечного автомата, т.е. разработчику следует подать команду переместить двигатель в определенное положение, предварительно задав необходимое ускорение и максимальную скорость, а также требуемый размер микрошага.

Определяются рядом уровней нарастающих или спадающих напряжений, которые будут использоваться при выполнении соответствующей фазы по команде, поданной через сетевой интерфейс. Хост-контроллер при этом освобождается от локального контроля данных процессов. Для контроля используется встроенный запрограммированный пользователем автомат. Заданы начальные и конечные точки процессов, определены ряды значений, устанавливающие степень ускорения и торможения.

Следует учесть, что драйверы AMIS-306xx стоят дороже, чем AMIS-305xx. Выбор за разработчиком. Собственно, наличие счетчика числа шагов не всегда облегчает задачу, если в устройстве так или иначе используется микроконтроллер либо DSP. Расчет траектории производится программно. В большинстве приложений ресурс управляющего микроконтроллера достаточен для того, чтобы решать сложные задачи в реальном масштабе времени. Поскольку не во всех случаях потребуются предельные режимы движения шагового двигателя, то не понадобится и сложный алгоритм управления динамическими параметрами драйвера. Реализованный в микросхеме интерфейс SPI можно использовать для задания таких параметров драйвера как амплитуда тока, шаговый режим, частота ШИМ. Микросхема драйвера, в свою очередь, передает в микроконтроллер статусы флагов состояния. В состав обоих семейств драйверов шаговых двигателей ON Semiconductor входит обратная связь, которая позволяет сравнивать электрическое и расчетное положение ротора, что можно использовать для контроля функционирования двигателя.
Драйвер AMIS-30621 идеально подходит для позиционирования подвижных элементов небольших устройств. Его основные приложения: коррекция угла наклона ламп в автомобильных фарах, кондиционеры, привод холостого хода двигателей, механика систем круиз-контроля, промышленное оборудование, устройства домашней автоматизации.

Достигнутый благодаря новой технологии уровень интеграции позволил получить миниатюрный драйвер и уменьшить число сигналов управления. Возможность объединения в одной ИС аналоговых и силовых каскадов на повышенные напряжения, а также низковольтных цифровых каскадов сделало возможным появление полностью интегрированных контроллеров ШД. Собственно двигатель получил цифровой интерфейс. Реализованные на базе таких ИС платы контроллеров обладают столь малыми размерами, что становятся частью двигателя, который в таком случае можно назвать интеллектуальным.
Для реализации концепции умного двигателя наш­лись и партнеры. Достигнута предварительная договоренность с крупнейшими производителями биполярных шаговых двигателей японских фирм NMB (Nippon Minebea), Shinano Kenshi, Oriental Motors, Nidec Servo Corp., Moons о заказе драйверов AMIS. Впечатляет и объем выпуска шаговых двигателей этими фирмами — свыше 100 млн шт. в год! В программе выпуска будут использоваться драйверы AMIS30624 (i2C), AMIS30623 (LIN) и AMIS-30523 (CAN).
Своими разработками AMI Semiconductor значительно расширила спектр предложений для данного сегмента рынка, получив реальные шансы потеснить на рынке драйверов шаговых двигателей других крупнейших производителей.