對于很多工業應用，從簡單的X-Y工作臺到復雜的機器人技術以及安全實施，高效的運動控制都非常關鍵。多年以來，這些功能中設計驅動和控制電路的方式基本未變。硬件架構一般包括一個標準的微控制器或DSP、提供解碼器輸入和電機輸出的定制邏輯電路、一組模數和數模轉換器（ADC和DAC）、以及用于驅動轉子和定子電流的模擬電路（對于步進電機，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：此類系統經常需要一個網絡接口（例如RS-485或CAN）協調運動與其它系統動作。并且，這種系統還需要外部存儲器來設置和存儲各種參數。它還帶來沉重的軟件開銷：這包括從生成所需驅動波形的低層代碼到故障診斷等較高層控制與監視功能的各種開銷。
最近，電機和控制器制造商們已開始生產更多集成標準產品。使用PCB或混合互聯技術，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）、多相步進電機應用中有其價值，但它們仍要求相當高的編程知識，并且不適用于空間和成本構成重要問題的應用，尤其是電流要求比較低的情況。
單芯片解決方案 因此，半導體供應商已將目光轉向開發單芯片解決方案，以期取代大部分（有些情況下是全部）電機驅動電路。這些器件的生產一直非常有挑戰性，因為它們將數字邏輯電路、高壓開關和模擬功能結合在了一起。只有用成熟、經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、數字邏輯電路和精密模擬電路結合起來。正是這種集成能力，讓AMIS得以推出業內首個帶有LIN接口的單芯片微步進電機驅動器，這也是AMIS-3062x系列特定應用標準產品(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、控制電路和電機驅動器集成于單一封裝，使這些器件位于技術的前沿成為可能。
作為最新技術的一個范例，圖1提供了AMIS-30623的框圖。這個集成電路的核心是一個數字運動控制器和一個H橋布局的50mA至800mA雙極兩相步進電機驅動器。這種驅動器提供微步進操作，因此不再需要在速度、噪聲和共振導致的失步之間進行權衡。運動控制器提供可編程峰值電流，采用20kHz PWM電流控制方案。它還集成了系統通訊接口，有LIN或I2C接口可供選擇。
這些設備的一個主要優點就是，所有針對應用的運動控制功能都是在廠內進行預編程的。反之，這也明顯減少了工程師要求的編碼工作。實際上，對于選擇這種設備的設計人員而言，首要標準往往是易于使用和編程。因此，開發與評估工具和硬件同等重要。AMIS EVK-3062x（圖2）等評估工具包內包含了通過USB和LIN或I2C將控制器連接到個人電腦所需的全部工具。該工具包能夠實現對這一系列四種設備中任何一種基于GUI或腳本的控制。
開發階段的靈活性是縮短開發時間的關鍵。出于同一原因，設計人員在選擇運動控制器時非常重視眾多的存儲器選件。特別是設備的閃存版本，它允許在開發應用及之后測試和調試軟件時進行再編程。這顯著加快了設計更迭的速度。
接口選件 從系統設計角度來說，通信接口選件也很關鍵，常見的兩種是LIN和I2C。LIN特別適于實現總線型架構。在包括汽車工業在內的遠程或分布式應用中，這種架構可以減少布線和改善EMC性能。配有I2C的設備更適合在獨立PCB上與本地微處理器一起用作外圍設備。
設計師認為最合適的接口，將被用于將高水平位置的指令傳遞到電機控制芯片，該芯片是主驅動器或控制器的有力部件。在發送指令之外，主驅動器或控制器能向設備詢問狀態信息，比如實際位置和錯誤標記：接口還能用于設定運動控制參數，比如微步進分辨率、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，設計師的下一個任務就是在基于傳感器和無傳感器控制環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），以推斷出轉子位置，結果是產生了一個只有很少外部元件容噪的系統。基于傳感器的反饋增加了一個外部傳感器元件，也造就了高質量閉路控制。它提供了一個全天候轉子位置的絕對測量方法，這對于時間關鍵和高動態的應用會很重要，不過增加的傳感器提高了系統的復雜性和成本。
許多基于步進電機的位置控制器不需要轉子測量位置的連續反饋。這種“開路”運行依賴正確的設計，只要求檢測“運行結束”位置和阻止轉子運動的事件。一般而言，正常運行可通過統計方法得到驗證，方法是在轉子處于給定位置時閉合／打開一個簡易開關。AMIS-3062x系列提供與嵌入位置控制器同步的開關輸入，因此也適用這種方法。另外，該系列還能夠實現完全無傳感器的運動控制。集成式無傳感器停轉檢測功能可以防止失步，還能夠在電機出現機械障礙時停止電機。它的使用非常簡單，只需預編程參數即可實現。它還允許在接近系統機械終點止動位時執行半閉路運行。對于AMIS-3062x，無傳感器停轉檢測不需要額外編程，能保證快速、經濟而且可靠的實施。
微步進 工業工程師應該熟知微步進電機概念，一般大多數集成控制器都為設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步進操作可用。微步進以更低的頻率產生更平穩的運動和更高效的操作，使系統更能免于受共振效果影響，因為它消除了全或半步進系統所產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。
當然，利用微步進優勢的能力取決于控制器將驅動電流調整至更高精密度的能力，不管是在振幅還是時序方面。H橋內的兩種驅動電流的比率能夠確定電機位置，而扭矩則由振幅控制。這種控制對準確度的需求與此應用中要求的最大驅動電流一樣是重要的設計參數。
幾項設備規格一起影響了這些參數：比如，PWM頻率的合適選擇（在一般的AMIS-3
026x中為20kHz），而振蕩器的頻率和精密度也就由此得出了（4MHz、±10%）。但驅動器的瞬變開關時間也很重要：AMIS-3026x針對這些數量分別規定了350ns和250ns的規格。該設備還包括作為精密度參考的片內平衡電壓源。最后，被選中的運動控制器必須能夠提供所需的高端驅動電流：AMIS設備為此提供了一個集成的250kHz電荷泵。
尺寸和功率 確認了擁有所需性能的設備后，設計人員還必須記住在許多應用中都必須考慮的兩個因素：尺寸和功耗。汽車、工業設備和樓宇自動化等應用經常需要將運動控制器直接安裝在電機上，要求使用有結實包裝的小型組件。采用Micro Leadframe (MLF)包裝的設備現已上市，它們是此類應用的理想之選。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。這種新設備的另一個優點是，通過采用裸露下墊板設計，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。同樣重要的是設備的集成度：例如，大多數控制器芯片都將至少包含功率應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”：有一些必需的系統零件，一旦沒有裝進控制器，就需要額外的元件以實現其功能。
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內的主動散熱不僅浪費能源而且還會導致工作溫度升高：而這反過來又會導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，在汽車等應用中，睡眠模式功耗是一個比較特殊的問題，因為設備將在關機模式耗用大量時間，等待中斷或按鍵。關機供電電流一般為50礎的設備（如AMIS-3026x）特別適合此類應用。
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備的解決方案中搶奪市場份額。雖然一些應用仍然要求采用子系統方法，ASSP產品正在逐漸興起。AMIS預計未來發展集中在兩個關鍵領域。第一是將驅動電流提高至2.5A以上，但同時，設計人員也期望更高的集成水平和更小的整體系統尺寸。
第二，將來的設備能夠提供更大的靈活性。這不但能在單一應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，減輕設計人員的學習負擔。
對所有這些時下和將來發展起關鍵作用的，是將在不同電壓下工作的混合信號電路、特殊應用軟件和易于使用的開發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的應用范圍，模擬世界和數字世界越來越接近，這將為設計人員解決當今現實世界中的問題帶來切實的好處。
作者簡介：Guido Remmerie, AMI Semiconductor公司工業產品部門經理
