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馬達控制

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瑞薩攜手MinebeaMitsumi開發步進馬達解決方案

瑞薩電子(Renesas)與步進馬達廠商美蓓亞三美(MinebeaMitsumi),日前宣布共同開發解角器(Resolver型角度感測器)步進馬達和馬達控制解決方案適用於機器人、辦公室自動化(OA)設備,以及醫療/護理設備。這些應用產品要求馬達具備更高精密度的馬達控制,小型化尺寸並提升雜訊抵抗力。瑞薩與MinebeaMitsumi合作,開發解角式感測器型步進馬達和馬達控制解決方案,可滿足這些應用產品的需求。 MinebeaMitsumi工程總部技術長同時擔任電子工程開發副主管的Katsutoshi Suzuki表示,感到非常高興能夠與瑞薩合作,提供一流控制技術、開發出色的產品。希望解角器型步進馬達在產品差異化方面的進展,得以開拓全新市場。 MinebeaMitsumi在車用解角式感測器領域具優異成績,此時將首次開發用於步進馬達的新型解角器,可用於消費用和工業用設備,例如機器人、OA設備和醫療/護理設備。瑞薩作為全球32位元微控制器(MCU)市場的廠商,也開發出全新的解角數位轉換器(Resolver-to-Digital Converter, RDC﹚,該轉換器支援MinebeaMitsumi的新型步進馬達,可搭配採用32位元RX MCU控制RDC之驅動程式軟體。瑞薩還提供解角器型步進馬達控制套件,其中包括開發工具,內含美蓓亞三美的解角器型步進馬達,和附有RDC的評估板,讓使用者能夠儘快啟動應用程式的開發。 瑞薩電子物聯網和基礎設施業務處通用MCU業務部資深副總裁暨負責人Roger Wendelken也表示,與MinebeaMitsumi的合作成果,將使得步進馬達可以運用在更為廣泛的應用產品中。雙方合作為客戶提供一種具備解角器型步進馬達開發一切所需的解決方案,包括馬達、RDC、MCUs、軟體和工具,讓客戶能夠加快馬達開發速度,並縮短產品及時上市的時間。 內建解角器的步進馬達,即使在高熱、粉塵或振動的惡劣環境下,也可以進行高精度的馬達控制。這種馬達還具備良好的特性,例如承載重物並不失同步的能力。瑞薩和MinebeaMitsumi已開發出一種新型的解角器步進馬達和解角器馬達控制解決方案,可提供最高的性價比,因而可以擴大步進馬達的應用範圍。例如,客戶在機器人和無人搬運車(AGV)的開發中,甚至可以在倉庫或室外等惡劣環境中,實現高精度的運動,同時藉由使用較小的馬達來降低成本,並進一步使工業設備小型化。
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意法推出數位電源/馬達控制探索套件

意法半導體(ST)擴大對STM32G4微控制器的開發支援,推出數位電源和馬達控制兩個版本的探索套件,並在最新的STM32CubeG4套裝軟體(v 1.1.0)中增加新的韌體範例,幫助開發者進一步了解競賽級無人機、專業級無人機和小型電動車等應用的數位電源和馬達控制技術。 B-G474E-DPOW1探索套件是一個功能完整的數位電源開發平台,其包含STM32G474RE 微控制器、板載電阻負載的降壓-升壓轉換器、高亮度RGB LED控制器、使用者LED指示燈和按鈕、靈活的電源和資料介面,以及支援程式除錯。使用者可以探索微控制器的濾波數學加速器(Filter-Math Accelerator, FMAC),處理3p/3z補償等功能,確保在負載範圍內可維持高效能,還可探索數位斜率補償功能,在照明等應用中釋放CPU時鐘週期。 B-G431B-ESC1探索套件是一個功能完整的馬達轉速電子控制(Electronic Speed Control, ESC)參考設計,適用於最高40A的三相無刷直流馬達(BLC)和永磁同步馬達(PMSM),元件包含一個STM32G431CB 微控制器和一個採用STripFET F7功率MOSFET的三相馬達驅動級,可以處理無感測器向量控制演算法(Field-Oriented Control, FOC)或六步換向控制。板載功能包括電保護、熱保護、交錯上下臂驅動器,支援馬達感測器和三電阻電流檢測。例如,電路配置密集可讓愛好者拆除STLINK子板,並在應用中直接使用控制器。該套件支援X-CUBE-MCSDK v5.4.1 馬達控制SDK,其目標應用是由6S 鋰聚電池組供電的無人機、小型電動車和無線電控制之車輛。 STM32G4系列現在為STM32產品家族帶來一個新的封裝選擇:128腳位的14×14 LQFP封裝。這是STM32G4系列中首個腳位數量超過100的封裝,其封裝面積與現有的LQFP100封裝相同,而更多的腳位埠讓使用者能夠更靈活地處理I/O密集型任務。STM32G4微控制器功能強大,其整合了豐富的類比功能、高解析度計時器、安全即時韌體升級雙區快閃記憶體、低動態功耗(160μA/MHz)模式和最大125°C (環境)溫度之選項,適用於消費性電子和工業領域的馬達控制、數位電源和儀表應用。這一功能強大的微控制器系列採用170MHz Arm Cortex-M4F內核心處理器,並整合意法半導體的自我調整即時ART Accelerator加速器、CCM-SRAM程式加速器,以及新FMAC和三角函數座標旋轉計算硬體加速器等專有創新技術,可以帶來卓越的整體應用和即時控制性能,而且效能傲人。
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MCU Based省錢又省力 氣動馬達控制效率更上層樓

由於氣體具有可壓縮性、高摩擦力、易於洩漏、非線性等問題,所以氣壓馬達的應用多屬簡單的開路控制,無法像電氣馬達進行精密伺服控制。然而,近年來隨著積體電路的快速發展,各種微電腦數位控制器的種類不斷推陳出新,且功能不斷的增強;同時各種控制方法與理論也不斷出現,諸如模糊控制、類神經網路控制、適應性控制、強健性控制等,使得過去無法與不易進行的氣壓系統精密伺服控制,也開始新一輪的研究開發。本篇文章嘗試使用盛群半導體的HT32F52352微控制器(MCU)作為控制核心,研究開發以32位元微控制器為基礎之氣動馬達伺服控制器,進而探討HT32F52352 MCU於各種氣壓系統精密伺服控制應用上之可能性。 IC技術提升有助氣壓馬達發展控制 氣壓系統在產業自動化中,屬於低成本自動化的領域,在各製造業中被廣泛應用,如自動進料退料系統、包裝機械、塑膠射出機、IC插件機、高速研磨機等,對於省力化、少人化的自動生產系統,扮演著極重要且基本的角色,同時氣壓系統若搭配適當的機構、感測器及電動機控制即是機電整合(Mechatronics)。 氣壓系統致動器依其運動方式之不同,可分為產生直線運動之氣壓缸、產生旋擺運動之氣壓旋擺器與產生迴轉運動之氣壓馬達。其中氣動馬達(Air Motor)與電氣馬達相較,氣動馬達有如下特性: 1.可以無限制的反覆正逆轉或停止、起動而不會燒毀。 2.起動或停止時的切換無火花產生,無爆炸之虞。 3.轉速的選擇範圍大。 4.受外界環境如濕氣、氣溫、塵埃等因素的影響少。 5.超負載時馬達停止不會有燒毀之虞。 6.重量、外型均較同馬力之電氣馬達輕巧。 雖然氣動馬達有上述之優點,但是由於氣體具有可壓縮性、高摩擦力、易於洩漏、非線性等問題,所以氣動馬達的應用多屬簡單的開路控制,無法像電氣馬達進行精密伺服控制。 然而,近年來隨著積體電路的快速發展,各種微電腦數位控制器的種類不斷的推陳出新,與功能不斷的增強;此外各種現代控制方法與理論也不斷地提出,諸如模糊控制、類神經網路控制、適應性控制、強健性控制等,使得過去無法與不易進行的氣壓系統精密伺服控制,如今也可以來研究開發。 目前國內關於氣動馬達伺服控制的研究較少,有學者使用DSP based之模糊控制器進行氣動馬達轉速伺服控制,有的則採用參考模型適應性控制(Model Reference Adaptive Control)進行氣動馬達轉速伺服控制。 上述研究分別採用價格昂貴之DSP與PC作為氣動馬達控制器之硬體,同時其控制器法則通常為複雜結構(Complex Structure)且需複雜演算,不易安裝於一般之工業控制器內。所以本研究以實際工業控制應用為考量,嘗試使用盛群半導體公司微控制器HT32F52352 MCU作為控制核心,研究開發以32位元微控制器為基礎之氣動馬達伺服控制器,進而探討HT32F52352 MCU於各種氣壓系統精密伺服控制應用上之可能性。 氣動馬達種類與原理 本篇文章將以實際商品研發為目標,研究開發氣動馬達伺服控制系統,其中包括: 1.氣動伺服馬達系統設計與製作。 2.以HT32F52352晶片為基礎之氣動馬達伺服控制器設計與製作。 3.HT32F52352 MCU Based氣動馬達精密伺服。 其與電氣馬達伺服控制作一對應比較,示意圖如圖1所示。 圖1 氣動與電氣馬達伺服控制系統比較圖 氣動馬達是將壓縮空氣的壓力能轉換成旋轉的機械能的裝置,在氣壓傳動中使用最廣泛的是葉片式和活塞式氣動馬達。葉片式氣動馬達主要由1為轉子,2為葉片,3為進出氣孔,4為氣缸體等零件構成(圖2)。上有進、排氣用的配氣孔槽,轉子上銑有長槽,槽內有葉片。定子兩端有密封蓋,密封蓋上有弧形槽與進、排氣孔及葉片底部相通,轉子與定子偏心安裝。這樣由轉子的外表面、葉片(兩葉片之間)、定子的內表面及兩密封端蓋就形成了若干個密封工作區。 圖2 葉片式氣動馬達的構造示意圖 圖3為一小型活塞式氣動馬達,是一種通過曲柄或斜盤,將若干個活塞的直線運動轉變為回轉運動的氣動馬達。按其結構不同,可分為徑向活塞式和軸向活塞式兩種。活塞式氣動馬達適用於轉速低、轉矩大的場合。其耗氣量不小,且構成零件多,價格高。其輸出功率為0.2~20kW,轉速為200~4,500r/min。活塞式氣動馬達可用作傳送帶等的驅動馬達,圖4為活塞式氣動馬達的構造示意圖。 圖3 小型活塞式氣動馬達 圖4 活塞式氣動馬達的構造示意圖 氣動馬達控制系統架構 MCU Based氣動馬達轉速伺服控制器主要是由氣壓源、空氣調理組、5口3位比例閥(FESTO MPYE-5-1/8)、快速排氣閥(FESTO MPYE-5-1/8)、輪葉式氣壓馬達(TONSON V1-L)、光學旋轉編碼器(HTR-W-500)、伺服控制器(核心為HT32F52352晶片)、個人電腦及相關運動控制電路所構成。其系統架構圖,如圖5所示。 圖5 氣動馬達控制系統架構圖 氣動馬達伺服控制,其工作原理(MCU Based閉路控制)詳述如下: 使用者使用調速旋鈕(VR1)設定之氣動馬達轉速值,HT32F52352 MCU Based伺服控制器計算相對應之控制量,經伺服控制器內運算放大電路送出0~5V電壓至比例閥,比例閥依照輸入的電壓大小控制高壓空氣進入氣動馬達之流量,使得氣動馬達按照期望之轉速運轉。最後,經由光學編碼器的量測送出方波訊號至速度轉換器轉換為類比電壓訊號0~3V傳輸至伺服控制器,伺服控制器再根據此回授轉速值以及內建控制法則(Control Law),調整輸出類比電壓訊號,進而達到氣動馬達轉速閉迴路控制。 其中位於氣動馬達出入口之兩只快速排氣閥,其功能是使氣動馬達排氣不再經由5/3氣壓比例閥排氣,而是經由快速排氣閥較大口徑排氣口排氣,由於氣動馬達排氣是經由最短路徑排放,阻力最小,氣動馬達背壓減小,因此氣動馬達轉速大幅增加。氣動馬達轉速閉迴路控制方塊圖,如圖6所示。 圖6 氣動馬達轉速閉迴路控制方塊圖 在對氣動馬達系統進行伺服控制器設計之前,本文將以實際實驗資料對氣動馬達進行開路系統鑑別,其目的是將氣動馬達轉動動態方式,此一非線性函式以一線性回授控制系統型式表示之,以便後續伺服控制分析與設計。本文設計之氣動馬達系統鑑別方塊圖如圖7所示。 圖7 氣動馬達系統鑑別方塊圖 此一MCU Based的氣動馬達轉速伺服控制器,乃是使用兩顆盛群HT32F52352的微控制器作為運動控制核心,其主要功能有二項: 1.第一顆微控制器對氣動馬達,進行功能控制,包括LCM操作功能顯示、讀取功能鍵訊號。 2.第二顆微控制器根據功能設定,對氣動馬達進行轉速伺服控制。 MCU位居氣動馬達控制核心 主要是由HT32F52352晶片與運算放大電路所構成,方塊圖如圖8所示,功能分述如下: 圖8 MCU 控制驅動電路方塊圖 1.HT32F52352晶片擔任主控制器的任務,根據功能選擇開關輸入(1組4連動開關),讀取輸入電壓值(ADC1~4),進行不同功能氣動馬達控制。 2.放大電路,使用741運算放大器將0~3V電壓放大0~5V,送至比例閥。 MCU速度顯示器電路 主要是由HT32F52352晶片、與一LCM顯示器電路所構成,其工作原理詳述如下。因本氣動馬達最大轉速為6,000rpm,所以採用一LCM顯示器來顯示轉速,此LCM顯示器之8bit資料匯流排與PortB連接,4bit控制匯流排與PortC連接,HT32F52352晶片讀取速度轉換器送來之電壓並計算相對應之轉速並顯示轉速。 MCU Base馬達測試結果 本文將作品分成氣壓馬達系統、驅動電路、七段顯示器電路與HT32F52352晶片部份進行個別實機測試,最後再將四個系統組合起來進行整合系統實機測試。 首先是氣動馬達系統組裝與測試,氣體壓力設定為4bar,由電源功供應器提供0~5V直流電壓給5/3比例控制閥,改變氣體壓力,量測氣壓馬達的轉速特性。 接著是速度轉換器校正與測試,使用波形產生器產生不同頻率之方波給轉速轉換器(Frequency to...
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威健舉辦馬達控制研討會

馬達應用越來越廣泛,工業自動化、無人機、新能源車、風力發電等,無所不在的馬達,為現代生活提供了最重要的動力。各種馬達相關的挑戰亦接踵而來,隨著智慧化世代的來臨,馬達扮演的角色將越來越重要,其控制不僅要求更精準、即時,還必須加入大量創新設計以達到節能的效果。 但在馬達本體創新進展相對緩慢的情況下,如何用更先進的驅動控制技術來驅動馬達,提升能源效率,將是馬達產業鏈未來必須面對的課題。 威健將於8月6日於台中集合旗下Lattice 、 Microchip 、Infineon 及 Vishay 四大產品線,深入剖析全方位的馬達控制解決方案。 本研討會將由內而外的方式,由核心控制元件擴散至外部離散功率元件構成完整地馬達控制應用,讓與會人員了解及熟悉威健實業旗下的產品線所帶來多元化馬達控制的風貌,降低客戶在專案開發時尋找解決方案的時程,以快速便捷的模式完成創新及節能的設計。 現場特別準備多元的展示板,希望帶給國內馬達產業不同視野,深入了解馬達控制以建構的未來藍圖;同時現場也準備了多款精美禮品以獎勵您熱情的互動和參與。研討會線上報名:https://b2b.weikeng.com.tw/active/mcs1905page;研討會聯絡人:威健實業股份有限公司行銷企劃部Jenny(02)2659 0202#736。
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MCU添運算加速器 數位電源控制效率更上層樓

數位電源應用與日俱增,而為實現更好的電源控制效率,微控制器(MCU)也開始朝更高運算邁進。為此,意法半導體(ST)近期所發布的全新STM32G4 MCU,便添加了新數學加速器,使其具備更快的運算速度、更佳的精確度,進而提升電源使用效率。 意法半導體資深行銷經理楊正廉表示,要實現更高的電源使用效率,在進行電源轉換(AC-DC)時,電源供應端和負載端就必須進行相位補償或動態調整,而這往往須透過數位化的方式,才得以獲得比傳統類比電源更好的精確度和轉換效率。也就是說,數位電源應用中需要更多的數學運算,透過更多的演算提升電源控制、轉換效率,因此,新一代的MCU產品便導入兩個新的硬體數學運算加速器來提升應用處理速度。 據悉,數學運算加速器專門用於加快運算速度,例如,家電或空調所採用的節能馬達控制演算法中之三角函數計算,以及訊號調節或數位電源控制演算法中的濾波演算法,運算速度相較通用主處理器更快,且效率更高。此外,這種減負方式還可讓內核心釋放更多資源,用於接收更多感測器資料和控制其他功能。 而新推出的STM32G4,便是導入濾波演算法加速度器(Filter-Math Accelerator, FMAC)和CORDIC專用引擎,以滿足數位電源應用需求。楊正廉指出,硬體加速器對於數位電源、馬達控制等應用而言十分有幫助,因可以加快演算法的運算速度,例如,馬達控制應用中的旋轉和向量三角函數,以及一般的對數、雙曲線和指數函數、訊號偵錯IIR/FIR濾波演算法或數位電源3p/3z控制器,以及卷積和相關函數等向量函數。過往這些數值都是倚靠工程師自身的經驗進行調整,但人為調整過程中多少會有缺失,如此一來會影響MCU效能,因此,ST便開發演算法加速度器,讓MCU在數位電源、馬達控制等應用中能有更精準的控制效率。 意法半導體微控制器事業部STM32微控制器產品線行銷經理Jean Marc MATHIEU指出,STM32G4可擴充應用範圍並簡化設計,同時降低功耗還能提升性能,透過這些創新技術,消費性電子或工業設備可以花費較少力氣,實現更高的電源效率。
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東芝推出車用馬達控制驅動IC

東芝電子元件及儲存裝置株式會社推出全新TB9062FNG車用無刷直流馬達(BLDC馬達)用於無感測器(sensor-less)馬達控制,目標終端產品為電動泵(水泵、油泵及燃油泵等)。此IC樣品目前已開始供應,於今年12月開始量產。 此款IC含預驅動器(Pre-driver)只需透過時脈頻率寬度調變(PWM)輸入便能控制BLDC馬達,無需借助任何高性能微控制器和軟體。TB9062FNG具有自動負載生成功能,可調節輸出PWM duty(時脈寬度比率)以支援啟動時的電池電壓(VBAT),同時還提供軟調速功能,透過抑制輸出PWM值發生異常,避免發生馬達失速。以上功能有助於穩定馬達控制。 由於TB9062FNG具備硬體邏輯電路,因此不需要進行任何軟體開發,也能實現VBAT過電壓檢測、VBAT欠電壓檢測、過電流保護和過熱保護電路等功能。其工作溫度範圍也符合車用環境-40°C到125°C。其應用場合為汽車電動泵(水泵、油泵及燃油泵)與車用電風扇。 TB9062FNG使用硬體邏輯電路簡化馬達控制,只須PWM輸入即可實現馬達控制,無需進行軟體開發。啟動時,自動PWM值控制,只須調節VBAT的PWM值,即可在啟動時確保馬達穩定運轉。具自動軟調速控制,抑制輸出PWM duty發生異常,以防馬達失速。且含有異常偵測輸出信號的多項異常檢測功能,VBAT過電壓檢測、VBAT欠電壓檢測、過熱保護電路和電流限制功能。
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泓格推ECAT-2094S EtherCAT新品

ECAT-2094S步進馬達控制器是一款高效且經濟實惠的兩相雙極步進驅動器,可同時控制最多4個步進馬達。它所支援的馬達電壓範圍在5到46伏特(直流)之間,馬達線圈電流最高可到1.5安培。馬達最大運轉電流、微步進解析度與其他運動參數部分則可透過軟體做調整。 ECAT-2094S可直接與兩相雙極步進馬達作連接。此款設備是設計成在開迴路上運作。它必須透過EtherCAT主站和應用程式完成系統配置。每個步進馬達都由獨立的驅動IC各別控制,此四個驅動IC不同步且獨立運作。此步進馬達驅動器可自動控制馬達的扭矩和位置。它整合一個斜坡產生器來自動計算加速與減速距離。控制器會將馬達驅動到目標位置或將馬達加速到目標速度。所有運動參數都可隨時在運動中做更改。最小的一組配置數據由加速度,減速度和最大運動速度組成。馬達驅動器在接收到目標位置後開始控制運動。 ECAT-2094S整合了四個增量編碼器介面,並使用四個32位高速編碼器計數器來計數外部增量式編碼器的輸入信號。此編碼器可以用於例如尋找原點和定位的一致性檢查。 ECAT-2094S支援每全步高達256微步的高分辨率,以確保馬達的平穩和精確操作。為每個馬達提供兩個數位輸入通道。此數位輸入可以設置為一個簡單的DI、作為左右硬體極限開關可以在觸發時自動停止馬達;或者當作鎖存觸發器,用於記錄觸發當時的馬達和編碼器位置。
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ST新款驅動器提升馬達控制靈活性

意法半導體(STMicroelectronics, ST)新推出之STSPIN830和STSPIN840單晶片馬達驅動器整合靈活多變的控制邏輯電路和低導通電阻RDS(ON)的功率開關管,有助於簡化7V-45V工作電壓的中低功率馬達的控制設計,其適用於工業製造、醫療技術和家電產品。 STSPIN830三相直流無刷馬達驅動器具有模式設置針腳,使用者透過針腳可選用U、V和W脈寬調製(Pulse Width Modulation, PWM)輸入訊號來控制整合功率級的三個半橋,或向每個柵極單獨施加訊號以獲得更高的控制靈活性。逆變器的每個橋臂皆具有一個電流檢測專用針腳,用於簡化向量控制(Field-Oriented Control, FOC)方案的三Shunt或單Shunt電流檢測電路設計。 STSPIN840可以驅動兩個直流有刷馬達或一個功率更大的馬達,利用意法半導體知名,且經過市場檢驗的並聯概念,將兩組MOSFET開關並聯,把整合的全橋配置為兩個獨立的電橋或一個單橋,用於獲得更低的RDS(ON)電阻和更高的額定電流。 兩款新驅動器均具備豐富的功能,包括關斷時間可調的PWM電流控制電路和使用方便、省電的待機針腳,其保護電路,包括非耗散型過流保護、短路保護、欠壓鎖定、熱關斷和互鎖功能,協助設計人員開發出穩健可靠的馬達驅動器。
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