電機作為驅動機械設備的核心部件，廣泛應用于機器人、3D 打印機、顯微鏡等領域。精密的電機控制能夠顯著提升設備的性能，然而許多開發者面臨著缺乏內部技術積累、開發周期有限等挑戰，迫切希望在不耗費大量時間進行復雜設計的情況下，快速實現平滑的電機控制。

本文將詳細介紹 ADI Trinamic 系列產品，幫助那些對高功能電機控制感興趣、或希望通過傳感器負載檢測和節能功能提升應用附加值的開發者更好地了解其優勢。

什么是 ADI Trinamic 系列？

ADI Trinamic 系列 (以下簡稱 Trinamic 系列) 是德國公司 Trinamic 推出的運動控制 IC 系列，于 2021 年并入 Analog Devices。

Trinamic 系列集成多種高性能專有算法，如實現超靜音運行的 StealthChop 和用于無傳感器負荷檢測的 StallGuard，通過硬件架構實現了精密且靈活的運動控制，適用于需要靜音、精確和節能的應用場景。例如，它可用于以下應用程序：

平穩運動輸送機

需要安靜運行的顯微鏡、驗光鏡和監控攝像頭

電池供電的小型設備

需要裝載的機械臂

Trinamic 的特點

標配精密控制算法的硬件架構

可以動態地進行參數更改

精確的控制算法，可實現省電、靜音和減少停機時間

實現高效的即插即用開發

傳統解決方案與 Trinamic 系列的區別

Trinamic 系列與傳統解決方案有何不同？下圖 (圖2) 為它們的優勢對比：

圖2 傳統解決方案與 Trinamic 系列對比

傳統電機驅動器需要開發者自行編寫控制算法并將其嵌入 MCU 中，同時還需要設計功率級電路，面臨小型化和散熱等挑戰。Trinamic 系列將復雜的控制算法集成到硬件中，開發者只需動態更改寄存器設置即可實現高性能電機。由于無需編寫復雜的算術處理，因此可以輕松開發多個通道的同步作業。

此外，Trinamic 系列還提供內置功率級。它易于小型化，導通電阻低，可以抑制熱量的產生。因此，硬件設計工時也可以顯著減少。下表總結了 Trinamic 系列與傳統解決方案之間的差異：

通過使用 Trinamic 系列，可以實現高級運動控制，同時顯著減少開發工時。可免費下載的集成開發環境“TMCL-IDE”非常直觀，可以在檢查實際運作的同時更改參數。它比一般的評估板更容易使用，并且可以在短短 30 分鐘內運行電機，整個系統可以快速設計。

ADI Trinamic 系列產品陣容廣泛，從 IC 到模塊，可以根據自己的應用進行選擇。在 Trinamic 系列中，提供了“多步變速”和“運動平滑補充”等控制算法作為命令集，可以輕松實現復雜的運動。

Trinamic 系列的四大核心算法

Trinamic 系列的平穩運行是通過四種專有算法實現的：

SpreadCycle：優化電機驅動電流，提升電機效率和穩定性

StealthChop：通過電壓控制顯著降低電機噪音，實現超靜音運行

StallGuard：測量反電動勢 (BEMF) 實現無傳感器負載檢測

CoolStep：根據電機負載控制電流，從而降低功耗

SpreadCycle 和 StealthChop 有助于實現超靜音運行

優化電流 SpreadCycle 和優化電壓 StealthChop 技術有助于電機靜音。為了提高步進電機的效率和穩定性，必須通過設計斬波和衰減技術來控制電流，這抑制了電機的振動并提高靜音效果。Trinamic 系列可自動執行此電流控制，詳情可查看下圖 (圖3)：

圖3 電流感應和衰減獨創性確保即使在 0A 左右也能平穩運行

如上圖 (圖3) 左上所示，上層是使用普通電機驅動器進行的電流控制。執行快速衰減和慢速衰減，但電流突然變化或偏離目標電流。此外，很難控制 0A (安培) 左右的電流，并且波形是平坦的，如圖 3 右上所示。

上圖 (圖3) 下層是 Trinamic 系列的自動控制圖像。通過使用 SpreadCycle 優化電流和使用 StealthChop 優化電壓，可以最大限度地減少電流的突然變化和與目標電流的偏差，如圖 3 左下所示。此外，會自動校正 0A 左右的波形，以實現靜音運動，如圖 3 右下所示。

StealthChop 提供的電壓控制大大降低了電機的聲音和噪音。借助 StealthChop，Trinamic 系列提供了競爭對手無法比擬的超靜音運行性能。

圖4 進一步優化電壓控制 StealthChop 實現超靜音運行功能

StallGuard 和 CoolStep 用于無傳感器負載檢測和節能

接下來，我們將介紹有助于負載檢測和節能的兩項技術。它們是用于檢測電機狀態 StallGuard 和用于提高能源效率的 CoolStep。

StallGuard 是一種測量電機無電流流動部分的 BEMF 并確定電機狀態的技術。除了檢測何時發生 step out 之外，它還可以捕獲導致 step out 的跡象。CoolStep 是一種根據 StallGuard 檢測到的電機負載優化電流的技術。這減少了過去作為熱量消耗的無功電流，并提高了節能效果。在低負載下，電流最多可降低約 70%。

利用 StallGuard 代替傳感器

StallGuard 可檢測電機負載，也可以用作傳感器的替代品。可以考慮將其用于各種應用程序，如以下示例所示：

StallGuard 應用示例

反饋電機負載并調整抓取強度，使機械臂能夠夾持軟物

檢測崎嶇路面上每個輪胎的負載差異并執行扭矩校正

檢測與機器的碰撞并在不使用其他傳感器的情況下停止運行

檢測電機旋轉和扭矩的異常，并將其用于機器的預測性維護

除此以外，還可以進行高靈敏度控制，例如在高速旋轉過程中，稍有接觸就會停止。該系統因其廣泛的應用而日益受到關注，例如量化負載數量的頻率分析。

Trinamic 系列產品陣容

PAN 驅動器 (帶或不帶編碼器)

它是結合了電機、電機驅動器和運動控制器的模塊化產品，還提供帶有內置編碼器的產品。

電機模塊

它將電機驅動器和運動控制器組合在一個模塊中，還提供可以輸出多個通道 (例如 4 通道和 6 通道) 的陣容。

驅動器 IC 和控制器 IC

它是具有電機驅動功能或運動控制功能的 IC。

電機

它是一種步進電機，可與電機模塊和 IC 組合使用。

BLDC 電機產品陣容

Trinamic 系列還提供 BLDC 電機產品陣容。矢量控制算法內置于硬件中，即使對于那些沒有專業知識的人來說，也可以輕松實現矢量控制。

總結

本文我們介紹了 ADI 的 Trinamic 系列，該系列可以輕松實現精細的運動控制。