Cum se adaptează driverele pentru solenoizi și motoare pas cu pas pentru aplicații industriale

Aplicațiile dispozitivelor periferice, cum ar fi sistemele de control din fabrică, automobilele și echipamentele de laborator, utilizează din ce în ce mai mult Internetul lucrurilor (IoT) și capacitățile de inteligență artificială (AI) pentru luarea deciziilor cu latență redusă, performanță mai mare, costuri mai mici și siguranță și productivitate sporite. Driverele pentru solenoizi și motoare pas cu pas trebuie să evolueze pentru a încorpora mai multe senzori și inteligență integrată mai bună, pentru a facilita integrarea lor în acest mediu în evoluție rapidă și pentru a îmbunătăți și mai mult precizia, fiabilitatea, controlul în buclă închisă, costul, amprenta și ușurința de utilizare.

Acest articol rezumă funcționarea de bază a solenoizilor și a motoarelor pas cu pas și prezintă avantajele circuitelor integrate de driver concepute pentru perifericele inteligente. Apoi, prezintă și explică cum să începeți proiectarea cu driverele de probă de la Analog Devices.

Solenoizii și motoarele pas cu pas: similare, dar diferite

Solenoizii și motoarele pas cu pas convertesc curentul electric în mișcare fizică prin intermediul unei bobine înfășurate care acționează ca un electromagnet. În ciuda diferențelor de aspect și de funcționare, bobina comună permite utilizarea aceluiași circuit integrat de driver pentru ambele actuatoare în anumite circumstanțe.

Solenoizii sunt componente relativ simple care dezvoltă o mișcare mecanică liniară cu ajutorul curentului aplicat. Acestea cuprind o bobină electrică înfășurată în jurul unui tub cilindric, cu un actuator feromagnetic (numit și piston sau armătură) în miezul gol care este liber să se deplaseze în interiorul corpului bobinei (Figura 1, stânga).

În schimb, motoarele pas cu pas utilizează mai multe bobine ale statorului dispuse în jurul circumferinței corpului motorului (Figura 1, dreapta). Motorul are, de asemenea, un set de magneți permanenți fixați pe rotor.

Figura 1: Construcția solenoidului include o bobină înfășurată cu un piston glisant intern (stânga); motoarele pas cu pas sunt mai complicate, cu magneți permanenți pe rotor și bobine electromagnetice dispuse pe stator (dreapta). (Surse imagine: Analog Devices, Monolithic Power Systems)

În cazul solenoizilor, mișcarea pistonului este un singur impact de „lovire” care are loc atunci când se aplică un curent, împingând brusc pistonul în poziția sa extremă. Atunci când se întrerupe alimentarea cu energie, majoritatea solenoizilor folosesc un arc pentru a readuce pistonul în poziția nominală de repaus.

În cea mai elementară schemă de acționare, solenoidul este controlat de un impuls de curent de pornire/oprire clar. Deși este simplu și direct, dezavantajele sale includ o forță de impact ridicată, vibrații, zgomot sonor și electric, ineficiență electrică și un control redus asupra acțiunii pistonului sau a revenirii acestuia.

Acțiunea de rotație este activată în cazul motorului pas cu pas atunci când bobinele statorului sunt alimentate în succesiune, iar câmpul magnetic rotativ rezultat atrage magneții de armătură. Prin controlul secvențialității, rotorul motorului pas cu pas poate fi determinat să se rotească continuu, să se oprească sau să își inverseze direcția.

Spre deosebire de solenoid, care nu are considerente legate de sincronizare, bobinele statorului trebuie să fie alimentate secvențial și cu o lățime de impuls corectă, printre alte atribute.

Driverele inteligente depășesc limitările și îmbunătățesc performanța

Prin controlul atent al curentului care alimentează bobinele solenoizilor și ale motoarelor pas cu pas, inclusiv forma profilului formei de undă, rata de creștere/scădere a rampei și alți parametri, un driver inteligent poate oferi multe beneficii, printre care:

• Fluiditate îmbunătățită a mișcării și a rotației, cu oscilații minime
• Vibrații și impact reduse, în special pentru solenoizi
• Poziționare mai precisă pentru mișcarea de pornire/oprire/retur a motorului pas cu pas
• Performanță constantă și adaptarea la condiții de sarcină tranzitorii sau variabile
• Eficiență îmbunătățită
• Mai puțină uzură fizică
• Generarea unui nivel redus de zgomot audibil și electric
• Ușurința de interfațare cu un procesor de supervizare, esențială pentru instalațiile IoT

Modelul MAX22200 de la Analog Devices, un driver integrat, controlat în serie pentru solenoizi și motoare, arată ce poate face un driver sofisticat pentru solenoizi (Figura 2). Cele opt drivere cu jumătate de punte de 1 amper (A) din acest circuit integrat de 36 de volți pot fi puse în paralel pentru a dubla curentul de acționare sau pot fi configurate ca punți complete pentru a acționa până la patru supape cu blocare (numite și supape bi-stabile).

Figura 2: MAX22200 de la Analog Devices este un driver de solenoid și motor integrat, controlat în serie, cu opt drivere cu jumătate de punte care pot fi aranjate în diferite configurații. (Sursă imagine: Analog Devices)

Acest driver suportă două metode de control: reglarea tensiunii de comandă (VDR) și reglarea curentului de comandă (CDR). Cu VDR, dispozitivul emite o tensiune cu modulația impulsului în lățime (PWM) în care ciclul de funcționare este programat cu ajutorul interfeței SPI. Curentul de ieșire este proporțional cu ciclul de funcționare programat pentru o anumită tensiune de alimentare și rezistor de solenoid. CDR este o formă de control în buclă închisă în care un circuit integrat de detectare a curentului fără pierderi detectează curentul de ieșire și îl compară cu un curent de referință intern programabil.

Spre deosebire de un driver simplist cu sursă de curent, MAX22200 oferă o personalizare a profilului de comandă a curentului. Pentru a optimiza gestionarea energiei în aplicațiile de acționare a solenoizilor, nivelul de acționare a excitației (I_HIT), nivelul de menținere a excitației (I_HOLD) și timpul de acționare a excitației (t_HIT) pot fi configurate individual pentru fiecare canal. De asemenea, oferă multiple funcții de protecție și de remediere a defecțiunilor, inclusiv:

• Protecție la supracurent (OCP)
• Detectarea sarcinii deschise (OL)
• Oprire termică (TSD)
• Blocare la subtensiune (UVLO)
• Verificarea detectării mișcării pistonului (DPM)

Primele patru caracteristici sunt standard și bine cunoscute. DPM necesită explicații suplimentare. De exemplu, dacă supapa funcționează corect atunci când solenoidul este activat într-o supapă controlată de solenoid, profilul curentului nu este monoton (Figura 3, curba neagră). În schimb, aceasta prezintă o scădere datorată forței contraelectromotoare (BEMF) generate de mișcarea pistonului (Figura 3, curba albastră).

Figura 3: La acționarea unui solenoid, MAX22200 poate detecta un solenoid sau o supapă blocată prin căutarea scăderii așteptate a curentului acționat de BEMF față de valoarea de prag (IDPM_TH) pe măsură ce solenoidul este comandat de la curentul de pornire (I_START) la nivelul final de acționare a excitației (I_HIT). (Sursă imagine: Analog Devices)

Atunci când este configurată și utilizată pentru solenoizi, funcția DPM a dispozitivului MAX22200 detectează prezența căderii BEMF în timpul fazei de excitație. În cazul în care căderea nu este detectată, se stabilește o indicație pe pinul FAULT și în registrul intern de erori.

Kiturile de evaluare facilitează procesul

Pentru a rezolva problemele legate de performanța sistemului în condiții diferite de solicitări statice și dinamice și condiții de sarcină, Analog Devices oferă placa de evaluare a managementului de putere pentru controlul solenoizilor MAX22200EVKIT# pentru MAX22200 (Figura 4). Acest kit de evaluare (EVK) permite controlul în serie al MAX22200 și monitorizarea defecțiunilor printr-o interfață USB-SPI integrată prin intermediul unui microcontroler MAX32625. Acesta include o interfață grafică de utilizare (GUI) compatibilă cu Windows pentru a exersa caracteristicile circuitului integrat MAX22200, ceea ce îl face un sistem complet de evaluare bazat pe PC.

Figura 4: Placa de evaluare a managementului de putere pentru controlul solenoizilor MAX22200EVKIT# pentru MAX22200 facilitează exercitarea completă a circuitului integrat și a sarcinii sale utilizând o interfață grafică bazată pe Windows. (Sursă imagine: Analog Devices)

Această placă complet asamblată și testată poate fi configurată ca solenoid high-side/low-side și pentru supape cu mecanisme de blocare (adesea acționate de solenoizi) sau motoare c.c. cu perii.

Motoare pas cu pas: mai multe grade de libertate pentru control

Motoarele pas cu pas sunt mai complicate decât solenoizii și au mai multe cerințe de control. Acest lucru se vede în caracteristicile dispozitivului TMC5240 de la Analog Devices (Figura 5), un controler de motor pas cu pas de înaltă performanță și circuit integrat de driver cu interfețe de comunicare serială (SPI, UART), capacități extinse de diagnosticare și algoritmi încorporați.

Figura 5: Controlerul motorului pas cu pas de înaltă performanță și circuitul integrat de driver TMC5240 încorporează algoritmi sofisticați pentru a oferi performanțe optime cu solenoizi și motoare pas cu pas. (Sursă imagine: Analog Devices)

Acest circuit integrat combină un generator flexibil de rampă în opt puncte pentru percuție minimă la poziționarea automată a țintei. Percuția reprezintă rata de variație a accelerației, iar percuția excesivă poate cauza multe probleme de sistem și probleme de performanță. Acest driver de motor pas cu pas integrează punți H de 36 volți, 3 A cu rezistență la pornire de 0,23 ohmi (Ω) și detectarea integrată a curentului (ICS) fără disipare. TMC5240 este disponibil într-o capsulă mică, TQFN32 de 5 × 5 milimetri (mm) și într-o capsulă TSSOP38 de 9,7 × 4,4 mm optimizată termic, cu o plăcuță expusă.

TMC5240 implementează caracteristici unice și avansate care permit precizie sporită, eficiență energetică ridicată, fiabilitate ridicată, mișcare lină și funcționare rece. Aceste caracteristici includ:

• StealthChop2: Un algoritm de întrerupere fără zgomot și de înaltă precizie pentru mișcarea și oprirea motorului fără zgomot, permițând accelerarea și decelerarea mai rapidă a motorului decât varianta StealthChop mai simplă
• SpreadCycle: Control al curentului de înaltă precizie, ciclu cu ciclu, pentru cele mai înalte mișcări dinamice
• StallGuard2: Oferă detectarea fără senzori a blocării și măsurarea sarcinii mecanice pentru SpreadCycle
• StallGuard4: Oferă detectarea fără senzori a blocării și măsurarea sarcinii mecanice pentru StealthChop
• CoolStep: Folosește măsurarea StallGuard pentru a adapta curentul motorului pentru cea mai bună eficiență și cea mai redusă încălzire a motorului și a driverului

Aceste caracteristici pot fi presetate și invocate în timpul ciclului de funcționare a motorului. În plus, cuplul poate fi controlat împreună cu accelerația pentru a dezvolta valoarea dorită, oferind în același timp o accelerare și o decelerare eficientă și lină.

De exemplu, un set de trei segmente de accelerare și decelerare poate fi utilizat în două moduri: pentru adaptarea la curba cuplului motorului prin utilizarea unor valori de accelerare mai mari la o viteză mai mică sau pentru a reduce percuția la trecerea de la un segment de accelerare la următorul. Pentru a rezolva ambele probleme, generatorul profilului de mișcare în opt puncte al TMC5240 permite controlerului să mențină un segment cu viteză constantă în timp ce poziția țintă dorită se modifică în timp real, ceea ce duce la transferuri șocuri ale modurilor (Figura 6).

Figura 6: TMC5240 oferă o rampă cu opt puncte care suportă schimbarea din mers a poziției țintă, rezultând în transferuri fără șocuri ale modurilor. (Sursă imagine: Analog Devices)

Având în vedere flexibilitatea, versatilitatea și complexitatea acestui circuit integrat al driverului, placa de evaluare TMC5240-EVAL este un accesoriu binevenit (Figura 7). Utilizează diagrama schematică standard pentru circuitul integrat și oferă mai multe opțiuni în software-ul său, permițând proiectanților să testeze diferite moduri de funcționare.

Figura 7: Utilizând placa de evaluare TMC5240-EVAL și interfața grafică asociată, proiectanții pot investiga și ajusta performanța TMC5240 la combinația specifică de actuator și sarcină. (Sursă imagine: Analog Devices)

Pentru proiectanții cu cerințe de evaluare și proiectare mai puțin complexe, Analog Devices oferă, de asemenea, TMC5240-BOB. Această placă breakout de bază pentru circuite integrate aduce conexiunile fizice ale pinilor TMC5240 pe rânduri de reglete accesibile utilizatorului.

Concluzie

Adăugarea inteligenței la driverele solenoizilor și ale motoarelor pas cu pas asigură un control mai bun și o mai bună detectare a defecțiunilor, permite luarea deciziilor în timp real și comunicarea cu sistemele de control de nivel superior sau cu sistemele de productivitate bazate pe inteligență artificială. Driverele puternic integrate, cum ar fi MAX22200 și TMC5240 de la Analog Devices, permit utilizatorilor să înceapă rapid să lucreze cu algoritmi avansați pentru a optimiza performanța solenoizilor și a motoarelor pas cu pas pentru aplicația lor.