Sådan tilpasses solenoide- og stepmotordriverne til industrielle anvendelser

Edge-enhedsprogrammer, f.eks. Styresystemer til fabriksgulv, automotiv- og laboratorieudstyr, anvender i stigende grad Internet of Things (IoT)-funktioner og kunstig intelligens (Artificial Intelligence/AI) til beslutningstagning med lav latenstid, højere ydeevne, lavere omkostninger og større sikkerhed og produktivitet. Drivere til solenoider og stepmotorer skal udvikles for at indarbejde mere indbygget måling og intelligens for at lette deres integration i dette hurtigt udviklende miljø og yderligere forbedre præcision, pålidelighed, kontrol med lukkede kredsløb, omkostninger, fodaftryk og brugervenlighed.

Denne artikel opsummerer den grundlæggende drift af solenoider og stepmotorer og beskriver fordelene ved driver-IC'er, der er designet til den intelligente edge. Den introducerer og forklarer derefter, hvordan man begynder at designe med prøve-drivere fra Analog Devices.

Solenoider og steppere: ligner hinanden, men er forskellige

Solenoider og stepmotorer omdanner elektrisk strøm til fysisk bevægelse via en viklet spole, der fungerer som en elektromagnet. På trods af forskellene i udseende og funktion gør spolens fælles funktion det muligt at anvende den samme driver-IC til begge aktuatorer under visse omstændigheder.

Solenoider er relativt enkle komponenter, der udvikler lineær mekanisk bevægelse med påført strøm. De består af en elektrisk spole, der er viklet rundt om et cylindrisk rør med en ferromagnetisk aktuator (også kaldet stemplet eller ankeret) i den hule kerne, som frit kan bevæge sig inden for spolens krop (figur 1, venstre).

I modsætning hertil bruger stepmotorer flere statorspoler, der er arrangeret rundt om motorhuset (Figur 1, højre). Motoren har også et sæt permanente magneter fastgjort til sin rotor.

Figur 1: Solenoidekonstruktionen består af en viklet spole med et indvendigt glidende stempel (venstre); stepmotorer er mere komplicerede, med permanente magneter på rotoren og elektromagnetiske spoler, anbragt på statoren (højre). (Billedkilder: Analog Devices, Monolithic Power Systems)

For solenoider er stemplets bevægelse en enkelt "punch"-påvirkning, der opstår, når der påføres en strøm, hvilket smækker stemplet til dets ekstreme position. Når strømmen fjernes, bruger de fleste solenoider en fjeder til at bringe stemplet tilbage til dets nominelle hvileposition.

I det mest basale drevsystem styres solenoiden af en skarp tænd/sluk-strømimpuls. Selv om dette er enkelt og direkte, omfatter ulemperne høj slagkraft, vibrationer, hørbar og elektrisk støj, elektrisk ineffektivitet og ringe kontrol over stemplets funktion eller dens tilbagevenden.

Rotationshandlingen aktiveres for stepmotoren, når statorspolerne aktiveres i sekvens, og det resulterende, roterende magnetfelt trækker på ankermagneterne. Ved at styre sekvensen kan stepperens rotor rotere kontinuerligt, stoppe eller vende retning.

I modsætning til solenoiden, som ikke har nogen timing overvejelser, skal statorspolerne forsynes sekventielt og med den korrekte impulsbredde blandt andre attributter.

Smarte drivere overvinder begrænsninger, forbedrer ydeevnen

Ved omhyggeligt at kontrollere strømstyrken, der driver spolerne på magnetspoler og stepmotorer, herunder bølgeformsprofil form, op og ned rampehastighed og andre parametre, kan en intelligent driver give mange fordele, herunder:

• Forbedret glathed i bevægelse og rotation med minimale klapren
• Reduceret vibration og påvirkning, især for solenoider
• Mere præcis positionering af stepmotorens start/stop/bak-bevægelse
• Ensartet ydelse og tilpasning af transiente eller varierende belastningsforhold
• Forbedret effektivitet
• Mindre fysisk slid
• Generering af mindre akustisk og elektrisk støj
• Brugervenlighed med en tilsynsprocessor, der er afgørende for IoT-installationer

Analog Devices MAX22200, en integreret, serielt styret solenoide og motordriver, viser, hvad en sofistikeret driver kan gøre for solenoider (Figur 2). De otte 1 ampere (A) halvbro-drivere i denne 36 volt IC kan kombineres til at fordoble fødestrømmen eller konfigureres som fulde broer til at drive op til fire låste ventiler (også kaldet bi-stabile ventiler).

Figur 2: Analog Devices MAX22200 er en integreret, serielstyret solenoide- og motordriver med otte halvbro-drivere, der kan arrangeres i forskellige konfigurationer. (Billedkilde: Analog Devices)

Denne driver understøtter to styringsmetoder: Spændingsdrevregulering (VDR) og strømdrevregulering (CDR). Med VDR udsender enheden en impulsbreddemoduleret (PWM) spænding, hvor arbejdscyklussen programmeres ved hjælp af dens SPI-interface. Udgangsstrømmen er proportional med den programmerede driftscyklus for en given forsyningsspænding og solenoidemodstand. CDR er en form for styring med lukket kredsløb, hvor et integreret strømregistrerende kredsløb uden tab registrerer udgangsstrømmen og sammenligner den med en intern, programmerbar referencestrøm.

I modsætning til en forenklet strømkilde-driver tilbyder MAX22200 skræddersyning af den nuværende drevprofil. For at optimere strømstyringen i anvendelser med solenoidedrev kan excitationsdrevniveauet (I_HIT), hold-drevniveauet (I_HOLD) og excitationsdrevtiden (t_HIT) konfigureres individuelt for hver kanal. Det tilbyder også flere beskyttelses- og fejlrelaterede funktioner, herunder:

• Overstrømsbeskyttelse (OCP)
• Registrering af åben belastning (OL)
• Termisk nedlukning (TSD)
• Underspændingsspærring (UVLO)
• Verifikation af detektering af stempelbevægelse (DPM)

De første fire funktioner er standard og godt forstået. DPM kræver yderligere forklaring. Hvis ventilen f.eks. fungerer korrekt, når magnetventilen aktiveres i en solenoide, er strømprofilen ikke monotonisk (Figur 3, sort kurve). I stedet viser den et fald på grund af den modelektromotoriske kraft (back electromotive force/BEMF), der genereres af stemplets bevægelse (Figur 3, blå kurve).

Figur 3: Når en solenoide styres, kan MAX22200 registrere en solenoide eller ventil, der sidder fast, ved at lede efter det forventede BEMF-drevne strømfald i forhold til tærskelværdien (IDPM_TH), når magnetventilen drives fra startstrømmen (I_START) til det endelige excitationsdrevniveau (I_RAMMER). (Billedkilde: Analog Devices)

Når MAX22200 konfigureres og anvendes til magnetspoler, registrerer DPM-funktionen tilstedeværelsen af BEMF-faldet under excitationsfasen. Hvis faldet ikke registreres, indstilles en indikation på FEJL-benet og i det interne fejlregister.

Evalueringskit gør processen lettere

For at løse problemer i forbindelse med systemets ydeevne under forskellige statiske og dynamiske krav og belastningsforhold tilbyder Analog Devices evalueringsprintkortet MAX22200EVKIT# til evaluering af solenoide-effektstyring til MAX22200 (Figur 4). Dette evalueringssæt (EVK) muliggør seriel styring af MAX22200 og fejlovervågning via en indbygget USB-til-SPI-grænseflade via en MAX32625 mikrocontroller. Den indeholder en Windows-kompatibel grafisk brugergrænseflade (graphical user interface/GUI) til at udøve funktionerne i MAX22200 IC, hvilket gør det til et komplet PC-baseret evalueringssystem.

Figur 4: MAX22200EVKIT# evalueringsprintkort til strømstyring for solenoidestyring til MAX22200 letter fuld udnyttelse af IC'en og dens belastning ved hjælp af en Windows-baseret GUI. (Billedkilde: Analog Devices)

Dette fuldmonterede og -testede printkort kan konfigureres som en højside/lavside solenoide og til låste ventiler (ofte drevet af solenoider) eller jævnstrømsmotorer med børster.

Stepmotorer: flere grader af frihed til styring

Stepmotorer er mere komplicerede end solenoider og har flere kontrolkrav. Dette ses i funktionerne i Analog Devices TMC5240 (Figur 5), en integreret, højtydende stepmotorstyreenhed og driver-IC med serielle kommunikationsgrænseflader (SPI, UART), omfattende diagnosefunktioner og integrerede algoritmer.

Figur 5: Den højtydende TMC5240-stepmotorstyreenhed og driver-IC integrerer avancerede algoritmer for at levere optimal ydelse med solenoider og stepmotorer. (Billedkilde: Analog Devices)

Denne IC kombinerer en fleksibel ottepunkts-rampegenerator for minimal ryk i automatisk målpositionering. Ryk er hastigheden af ændring af acceleration, og overdrevent ryk kan forårsage mange systemproblemer og problemer med ydeevnen. Denne stepmotordriver integrerer 36 volt, 3 A H-broer med 0,23 ohm (Ω) modstand og ikke-dissipativ integreret strømregistrering (ICS). TMC5240 fås i en lille 5 x 5 mm TQFN32-pakke og en termisk optimeret 9,7 x 4,4 mm TSSOP38-pakke med en synlig pude.

TMC5240 implementerer unikke og avancerede funktioner, der muliggør forbedret præcision, høj energieffektivitet, høj pålidelighed, jævn bevægelse og kølig drift. Disse funktioner inkluderer:

• StealthChop2: En støjfri, meget præcis chopper-algoritme til uhørlig bevægelse og stilstand af motoren, der giver mulighed for hurtigere motoracceleration og deceleration end den mere enkel StealthChop
• SpreadCycle: Strømstyring med høj præcision, cyklus-for-cyklus, der sikrer de højeste dynamiske bevægelser
• StallGuard2: giver sensorfri stall-detektering og mekanisk belastningsmåling for SpreadCycle
• StallGuard4: tilbyder sensorløs stall-detektering og mekanisk belastningsmåling til StealthChop
• CoolStep: bruger StallGuard måling til at tilpasse motorstrømmen for at opnå den bedste effektivitet og laveste opvarmning af motor og driver

Disse funktioner kan forudindstilles og aktiveres under motorens driftscyklus. Desuden kan drejningsmomentet styres i forbindelse med acceleration for at udvikle den ønskede værdi, samtidig med at det giver en effektiv og jævn acceleration og deceleration.

For eksempel kan et sæt på tre accelerations- og decelerationssegmenter bruges på to måder: til tilpasning til motorens drejningsmomentkurve ved hjælp af højere accelerationsværdier ved en lavere hastighed eller til at reducere rykket, når der skiftes fra et accelerationssegment til det næste. For at håndtere begge, TMC5240's ottepunkts-bevægelsesprofilgenerator tillader controlleren at opretholde et konstant hastighedssegment, mens den ønskede målposition ændres i realtid, hvilket resulterer i bumpløstilstandsoverførsler (Figur 6).

Figur 6: TMC5240 har en ottepunktsrampe, der understøtter ændring af målposition under flyvningen, hvilket resulterer i stødfri overførsel. (Billedkilde: Analog Devices)

I betragtning af fleksibiliteten, alsidigheden og kompleksiteten af denne driver-IC er TMC5240-EVAL evalueringsprintkortet et velkomment supplement (Figur 7). Den bruger standarddiagrammet for IC'en og tilbyder flere muligheder i sin software, hvilket gør det muligt for designere at teste forskellige driftstilstande.

Figur 7: Ved hjælp af TMC5240-EVAL evalueringsprintkortet og tilhørende GUI kan designere undersøge og justere TMC5240’ens ydeevne til deres specifikke aktuator- og belastningskombination. (Billedkilde: Analog Devices)

For designere med mindre komplekse evaluerings- og designkrav tilbyder Analog Devices også TMC5240-BOB. Dette basale IC-breakoutprintkort bringer TMC5240’ens fysiske ben forbindelser ud til brugertilgængelige header-rækker.

Konklusion

Tilføjelse af intelligens til solenoide- og stepmotordrivere giver bedre kontrol og fejldetektering, muliggør beslutningstagning i realtid og muliggør kommunikation med styring på højere niveau eller AI-baserede produktivitetssystemer. Højt integrerede drivere, såsom Analog Devices MAX22200 og TMC5240, giver brugerne mulighed for hurtigt at komme op at køre med avancerede algoritmer for at optimere magnetspole- og stepmotor-ydeevne til deres anvendelse.