Hvordan tilpasse solenoid- og trinnmotordrivere (stegmotordriver) til industrielle utrustninger

Utrustninger til Edge-enheter (inngangspunktenheter), som fabrikkstyringsystemer, bil- og laboratorieutstyr, bruker i økende grad Internet of Things (IoT) og kunstig intelligens (KI) for beslutningstaking med lav latens, høyere ytelse, lavere kostnader og større sikkerhet og produktivitet. Drivere for solenoider og trinnmotorer (stegmotorer) må utvikles for å legge til mer innebygd føling og intelligens for å gjøre integreringen enklere i dette raskt utviklende miljøet, og for ytterligere å forbedre presisjon, pålitelighet, kontroll med lukket sløyfe, kostnader, fotavtrykk og brukervennlighet.

Denne artikkelen oppsummerer hvordan solenoider og trinnmotorer fungerer og gir en oversikt over fordelene med driver-IC-er konstruerte for intelligent edge (inngangspunkt). Deretter introduserer og forklarer den hvordan du begynner å designe med samplingsdrivere fra Analog Devices.

Solenoider og trinnmotorer: like, men likevel forskjellige

Solenoider og trinnmotorer konverterer elektrisk strøm til fysisk bevegelse via en viklet spole som fungerer som en elektromagnet. Til tross for forskjellene i utseende og funksjon, sørger spolenes likhet for at det er mulig å bruke samme driver-IC for begge aktuatorene under gitte omstendigheter.

Solenoider er relativt enkle komponenter som utvikler lineære mekanisk bevegelse med tilført strøm. De består av en elektrisk spole viklet rundt et sylindrisk rør med en ferromagnetisk aktuator (også kalt stempel eller rotor) i den hule kjernen som beveger seg fritt i spolehuset (Figur 1, venstre).

I motsetning til dette bruker trinnmotorer flere statorspoler montert rundt utsiden av motormotorhuset (Figur 1, høyre). Motoren har også et sett med permanente magneter festet til rotoren.

Figur 1: Solenoidkonstruksjonen består av en viklet spole med et internt glidende stempel (venstre); trinnmotorer er mer kompliserte, med permanente magneter på rotoren og elektromagnetiske spoler montert på statoren (til høyre). (Bildekilder: Analog Devices, Monolithic Power Systems)

For solenoider er bevegelsen til stempelet et enkelt slag som oppstår når det tilføres strøm, og dermed skytes stempelet helt ut. Når strømmen kuttes, bruker de fleste solenoider en fjær for å føre stempelet tilbake til nominell hvilestilling.

I sin enkleste form styres solenoiden av en brå på/av-strømpuls. Selv om dette er enkelt og direkte, medfører det ulemper som høy slagkraft, vibrasjon, hørbar og elektrisk støy, elektrisk ineffektivitet og liten kontroll med stempelets handling eller retur.

Rotasjonsbevegelsen aktiveres i trinnmotoren når statorspolene tilføres strøm i sekvens, og det skaper et roterende magnetfeltet som trekker i rotormagnetene. Ved å styre sekvenseringen, kan man få rotoren i trinnmotoren en til å rotere kontinuerlig, stoppe eller rotere i motsatt retning.

I motsetning til solenoiden, som ikke har noen mulighet for tidsstyring, må statorspolene aktiveres sekvensielt og med riktig pulsbredde med mer.

Smarte drivere opphever begrensningene, forbedrer ytelsen

Ved å styre strømmen som driver spolene til solenoider og trinnmotorer nøye, inkludert bølgeformprofil, hastigheter for heving og senking av rampen samt andre parametere, kan en intelligent driver gi mange fordeler, inkludert:

• Forbedret og jevnere bevegelse og rotasjon med minimal skrangling
• Redusert vibrasjon og slag, spesielt for solenoider
• Mer presis posisjonering for start/stopp/revers av trinnmotoren
• Jevn ytelse og tilpasning ved midletidige eller varierende belastningsforhold
• Forbedret virkningsgrad
• Mindre fysisk slitasje
• Lager mindre hørbar og elektrisk støy
• Enkelt grensesnitt med en overvåkende prosessor, avgjørende for IoT-installasjoner

Analog Devices MAX22200, en integrert, seriell styrt solenoid og motordriver, viser hva en sofistikert driver kan gjøre for solenoider (Figur 2). De åtte, 1 ampere (A) halvbrodriverne i denne 36 volts IC-en kan parallellkobles for å doble drivstrømmen, eller konfigureres som helbroer for å drive opptil fire låste ventiler (også kalt bistabile ventiler).

Figur 2: Analog Devices MAX22200 er en integrert, seriell styrt solenoid og motordriver med åtte halvbrodrivere som kan ordnes i forskjellige konfigurasjoner. (Bildekilde: Analog Devices)

Denne driveren støtter to styringsmetoder: spenningsdriftsregulering (VDR) og strømstyringsregulering (CDR). Med VDR sender enheten ut en pulsbreddemodulert (PWM) spenning hvor driftssyklusen er programmert ved hjelp av SPI-grensesnittet. Utgangsstrømmen er proporsjonal med den programmerte driftssyklusen for en gitt forsyningsspenning og magnetmotstand. CDR er en form for lukket sløyfestyring hvor en integrert, tapsfri strømfølende krets registrerer utgangsstrømmen og sammenligner den med en intern programmerbar referansestrøm.

I motsetning til en forenklet strømkildedriver, tilbyr MAX22200 skreddersøm av strømdriftsprofilen. For å optimalisere strømstyringen i utrustninger med solenoiddrift, kan eksitasjonsdriftsnivået (I_HIT), holde driftsnivået (I_HOLD), og eksitasjonsdriftstiden (t_HIT) konfigureres individuelt for hver kanal. Den tilbyr også flere beskyttelses- og feilrelaterte funksjoner, inkludert:

• Overstrømsbeskyttelse (overcurrent protection – OCP)
• Deteksjon av åpen last (OL).
• Termisk avslåing (OTSD)
• Underspenningssperre (undervoltage lockout – UVLO)
• Deteksjon av verifisering av stempelbevegelse (DPM).

De fire første funksjonene er standard og godt forstått. DPM krever ytterligere forklaring. Hvis, for eksempel, ventilen fungerer riktig når solenoiden aktiveres i en magnetstyrt ventil, er ikke strømprofilen monoton (Figur 3, svart kurve). I stedet viser den et fall på grunn av den bakre elektromotoriske kraften (BEMF) generert av stempelets bevegelse (Figur 3, blå kurve).

Figur 3: Når du kjører en solenoid, kan MAX22200 oppdage en fastklemt magnet eller ventil ved å sjekke det forventede BEMF-drevne strømfallet opp mot terskelverdien (IDPM_TH) når solenoiden drives fra startstrømmen (I_START) til det endelige eksitasjonsdriftsnivået (I_TRUFFET). (Bildekilde: Analog Devices)

Når den er satt opp og brukt for solenoider, oppdager DPM-funksjonen i MAX22200 at det er et BEMF-fall under eksitasjonsfasen. Hvis fallet ikke oppdages, angis en indikasjon på FAULT-pinnen og i det innebygde feilregisteret.

Evalueringssett forenkler prosessen

For å løse problemer knyttet til systemets ytelse under forskjellige statiske og dynamiske krav og lastforhold, tilbyr Analog Devices Evalueringskort MAX22200EVKIT# for strømstyring av solenoidstyring for MAX22200 (Figur 4). Dette evalueringssettet (EVK) muliggjør seriell styring av MAX22200 og feilovervåking gjennom et innebygd USB-til-SPI-grensesnitt via en MAX32625 mikrokontroller. Den inkluderer et Windows-kompatibelt grafisk brukergrensesnitt (GUI) for å trene funksjonene til MAX22200 IC, noe som gjør det til et komplett PC-basert evalueringssystem.

Figur 4: Evalueringskortet MAX22200EVKIT# fra Analog Devices for strømstyring av solenoidstyring for MAX22200 forenkler full utøvelse av IC og dens belastning ved hjelp av et Windows-basert grafisk brukergrensesnitt. (Bildekilde: Analog Devices)

Dette ferdigmonterte og testede kortet kan konfigureres som en høyside/lavside-solenoid, og for låste ventiler (ofte drevet av solenoider) eller likestrømsmotorer med børster.

Trinnmotorer: større styringsfrihet

Trinnmotorer er mer kompliserte enn solenoider og har flere styringskrav. Dette vises i funksjonene til de Analog Devices TMC5240 (Figur 5), en integrert, høyytelses trinnmotorstyring og driver-IC med serielle kommunikasjonsgrensesnitt (SPI, UART), omfattende diagnostiske evner og innebygde algoritmer.

Figur 5: TMC5240 høyytelses trinnmotorstyring og driver-IC inkluderer sofistikerte algoritmer for å levere optimal ytelse med solenoider og trinnmotorer. (Bildekilde: Analog Devices)

Denne IC-en kombinerer en fleksibel åttepunkts rampegenerator for minimale rykk ved automatisk målposisjonering. Rykk er graden av endring i akselerasjon, og overdrevne rykk kan føre til mange problemer med system og ytelse. Denne trinnmotordriveren integrerer 36 volt, 3 A H-broer med 0,23 ohm (Ω) på-motstand og ikke-avledende-ICS (integrert strømføling). TMC5240 er fås i en liten, 5 × 5 millimeter (mm) TQFN32-kapsling og en termisk optimalisert 9,7 × 4,4 mm TSSOP38-kapsling med en synlig plate.

TMC5240 implementerer unike og avanserte funksjoner som muliggjør økt presisjon, høy energieffektivitet, høy pålitelighet, jevn bevegelse og kjølig drift. Disse funksjonene omfatter:

• StealthChop2: En støyfri, høypresisjons pulsforsterkeralgoritme (chopperalgoritme) for uhørlig bevegelse og stillstand av motoren, noe som gir raskere motorakselerasjon og -retardasjon enn den enklere StealthChop
• SpreadCycle: Høypresisjon, syklus-for-syklus strømstyring for de høyeste dynamiske bevegelsene
• StallGuard2: Gir sensorløs stoppdeteksjon og mekanisk lastmåling for SpreadCycle
• StallGuard4: Tilbyr sensorløs stoppdeteksjon og mekanisk belastningsmåling for StealthChop
• CoolStep: Bruker StallGuard-måling for å tilpasse motorstrømmen for best effektivitet og lavest varmeoppbygging i motor og driver

Disse funksjonene kan forhåndsinnstilles og aktiveres mens motoren er i drift. I tillegg kan dreiemomentet styres i forbindelse med akselerasjon for å utvikle ønsket verdi samtidig som det gir effektiv og jevn akselerasjon og retardasjon.

For eksempel kan et sett med tre akselerasjons- og retardasjonssegmenter brukes på to måter: for tilpasning til motormomentkurven ved å bruke høyere akselerasjonsverdier ved lavere hastighet, eller for å redusere rykket ved overgang fra ett akselerasjonssegment til det neste. For å håndtere begge deler lar TMC5240s åttepunkts bevegelsesprofilgenerator kontrolleren opprettholde et segment med konstant hastighet mens ønsket målposisjon endres i sanntid, noe som resulterer i støtløse modusoverføringer (Figur 6).

Figur 6: TMC5240 tilbyr en åttepunktsrampe som støtter endring av målposisjon underveis, noe som resulterer i støtfrie modusoverføringer. (Bildekilde: Analog Devices)

Gitt fleksibiliteten, allsidigheten og kompleksiteten til denne driver-IC-en, er TMC5240-EVAL-evalueringskort et velkomment tillegg (figur 7). Den bruker standardskjemaet for IC og tilbyr flere alternativer i programvaren, slik at designere kan teste forskjellige driftsmoduser.

Figur 7: Ved å bruke TMC5240-EVAL-evalueringskortet og tilhørende grafisk brukergrensesnitt, kan designere undersøke og justere ytelsen til TMC5240 til deres spesifikke aktuator- og lastkombinasjon. (Bildekilde: Analog Devices)

For designere med mindre komplekse evaluerings- og designkrav, tilbyr Analog Devices også TMC5240-BOB . Dette grunnleggende IC-kretskortet gjør de fysiske pinne-tilkoblingene til TMC5240 til brukertilgjengelige pinnelister (stiftlister).

Konklusjon

Å tilføre solenoid- og trinnmotordrivere intelligens gir bedre styring og feildeteksjon, muliggjør beslutningstaking i sanntid og tillater kommunikasjon med høyere nivåkontroll eller KI-baserte produktivitetssystemer. Høyintegrerte drivere, som Analog Devices MAX22200 og TMC5240, lar brukere raskt komme i gang med avanserte algoritmer for å optimalisere ytelsen i solenoider og trinnmotorer for deres utrustninger.