Hoe magneet- en stappenmotordrivers aanpassen voor industriële toepassingen

Toepassingen voor randapparatuur, zoals controlesystemen op de fabrieksvloer, in de auto-industrie en laboratoriumapparatuur, maken steeds meer gebruik van Internet of Things (IoT) en kunstmatige intelligentie (AI) voor besluitvorming met een lage latentie, hogere prestaties, lagere kosten en meer veiligheid en productiviteit. Drivers voor solenoïden en stappenmotoren moeten evolueren en meer ingebouwde detectie en intelligentie bevatten om hun integratie in deze snel evoluerende omgeving te vergemakkelijken en de precisie, betrouwbaarheid, gesloten regelkring, kosten, voetafdruk en gebruiksvriendelijkheid verder te verbeteren.

Dit artikel geeft een overzicht van de basiswerking van solenoïden en stappenmotoren en schetst de voordelen van driver-IC's die zijn ontworpen voor de intelligente edge. Vervolgens wordt uitgelegd hoe u kunt beginnen met het ontwerpen met voorbeelddrivers van Analog Devices.

Solenoïden en stappenmotors: vergelijkbaar en toch verschillend

Solenoïden en stappenmotors zetten elektrische stroom om in fysieke beweging via een gewikkelde spoel die werkt als een elektromagneet. Ondanks de verschillen in uiterlijk en functie maakt de gemeenschappelijke spoel het in sommige omstandigheden mogelijk om hetzelfde driver-IC te gebruiken voor beide actuators.

Solenoïden zijn relatief eenvoudige componenten die een lineaire mechanische beweging ontwikkelen bij toegepaste stroom. Ze bestaan uit een elektrische spoel die rond een cilindrische buis is gewikkeld met een ferromagnetische actuator (ook plunjer of armatuur genoemd) in de holle kern die vrij kan bewegen binnen het lichaam van de spoel (Afbeelding 1, links).

Stappenmotors maken daarentegen gebruik van meerdere statorspoelen die rond de omtrek van het motorlichaam zijn geplaatst (Afbeelding 1, rechts). De motor heeft ook een set permanente magneten aan de rotor.

Afbeelding 1: De constructie van een magneet bestaat uit een gewikkelde spoel met een interne schuifplunjer (links); stappenmotors zijn ingewikkelder, met permanente magneten op de rotor en elektromagnetische spoelen op de stator (rechts). (Bronnen afbeelding: Analog Devices, Monolithic Power Systems)

Bij solenoïden is de beweging van de plunjer een enkele "stootslag" die optreedt wanneer er een stroom wordt toegepast, waardoor de plunjer in zijn uiterste stand wordt gedrukt. Wanneer de stroom wordt uitgeschakeld, gebruiken de meeste solenoïden een veer om de plunjer terug te brengen naar zijn nominale rustpositie.

In het meest eenvoudige aandrijfschema wordt de elektromagneet bestuurd door een duidelijke aan/uit stroompuls. Hoewel dit eenvoudig en direct is, zijn de nadelen onder andere hoge slagkracht, trillingen, hoorbare en elektrische ruis, elektrische inefficiëntie en weinig controle over de plunjerwerking of de terugloop.

De rotatieactie wordt bij de stappenmotor geactiveerd wanneer de statorspoelen achtereenvolgens bekrachtigd worden en het resulterende roterende magnetische veld aan de ankermagneten trekt. Door de sequentie te regelen, kan de rotor van de stepper continu draaien, stoppen of van richting veranderen.

In tegenstelling tot de elektromagneet, die geen timingoverwegingen heeft, moeten de spoelen van de stator achtereenvolgens en met de juiste pulsbreedte worden bekrachtigd.

Slimme bestuurders overwinnen beperkingen, verbeteren prestaties

Door de stroom die de spoelen van solenoïden en stappenmotors aandrijft zorgvuldig te regelen, inclusief de vorm van het golfvormprofiel, de stijgings- en dalingssnelheid en andere parameters, kan een intelligente driver veel voordelen bieden, zoals:

• Verbeterde soepelheid van beweging en rotatie met minimale klapperen
• Minder trillingen en schokken, vooral bij solenoïden
• Preciezere positionering voor de start-/stop-/terugloopbeweging van de stappenmotor
• Consistente prestaties en aanpassing aan voorbijgaande of wisselende belastingsomstandigheden
• Verbeterde efficiëntie
• Minder fysieke slijtage
• Minder hoorbare en elektrische ruis
• Eenvoudige koppeling met een supervisieprocessor, essentieel voor IoT-installaties

De Analog Devices MAX22200, een geïntegreerde, serieel gestuurde solenoïde- en motordriver, laat zien wat een geavanceerde driver kan doen voor solenoïden (Afbeelding 2). De acht halfbrugdrivers van 1 ampère (A) in dit 36 volt IC kunnen parallel geschakeld worden om de aandrijfstroom te verdubbelen, of geconfigureerd worden als volledige bruggen om maximaal vier vergrendelde kleppen (ook wel bi-stabiele kleppen genoemd) aan te sturen.

Afbeelding 2: De Analog Devices MAX22200 is een geïntegreerde, serieel gestuurde solenoïde- en motordriver met acht halfbrugdrivers die in verschillende configuraties kunnen worden opgesteld. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Deze driver ondersteunt twee besturingsmethoden: voltage drive regulation (VDR) en current drive regulation (CDR). Met VDR voert het apparaat een pulsbreedtemoduleerde (PWM) spanning uit waarbij de duty cycle wordt geprogrammeerd via de SPI-interface. De uitgangsstroom is evenredig met de geprogrammeerde duty cycle voor een bepaalde voedingsspanning en magneetweerstand. CDR is een vorm van gesloten regelkring waarbij een geïntegreerd, verliesvrij stroommeetcircuit de uitgangsstroom meet en vergelijkt met een interne programmeerbare referentiestroom.

In tegenstelling tot een simplistische stroombrondriver biedt de MAX22200 de mogelijkheid om het stroomaandrijfprofiel aan te passen. Om het energiebeheer in toepassingen met magneetaandrijvingen te optimaliseren, kunnen het excitatie-aandrijfniveau (I_HIT), het hold-aandrijfniveau (I_HOLD) en de excitatie-aandrijftijd (t_HIT) afzonderlijk worden geconfigureerd voor elk kanaal. Het biedt ook meerdere beveiligings- en storingsgerelateerde functies, waaronder:

• Hoge-stroombeveiliging (OCP)
• Detectie open belasting (OL)
• Thermische uitschakeling (TSD)
• Onderspanningsvergrendeling (UVLO)
• Detectie van plunjerbeweging (DPM) verificatie

De eerste vier functies zijn standaard en worden goed begrepen. DPM vereist meer uitleg. Als de klep bijvoorbeeld correct werkt wanneer het magneetventiel wordt geactiveerd in een magneetgestuurde klep, is het stroomprofiel niet monotoon (Afbeelding 3, zwarte curve). In plaats daarvan vertoont het een daling als gevolg van de elektromotorische tegenkracht (BEMF) die wordt opgewekt door de beweging van de plunjer (Afbeelding 3, blauwe curve).

Afbeelding 3: Bij het aansturen van een elektromagneet kan de MAX22200 een vastzittende elektromagneet of klep detecteren door te kijken naar de verwachte BEMF-gestuurde stroomdaling versus de drempelwaarde (IDPM_TH) wanneer de elektromagneet wordt aangestuurd van de startstroom (I_START) naar het uiteindelijke bekrachtigingsniveau (I_HIT). (Bron afbeelding: Analog Devices)

Bij instelling en gebruik voor solenoïden detecteert de DPM-functie van de MAX22200 de aanwezigheid van de BEMF-daling tijdens de excitatiefase. Als de daling niet wordt gedetecteerd, wordt er een indicatie gezet op de FAULT-pin en in het interne foutenregister.

Evaluatiekits vereenvoudigen het proces

Om problemen met betrekking tot de prestaties van het systeem onder verschillende statische en dynamische eisen en belastingsomstandigheden op te lossen, biedt Analog Devices het MAX22200EVKIT#-evaluatiebord voor energiebeheer met solenoïderegeling voor de MAX22200 (Afbeelding 4). Deze evaluatiekit (EVK) maakt seriële besturing van de MAX22200 en foutbewaking mogelijk via een ingebouwde USB-naar-SPI-interface via een MAX32625-microcontroller. Het bevat een Windows-compatibele grafische gebruikersinterface (GUI) voor het oefenen van de functies van het MAX22200 IC, waardoor het een compleet pc-gebaseerd evaluatiesysteem is.

Afbeelding 4: Het MAX22200EVKIT#-evaluatiebord voor energiebeheer met solenoïderegeling voor de MAX22200 maakt volledige oefening van het IC en de belasting mogelijk met behulp van een Windows-gebaseerde GUI. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Dit volledig geassembleerde en geteste bord is configureerbaar als een high-side/low-side solenoid, en voor kleppen met vergrendeling (vaak aangedreven door solenoïden) of geborstelde gelijkstroommotoren.

Stappenmotors: meer vrijheidsgraden voor besturing

Stappenmotors zijn gecompliceerder dan solenoïden en stellen meer eisen aan de besturing. Dit blijkt uit de kenmerken van de Analog Devices TMC5240 (Afbeelding 5), een geïntegreerde, krachtige stappenmotorcontroller en driver-IC met seriële communicatie-interfaces (SPI, UART), uitgebreide diagnostische mogelijkheden en ingebedde algoritmen.

Afbeelding 5: De TMC5240 hoogwaardige stappenmotorcontroller en driver-IC bevat geavanceerde algoritmen om optimale prestaties te leveren met solenoïden en stappenmotors. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Dit IC combineert een flexibele achtpunts rampgenerator voor minimale rukken in automatische doelpositionering. Schok is de mate van verandering van versnelling en een te grote schok kan veel systeemproblemen en prestatieproblemen veroorzaken. Deze stappenmotordriver integreert 36 volt, 3 A H-bruggen met 0,23 ohm (Ω) aan-weerstand en niet-dissipatieve geïntegreerde stroomdetectie (ICS). De TMC5240 is verkrijgbaar in een kleine, 5 × 5 millimeter (mm) TQFN32-behuizing en een thermisch geoptimaliseerde 9,7 × 4,4 mm TSSOP38-behuizing met een blootliggend pad.

De TMC5240 heeft unieke en geavanceerde functies die zorgen voor verbeterde precisie, hoge energie-efficiëntie, hoge betrouwbaarheid, soepele bewegingen en koele werking. Deze functies zijn onder andere:

• StealthChop2: Een geruisloos, zeer nauwkeurig chopperalgoritme voor onhoorbare beweging en stilstand van de motor, waardoor de motor sneller versnelt en vertraagt dan met de eenvoudigere StealthChop.
• SpreadCycle: Zeer nauwkeurige, cyclus-voor-cyclus stroomregeling voor de hoogste dynamische bewegingen
• StallGuard2: biedt sensorloze overtrekdetectie en mechanische belastingsmeting voor SpreadCycle
• StallGuard4: biedt sensorloze overtrekdetectie en mechanische belastingsmeting voor StealthChop
• CoolStep: Gebruikt StallGuard-meting om de motorstroom aan te passen voor de beste efficiëntie en de laagste opwarming van de motor en driver

Deze functies kunnen vooraf worden ingesteld en opgeroepen tijdens de bedrijfscyclus van de motor. Bovendien kan het koppel samen met de acceleratie worden geregeld om de gewenste waarde te ontwikkelen en tegelijkertijd een efficiënte en soepele acceleratie en deceleratie te bieden.

Een set van drie versnellings- en vertragingssegmenten kan bijvoorbeeld op twee manieren worden gebruikt: voor aanpassing aan de motorkoppelcurve door hogere versnellingswaarden te gebruiken bij een lagere snelheid, of om de ruk bij de overgang van het ene versnellingssegment naar het volgende te verminderen. Om beide aan te pakken kan de TMC5240 met zijn achtpunts motion-profielgenerator de besturing een segment met constante snelheid laten behouden terwijl de gewenste doelpositie in realtime verandert, wat resulteert in overdrachten zonder hobbels (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De TMC5240 biedt een achtpuntsaanloop met ondersteuning voor een on-the-fly wijziging van de doelpositie, wat resulteert in overdrachten zonder hobbels. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Gezien de flexibiliteit, veelzijdigheid en complexiteit van dit stuurprogramma-IC is het TMC5240-EVAL-evaluatiebord een welkome aanvulling (Afbeelding 7). Het gebruikt het standaardschema voor het IC en biedt verschillende opties in de software, zodat ontwerpers verschillende werkingsmodi kunnen testen.

Afbeelding 7: Met behulp van het TMC5240-EVAL-evaluatieboard en de bijbehorende GUI kunnen ontwerpers de prestaties van de TMC5240 onderzoeken en afstemmen op hun specifieke combinatie van actuator en belasting. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Voor ontwerpers met minder complexe evaluatie- en ontwerpeisen biedt Analog Devices ook de TMC5240-BOB. Dit basis IC-breakoutbord brengt de fysieke pinaansluitingen van de TMC5240 naar gebruikersvriendelijke header-rijen.

Conclusie

Het toevoegen van intelligentie aan magneet- en stappenmotordrivers zorgt voor betere besturing en foutdetectie, maakt real-time besluitvorming mogelijk en maakt communicatie met besturing op een hoger niveau of op AI gebaseerde productiviteitssystemen mogelijk. Dankzij de sterk geïntegreerde drivers, zoals de Analog Devices MAX22200 en TMC5240, kunnen gebruikers snel aan de slag met geavanceerde algoritmes om de prestaties van solenoïden en stappenmotors voor hun toepassing te optimaliseren.