Jak přizpůsobit řadiče solenoidů a krokových motorů pro průmyslové aplikace

Aplikace edge zařízení, jako jsou řídicí systémy v továrně, automobilový průmysl a laboratorní vybavení, využívají pro rozhodování s nízkou latencí, vyšší výkon, nižší náklady a vyšší bezpečnost a produktivitu stále více možnosti internetu věcí („Internet of Things“, IoT) a umělé inteligence („artificial intelligence“, AI). Řadiče pro solenoidy a krokové motory se musí vyvíjet, aby zahrnovaly více palubního snímání a inteligence k usnadnění své integrace do tohoto rychle se vyvíjejícího prostředí a k dalšímu zlepšování své přesnosti, spolehlivosti, řízení v uzavřené smyčce, nákladům, velikosti a snadnosti používání.

V tomto článku je shrnuto základní fungování solenoidů a krokových motorů a nastíněny výhody integrovaných obvodů řadičů navržených pro inteligentní edge zařízení. Poté je zde představeno a vysvětleno, jak začít navrhovat pomocí ukázkových řadičů od společnosti Analog Devices.

Solenoidy a krokové motory: podobné, ale přesto jiné

Solenoidy a krokové motory převádějí elektrický proud na fyzický pohyb prostřednictvím vinuté cívky, která funguje jako elektromagnet. Navzdory rozdílům ve vzhledu a funkci umožňuje shoda cívek za určitých okolností použití stejného integrovaného obvodu řadiče pro oba ovladače.

Solenoidy jsou relativně jednoduché součástky, které díky přiváděnému proudu vyvíjejí lineární mechanický pohyb. Skládají se z elektrické cívky navinuté kolem válcové trubice s feromagnetickým ovladačem (také nazývaným čep nebo kotva) v dutém jádru, který se může v tělese cívky volně pohybovat (obrázek 1, vlevo).

Naproti tomu krokové motory využívají více cívek statoru uspořádaných po obvodu tělesa motoru (obrázek 1, vpravo). Motor má také sadu permanentních magnetů připevněných k rotoru.

Obrázek 1: Konstrukce solenoidu se skládá z vinuté cívky s vnitřním posuvným čepem (vlevo). Krokové motory jsou složitější, mají permanentní magnety na rotoru a elektromagnetické cívky uspořádané na statoru (vpravo). (Zdroje obrázků: společnosti Analog Devices, Monolithic Power Systems)

U solenoidů je pohyb čepu jednorázovým úderem, ke kterému dojde při přivedení proudu, který čep srazí do krajní polohy. Po odpojení napájení se k návratu čepu do nominální klidové polohy používá ve většině solenoidů pružina.

V nejzákladnějším schématu motoru je solenoid ovládán ostrým zapínacím/vypínacím proudovým impulzem. Přestože je tento způsob jednoduchý a přímý, k jeho nevýhodám patří vysoká rázová síla, vibrace, slyšitelný a elektrický šum, elektrická neúčinnost a malá kontrola nad činností čepu nebo jeho návratem.

U krokového motoru se rotační činnost aktivuje s tím, jak se cívky statoru postupně napájejí a výsledné rotující magnetické pole přitahuje magnety kotvy. Řízením sekvence lze zajistit, aby se krokový rotor otáčel nepřetržitě, zastavil se nebo změnil směr.

Na rozdíl od solenoidu, který funguje bez ohledu na časování, musí být cívky statoru napájeny postupně a mimo jiné se správnou šířkou impulzu.

Chytré řadiče překonávají omezení a zvyšují výkon

Pečlivým řízením proudu pohánějícího cívky solenoidů a krokových motorů, včetně tvaru profilu průběhu, rychlosti náběhu nahoru a dolů a dalších parametrů, může inteligentní řadič nabídnout mnoho výhod, včetně následujících:

• Vylepšená plynulost pohybu a rotace s minimálním chvěním
• Snížené vibrace a rázy, zejména u solenoidů
• Přesnější polohování při spouštění / zastavování / zpětném pohybu krokového motoru
• Konzistentní výkon a přizpůsobení se přechodným nebo měnícím se podmínkám zátěže
• Zlepšená účinnost
• Menší fyzické opotřebení
• Generování méně slyšitelného a elektrického šumu
• Snadné propojení s dohlížecím procesorem, který je nezbytný pro instalace IoT

Integrovaný, sériově řízený solenoid a řadič motoru MAX22200 společnosti Analog Devices ukazuje, co sofistikovaný řadič může pro solenoidy udělat (obrázek 2). Osm 1ampérových polomůstkových řadičů lze v tomto 36V integrovaném obvodu paralelně zapojit, aby se řídicí proud zdvojnásobil, nebo je lze nakonfigurovat jako plné můstky pro řízení až čtyř ventilů s aretací (také nazývaných bistabilní ventily).

Obrázek 2: Zařízení MAX22200 společnosti Analog Devices je integrovaný, sériově řízený řadič solenoidu a motoru s osmi polomůstkovými řadiči, které lze uspořádat v různých konfiguracích. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Tento řadič podporuje dvě metody řízení: napěťově řízenou regulaci („voltage drive regulation“, VDR) a proudově řízenou regulaci („current drive regulation“, CDR). Při VDR vysílá zařízení pulzně šířkově modulované („pulse width modulated“, PWM) napětí, ve kterém je pracovní cyklus naprogramován pomocí rozhraní SPI. Výstupní proud je úměrný naprogramovanému pracovnímu cyklu pro dané napájecí napětí a rezistor solenoidu. CDR je formou řízení v uzavřené smyčce, kde integrovaný, bezztrátový obvod snímající proud snímá výstupní proud a porovnává jej s interním programovatelným referenčním proudem.

Na rozdíl od zjednodušeného řadiče s proudovým zdrojem nabízí zařízení MAX22200 přizpůsobení profilu proudového řízení. K optimalizaci správy napájení v aplikacích se solenoidovým pohonem je pro jednotlivé kanály třeba individuálně nakonfigurovat úroveň budicího proudu (I_HIT), úroveň udržovacího proudu (I_HOLD) a dobu buzení (t_HIT). Zařízení nabízí také několik ochranných funkcí a funkcí souvisejících s poruchami, včetně následujících:

• Nadproudová ochrana („overcurrent protection“, OCP)
• Detekce otevřené zátěže („open-load“, OL)
• Tepelné vypnutí („thermal shutdown“, TSD)
• Podpěťové blokování („undervoltage lockout“, UVLO)
• Ověření detekce pohybu čepu („detection of plunger movement“, DPM)

První čtyři funkce jsou standardní a dobře známé. Termín DPM vyžaduje další vysvětlení. Pokud například ventil funguje správně, když je solenoid aktivován v solenoidem řízeném ventilu, není proudový profil monotónní (obrázek 3, černá křivka). Namísto toho vykazuje pokles v důsledku zpětné elektromotorické síly („back electromotive force“, BEMF) generované pohybem čepu (obrázek 3, modrá křivka).

Obrázek 3: Při buzení solenoidu dokáže zařízení MAX22200 detekovat zaseknutý solenoid nebo ventil tím, že hledá očekávaný pokles proudu řízený BEMF v porovnání s prahovou hodnotou (IDPM_TH), když je solenoid řízen od rozběhového proudu (I_START) po konečnou úroveň budicího proudu (I_HIT). (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Při nastavení a používání pro solenoidy detekuje funkce DPM u zařízení MAX22200 přítomnost poklesu BEMF během fáze buzení. Pokud není pokles detekován, nastaví se indikace na vývodu FAULT a v interním registru poruch.

Vyhodnocovací sady tento proces usnadňují

K řešení problémů souvisejících s výkonem systému při různých statických a dynamických požadavcích a podmínkách zatížení nabízí společnost Analog Devices pro zařízení MAX22200 vyhodnocovací desku MAX22200EVKIT# správy napájení při řízení solenoidem (obrázek 4). Tato vyhodnocovací sada („evaluation kit“, EVK) umožňuje sériové řízení zařízení MAX22200 a monitorování poruch prostřednictvím integrovaného rozhraní USB-SPI díky mikrokontroléru MAX32625. K uplatnění funkcí integrovaného obvodu zahrnuje zařízení MAX22200 grafické uživatelské rozhraní („graphical user interface“, GUI) kompatibilní s Windows, což ze sady činí kompletní vyhodnocovací systém na počítačovém základě.

Obrázek 4: Vyhodnocovací deska MAX22200EVKIT# správy napájení pro řízení solenoidem pro zařízení MAX22200 usnadňuje plné využití integrovaného obvodu a jeho zátěže pomocí grafického uživatelského rozhraní založeného na Windows. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Tuto plně sestavenou a otestovanou desku lze nakonfigurovat jako high-side/low-side solenoid a pro ventily s aretací (často řízené solenoidy) nebo kartáčované stejnosměrné motory.

Krokové motory: více stupňů volnosti řízení

Krokové motory jsou složitější než solenoidy a mají na řízení více požadavků. To je vidět na vlastnostech zařízení TMC5240 společnosti Analog Devices (obrázek 5) – integrovaném, vysoce výkonném řadiči krokového motoru a integrovaném obvodu řadiče se sériovým komunikačním rozhraním (SPI, UART), rozsáhlými diagnostickými možnostmi a vestavěnými algoritmy.

Obrázek 5: Vysoce výkonný řadič krokového motoru TMC5240 a integrovaný obvod řadiče obsahují sofistikované algoritmy pro zajištění optimálního výkonu se solenoidy a krokovými motory. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Tento integrovaný obvod obsahuje flexibilní osmibodový generátor náběhu pro minimální trhnutí při automatickém polohování cíle. Trhnutí je míra změny zrychlení a nadměrné trhání může způsobit mnoho systémových problémů a problémů s výkonem. Tento řadič krokového motoru má integrovány 36V 3A H-můstky s odporem v sepnutém stavu 0,23 Ω a nedisipativním integrovaným snímáním proudu („integrated current sensing“, ICS). Zařízení TMC5240 je k dispozici v malém pouzdru TQFN32 o rozměrech 5 × 5 mm a v tepelně optimalizovaném pouzdru TSSOP38 o rozměrech 9,7 × 4,4 mm s podložkou pro odvod tepla.

Řadič TMC5240 obsahuje jedinečné a pokročilé funkce, které umožňují zvýšenou přesnost, vysokou energetickou účinnost, vysokou spolehlivost, plynulý pohyb a chladný provoz. Mezi tyto funkce patří:

• StealthChop2: Bezhlučný, vysoce přesný algoritmus přerušovače („chopperu“) pro neslyšný pohyb a zastavení motoru, který umožňuje rychlejší zrychlení a zpomalení motoru než jednodušší algoritmus StealthChop.
• SpreadCycle: Vysoce přesné řízení proudu po jednotlivých cyklech pro nejvyšší dynamiku pohybu.
• StallGuard2: Poskytuje bezsenzorovou detekci zablokování rotoru během spouštění a také měření mechanické zátěže pro SpreadCycle.
• StallGuard4: Nabízí bezsenzorovou detekci zablokování rotoru během spouštění a měření mechanické zátěže pro StealthChop.
• CoolStep: K přizpůsobení proudu motoru pro co nejlepší účinnost a co nejnižší zahřívání motoru a řadiče používá měření StallGuard.

Tyto funkce lze předem nastavit a vyvolat během provozního cyklu motoru. Točivý moment lze navíc řídit ve spojení se zrychlením tak, aby se dosáhlo požadované hodnoty a zároveň bylo zajištěno účinné a plynulé zrychlování a zpomalování.

Například sadu tří segmentů zrychlení a zpomalení lze použít dvěma způsoby: pro přizpůsobení křivce točivého momentu motoru použitím vyšších hodnot zrychlení při nižší rychlosti nebo pro snížení trhání při přechodu z jednoho segmentu zrychlení na další. K řešení obojího umožňuje osmibodový generátor pohybového profilu zařízení TMC5240 řadiči udržovat segment s konstantní rychlostí, zatímco se požadovaná cílová poloha mění v reálném čase, což má za následek přenos bez opakovaných rázů (obrázek 6).

Obrázek 6: Zařízení TMC5240 nabízí osmibodový náběh podporující změnu cílové polohy za běhu, což vede k přenosu bez opakovaných rázů. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Vzhledem k flexibilitě, všestrannosti a složitosti tohoto integrovaného obvodu řadiče je vyhodnocovací deska TMC5240-EVAL vítaným doplňkem (obrázek 7). Používá standardní schéma zapojení pro integrovaný obvod a nabízí v softwaru několik možností, což umožňuje konstruktérům testovat různé režimy provozu.

Obrázek 7: Pomocí vyhodnocovací desky TMC5240-EVAL a souvisejícího grafického rozhraní mohou konstruktéři zkoumat a ladit výkon TMC5240 podle specifické kombinace ovladače a zátěže. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Pro konstruktéry s méně komplexními požadavky na vyhodnocení a návrh nabízí společnost Analog Devices také vyhodnocovací desku TMC5240-BOB. Tato základní rozvodná deska integrovaného obvodu přináší fyzické spoje vývodů zařízení TMC5240 do uživatelsky přístupných řádků hlavičky.

Závěr

Přidání inteligence do řadičů solenoidů a krokových motorů poskytuje lepší řízení a detekci chyb, umožňuje rozhodování v reálném čase a umožňuje komunikaci se systémy vyšší úrovně řízení nebo systémy produktivity založenými na AI. Vysoce integrované řadiče, jako jsou zařízení MAX22200 a TMC5240 společnosti Analog Devices, umožňují uživatelům rychle zprovoznit pokročilé algoritmy pro optimalizaci výkonu solenoidů a krokových motorů pro jejich aplikaci.