Anpassung von Treibern für Motoren mit Zylinderspulen und Schrittmotoren für industrielle Anwendungen
Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von DigiKey
2024-02-07
Anwendungen für Geräte am Netzwerkrand (Edge), wie z. B. Kontrollsysteme in der Fabrikhalle, Automobiltechnik und Laboranwendungen, nutzen zunehmend die tauglichen Komponenten des Internet der Dinge (IoT) und der Künstlichen Intelligenz (KI), um Entscheidungen mit geringer Latenz, höherer Leistung, niedrigeren Kosten und größerer Sicherheit und Produktivität zu treffen. Treiber für Motoren mit Zylinderspulen und Schrittmotoren müssen weiterentwickelt werden, um mehr integrierte Sensorik und Intelligenz einzubauen, um die Integration in diese sich schnell entwickelnde Umgebung zu erleichtern und um Präzision, Zuverlässigkeit, Regelkreis, Kosten, Platzbedarf und Benutzerfreundlichkeit weiter zu verbessern.
Dieser Artikel fasst die grundlegende Funktionsweise von Motoren mit Zylinderspulen und Schrittmotoren zusammen und beschreibt die Vorteile von Treiber-ICs, die für intelligente Geräte am Netzwerkrand entwickelt wurden. Anschließend wird erläutert, wie man mit der Entwicklung von Beispieltreibern von Analog Devices beginnen kann.
Motoren mit Zylinderspulen und Schrittmotoren: ähnlich und doch unterschiedlich
Zylinderspulenmotoren und Schrittmotoren wandeln den elektrischen Strom über eine gewickelte Spule, die als Elektromagnet wirkt, in eine physikalische Bewegung um. Trotz der Unterschiede in Aussehen und Funktion kann aufgrund der Gemeinsamkeiten der Spulen unter bestimmten Umständen derselbe Treiber-IC für beide Aktuatoren verwendet werden.
Zylinderspulenmotoren sind relativ einfache Bauteile, die bei angelegtem Strom eine lineare mechanische Bewegung ausführen. Sie bestehen aus einer elektrischen Spule, die um ein zylindrisches Rohr gewickelt ist, mit einem ferromagnetischen Aktuator (auch Stößel oder Anker genannt) im hohlen Kern, der sich im Körper der Spule frei bewegen kann (Abbildung 1, links).
Im Gegensatz dazu verwenden Schrittmotoren mehrere Statorspulen, die um den Umfang des Motorkörpers herum angeordnet sind (Abbildung 1, rechts). Der Motor verfügt außerdem über einen Satz Dauermagnete, der an seinem Rotor befestigt ist.
Abbildung 1: Der Aufbau eines Zylinderspulenmotors besteht aus einer gewickelten Spule mit einem innenliegenden Gleitkolben (links); Schrittmotoren sind komplizierter, mit Permanentmagneten auf dem Rotor und elektromagnetischen Spulen auf dem Stator (rechts). (Bildquellen: Analog Devices, Monolithic Power Systems)
Bei Zylinderspulenmotoren ist die Bewegung des Ankers ein einziger „Schlag“, der auftritt, wenn ein Strom angelegt wird, der den Anker in seine äußerste Position drückt. Wenn die Stromzufuhr unterbrochen wird, verwenden die meisten Magnete eine Feder, um den Anker in seine nominelle Ruhestellung zurückzubringen.
Im einfachsten Fall wird die Magnetspule durch einen scharfen Ein-/Aus-Stromimpuls gesteuert. Dies ist zwar einfach und direkt, hat aber auch seine Nachteile: hohe Schlagkraft, Vibrationen, akustische und elektrische Geräusche, mangelnde elektrische Effizienz und wenig Kontrolle über die Kolbenbewegung oder deren Rücklauf.
Die Drehbewegung beim Schrittmotor wird erzeugt, wenn die Statorspulen nacheinander erregt werden und das daraus resultierende rotierende Magnetfeld an den Ankermagneten zieht. Durch die Steuerung der Sequenzierung kann der Rotor des Steppers dazu gebracht werden, sich kontinuierlich zu drehen, anzuhalten oder die Richtung umzukehren.
Im Gegensatz zum Zylinderspulenmotor, bei der keine zeitlichen Aspekte zu berücksichtigen sind, müssen die Statorspulen unter anderem sequentiell und mit der richtigen Impulsbreite erregt werden.
Intelligente Treiber überwinden Einschränkungen und verbessern die Performance
Durch die sorgfältige Steuerung des Stroms, der die Spulen von Magneten und Schrittmotoren antreibt, einschließlich der Form des Wellenprofils, der Auf- und Abwärtsrampenrate und anderer Parameter, kann ein intelligenter Treiber viele Vorteile bieten, darunter:
- Verbesserte Laufruhe und Rotation mit minimalem Rattern
- Geringere Vibrationen und Stöße, insbesondere bei Zylinderspulenmotoren
- Präzisere Positionierung für die Start/Stop/Rückwärtsbewegung des Schrittmotors
- Gleichbleibende Performance und Anpassung an vorübergehende oder wechselnde Lastbedingungen
- Verbesserter Wirkungsgrad
- Geringerer Verschleiß
- Reduzierte Erzeugung von hörbaren Geräuschen und elektrischem Rauschen
- Einfache Verbindung mit einem Überwachungsprozessor, der für IoT-Installationen unerlässlich ist
Der MAX22200 von Analog Devices, ein integrierter, seriell gesteuerter Magnet- und Motortreiber, zeigt, was ein hochentwickelter Treiber für Magnete leisten kann (Abbildung 2). Die acht 1-Ampere-Halbbrückentreiber in diesem 36-Volt-IC können parallel geschaltet werden, um den Treiberstrom zu verdoppeln, oder als Vollbrücken konfiguriert werden, um bis zu vier verriegelnde Ventile (auch bi-stabile Ventile genannt) zu steuern.
Abbildung 2: Der MAX22200 von Analog Devices ist ein integrierter, seriell gesteuerter Magnet- und Motortreiber mit acht Halbbrückentreibern, die in verschiedenen Konfigurationen angeordnet werden können. (Bildquelle: Analog Devices)
Dieser Treiber unterstützt zwei Regelungsmethoden: Spannungsregelung (VDR) und Stromregelung (CDR). Mit VDR gibt der Baustein eine pulsweitenmodulierte (PWM) Spannung aus, wobei das Tastverhältnis über die SPI-Schnittstelle programmiert wird. Der Ausgangsstrom ist proportional zum programmierten Tastverhältnis bei einer bestimmten Versorgungsspannung und einem bestimmten Magnetwiderstand. CDR ist eine Form einer geschlossenen Regelschleife, bei der ein integrierter, verlustfreier Strommesskreis den Ausgangsstrom erfasst und mit einem internen, programmierbaren Referenzstrom vergleicht.
Im Gegensatz zu einem einfachen Stromquellentreiber bietet der MAX22200 die Möglichkeit, das Stromtreiberprofil anzupassen. Zur Optimierung des Energiemanagements in Magnetantriebsanwendungen können der Erregungssteuerungspegel (IHIT), der Haltepegel (IHOLD) und die Erregungssteuerungszeit (tHIT) für jeden Kanal individuell konfiguriert werden. Außerdem bietet er zahlreiche Sicherheits- und Fehlerschutzfunktionen, darunter:
- Überstromschutz (OCP)
- Erkennung von offener Last (OL)
- Thermische Abschaltung (TSD)
- Unterspannungsabschaltung (UVLO)
- Überprüfung der Erkennung von Kolbenbewegungen (DPM)
Die ersten vier Merkmale sind Standard und gut bekannt. DPM erfordert weitere Erklärungen. Wenn beispielsweise bei einem magnetgesteuerten Ventil das Ventil korrekt funktioniert, wenn der Magnet aktiviert ist, ist das Stromprofil nicht monoton (Abbildung 3, schwarze Kurve). Stattdessen zeigt es einen Abfall, der auf die elektromotorische Gegenkraft (BEMF) zurückzuführen ist, die durch die Bewegung des Stößels erzeugt wird (Abbildung 3, blaue Kurve).
Abbildung 3: Bei der Ansteuerung eines Magneten kann der MAX22200 einen festsitzenden Magneten oder ein blockiertes Ventil erkennen, indem er den erwarteten BEMF-getriebenen Stromabfall gegenüber dem Schwellenwert (IDPM_TH) ermittelt, während der Magnet vom Startstrom (ISTART) bis zum Endansteuerungspegel (IHIT) angesteuert wird. (Bildquelle: Analog Devices)
Wenn die DPM-Funktion des MAX22200 für Magnetspulen eingerichtet und verwendet wird, erkennt sie das Vorhandensein des BEMF-Abfalls während der Erregungsphase. Bleibt der Abfall aus, wird eine Meldung am FAULT-Pin und im internen Fehlerregister gesetzt.
Evaluierungskits erleichtern den Prozess
Zur Lösung von Problemen im Zusammenhang mit der Systemleistung unter verschiedenen statischen und dynamischen Anforderungen und Lastbedingungen bietet Analog Devices das „Solenoid Control Power Management Evaluation Board“ MAX22200EVKIT# für den MAX22200 an (Abbildung 4). Dieses Evaluierungskit (EVK) ermöglicht die serielle Steuerung des MAX22200 und die Fehlerüberwachung über eine integrierte USB-zu-SPI-Schnittstelle mit einem MAX32625-Mikrocontroller. Es enthält eine Windows-kompatible grafische Benutzeroberfläche (GUI) zum Ausprobieren der Funktionen des IC MAX22200 und ist damit ein komplettes PC-basiertes Evaluierungssystem.
Abbildung 4: Das „Solenoid Control Power Management Evaluation Board“ MAX22200EVKIT# für den MAX22200 ermöglicht die vollständige Überprüfung des ICs und seiner Last über eine Windows-basierte GUI. (Bildquelle: Analog Devices)
Diese vollständig bestückte und getestete Platine kann für High-Side/Low-Side-Zylinderspulenmotoren, für verriegelnde Ventile (häufig von Magneten angetrieben) oder bürstenbehaftete Gleichstrommotoren konfiguriert werden.
Schrittmotoren: mehr Freiheitsgrade bei der Steuerung
Schrittmotoren sind komplizierter als Magnetspulen und stellen höhere Anforderungen an die Steuerung. Dies zeigt sich an den Merkmalen des TMC5240 von Analog Devices (Abbildung 5), einem integrierten, leistungsstarken Schrittmotor-Controller und Treiber-IC mit seriellen Kommunikationsschnittstellen (SPI, UART), umfangreichen Diagnosefunktionen und eingebetteten Algorithmen.
Abbildung 5: Der Hochleistungs-Schrittmotor-Controller und -Treiber-IC TMC5240 verfügt über hochentwickelte Algorithmen, die eine optimale Leistung mit Magneten und Schrittmotoren ermöglichen. (Bildquelle: Analog Devices)
Dieser IC kombiniert einen flexiblen Acht-Punkt-Rampengenerator für minimales Ruckeln bei der automatischen Zielpositionierung. Ruckeln entsteht durch die Änderungsrate der Beschleunigung, und ein übermäßiges Ruckeln kann viele Systemprobleme und Leistungsprobleme verursachen. Dieser Schrittmotortreiber integriert H-Brücken für 36 Volt und 3 A mit 0,23 Ohm (Ω) Durchlasswiderstand und nicht-dissipativer integrierter Stromerfassung (ICS). Der TMC5240 ist in einem kleinen, 5 × 5 Millimeter (mm) großen TQFN32-Gehäuse und einem thermisch optimierten, 9,7 × 4,4 mm großen TSSOP38-Gehäuse mit einem freiliegenden Pad erhältlich.
Der TMC5240 verfügt über einzigartige und fortschrittliche Funktionen, die eine verbesserte Präzision, hohe Energieeffizienz, hohe Zuverlässigkeit, reibungslose Bewegung und einen kühlen Betrieb ermöglichen. Diese Funktionen umfassen:
- StealthChop2: Ein geräuschloser, hochpräziser Zerhacker-Algorithmus für unhörbare Bewegung und Stillstand des Motors, der eine schnellere Beschleunigung und Abbremsung des Motors ermöglicht als der einfachere StealthChop
- SpreadCycle: Hochpräzise, zyklusweise Stromregelung für höchste dynamische Bewegungen
- StallGuard2: Ermöglicht sensorlose Blockiererkennung und mechanische Lastmessung für SpreadCycle
- StallGuard4: Bietet sensorlose Strömungsabrisserkennung und mechanische Lastmessung für StealthChop
- CoolStep: Nutzt die StallGuard-Messung zur Anpassung des Motorstroms für die beste Effizienz und geringste Erwärmung von Motor und Treiber
Diese Funktionen können voreingestellt werden und während des Betriebszyklus des Motors aufgerufen werden. Darüber hinaus kann das Drehmoment in Verbindung mit der Beschleunigung gesteuert werden, um den gewünschten Wert zu erreichen und gleichzeitig eine effiziente und sanfte Beschleunigung und Verzögerung zu gewährleisten.
Ein Satz von drei Beschleunigungs- und Verzögerungssegmenten kann beispielsweise auf zwei Arten verwendet werden: zur Anpassung an die Drehmomentkurve des Motors durch Verwendung höherer Beschleunigungswerte bei niedrigerer Geschwindigkeit oder zur Verringerung des Ruckelns beim Übergang von einem Beschleunigungssegment zum nächsten. Der Acht-Punkt-Bewegungsprofilgenerator des TMC5240 ermöglicht es dem Controller, ein Segment mit konstanter Geschwindigkeit beizubehalten, während sich die gewünschte Zielposition in Echtzeit ändert, was zu stoßfreien Übertragungen führt (Abbildung 6).
Abbildung 6: Der TMC5240 bietet eine Acht-Punkt-Rampe, die eine fliegende Änderung der Zielposition unterstützt, was zu stoßfreien Übertragungen im Modus führt. (Bildquelle: Analog Devices)
Angesichts der Flexibilität, Vielseitigkeit und Komplexität dieses Treiber-ICs ist das Evaluierungsboard TMC5240-EVAL eine willkommene Ergänzung (Abbildung 7). Es verwendet den Standardschaltplan für den IC und bietet in seiner Software mehrere Optionen, mit denen verschiedene Betriebsarten getestet werden können.
Abbildung 7: Mit dem Evaluierungsboard TMC5240-EVAL und der zugehörigen grafischen Benutzeroberfläche können Entwickler die Leistung des TMC5240 für ihre spezifische Aktor- und Lastkombination untersuchen und abstimmen. (Bildquelle: Analog Devices)
Für weniger komplexe Evaluierungs- und Designanforderungen bietet Analog Devices auch den TMC5240-BOB an. Diese einfache IC-Breakout-Platine bringt die physikalischen Pin-Anschlüsse des TMC5240 auf zugängliche Stiftleisten.
Fazit
Das Hinzufügen von Intelligenz zu Treibern für Motoren mit Zylinderspulen und Schrittmotoren sorgt für eine bessere Steuerung und Fehlererkennung, ermöglicht die Entscheidungsfindung in Echtzeit und erlaubt die Kommunikation mit übergeordneten Steuerungen oder KI-basierten Produktivitätssystemen. Hochintegrierte Treiber, wie der MAX22200 und der TMC5240 von Analog Devices, ermöglichen es, mit fortschrittlichen Algorithmen die Leistung von Motoren mit Zylinderspulen und Schrittmotoren für die Anwendung zu optimieren.

Haftungsausschluss: Die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der verschiedenen Autoren und/oder Forumsteilnehmer dieser Website spiegeln nicht notwendigerweise die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der DigiKey oder offiziellen Politik der DigiKey wider.