Come adattare gli azionamenti per solenoidi e motori passo-passo alle applicazioni industriali

Le applicazioni dei dispositivi edge, come i sistemi di controllo di fabbrica, l'automotive e le apparecchiature di laboratorio, utilizzano sempre più spesso le funzionalità dell'Internet of Things (IoT) e dell'intelligenza artificiale (AI) per ottenere processi decisionali a bassa latenza, prestazioni più elevate, costi inferiori e maggiore sicurezza e produttività. I driver per solenoidi e motori passo-passo devono evolversi per incorporare un maggior numero di sensori e intelligenza a bordo per facilitare la loro integrazione in questo ambiente in rapida evoluzione e per migliorare ulteriormente la precisione, l'affidabilità, il controllo ad anello chiuso, il costo, l'ingombro e la facilità d'uso.

Questo articolo riassume il funzionamento di base dei solenoidi e dei motori passo-passo e illustra i vantaggi dei circuiti integrati di pilotaggio progettati per il bordo intelligente. La guida introduce e spiega come iniziare a progettare con i driver di esempio di Analog Devices.

Solenoidi e stepper: simili ma diversi

I solenoidi e i motori passo-passo convertono la corrente elettrica in movimento fisico attraverso una bobina avvolta che agisce come un elettromagnete. Nonostante le differenze nell'aspetto e nel funzionamento, la comunanza di bobine consente in alcune circostanze di utilizzare lo stesso circuito integrato di pilotaggio per entrambi gli attuatori.

I solenoidi sono componenti relativamente semplici che sviluppano un movimento meccanico lineare con la corrente applicata. Sono costituiti da una bobina elettrica avvolta attorno a un tubo cilindrico con un attuatore ferromagnetico (chiamato anche pistone o armatura) nel nucleo cavo, libero di muoversi all'interno del corpo della bobina (Figura 1, a sinistra).

I motori passo-passo, invece, utilizzano bobine di statore multiple disposte lungo la circonferenza del corpo del motore (Figura 1, a destra). Il motore ha anche una serie di magneti permanenti attaccati al suo rotore.

Figura 1: La struttura del solenoide comprende una bobina avvolta con uno stantuffo scorrevole interno (a sinistra); i motori passo-passo sono più complessi, con magneti permanenti sul rotore e bobine elettromagnetiche disposte sullo statore (a destra). (Fonti: Analog Devices, Monolithic Power Systems)

Per i solenoidi, il movimento dello stantuffo è un singolo impatto "a pugno" che si verifica quando viene applicata una corrente, sbattendo lo stantuffo nella sua posizione estrema. Quando viene tolta l'alimentazione, la maggior parte dei solenoidi utilizza una molla per riportare lo stantuffo nella sua posizione nominale di riposo.

Nello schema più elementare, il solenoide è controllato da un impulso di corrente di accensione e spegnimento. Sebbene sia semplice e diretto, i suoi svantaggi includono un'elevata forza d'impatto, vibrazioni, rumore acustico ed elettrico, inefficienza elettrica e scarso controllo sull'azione dello stantuffo o sul suo ritorno.

L'azione rotatoria si attiva per il motore passo-passo quando le bobine dello statore vengono eccitate in sequenza e il campo magnetico rotante risultante tira i magneti dell'indotto. Controllando la sequenza, il rotore dello stepper può ruotare in modo continuo, fermarsi o invertire la direzione.

A differenza del solenoide, che non ha considerazioni di temporizzazione, le bobine dello statore devono essere eccitate in sequenza e con la corretta larghezza di impulso, tra le altre caratteristiche.

I driver intelligenti superano le limitazioni e migliorano le prestazioni

Controllando attentamente la corrente che pilota le bobine dei solenoidi e dei motori passo-passo, compresa la forma del profilo d'onda, la velocità di rampa ascendente e discendente e altri parametri, un driver intelligente può fornire molti vantaggi, tra cui:

• Maggiore fluidità di movimento e rotazione con minimo chattering
• Riduzione delle vibrazioni e degli impatti, soprattutto per i solenoidi
• Posizionamento più preciso per il movimento di avvio/arresto/ritorno del motore passo-passo
• Prestazioni costanti e adattamento a condizioni di carico transitorie o variabili
• Efficienza migliorata
• Minore usura fisica
• Generazione di meno rumore elettrico e acustico
• Facilità di interfacciamento con un processore di supervisione, essenziale per le installazioni IoT

Il MAX22200 di Analog Devices, un driver integrato per solenoidi e motori a controllo seriale, mostra cosa può fare un driver sofisticato per i solenoidi (Figura 2). Gli otto driver a mezzo ponte da 1 ampere (A) di questo circuito integrato da 36 volt possono essere messi in parallelo per raddoppiare la corrente di pilotaggio, oppure configurati come ponti interi per pilotare fino a quattro valvole a blocco (dette anche bi-stabili).

Figura 2: Il MAX22200 di Analog Devices è un driver per solenoidi e motori integrato e controllato in serie con otto driver a mezzo ponte che possono essere disposti in diverse configurazioni. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questo driver supporta due metodi di controllo: la regolazione della tensione (VDR) e la regolazione della corrente (CDR). Con il VDR, il dispositivo emette una tensione modulata ad ampiezza d'impulso (PWM) il cui duty cycle viene programmato tramite l'interfaccia SPI. La corrente di uscita è proporzionale al ciclo di lavoro programmato per una determinata tensione di alimentazione e resistenza del solenoide. Il CDR è una forma di controllo ad anello chiuso in cui un circuito integrato di rilevamento della corrente senza perdite rileva la corrente di uscita e la confronta con una corrente di riferimento interna programmabile.

A differenza di un semplice driver a sorgente di corrente, il MAX22200 offre la possibilità di personalizzare il profilo di pilotaggio della corrente. Per ottimizzare la gestione dell'energia nelle applicazioni di azionamento di solenoidi, il livello di eccitazione (_IHIT), il livello di mantenimento (_IHOLD) e il tempo di eccitazione (_tHIT) possono essere configurati individualmente per ciascun canale. Offre inoltre molteplici funzioni di protezione e di segnalazione dei guasti, tra cui:

• Protezione da sovracorrente (OCP)
• Rilevamento del carico aperto (OL)
• Arresto termico (TSD)
• Blocco di sottotensione (UVLO)
• Verifica del movimento del pistone (DPM)

Le prime quattro caratteristiche sono standard e ben comprese. Il DPM richiede ulteriori spiegazioni. Ad esempio, se la valvola funziona correttamente quando il solenoide è attivato in una valvola controllata da solenoide, il profilo di corrente non è monotono (Figura 3, curva nera). Invece, mostra una caduta dovuta alla forza elettromotrice posteriore (BEMF) generata dal movimento dello stantuffo (Figura 3, curva blu).

Figura 3: Quando si pilota un solenoide, il MAX22200 è in grado di rilevare un solenoide o una valvola bloccati osservando la caduta di corrente BEMF prevista rispetto al valore di soglia (IDPM_TH) mentre il solenoide viene pilotato dalla corrente di avvio (_ISTART) al livello di eccitazione finale (_IHIT). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Quando viene impostata e utilizzata per i solenoidi, la funzione DPM del MAX22200 rileva la presenza della caduta di BEMF durante la fase di eccitazione. Se la caduta non viene rilevata, viene impostata un'indicazione sul pin FAULT e nel registro di errore interno.

I kit di valutazione facilitano il processo

Per risolvere i problemi legati alle prestazioni del sistema in condizioni di carico e richieste statiche e dinamiche diverse, Analog Devices offre la scheda di valutazione MAX22200EVKIT# per la gestione dell'alimentazione del controllo dei solenoidi per il MAX22200 (Figura 4). Questo kit di valutazione (EVK) consente il controllo seriale del MAX22200 e il monitoraggio dei guasti tramite un'interfaccia USB-SPI integrata e un microcontrollore MAX32625. Include un'interfaccia grafica utente (GUI) compatibile con Windows per esercitare le funzioni del CI MAX22200, rendendolo un sistema di valutazione completo basato su PC.

Figura 4: La scheda di valutazione MAX22200EVKIT# per la gestione dell'alimentazione del MAX22200 facilita l'esercizio completo del circuito integrato e del suo carico mediante un'interfaccia grafica basata su Windows. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questa scheda, completamente assemblata e testata, è configurabile come solenoide high-side/low-side e per valvole a blocco (spesso azionate da solenoidi) o motori CC spazzolati.

Motori passo-passo: più gradi di libertà di controllo

I motori passo-passo sono più complicati dei solenoidi e presentano maggiori requisiti di controllo. Lo dimostrano le caratteristiche del TMC5240 di Analog Devices (Figura 5), un controller e driver per motori passo-passo integrato ad alte prestazioni con interfacce di comunicazione seriale (SPI, UART), ampie capacità diagnostiche e algoritmi integrati.

Figura 5: Il controllore e driver per motori passo-passo ad alte prestazioni TMC5240 incorpora algoritmi sofisticati per fornire prestazioni ottimali con solenoidi e motori passo-passo. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questo circuito integrato combina un generatore flessibile di rampe a otto punti per ridurre al minimo gli scatti nel posizionamento automatico dei target. Il jerk è il tasso di variazione dell'accelerazione e un jerk eccessivo può causare molti problemi al sistema e alle prestazioni. Questo driver per motori passo-passo integra ponti ad H da 36 volt e 3 A con resistenza di accensione di 0,23 ohm (Ω) e rilevamento integrato della corrente (ICS) non dissipativo. Il TMC5240 è disponibile in un piccolo contenitore TQFN32 da 5 × 5 millimetri (mm) e in un contenitore TSSOP38 da 9,7 × 4,4 mm, ottimizzato dal punto di vista termico, con pad esposto.

Il TMC5240 implementa caratteristiche uniche e avanzate che consentono una maggiore precisione, un'elevata efficienza energetica, un'alta affidabilità, un movimento fluido e un funzionamento fresco. Queste caratteristiche includono:

• StealthChop2: un algoritmo chopper silenzioso e di alta precisione per un movimento e un arresto del motore impercettibili, che consente un'accelerazione e una decelerazione del motore più rapide rispetto al più semplice StealthChop.
• SpreadCycle: Controllo della corrente ad alta precisione, ciclo per ciclo, per i più elevati movimenti dinamici.
• StallGuard2: fornisce il rilevamento dello stallo senza sensori e la misurazione del carico meccanico per SpreadCycle.
• StallGuard4: offre il rilevamento dello stallo senza sensori e la misurazione del carico meccanico per StealthChop.
• CoolStep: Utilizza la misura di StallGuard per adattare la corrente del motore per ottenere la migliore efficienza e il minor riscaldamento del motore e del driver.

Queste caratteristiche possono essere preimpostate e richiamate durante il ciclo di funzionamento del motore. Inoltre, la coppia può essere controllata insieme all'accelerazione per sviluppare il valore desiderato e fornire un'accelerazione e una decelerazione efficienti e fluide.

Ad esempio, una serie di tre segmenti di accelerazione e decelerazione può essere utilizzata in due modi: per adattarsi alla curva di coppia del motore utilizzando valori di accelerazione più elevati a una velocità inferiore, oppure per ridurre il jerk durante la transizione da un segmento di accelerazione al successivo. Per risolvere entrambi i problemi, il generatore di profili di movimento a otto punti del TMC5240 consente al controllore di mantenere un segmento a velocità costante mentre la posizione di destinazione desiderata cambia in tempo reale, con conseguenti trasferimenti in modalità bumpless (Figura 6).

Figura 6: Il TMC5240 offre una rampa a otto punti che supporta la modifica al volo della posizione del target, consentendo trasferimenti in modalità bumpless. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Data la flessibilità, la versatilità e la complessità di questo circuito integrato di pilotaggio, la scheda di valutazione TMC5240-EVAL è un'aggiunta gradita (Figura 7). Utilizza lo schema standard del circuito integrato e offre diverse opzioni nel suo software, consentendo ai progettisti di testare diverse modalità di funzionamento.

Figura 7: Utilizzando la scheda di valutazione TMC5240-EVAL e l'interfaccia grafica associata, i progettisti possono studiare e mettere a punto le prestazioni del TMC5240 in base alla specifica combinazione di attuatore e carico. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per i progettisti con requisiti di valutazione e progettazione meno complessi, Analog Devices offre anche il TMC5240-BOB. Questa scheda di breakout IC di base porta le connessioni fisiche dei pin del TMC5240 su file di intestazioni accessibili all'utente.

Conclusione

L'aggiunta di intelligenza ai driver dei solenoidi e dei motori passo-passo consente di migliorare il controllo e il rilevamento dei guasti, di prendere decisioni in tempo reale e di comunicare con sistemi di controllo di livello superiore o di produttività basati sull'intelligenza artificiale. I driver altamente integrati, come il MAX22200 e il TMC5240 di Analog Devices, consentono agli utenti di essere rapidamente operativi con algoritmi avanzati per ottimizzare le prestazioni di solenoidi e motori passo-passo per le loro applicazioni.