Dostosowywanie sterowników elektromagnesów i silników krokowych do zastosowań przemysłowych

Urządzenia brzegowe, takie jak systemy sterowania w halach fabrycznych, sprzęt motoryzacyjny i laboratoryjny, w coraz większym stopniu wykorzystują możliwości Internetu rzeczy (IoT) i sztucznej inteligencji (AI) w celu podejmowania decyzji z niską latencją, osiągnięcia lepszych parametrów działania, zapewnienia niższych kosztów oraz większego bezpieczeństwa i produktywności. Sterowniki elektromagnesów i silników krokowych muszą ewoluować, aby mieścić więcej wbudowanych czujników i rozwiązań inteligentnych w celu łatwiejszej integracji z tym szybko ewoluującym środowiskiem, a także, aby jeszcze bardziej poprawić precyzję, niezawodność, sterowanie w pętli zamkniętej oraz łatwość użycia oraz obniżyć koszty i zmniejszyć zajmowaną powierzchnię.

W niniejszym artykule podsumowano podstawowe działanie elektromagnesów i silników krokowych oraz przedstawiono zalety układów scalonych sterowników zaprojektowanych z myślą o inteligentnych urządzeniach brzegowych. Następnie przedstawiono i wyjaśniono, jak rozpocząć projektowanie z użyciem przykładowych sterowników firmy Analog Devices.

Elektromagnesy i silniki krokowe: podobne, ale różne

Elektromagnesy i silniki krokowe przekształcają prąd elektryczny w ruch fizyczny za pośrednictwem nawiniętej cewki działającej jako elektromagnes. Pomimo różnic w wyglądzie i funkcji, ujednolicenie cewek pozwala w pewnych okolicznościach na użycie tego samego układu scalonego sterownika dla obu aktuatorów.

Elektromagnesy są stosunkowo prostymi komponentami, które pod wpływem przyłożonego prądu wywołują liniowy ruch mechaniczny. Zawierają one cewkę elektryczną nawiniętą na cylindryczną rurkę z aktuatorem ferromagnetycznym (zwanym również trzpieniem lub twornikiem) w wydrążonym rdzeniu, który może swobodnie poruszać się wewnątrz korpusu cewki (ilustracja 1, po lewej).

Natomiast silniki krokowe wykorzystują wiele cewek stojana rozmieszczonych na obwodzie korpusu silnika (ilustracja 1, po prawej). Silnik posiada również zestaw magnesów trwałych przymocowanych do wirnika.

Ilustracja 1: konstrukcja elektromagnesu składa się z nawiniętej cewki z wewnętrznym przesuwnym trzpieniem (po lewej); silniki krokowe są bardziej skomplikowane, z magnesami trwałymi na wirniku i cewkami elektromagnetycznymi umieszczonymi na stojanie (po prawej). (Źródła ilustracji: Analog Devices, Monolithic Power Systems)

W przypadku elektromagnesów, ruch trzpienia ma charakter pojedynczego skoku, który następuje po włączeniu prądu, powodując jego dynamiczne przemieszczenie w skrajne położenie. Po odłączeniu zasilania większość elektromagnesów wykorzystuje sprężynę, aby przywrócić trzpień do nominalnego położenia spoczynkowego.

W najbardziej podstawowym schemacie sterowania elektromagnes jest sterowany skokowym impulsem prądu włączania-wyłączania. Chociaż jego działanie jest proste i bezpośrednie, posiada wady, takie jak duża siła uderzenia, drgania, hałas akustyczny i zakłócenia elektryczne, niska sprawność elektryczna oraz niewielka kontrola nad ruchem trzpienia lub jego powrotem.

Ruch obrotowy silnika krokowego jest aktywowany, gdy cewki stojana są zasilane sekwencyjnie, a generowane wirujące pole magnetyczne przyciąga magnesy twornika. Kontrolując sekwencjonowanie, wirnik silnika krokowego można zmuszać do obrotów ciągłych, zatrzymania się lub zmiany kierunku.

Jedną z cech charakterystycznych jest to, że w przeciwieństwie do elektromagnesu, w którym nie trzeba brać pod uwagę synchronizacji w czasie, cewki stojana muszą być zasilane sekwencyjnie i z prawidłową szerokością impulsu.

Inteligentne sterowniki pokonują ograniczenia i poprawiają parametry działania

Dzięki starannemu kontrolowaniu prądu sterującego cewkami elektromagnesów i silników krokowych, w tym kształtu przebiegu fali, szybkości narastania i opadania i innych parametrów, inteligentny sterownik może zapewnić wiele korzyści, takich jak:

• Zwiększona płynność ruchów i obrotów przy minimalnym trzepotaniu
• Redukcja drgań i uderzeń, szczególnie w przypadku elektromagnesów
• Bardziej precyzyjne pozycjonowanie dla uruchamiania, zatrzymywania i ruchu wstecznego silnika krokowego
• Stałe parametry działania i adaptacja do nieustalonych lub zmiennych warunków obciążenia
• Wyższa sprawność
• Mniejsze zużycie fizyczne
• Mniejsze generowanie hałasu akustycznego i zakłóceń elektrycznych
• Łatwość łączenia z procesorem nadzorczym, niezbędna w instalacjach Internetu rzeczy (IoT)

Zintegrowany sterowany szeregowo elektromagnes i sterownik silnika MAX22200 firmy Analog Devices pokazuje, co zaawansowany sterownik może zrobić dla elektromagnesów (ilustracja 2). Osiem sterowników półmostkowych o natężeniu 1A w tym 36-woltowym układzie scalonym może być połączonych równolegle w celu podwojenia prądu sterującego lub skonfigurowanych jako pełne mostki do sterowania maksymalnie czterema zaworami zatrzaskowymi (zwanymi również zaworami bistabilnymi).

Ilustracja 2: zintegrowany sterowany szeregowo sterownik elektromagnesu i silnika MAX22200 firmy Analog Devices posiada osiem sterowników półmostkowych, które można zestawiać w różnych konfiguracjach. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Ten sterownik obsługuje dwie metody sterowania: regulację wysterowania napięciowego (VDR) i regulację wysterowania prądowego (CDR). W przypadku regulacji wysterowania napięciowego (VDR) urządzenie generuje napięcie z modulacją szerokości impulsu (PWM), w którym cykl roboczy jest programowany za pomocą szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych (SPI). Prąd wyjściowy jest proporcjonalny do zaprogramowanego cyklu roboczego dla danego napięcia zasilania i rezystancji elektromagnesu. Regulacja wysterowania prądowego (CDR) jest formą sterowania w pętli zamkniętej, w której zintegrowany bezstratny obwód pomiaru prądu mierzy prąd wyjściowy i porównuje go z wewnętrznym, programowanym prądem referencyjnym.

W przeciwieństwie do uproszczonego sterownika źródła prądowego, urządzenie MAX22200 oferuje możliwość dostosowania profilu wysterowania prądowego. Aby zoptymalizować zarządzanie zasilaniem w elektromagnesach, można indywidualnie dla każdego kanału skonfigurować poziom wysterowania wzbudzenia (I_HIT), poziom wysterowania utrzymania (I_HOLD) oraz czas wysterowania wzbudzenia (t_HIT). Oferuje on również wiele funkcji zabezpieczających i związanych z usterkami, w tym:

• Zabezpieczenie nadprądowe (OCP)
• Wykrywanie przerwy w obwodzie obciążenia (OL)
• Wyłączanie termiczne (TSD)
• Blokada pracy przy zbyt niskim napięciu (UVLO)
• Weryfikacja wykrywania ruchu trzpienia (DPM)

Pierwsze cztery funkcje są standardowe i zrozumiałe. Weryfikacja wykrywania ruchu trzpienia (DPM) wymaga dalszych wyjaśnień. Przykładowo: jeśli zawór działa prawidłowo po uruchomieniu elektromagnesu w zaworze sterowanym elektromagnesem, to profil prądu nie jest monotoniczny (ilustracja 3, czarna krzywa). Zamiast tego widać spadek spowodowany siłą przeciwelektromotoryczną (BEMF) generowaną przez ruch trzpienia (ilustracja 3, niebieska krzywa).

Ilustracja 3: podczas sterowania elektromagnesem urządzenie MAX22200 może wykryć zablokowanie elektromagnesu lub zaworu, wyszukując oczekiwany generowany siłą przeciwelektromotoryczną (BEMF) spadek prądu w stosunku do wartości progowej (IDPM_TH), ponieważ elektromagnes jest sterowany prądem rozruchowym (I_START) do końcowego poziomu wysterowania wzbudzenia (I_HIT). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

W przypadku konfiguracji i użycia z elektromagnesami, funkcja weryfikacji wykrywania ruchu trzpienia (DPM) urządzenia MAX22200 wykrywa spadek siły przeciwelektromotorycznej (BEMF) w fazie wzbudzenia. Jeśli spadek nie zostanie wykryty, na wtyku FAULT oraz w wewnętrznym rejestrze usterek ustawiana jest sygnalizacja.

Proces ułatwiają zestawy ewaluacyjne

Aby rozwiązać problemy związane z działaniem układu przy różnych wymaganiach statycznych i dynamicznych oraz warunkach obciążenia, firma Analog Devices oferuje płytkę ewaluacyjną zarządzania zasilaniem sterującym elektromagnesem MAX22200EVKIT# dla urządzenia MAX22200 (ilustracja 4). Omawiany zestaw ewaluacyjny (EVK) umożliwia szeregowe sterowanie urządzeniem MAX22200 i monitorowanie usterek za pomocą wbudowanego interfejsu USB-SPI za pośrednictwem mikrokontrolera MAX32625. Zawiera on kompatybilny z systemem Windows graficzny interfejs użytkownika (GUI) umożliwiający korzystanie z funkcji układu scalonego MAX22200, dzięki czemu stanowi kompletny system ewaluacyjny oparty na komputerze PC.

Ilustracja 4: płytka ewaluacyjna zarządzania zasilaniem sterującym elektromagnesem MAX22200EVKIT# przeznaczona dla urządzenia MAX22200 umożliwia pełne wykorzystanie układu scalonego i jego obciążenia za pomocą graficznego interfejsu użytkownika (GUI) opartego na systemie Windows. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Tę w pełni zmontowaną i przetestowaną płytkę można skonfigurować jako elektromagnes strony wysokiej i niskiej, a także do zaworów zatrzaskowych (często sterowanych elektromagnesami) lub szczotkowych silników prądu stałego.

Silniki krokowe: więcej stopni swobody sterowania

Silniki krokowe są bardziej skomplikowane niż elektromagnesy i mają większe wymagania dotyczące sterowania. Widać to w cechach zintegrowanego układu scalonego wysokowydajnego kontrolera i sterownika silnika krokowego TMC5240 firmy Analog Devices (ilustracja 5), wyposażonego w interfejsy komunikacji szeregowej, takie jak szeregowy interfejs urządzeń peryferyjnych (SPI) i uniwersalny asynchroniczny nadajniko-odbiornik (UART) z rozbudowanymi możliwościami diagnostycznymi i wbudowanymi algorytmami.

Ilustracja 5: układ scalony wysokowydajnego kontrolera i sterownika silnika krokowego TMC5240 zawiera zaawansowane algorytmy zapewniające optymalne parametry działania elektromagnesów i silników krokowych. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Omawiany układ scalony łączy w sobie elastyczny ośmiopunktowy generator przebiegu narastającego, zapewniający minimalne przyspieszenie drugiego stopnia w automatycznym pozycjonowaniu w położeniu docelowym. Przyspieszenie drugiego stopnia to szybkość zmiany przyspieszenia, a nadmierna jego wartość może powodować wiele problemów w systemie i problemów z parametrami działania. Omawiany sterownik silnika krokowego zawiera mostki H 36V, 3A o rezystancji w stanie włączenia 0,23Ω oraz funkcję bezrozproszeniowego zintegrowanego pomiaru prądu (ICS). Urządzenie TMC5240 jest dostępne w niewielkiej obudowie TQFN32 o wymiarach 5 × 5mm oraz zoptymalizowanej termicznie obudowie TSSOP38 o wymiarach 9,7 × 4,4mm z odsłoniętym polem.

Urządzenie TMC5240 wykorzystuje unikalne i zaawansowane funkcje, które zapewniają zwiększoną precyzję, wysoką sprawność energetyczną, wysoką niezawodność, płynność ruchu i niską temperaturę pracy. Wspomniane funkcje to m.in.:

• StealthChop2: bezszumowy, wysokoprecyzyjny algorytm czoperowy zapewniający bezdźwięczny ruch i zatrzymanie silnika, umożliwiający szybsze przyspieszanie i zwalnianie silnika w porównaniu z prostszym rozwiązaniem StealthChop
• SpreadCycle: wysokoprecyzyjna kontrola prądu w każdym cyklu zapewniająca najwyższą dynamikę ruchów
• StallGuard2: bezczujnikowe wykrywanie utknięcia i mechaniczny pomiar obciążenia dla funkcji SpreadCycle
• StallGuard4: bezczujnikowe wykrywanie utknięcia i mechaniczny pomiar obciążenia dla funkcji StealthChop
• CoolStep: wykorzystanie funkcji StallGuard do dostosowania prądu silnika w celu uzyskania najlepszej sprawności i jak najmniejszego nagrzewania silnika i sterownika

Funkcje te mogą być wstępnie ustawione i wywoływane podczas cyklu pracy silnika. Ponadto momentem obrotowym można sterować w połączeniu z przyspieszaniem, aby uzyskać żądaną wartość, zapewniając jednocześnie sprawne i płynne przyspieszanie i zwalnianie.

Na przykład zestaw trzech segmentów przyspieszania i zwalniania można wykorzystać na dwa sposoby: w celu dostosowania do krzywej momentu obrotowego silnika poprzez zastosowanie wyższych wartości przyspieszenia przy niższej prędkości lub w celu zmniejszenia przyspieszenia drugiego stopnia podczas przechodzenia z jednego segmentu przyspieszania do drugiego. Aby rozwiązać oba te problemy, dostępny w urządzeniu TMC5240 ośmiopunktowy generator profilu ruchu pozwala kontrolerowi na utrzymanie segmentu o stałej prędkości, podczas gdy żądana pozycja docelowa zmienia się w czasie rzeczywistym, co zapewnia płynne przechodzenie między trybami (ilustracja 6).

Ilustracja 6: urządzenie TMC5240 zapewnia ośmiopunktowy przebieg narastający oraz funkcję zmiany pozycji docelowej na bieżąco, umożliwiając płynne przechodzenie miedzy trybami. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Biorąc pod uwagę elastyczność, wszechstronność i złożoność omawianego układu scalonego sterownika, płytka ewaluacyjna TMC5240-EVAL jest wygodnym dodatkiem (ilustracja 7). Wykorzystuje ona standardowy schemat układu scalonego i oferuje kilka opcji oprogramowania, umożliwiając projektantom testowanie różnych trybów pracy.

Ilustracja 7: korzystając z płytki ewaluacyjnej TMC5240-EVAL i powiązanego z nią graficznego interfejsu użytkownika (GUI), projektanci mogą badać i dostrajać parametry działania urządzenia TMC5240 do konkretnej kombinacji aktuatora i obciążenia. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Dla mniej wymagających projektantów pod względem ewaluacji i projektowania, firma Analog Devices oferuje również urządzenie TMC5240-BOB. Ta podstawowa płytka rozdzielcza dla układów scalonych przenosi fizyczne połączenia wtyków urządzenia TMC5240 do rzędów listwy dostępnych dla użytkownika.

Podsumowanie

Dodanie inteligentnych rozwiązań do sterowników elektromagnesów i silników krokowych zapewnia lepszą kontrolę i wykrywanie usterek, umożliwia podejmowanie decyzji w czasie rzeczywistym oraz komunikację z systemami sterowania wyższego poziomu lub systemami wydajności opartymi na sztucznej inteligencji (AI). Wysoce zintegrowane sterowniki, takie jak MAX22200 i TMC5240 firmy Analog Devices, pozwalają użytkownikom na szybkie rozpoczęcie pracy z zaawansowanymi algorytmami w celu optymalizacji parametrów działania elektromagnesów i silników krokowych pod kątem konkretnego zastosowania.