Sterowniki silników krokowych firmy Trinamic, cz. 1.pdf

P O D Z E S P O Ł Y

Sterowniki silników

krokowych firmy

TRINAMIC, część 1

Ofertę TRINAMIC można podzie-

lić na trzy podstawowe grupy:

- Mostkowe stopnie wyjściowe

mocy,

- Specjalizowane kontrolery ruchu,

- Kompletne sterowniki, zawierające

kontroler i stopień mocy w jed-

nej kostce.

Wspólną cechą dla wszystkich

układów są wbudowane interfejsy

szeregowe i możliwość pracy w roz-

budowanych systemach, sterujących

większą liczbą silników krokowych.

Dodatkowo w wybranych ukła-

dach zastosowano unikalny system

bezczujnikowego wykrywania prze-

szkód i pomiaru obciążenia silnika

StallGuard.

Niemiecka firma TRINAMIC Microchips oferuje szeroką gamę

specjalizowanych układów scalonych - sterowników silników

krokowych. Właściwości tych układów są na tyle interesujące,

że zasługują na szersze omówienie.

Mostkowe stopnie wyjściowe mocy

Aktualnie produkowane są 4 typy

układów: TMC236, TMC246, TMC239,

TMC249. Układy z końcówką numeru

‚6’ zawierają po dwa mostki wyjścio-

we typu H o prądzie wyjściowym do

1,5 A i napięciu zasilania 7...28,5 V,

natomiast TMC2x9 są przystosowane

do sterowania zewnętrznych tranzy-

storów mocy MOSFET. Między ukła-

dami TMC236 i 246 istnieje pełna

zgodność funkcji wyprowadzeń pin-

-to-pin , analogicznie jest dla TMC239

i 249. Różnica polega na tym, że

układy TMC246 i 249 są dodatkowo

wyposażone w system detekcji prze-

szkód StallGuard.

Na rys. 1 przedstawiono schemat

blokowy i aplikację układu TMC246.

Układ posiada następujące funkcje i

parametry charakterystyczne:

- Dwa mostki wyjściowe typu H

do bipolarnego sterowania prądem

uzwojeń. W mostkach zastosowano

komplementarne tranzystory nMOS

i pMOS o małej rezystancji kana-

łu, układ nie wymaga stosowania

radiatora. Prąd wyjściowy jest regu-

lowany poprzez modulację PWM.

- Interfejs szeregowy SPI (piny SCK,

SDI, SDO, CSN). Sterowanie za

pomocą SPI polega na wysyłaniu

11-bitowych słów, zawierających

Rys. 1. Schemat blokowy i aplikacja układu TMC246

Elektronika Praktyczna 2/2005

P O D Z E S P O Ł Y

obrotach oraz w stanie spoczyn-

kowym silnika tryb ten powinien

być wyłączony.

- Rozbudowany układ diagnostyczny

(blok Control & Diagnosis ) sygna-

lizujący stany awaryjne: zwarcie

i rozwarcie wyjść mocy, zbyt ni-

skie napięcie zasilania, przegrzanie

układu (dwuprogowo – ostrzeżenie

i alarm). Poszczególne stany awa-

ryjne ustawiają odpowiednie bity

w słowie stanu, które może być

odczytane przez SPI.

- Część cyfrowa układu może być

zasilana napięciem 5 V lub 3,3 V.

- System detekcji kolizji i pomiaru

obciążenia silnika StallGuard (blok

Load measurement na rys. 1). Jest

to jedyna różnica między schema-

tem blokowym układów TMC236

i 246.

Istnieje także możliwość wyłącze-

nia interfejsu SPI i analogowego ste-

rowania prądem wyjściowym – tzw.

tryb pracy niezależnej. Uaktywnienie

tego trybu następuje poprzez zwarcie

do masy wejścia SPE. Wtedy zmie-

niają się funkcje niektórych wejść

układu (symbole podane na rys. 1 w

nawiasach [..]) w następujący sposób:

- Wejścia PHA i PHB sterują kie-

runkiem przepływu prądu wyj-

ściowego mostków A i B (np.

stan niski PHA – kierunek od

OA1 do OA2).

- Wejścia MDAN i MDBN urucha-

miają tryb miksowanego wygasza-

nia prądu dla mostków A i B

(stan niski – tryb włączony).

- Wejścia INA i INB służą do na-

pięciowego sterowania prądem

uzwojeń, np. napięcie 2 V na

INA odpowiada prądowi wyjścio-

wemu wywołującemu spadek na-

pięcia 0,34 V na Rs.

Praca w trybie niezależnym umoż-

liwia uzyskanie dowolnie dużej roz-

dzielczości mikrokroków, także stero-

wanie sinusoidalne ( rys. 2 ). Przebiegi

zaznaczone linią przerywaną dotyczą

pracy z aktywnym trybem miksowa-

nego wygaszania prądu (dla średnich

prędkości).

Rys. 4.

Rys. 2. Przebiegi charakterystyczne

dla różnych trybów pracy układu

TMC2x6

żenia i czujnikami pozycji (enkodery,

czujniki optyczne, magnetyczne itp.).

Opatentowany przez firmę Trinamic

system pomiaru obciążenia silnika

StallGuard wykorzystuje jako czujnik

sam silnik krokowy. Działanie syste-

mu oparte jest na pomiarze zwrotnej

siły elektromotorycznej, generowanej

w uzwojeniach podczas pracy silni-

ka. Odczyt obciążenia dostępny jest

w formie trzybitowego wskaźnika ob-

ciążenia L. Im większe obciążenie –

tym niższa jest wartość wskaźnika L.

Aktualizacja wskaźnika następuje raz

na pełen krok silnika, a jego wartość

zależy od następujących parametrów:

- Prędkości obrotowej silnika: im

większa prędkość tym wyższy

wskaźnik obciążenia.

- Rezonansów silnika: w obszarze

rezonansu następuje gwałtowny

wzrost obciążenia dynamicznego

silnika. Zmierzona wartość obcią-

żenia w tym obszarze może nie

być dokładna, ale pozwala wy-

kryć rezonans.

- Przyspieszania silnika: w czasie

przyspieszania następuje wzrost

obciążenia dynamicznego, zmiany

przyspieszenia wywołują skokowe

zmiany współczynnika L.

- Trybu wygaszania prądu: dla po-

prawnej pracy systemu StallGuard

konieczne jest wyłączenie trybu

miksowanego wygaszania. Jeżeli

miksowane wygaszanie jest aktyw-

ne w momencie przejścia przez

zero prądu uzwojenia, to wartość

wskaźnika maleje.

wartość prądu wyjściowego, kieru-

nek przepływu oraz tryb wygasza-

nia prądu dla każdego mostka.

- Układ sterowania prądem wyjścio-

wym (blok PWM-CTRL) współpra-

cuje z 4-bitowymi przetwornikami

C/A. Regulacja prądu odbywa się

poprzez porównanie spadku na-

pięcia na rezystorach Rs z warto-

ścią na wyjściu C/A (zadaną po-

przez interfejs SPI). Rozdzielczość

4-bitowa przetworników pozwala

na pracę mikrokrokową z szesna-

stoma mikrokrokami. Nachylenie

zboczy impulsów PWM może być

regulowane wartością rezystora do-

łączonego do wejścia SLP w celu

ograniczenia emisji zakłóceń. Czę-

stotliwość impulsów PWM ustala

kondensator na wejściu OSC.

- Możliwość pracy w trybie miksowa-

nego wygaszania prądu. W skrócie

polega to na zamiennym wygasza-

niu prądu poprzez diodę regenera-

cyjną lub poprzez załączenie górne-

go tranzystora. Tryb miksowanego

wygaszania prądu zmniejsza efekt

rezonansowy i poprawia płynność

pracy silnika w zakresie średnich

prędkości obrotowych. Przy dużych

Rys. 3.

System bezczujnikowego

wykrywania przeszkód StallGuard

W klasycznym układzie napędo-

wym z silnikami krokowymi nie ma

możliwości wykrycia najechania na

przeszkodę lub przeciążenia silnika,

co może prowadzić do gubienia kro-

ków lub awarii napędu. W celu roz-

wiązania tych problemów stosuje się

sterowniki z zamkniętą pętlą sprzę-

Elektronika Praktyczna 2/2005

P O D Z E S P O Ł Y

Rys. 5.

niu kontroler tworzy i zapamię-

tuje „mapę” rezonansów napędu.

Potem, przy normalnej pracy kon-

troler może omijać częstotliwości

rezonansowe zapewniając płynną

i bezawaryjną pracę silnika.

Wszystko to (i jeszcze więcej)

można zrealizować bez kosztownych

enkoderów, czujników zerowych, bez

dodatkowych układów i programów

obróbki sygnałów z czujników.

Cyfrowa postać wskaźnika obcią-

żenia L pozwala na bezpośrednie

wykorzystanie go przez procesor ste-

rujący napędem.

Rys. 3 przedstawia wykres obro-

tów silnika w różnych fazach ruchu

i odpowiadające im wartości wskaź-

nika obciążenia. Zdefiniowanie przez

użytkownika wartości progowej ob-

ciążenia dla przeszkody pozwala na

wykrywanie kolizji, wibracji i sko-

ków przyspieszenia.

Procesor sterujący interpretuje ak-

tualną wartość wskaźnika i reaguje

odpowiednio do sytuacji – np. za-

trzymanie silnika, zmiana kierunku,

sygnalizacja awarii. System StallGu-

ard może mieć wiele zastosowań,

oto kilka przykładów:

a) Wyłączniki bezpieczeństwa. Po wy-

kryciu kolizji z przeszkodą nastę-

puje zatrzymanie napędu i ewen-

tualnie wycofanie na pozycję po-

czątkową. Rozwiązanie przydatne

na przykład do elektrycznie pod-

noszonych szyb samochodowych.

b) Znajdowanie pozycji zerowej na-

pędu koordynacyjnego. Zamiast

czujnika krańcowego wystarczy

zderzak mechaniczny. Po doje-

chaniu do pozycji początkowej

system wykrywa kolizję i przyj-

muje ten punkt jako koordynatę

zerową. Kontrola może być też

dwupunktowa – w obu skrajnych

pozycjach napędu.

c) Pozycjonowanie narzędzia wzglę-

dem obrabianego obiektu w obra-

biarkach numerycznych. Wystar-

czy dojechać powoli narzędziem

do obiektu i zarejestrować mo-

ment kolizji. Wielokrotne po-

wtórzenie tej operacji w trzech

osiach XYZ pozwoli na dokładne

zorientowanie w przestrzeni obra-

bianego obiektu i ustalenie punk-

tów referencyjnych.

d) Wykrywanie wibracji napędu i

gwałtownych skoków obciążenia,

które mogą skutkować zgubieniem

kroku. W przypadku stwierdzenia

zakłóceń napęd przerywa pracę i

kontroler wykonuje procedurę ka-

libracji wg pkt. b)

e) Pomiar częstotliwości rezonanso-

wych. Częstotliwość rezonansowa

jest szkodliwym zjawiskiem, wy-

stępującym w napędach z silni-

kami krokowymi. Na etapie pro-

jektowania napędu trudno teore-

tycznie przewidzieć jej wartość.

System StallDetection pozwala na

zdiagnozowanie napędu, pomiar

rezonansów i określenie obsza-

ru optymalnych prędkości obro-

towych. Firma Trinamic oferuje

bezpłatny program StallGuard Pro-

filer (współpracujący z zestawami

ewaluacyjnymi TMC428/TMC246),

który potrafi wykonać pełną dia-

gnostykę napędu i wykreślić cha-

rakterystykę rezonansową ( rys. 4 ).

f) Rozwinięciem pomysłu z pkt e)

może być „uczący się” kontroler

napędu. Po pierwszym uruchomie-

Specjalizowane kontrolery ruchu

Należące do tej grupy układy

TMC428 i TMC453 pod względem

funkcjonalnym są specjalizowanymi

mikrokontrolerami z wbudowanym

oprogramowaniem sterującym silni-

kami krokowymi. Poza generowaniem

podstawowych sekwencji sterowania

uzwojeniami, kontrolery te realizu-

ją także procedury przyspieszania i

hamowania silnika według zadanej

charakterystyki, pozycjonowania, re-

gulacji prędkości obrotowej. Dzięki

temu jako główny procesor systemu

można zastosować tani 8-bitowy mi-

krokontroler i realizować skompliko-

wane procedury sterowania napędem,

Elektronika Praktyczna 2/2005

P O D Z E S P O Ł Y

Rys. 6.

nej poprzez łącze SPI.

- Wieloportowa pamięć RAM służy

jako bank rejestrów konfiguracyj-

nych. Każdy z trzech silników

posiada swój zestaw rejestrów

(m.in. prędkości przyspieszenia,

pozycji), oprócz tego są rejestry

parametrów globalnych (np. kon-

figuracja wyjściowych portów SPI,

maska przerwań, tryb pracy wejść

REF1…REF3). Poza tym pamięć

spełnia funkcję buforowania i ko-

lejkowania komend i komunikatów

przesyłanych do/z driverów mocy.

Ze względu na sekwencyjną ko-

munikację kontrolera z driverami

mocy istnieje możliwość ustawie-

nia priorytetów dla poszczegól-

nych silników, wtedy komendy o

niskim priorytecie są buforowane

w pamięci RAM.

- Kontroler przerwań: przerwania

mogą być generowane przez wy-

stąpienie określonych zdarzeń, np.

osiągnięcia zaprogramowanej pozy-

cji docelowej, impuls z czujnika

krańcowego.

Kontroler TMC428 może pracować

w jednym z czterech trybów:

- Regulacja prędkości, zmiana pręd-

kości następuje liniowo,

- Pozycjonowanie, stosowana jest

trapezoidalna trajektoria ruchu,

- Precyzyjne pozycjonowanie, tryb

zbliżony do poprzedniej lecz z

wykładniczą trajektorią dochodze-

nia do wyznaczonej pozycji,

- Sterowanie bezpośrednie, obroty

silnika są sterowane bezpośrednio

przez procesor nadrzędny, zapro-

gramowane parametry ruchu są

ignorowane.

Kontroler TMC453 steruje tylko

jednym silnikiem, ale za to może być

stosowany z silnikami krokowymi 2-

-fazowymi, 3-fazowymi i 5-fazowymi.

Możliwości tego kontrolera są jeszcze

większe niż TMC428 – jest to w pełni

oprogramowany, wysokiej klasy kontro-

ler pozycjonujący i sterujący prędko-

ścią obrotową. Może współpracować

z silnikami krokowymi o uzwojeniach

unipolarnych i bipolarnych, w odróż-

nieniu od TMC428 - stopień wyjścio-

wy mocy jest sterowany bezpośrednio

a nie poprzez szynę szeregową. Sche-

mat systemu sterowania z układem

TMC453 przedstawia rys. 7 .

Jacek Przepiórkowski

które normalnie wymagałyby użycia

wydajnego procesora DSP.

Jako stopnie mocy mogą być sto-

sowane mostki Trinamic TMC23x

i TMC24x lub standardowe układy

mostkowe innych producentów (do-

stępne są noty aplikacyjne, dotyczące

zasad łączenia kontrolerów ze stop-

niami mocy produkcji Allegro Micro,

ST, National).

Użyte w opisach pojęcia z zakre-

su pozycjonowania i stabilizacji pręd-

kości były dokładniej opisane w arty-

kule o silnikach (Kurs – EP6/2004).

Kontroler TMC428 może sterować

trzema silnikami krokowymi 2-fazowy-

mi. Układ wyposażony jest w inter-

fejs szeregowy SPI do komunikacji z

procesorem nadrzędnym oraz potrójny

wyjściowy interfejs SPI do sterowania

układów wykonawczych. Typowa konfi-

guracja systemu z kontrolerem TMC428

jest przedstawiona na rys. 5 . Ciekawym

rozwiązaniem jest wydzielenie osob-

nej szyny SPI dla stopni mocy, dzięki

temu kontroler 428 jednocześnie pełni

funkcję podrzędną ‚slave’ dla procesora

głównego oraz nadrzędną ‚master’ dla

układów wyjściowych. Układ składa się

z kilku podstawowych bloków funkcjo-

nalnych ( rys. 6 ):

- Interfejsy szeregowe SPI: wejściowy

i wyjściowy zapewniają komunika-

cję układu z otoczeniem. Interfejs

wyjściowy może być programowo

skonfigurowany do współpracy z

różnymi typami driverów mocy.

- Zespół generatorów sterujących:

generator trajektorii przyspieszania/

hamowania oraz generator impul-

sów kroku. Generatory współpra-

cują z programowanymi rejestrami

pozycji, prędkości i przyspiesze-

nia. Zmiana pozycji napędu wy-

maga wpisania do odpowiednich

rejestrów parametrów ruchu (pręd-

kość, przyspieszenie), następnie

wpisania docelowej pozycji do

24-bitowego rejestru pozycji. Dla

prędkości i pozycji są osobne re-

jestry wartości aktualnej i docelo-

wej, odczyt rejestrów pozwala w

każdej chwili określić stan silnika

i funkcję realizowaną przez kon-

troler. Układ może współpracować

z trzema czujnikami krańcowymi

– po jednym dla każdego silni-

ka (wejścia REF1...REF3) oraz ma

wbudowaną funkcję poszukiwania

punktu referencyjnego.

- Blok sterowania pracą mikrokroko-

wą generuje sekwencje impulsów

do pracy mikrokrokowej. W zależ-

ności od możliwości zastosowane-

go drivera mocy, można uzyskać

do 64 mikrokroków o programo-

wanej charakterystyce obwiedni

prądu (sinus, trapez, trójkąt). Licz-

ba mikrokroków i kształt obwiedni

konfiguruje się poprzez wpisanie

wartości do odpowiednich reje-

strów kontrolnych. Sekwencje im-

pulsów sterujących są przesyłane

do drivera mocy w postaci binar-

Rys. 7.

Dodatkowe informacje

Więcej informacji na temat oferty firmy

Trinamic można znaleźć na stronie

http://www.trinamic.com.

Elektronika Praktyczna 2/2005

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: