Sterowniki silników krokowych firmy Trinamic, cz. 1.pdf
(
628 KB
)
Pobierz
ep_02_085-088.indd
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
85
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-
86
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
87
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.
88
Elektronika Praktyczna 2/2005
Plik z chomika:
sp4xql
Inne pliki z tego folderu:
Sterowniki mikrokrokowe silników krokowych.pdf
(320 KB)
Sterowniki silników krokowych firmy Trinamic, cz. 2.pdf
(430 KB)
Sterowniki silników krokowych firmy Trinamic, cz. 1.pdf
(628 KB)
Sterownik SMC139.pdf
(77 KB)
Pozycjonowanie urzadzen pomiarowych z napedem krokowym.pdf
(760 KB)
Inne foldery tego chomika:
Pliki dostępne do 21.01.2024
◙ ALLEGRO
0001 Działająca, bezpieczna przeglądarka internetowa pod Windows XP
Adobe.Photoshop.CS4.Extended.v11.0.Full PL+Crack+Photoshop Designer's Pack
amelia
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin