Электродвигатель - это датчик! Часть I: технологии stallGuard и coolStep от Trinamic

Микросхемы для управления шаговыми двигателями от компании Trinamic хорошо знакомы отечественным разработчикам. Они отличаются широким функционалом, позволяют максимально упростить создание приводов и сократить время на разработку. Одним из факторов популярности драйверов и контроллеров Trinamic стали встроенные фирменные технологии: stallGuard2™, coolStep™, spreadCycle, stealthChop™, dcStep™, microPlyer™, sensOstep™. В данном цикле статей мы попробуем рассказать о каждой из этих технологий, чтобы помочь разработчикам, которые только знакомятся с продукцией компании Trinamic.

Рис. 1.	Фирменные технологии TRINAMIC рассматривают двигатель как датчик.

Шаговые двигатели наравне с бесколлекторными двигателями являются основой современных подвижных механизмов, начиная от игрушек и заканчивая медицинским и промышленным оборудованием. При этом шаговые двигатели оказываются проще в обращении и управлении, что делает их чрезвычайно привлекательными для широкого круга пользователей.

Для построения сложных прецизионных систем, таких как, например, станки с числовым программным управлением (ЧПУ), необходимо обеспечить максимальную точность позиционирования и плавность движения. Для этого потребуется не только создать силовую схему, но и как следует потрудиться с программными алгоритмами. К счастью, появляются интегральные микросхемы, в которых встроены все необходимые компоненты – от микроконтроллера и системы питания до силового каскада и программных функций. Примером таких решения являются драйверы и контроллеры шаговых двигателей от Trinamic.

Если рассмотреть номенклатуру продукции Trinamic, то окажется, что для каждой из микросхем производитель указывает не только базовые характеристики, понятные даже начинающему электронщику (рабочее напряжение, ток, число шагов, корпус и т. д.), но и перечень поддерживаемых фирменных технологий: stallGuard2™, coolStep™, spreadCycle, stealthChop™, dcStep™, microPlyer™, sensOstep™. Что это за технологии? Зачем они нужны? Если для опытных разработчиков, давно работающих с драйверами Trinamic, ответы на эти вопросы очевидны, то у новых пользователей могут возникнуть трудности. В данном цикле статей мы последовательно разберем каждую из перечисленных технологий и попробуем помочь разработчикам, которые только знакомятся с продукцией компании Trinamic.

Рис. 2.	Микросхемы драйверов шаговых двигателей от TRINAMIC.

Рис. 3.	Микросхемы контроллеров шаговых двигателей от TRINAMIC.

Системы управления шаговыми двигателями с замкнутым контуром обратной связи нуждаются в датчиках положения, что значительно усложняет и удорожает схему привода. Системы с разомкнутым контуром обратной связи не используют датчиков положения. С одной стороны они оказываются дешевыми, а с другой стороны им недостает точности, следовательно, их нельзя применять в прецизионных приложениях. Системы управления, использующие фирменные технологии TRINAMIC, занимают промежуточное положение между замкнутыми и разомкнутыми системами, так как используют только один датчик – сам двигатель.

«Электродвигатель – это датчик!» – девиз, который помещен на странице веб-сайта TRINAMIC. И это не просто слова, так как контроллеры и драйверы от TRINAMIC действительно получают всю информацию о параметрах вращения из сигналов обратной ЭДС и токов обмоток. Полученные данные позволяют добиться прецизионного управления мотором. В настоящий момент TRINAMIC предлагает шесть базовых технологий:

• stallGuard2™ – основополагающая технология, позволяющая оценивать момент на валу двигателя по обратной ЭДС и токам обмоток;
   
• coolStep™ – вторая по важности технология, позволяющая оптимизировать ток обмоток с учетом прикладываемой нагрузки;
   
• spreadCycle™ – технология, позволяющая обеспечивать прецизионное плавное движение двигателя;
   
• stealthChop™ – технология, обеспечивающая беспрецедентное снижение шума до уровня характерного для обычных двигателей постоянного тока;
   
• dcStep™ – технология, гарантирующая защиту от пропуска шагов и от потери положения вала двигателя;
   
• microPlyer™ – технология разбиения шагов управления на 16 дополнительных микрошагов с автоматической подстройкой длительности.

В данной статье мы рассмотрим две основополагающие технологии stallGuard2™ и coolStep™. Начнем с базовой технологии stallGuard2™, которую используют практически все остальные.

stallGuard2™ – технология, позволяющая измерять нагрузку на валу двигателя. На самом деле название этой технологии весьма говорящее. Применительно к двигателям слово «stall» в переводе с английского означает «останавливаться», а сама stallGuard первоначально разрабатывалась как программная альтернатива концевым датчикам. Когда подвижный механизм упирается в препятствие, нагрузка двигателя возрастает, что и обнаруживает stallGuard. Однако сейчас данная технология шагнула далеко вперед и позволяет использовать получаемые измерения в качестве сигналов обратной связи для прецизионного управления движением. Рассмотрим принцип работы stallGuard.

Схема измерения определяет электрическую энергию, подаваемую в двигатель (EI) и энергию, которая возвращается в источник питания (EB) (Рис. 4). Разница между этими показателями определяет энергию, которая была передана механической системе (EM). stallGuard2 контролирует значение EB, и, если оно приближается к нулю, это значит, что вся энергия передается в систему и подвижный механизм, скорее всего, уперся в препятствие.

Рис. 4.	Принцип измерения нагрузки двигателя в технологии StallGuard2 от TRINAMIC.

Любой электродвигатель имеет потери, поэтому часть энергии рассеивается в виде тепла ET (Рис. 5). Кроме того, в разных приложениях используются разные двигатели, которые отличаются по параметрам и работают при разных условиях с различной нагрузкой. Чтобы учесть эти особенности, вводится коэффициент ограничения SGT.

Рис. 5.	Настройка параметров StallGuard2.

Коэффициента SGT определяет максимальный допустимый момент на валу в данном конкретном приложении (Рис. 6). Если момент превышает это значение, можно считать, что двигатель остановился. После того, как значение SGT задано, StallGuard2 пересчитывает величину ST таким образом, чтобы при максимально допустимом моменте его значение было равно нулю. Обычно SGT выбирают с некоторым запасом с учетом калибровки.

Рис. 6.	Оценка показаний StallGuard2.

Калибровку системы управления проводят при работе двигателя без нагрузки (Рис. 7). Подробно рассматривать механизм калибровки мы не станем, скажем лишь, что ее следует выполнять в среднем диапазоне частот, что связано с особенностями измерения обратной ЭДС двигателя. Дело в том, что при низких частотах значение обратной ЭДС двигателя оказывается слишком мало и работа StallGuard2 затруднена. При больших частотах также возникают проблемы. Поэтому эффективная работа StallGuard2 возможна только в среднем диапазоне частот.

Рис. 7.	Особенности настройки параметров StallGuard2.

coolStep™– еще одна базовая технология от Trinamic. Она позволяет управлять током питания обмоток с учетом прикладываемой нагрузки.

Если не углубляться в тонкости, то принцип работы coolStep достаточно прост. Микросхема драйвера с помощью StallGuard2 определяет нагрузку на двигателе и ток в обмотках, а coolStep использует эти данные для подстройки тока (Рис. 8). Если нагрузка растет, ток увеличивается. И наоборот, если нагрузка падает, то ток уменьшается вслед за ней.

Рис. 8.	Принцип работы технологии coolStepот TRINAMIC.

Использование coolStep дает следующие преимущества:

• Повышение КПД до 75%;
• Минимизация перегрева двигателя;
• Возможность отказа от принудительного охлаждения двигателя;
• Возможность использования менее мощных и менее дорогих двигателей.

coolStep поддерживает оптимальное значение тока, что позволяет снизить потери, и, как следствие, значительно повысить КПД системы. В примере, представленном на Рис. 9, на частотах выше 60 об/мин использование coolStep приводит к росту КПД на 20%. Здесь стоит отметить, что, так как данная технология использует данные от StallGuard2, она также эффективно работает только на средних частотах.

Рис. 9.	Повышение КПД при использовании coolStepTRINAMIC.

Технология coolStep позволяет значительно снизить избыточное тепловыделение, что становится важным преимуществом при создании лабораторного медицинского оборудования, в котором требуется поддержание высокой стабильности температуры.

Стоит отметить, что технологии StallGuard2 и coolStep являются базовыми для остальных интеллектуальных технологий от TRINAMIC, о которых будет рассказано в следующей статье.

Характеристики микросхемы драйвера шагового двигателя TMC2130-LA:

• Интерфейс управления: Step/ Dir;
• Диапазон питающих напряжений: 4.75…46 В;
• Постоянный выходной ток (среднеквадратичный): 1.2 А;
• Пиковый выходной ток: 2.5 А;
• Коммуникационный интерфейс: SPI;
• Поддерживаемые фирменные технологии: stallGuard2™, coolStep™, stealthChop™, spreadCycle™, dcStep™, microPlyer™;
• Диапазон температур кристалла: –40…125 °C;
• Корпусное исполнение: 5 × 6 мм QFN36.

Посмотреть более подробно технические характеристики драйверов шагового двигателя от Trinamic

Часть 2