Mágnestekercs- és léptetőmotor-vezérlők használata ipari berendezésekben

A helyi eszközök felhasználási területei, például a gyári vezérlő- és szabályozórendszerek, a gépjárműipar és a laboratóriumi berendezések egyre inkább kihasználják a dolgok internete (IoT, Internet of Things) és a mesterséges intelligencia (MI vagy az angol artificial intelligence kifejezésből alkotott betűszóval AI) kínálta képességeket a kis késleltetésű döntéshozatal, a nagyobb teljesítmény, az alacsonyabb költségek, valamint a nagyobb biztonság és termelékenység érdekében. A mágnestekercsek és léptetőmotorok vezérlőegységeinek fejlődniük kell, hogy több belső érzékelőt és intelligenciát tartalmazzanak, és ezzel megkönnyítsék a beillesztésüket ebbe a gyorsan fejlődő környezetbe, és tovább növeljék a pontosságot, a megbízhatóságot, javítsák a zárt hurkú szabályozást, csökkentsék a költségeket és a helyigényt, és elősegítsék a könnyű használatot.

Ez a cikk röviden ismerteti a mágnestekercsek és léptetőmotorok működésének alapjait, és felvázolja a helyi okoseszközökbe tervezett vezérlő IC-k előnyeit. Ezután az Analog Devices vezérlőegységeit használva példaként bemutatja és elmagyarázza, hogyan lehet belefogni a tervezésbe.

Mágnestekercsek és léptetőmotorok: hasonlóak, mégis különbözőek

A mágnestekercsek (vagy idegen szóval szolenoidok) és a léptetőmotorok a villanyáramot egy elektromágnesként működő tekercs segítségével alakítják át fizikai mozgássá. A kialakítás- és működésbeli különbségek ellenére az, hogy mindkettőben tekercsek vannak, lehetővé teszi, hogy bizonyos körülmények között ugyanazt a vezérlő IC-t használjuk mindkét működtetőelemhez.

A mágnestekercsek viszonylag egyszerű alkatrészek, amelyek az áram ráadáskor egyenes vonalú mechanikus mozgást hoznak létre. Főbb alkotóelemei: egy hengeres cső köré tekert vezető alkotta tekercs, valamint az annak üreges magjában elhelyezett ferromágneses működtetőelem (más néven dugattyú, illetve fegyverzet vagy idegen szóval armatúra), amely szabadon mozoghat a tekercs belsejében (1. ábra, balra).

Ezzel szemben a léptetőmotorok több, a motorház kerülete mentén elhelyezett állórésztekercset használnak (1. ábra, jobbra). A motor forgórészéhez vagy idegen szóval rotorjához egy több részből álló állandó mágnes van kapcsolva.

1. ábra: A mágnestekercset egy tekercs (coil) és az annak belsejében mozgó csúszódugattyú (plunger) alkotja (balra). A léptetőmotorok bonyolultabbak, állandó mágnesekkel a forgórészen (rotor) és elektromágneses tekercsekkel az állórészen (stator) (jobbra) (ábra: Analog Devices, Monolithic Power Systems)

A mágnestekercsek esetében a dugattyú mozgása egyetlen „löket”, ez pedig akkor következik be, amikor áramot kapcsolnak a tekercsre, ami a dugattyút a véghelyzetébe rántja. A legtöbb mágnestekercs a tápfeszültség lekapcsolásakor rugó segítségével állítja vissza a dugattyút a nyugalmi helyzetébe.

A legalapvetőbb vezérlési sémában a mágnestekercset egy meredek be- és kikapcsoló áramimpulzus vezérli. Bár ez egyszerű és közvetlen, a hátrányai közé tartozik a nagy ütőerő, a rezgés, az akusztikai (hallható) és villamos zaj, a rossz villamos hatásfok, valamint a dugattyú működése és visszatérése feletti csekély mértékű ellenőrzés.

A léptetőmotor akkor jön forgásba, amikor az állórésztekercsek egymás után feszültség alá kerülnek, és az így keletkező forgó mágneses tér magával húzza a forgórész mágneseit. Attól függően, hogy az állórész tekercsei milyen sorrendben és hogyan kapnak áramot, a léptetőmotor forgórésze foroghat folyamatosan, megállhat, vagy foroghat ellenkező irányban.

A mágnestekercsekkel ellentétben, amelyeknél nincsenek időzítési szempontok, az állórésztekercseket egyéb jellemzők mellett megfelelő sorrendben és a kellő impulzusszélességű feszültséggel kell áram alá helyezni.

Az intelligens vezérlőegységek leküzdik a korlátozásokat, és javítják a teljesítményt

A mágnestekercsek és léptetőmotorok tekercseibe jutó áram gondos szabályozásával, beleértve a hullámformát, a vezérlőjel fel- és lefutási meredekségét és egyéb paramétereket, egy intelligens vezérlőegység számos előnyt kínálhat, többek közt az alábbiakat:

• egyenletesebb mozgás és forgás minimális vibrálással
• kisebb rezgés és gyengébb ütések, különösen a mágnestekercsek esetében
• pontosabb helyzetbeállítás a léptetőmotorok indításánál/leállításánál/ellentétes irányú forgatásánál
• egységes teljesítmény és jobb alkalmazkodás az átmeneti vagy változó terhelésekhez
• jobb hatásfok
• kisebb fizikai kopás
• kevesebb akusztikai és villamos zaj keletkezik
• könnyű kapcsolódás a felügyelőprocesszorhoz, ami a dolgok internetére kapcsolódó készülékek esetében elengedhetetlen

Az Analog Devices MAX22200, egy integrált áramkörös, soros vezérlésű mágnestekercs- és villanymotor-vezérlő megmutatja, mire képes egy kifinomult vezérlőegység a mágnestekercsek esetében (2. ábra). A 36 V-os IC nyolc félhídkapcsolású, 1 A-es vezérlőegysége kapcsolható párhuzamosan a vezérlőáram megduplázásához, vagy átalakítható teljes hidakká, hogy akár négy reteszelt mágnestekercset (más néven bistabil szelepet) vezéreljen.

2. ábra: Az Analog Devices MAX22200 egy soros vezérlésű mágnestekercs- és villanymotor-vezérlő IC. Nyolc félhídkapcsolású vezérlőegységet tartalmaz, amelyek különböző kapcsolásokba köthetőek (ábra: Analog Devices)

Ez a vezérlőegység két vezérlési módot támogat: a feszültségszabályozó vezérlést (VDR, voltage drive regulation) és az áramszabályozó vezérlést (CDR, current drive regulation). Feszültségszabályozó vezérlés esetén az eszköz impulzusszélesség-modulált (PWM, pulse width modulated) feszültséget ad ki, és ekkor a munkaciklus az SPI illesztőfelület segítségével programozható. A kimenőáram adott tápfeszültség és mágnestekercs-ellenállás esetén arányos a programozott munkaciklussal. Az áramszabályozó vezérlés a zárt hurkú vezérlés egy formája, ahol egy beépített, veszteségmentes áramerősség-érzékelő áramkör érzékeli a kimenő áramerősséget, és összehasonlítja azt egy programozással beállítható belső referencia-áramerősséggel.

Az egyszerű áramforrásos vezérlőegységekkel ellentétben az MAX22200 lehetőséget ad az áramvezérlés profiljának testreszabására. A mágnestekercs-vezérlő eszközökben a teljesítménykezelés optimalizálása érdekében minden csatornára külön-külön adható meg a gerjesztési vezérlési szint (I_HIT), a tartási vezérlési szint (I_HOLD) és a gerjesztési vezérlési idő (t_HIT). A MAX22200 IC többféle védelmi és hibajelenséggel kapcsolatos funkciót is kínál, többek között az alábbiakat:

• túláramvédelem (OCP, overcurrent protection)
• szakadt terhelés (OL, open load) érzékelése
• túlmelegedés miatti leállítás (TSD, thermal shutdown)
• feszültségesés esetén történő reteszelés (UVLO, undervoltage lockout)
• a dugattyúmozgás-érzékelés (DPM, detection of plunger movement) ellenőrzése

Az első négy jellemző szokványos és jól ismert, a dugattyúmozgás-érzékelés azonban némi további magyarázatot igényel. Ha például egy mágneses vezérlésű szelep esetében a mágnestekercs áram alá helyezésekor a szelep megfelelően működik, az áramprofil nem monoton növekvő (3. ábra, fekete görbe), hanem a dugattyú mozgása által keltett elektromotoros ellenerő (BEMF, back electromotive force) miatt valamekkora csökkenést mutat (3. ábra, kék görbe).

3. ábra: Mágnestekercs vezérlésekor a MAX22200 képes felismerni a beragadt mágnestekercset vagy szelepet. Ehhez a küszöbértékkel (IDPM_TH) összevetve vizsgálja az elektromotoros ellenerő miatt létrejövő várható áramerősség-csökkenést, ahogy a mágnestekercs megkapja a vezérlést a kezdőáramtól (I_START) a végső gerjesztési vezérlési szintig (I_HIT) (ábra: Analog Devices)

Ha mágnestekercsek vezérlésére használt MAX22200 esetén be van állítva és használatban van ez a funkció, akkor a MAX22200 dugattyúmozgás-érzékelő funkciója érzékeli az elektromotoros ellenerő miatti áramerősség-csökkenés fellépését a gerjesztési fázisban. Ha a csökkenés nem észlelhető, akkor a FAULT (Hiba) lábon jel, a belső hibaregiszterben pedig jelzés jelenik meg.

Fejlesztőkészletek könnyítik a tervezést

A rendszer különböző statikus és dinamikus igénybevételek és terhelések melletti működésével kapcsolatos kérdések megoldására az Analog Devices a mágnestekercsek vezérlőteljesítményének kezelésére szolgáló MAX22200EVKIT# fejlesztőkártyát kínálja a MAX22200 IC-hez (4. ábra). Ez a fejlesztőkészlet (EVK, evaluation kit) egy MAX32625 mikrovezérlő segítségével lehetővé teszi a MAX22200 soros vezérlését és hibaellenőrzését egy beépített USB-SPI felületen keresztül. Tartalmaz egy Windows-kompatibilis grafikus felhasználói felületet is a MAX22200 IC funkcióinak megismeréséhez, így teljes számítógépes fejlesztőrendszernek tekinthető.

4. ábra: A MAX22200 IC-hez való, a mágnestekercsek vezérlőteljesítményének felügyeletére szolgáló MAX22200EVKIT# fejlesztőkártya egy Windows-alapú grafikus felhasználói felület segítségével könnyíti meg az IC teljes megismerését és különféle terhelésekkel való kísérletezést (kép: Analog Devices)

Ez a teljesen összeszerelt és tesztelt kártya beállítható magas- és alacsonyoldali mágnestekercsként, valamint (gyakran mágnestekerccsel működtetett) reteszelt mágnesszelepekhez és szénkefés egyenáramú villanymotorokhoz.

Léptetőmotorok: több vezérlendő szabadságfok

A léptetőmotorok bonyolultabbak, mint a mágnestekercsek, és több vezérlési követelményt támasztanak. Ez látható az Analog Devices TMC5240 (5. ábra) jellemzőiből is. Ez egy nagy teljesítményű léptetőmotor-vezérlő IC, amely soros kommunikációs illesztőfelületekkel (SPI, UART) van ellátva, és széles körű diagnosztikai képességeket és beágyazott algoritmusokat kínál.

5. ábra: A TMC5240 nagy teljesítményű léptetőmotor-vezérlő IC kifinomult algoritmusokat tartalmaz a mágnestekercsek és léptetőmotorok optimális teljesítményének biztosítása végett (ábra: Analog Devices)

Ez az IC egy rugalmas nyolcpontos fűrészjel-generátort használ arra, hogy az automatikus célhelyzet-beállítás minimális rángatással történjen. A rángatás a gyorsulás változásának mértéke, és a túl nagymértékű rángatás számos rendszer- és teljesítményproblémát okozhat. Ez a léptetőmotor-vezérlő IC 36 V-os, 3 A-es, 0,23 Ω nyitóirányú ellenállású, és veszteségmentes beépített áramerősség-érzékelő (ICS, integrated current sensing) H hidakat tartalmaz. A TMC5240 kis, 5 mm × 5 mm méretű TQFN32, valamint hűtésre optimalizált, szabad hűtőfelületű, 9,7 mm × 4,4 mm méretű TSSOP38 tokozásban kapható.

A TMC5240 olyan egyedi és fejlett funkciókat valósít meg, amelyek nagyobb pontosságot, jó hatásfokot, nagy megbízhatóságot, sima és egyenletes mozgást és melegedés nélküli működést tesznek lehetővé. További jellemzők:

• StealthChop2: zajmentes, nagy pontosságú szaggatóalgoritmus a motor zajtalan mozgatásához és leállításához, ami a motor gyorsabb gyorsítását és lassítását teszi lehetővé, mint az egyszerűbb StealthChop funkció.
• SpreadCycle: nagy pontosságú, ciklusonkénti áramerősség-szabályozás a legnagyobb dinamikájú mozgásokhoz.
• StallGuard2: érzékelő nélküli elakadásérzékelést és mechanikaiterhelés-mérést biztosít a SpreadCycle funkcióhoz.
• StallGuard4: érzékelő nélküli elakadásérzékelést és mechanikaiterhelés-mérést kínál a StealthChop funkcióhoz.
• CoolStep: a StallGuard mérést használja a motor áramerősségének beállítására, hogy az a legjobb hatásfokkal működjön, valamint hogy a motor és a vezérlőegység a legkisebb mértékben melegedjen.

Ezek a funkciók előre beállíthatóak, és a motor működési ciklusa során előhívhatóak. Ezenkívül a nyomaték a gyorsítással együtt szabályozható a kívánt érték kialakítása érdekében, miközben hatékony és egyenletes gyorsítást és lassítást tesz lehetővé.

Például egy három gyorsítási és lassítási szegmensből álló sorozat kétféleképpen használható: a motor nyomatékgörbéjéhez való alkalmazkodásra, kisebb sebesség mellett nagyobb gyorsítási értékeket használva, vagy a rángatás csökkentésére az egyik gyorsítási szegmensből a másikba való átmenetkor. A TMC5240 nyolcpontos mozgásprofil-generátora mindkét esetben lehetővé teszi a vezérlő számára, hogy egy állandó sebességű szegmenst tartson fenn, miközben a kívánt célhelyzet valós időben változik, ami rángatásmentes üzemmód-átmeneteket eredményez (6. ábra).

6. ábra: A TMC5240 egy nyolcpontos fűrészjel-generátort tartalmaz, amely lehetővé teszi a menet közbeni célhelyzetváltást, ami rángatásmentes üzemmód-átmeneteket eredményez (ábra: Analog Devices)

Tekintve, hogy ez a vezérlő IC mennyire rugalmas, sokoldalú és összetett, a TMC5240-EVAL fejlesztőkártya (7. ábra) hasznos kiegészítő hozzá. A fejlesztőkártya az IC eredeti kapcsolását használja, és a szoftverében számos lehetőséget kínál, lehetővé téve a tervezők számára a különböző üzemmódok tesztelését.

7. ábra: A TMC5240-EVAL fejlesztőkártya és a kapcsolódó grafikus felhasználói felület segítségével a tervezők megvizsgálhatják a TMC5240 teljesítményét, és beállíthatják azt az adott működtetőelem és terhelés kombinációjának megfelelően (kép: Analog Devices)

Azon tervezők számára, akiknek kevésbé összetett kiértékelési és tervezési követelményekre van szükségük, az Analog Devices a TMC5240-BOB fejlesztőkártyát (kivezetőkártyát, break-out board) kínálja. Ez az alapszintű IC-lábkivezető kártya a TMC5240 fizikai lábait a felhasználó számára könnyen hozzáférhető csatlakozósorokra vezeti ki.

Összegzés

A mágnestekercs- és léptetőmotor-vezérlők intelligenciával való ellátása jobb vezérlést és hibaérzékelést kínál, lehetővé teszi a valós idejű döntéshozatalt, és módot ad a magasabb szintű vezérléssel vagy mesterséges intelligencián alapuló gyártórendszerekkel való kommunikációra. A nagy integráltsági fokú vezérlőegységek, mint például az Analog Devices MAX22200 és TMC5240, lehetővé teszik a felhasználók számára, hogy a mágnestekercsek és léptetőmotorok teljesítményének optimalizálására fejlett algoritmusokat használva gyorsan üzembe helyezzék a készülékeiket.