Sterowniki silników krokowych firmy Trinamic, CNC, CNC(1)

[ Pobierz całość w formacie 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
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
88
Elektronika Praktyczna 2/2005
[ Pobierz całość w formacie PDF ]