Funkcjonalny sterownik silników krokowych średniej mocy

Rys. 1. Schemat blokowy układu powerSTEP01. W ramach konstrukcji SiP zawiera on cyfrową jednostkę sterującą, układy pomocnicze (zasilanie, taktowanie) oraz dwa pełnomostkowe stopnie mocy pozwalające na bezpośrednie sterowanie silnikami średniej mocy. Obok pokazano zdjęcie obudowy tego układu

Kontroler powerSTEP01 to System-in-Package, który umieszczony został w obudowie VFQFN o wymiarach 14×11 mm (rys. 1). Do pracy układ wymaga dodania minimalnej liczby podzespołów zewnętrznych, gdyż zawiera jednostkę sterującą oraz dwa pełnomostkowe stopnie mocy, bezpośrednio sterujące uzwojeniami silnika. Jest to pierwszy tak wysoce zintegrowany układ sterownika, zdolny do pracy z napięciem 85 V i o obciążalności wyjść do 10 A. Zakres ten pozwala na obsługę zdecydowanej większości silników krokowych nawet dużej mocy spotykanych w układach automatyki przemysłowej.

Niewielka obudowa to efekt wysokiej sprawności stopnia mocy, bo użyte tranzystory MOSFET mają RDS(ON) tylko 16 mΩ, co zapewnia niewielkie straty i upraszcza konstrukcję systemu chłodzenia. Sterownik silnika realizuje sprzętowo funkcje, których realizacja w innych układach tego typu wymaga nadzoru ze strony dołączonego mikrokontrolera. Daje to dużą swobodę konstrukcyjną i upraszcza budowę urządzenia oraz skraca czas jego projektowania. Ustawianie parametrów pracy układu i wydawanie komend dotyczących ruchu odbywa się za pomocą interfejsu SPI (rys. 2).

Sterownik wykonuje samodzielnie polecenia takie, jak przyspieszanie, opóźnianie ruchu, co zapewnia małe narażenia mechaniczne w układzie napędzanym. Podobnie poprzez ustawianie wartości w rejestrach programuje się prędkość ruchu, punkt docelowy itp. parametry. Układ zawiera ponadto rejestry kontrolujące pracę obwodów analogowych.

Rys. 2. Układ aplikacyjny sterownika jest bardzo prosty - wymagane jest dołączenie kilku elementów zewnętrznych, dzięki czemu cała realizacja zajmuje niewiele miejsca na płytce

Pozwalają one na ustalenie progów ograniczenia prądowego, wielkości czasu martwego dla mostkowego stopnia mocy zapobiegającego przepływowi prądu skrośnego, częstotliwości taktowania układu PWM za pomocą którego kształtowane są sygnały wyjściowe sterujące silnikiem i inne parametry. Podobnie aktywuje się i programuje obwody zabezpieczeń: termiczne, blokadę działania przy zbyt niskim napięciu zasilającym, przed przeciążeniem prądowym i blokadą (zatarciem) silnika.

Cyfrowa jednostka sterująca wykorzystuje opatentowaną przez STMicroelectronics napięciową metodę sterowania silnikiem, która zapewnia bardzo płynny i cichy ruch jednostki oraz wysoką jakość pozycjonowania wirnika. Możliwe jest przełączenie układu w układ sterowania z pętlą prądową, gdy jest to wymagane. Dostępna praca z obsługą 128 mikrokroków jest cechą charakterystyczną najbardziej zaawansowanych sterowników silników krokowych dostępnych obecnie na rynku. Producent przygotował także zestaw demonstracyjny EVLPOWERSTEP01 ułatwiający projektowanie aplikacji (fot. 3).

Praca mikrokrokowa

Fot. 3. Tworzenie aplikacji ułatwia zestaw ewaluacyjny zawierający kompletny sterownik silnika

Jedna z ważniejszych funkcjonalności sterownika powerSTEP jest zdolność do pracy mikrokrokowej z bardzo dużą liczbą mikrokroków, co zapewnia wysoką rozdzielczość ruchu. Praca z mikrokrokiem polega na obracaniu polem magnetycznym stojana w sposób bardziej płynny niż w sterowaniu pełno- i półkrokowym. Powoduje to mniejsze drgania i umożliwia bezszumową pracę napędów oraz dokładne pozycjonowanie w układach mechanicznych.

Silnik krokowy jest silnikiem synchronicznym. Oznacza to, że stabilne położenie zatrzymania rotora jest zsynchronizowane z polem magnetycznym stojana. Obroty rotora uzyskuje się przez obracanie pola magnetycznego stojana poprzez różnych wartości prądów w dwu uzwojeniach. Podstawowych kombinacji jest osiem (znamionowy +I, -I i zero, dla dwu uzwojeń). Jeśli sterownik jest w stanie nie tylko podawać pełne natężenie prądu do uzwojeń w obu kierunkach, ale też wartości ułamkowe, wówczas kąt obrotu może przyjmować wartości 1/4, 1/8 ... 1/32 pełnego kroku, co zapewnia gładszy ruch przy powolnych ruchach napędu.

Układ powerSTEP dzięki precyzyjnie działającemu układowi PWM jest w stanie dokładnie regulować amplitudy prądów podawanych na uzwojenia silnika maksymalnie na 7 wartościach pomiędzy zerem a IMAX, co jest istotną zmianą na plus w porównaniu do sterowników starszych generacji. Oczywiście poprzez ustawienie parametrów w rejestrach możliwa jest praca z mniejszą liczbą kroków, np. 16. Warto zwrócić uwagę, że kontroler automatycznie wyłącza pracę mikrokrokową na czas, gdy prędkość obrotowa silnika jest duża, bo wówczas mikrokroki nie dają żadnych korzyści. Progową wartość tej blokady dla tej funkcji także można zaprogramować.

EMC w silnikach

Scalone sterowniki silników krokowych mają coraz lepsze parametry napięciowo-prądowe i nadają się do sterowania coraz większych jednostek napędowych. Rosną też ich możliwości w zakresie dokładności kontroli ruchu oraz szybkości, co uzyskuje się m.in. poprzez taktowanie układów PWM wysokimi częstotliwościami sygnałów zegarowych. Niemniej osiągi te powodują szereg problemów konstrukcyjnych związanych z koniecznością utrzymania kompatybilności elektromagnetycznej napędu. Jest to istotne zwłaszcza, gdy sterownik połączony jest z silnikiem długim kablem działającym jak antena.

Z tego powodu producent przewidział możliwość ustawienia za pomocą sterowników bramek tranzystorów wyjściowych jednej z trzech wartości szybkości narastania zboczy w przebiegach PWM (między 980 a 114 V/µs). Układ powerSTEP01 ma również specjalny tryb pracy o nazwie Boost, w którym wszystkie parametry czasowe i amplitudowe sygnałów wyjściowych są ustawiane na wartość umożliwiającą osiągnięcie maksymalnej wydajności napędu, co jest użyteczne, przy np. domykaniu, zaciskaniu lub też pokonywaniu bezwładności lub tarcia spoczynkowego w maszynach.

Bezczujnikowa detekcja zacięć napędów

Użyteczną funkcjonalnością układu powerSTEP, zwłaszcza w porównaniu z trybem Boost jest funkcja wykrywania zacięć, np. na skutek zatarcia lub przeszkody mechanicznej. Przy pracy w trybie napięciowym, zatrzymanie silnika powoduje wzrost prądu płynącego przez tranzystory stopnia mocy, powyżej nominalnej wartości wynikającej z fazy cyklu sterującego. Obwody kontrolera mierzą więc prąd płynący przez dolne tranzystory mostkowego stopnia mocy i porównują ją z dopuszczalną wartością progową. Jej przekroczenie, po odfiltrowaniu zaburzeń i przypadkowych zakłóceń, powoduje ustawienie flagi w rejestrze i zasygnalizowanie tego faktu do sterownika. Wartość progowa może być ustawiona na jednej z 32 dostępnych wartości.

Robert Magdziak