Sterowniki silników małej mocy

Rys. 1. Schemat sterownika silnika krokowego małej mocy STSPIN220

Najważniejszą funkcją realizowaną przez sterowniki w silnikach elektrycznych jest regulacja szybkości wirowania. Do tej pory w silnikach małej mocy była ona wykonywana za pomocą regulacji fazowej napięcia za pomocą triaka lub zmiany wartości napięcia zasilającego silnik za pomocą autotransformatora, regulatora liniowego lub też impulsowego poprzez modulację PWM.

Konkretna metoda zależała od typu silnika, dostępnego napięcia zasilającego oraz oczywiście także mocy silnika. Niemniej współczesna elektronika mobilna jest coraz bardziej zminiaturyzowana, przez co sterowniki bazujące na regulatorach liniowych lub autotransformatorach (do napędów silników wentylatorów budynkowych) stają się coraz mniej przydatne. Liczy się także sprawność sterownika, a nawet pobierana przez niego moc, ponieważ wszystko to ma duży wpływ na czas pracy urządzenia mobilnego.

Sterowanie silnikami stanowiącymi napęd pomp medycznych, układów automatyki domowej, urządzeń kosmetycznych i higieny osobistej, małych robotów, kamer monitoringu powinno być realizowane z dużą dokładnością, przy niewielkiej ilości zajmowanego miejsca przez układ i z dużą sprawnością. Dodatkowo z przyczyn ekonomicznych najkorzystniejsze jest jednochipowe rozwiązanie, w którym obwody wyjściowe mocy zostały zintegrowane w jednej strukturze z cyfrową logiką sterującą.

Nowe sterowniki z rodziny STSPIN: STSPIN230, STSPIN240, STSPIN220 są umieszczone w małych obudowach 3×3 mm QFN i kosztują od 0,75 do 0,9 dolara za sztukę przy zamówieniach 1000 sztuk.

Ich cechą znamienną jest praca z napięciem zasilającym już od 1,8 V, obsługa kilku trybów o ograniczonym poborze mocy oraz bardzo mały pobór prądu w trybie standby - tylko 80 nA. Wydajność stopnia mocy wbudowanego w układ sterownika sięga 1,3 A rms, co pozwala obsłużyć wymagania większości aplikacji z podanego obszaru.

Silniki

Rys. 2. STSPIN230 ma stopień wyjściowy dopasowany do trójfazowego silnika bezszczotkowego

To że w aplikacjach są używane silniki małej mocy, nie oznacza dzisiaj żadnych kompromisów co do tego, jaki typ może się tam pojawiać. Najprostsze silniki wykorzystywane takich obszarach to jednostki komutatorowe z magnesem zasilane napięciem stałym.

Ich popularność jednak nie jest wynikiem rewelacyjnie dobrych parametrów ani też tego, że są one wyjątkowo tanie lub niezawodne, ale tego, że właśnie układ sterowania jest banalnie prosty, gdyż regulacja prędkości obrotowej realizowana jest poprzez zmianę wartości napięcia zasilającego (liniowo lub PWM-em).

Pozostałe dwa ważne typy to silniki krokowe oraz 3-fazowe silniki bezszczotkowe, które mają dobre parametry i funkcjonalność, niemniej konstruktorzy unikają ich w tym obszarze aplikacyjnym, gdyż układ sterowania zwykle jest skomplikowany i relatywnie drogi w porównaniu do ceny silnika i rozwiązania najprostszego, a więc silnik komutatorowy i regulator napięcia.

To ma szanse ulec zmianie i aplikacje małej mocy mogą w niedalekiej przyszłości uwolnić się z zaklętego kręgu niemożliwości technicznych i nieopłacalności, bo nowe sterowniki obsługują także nowe rozwiązania: STSPIN220 obsługuje silniki krokowe, STSPIN230 to sterownik silników BLDC, a STSPIN240 przeznaczony jest do obsługi klasycznych silniczków szczotkowych.

Każdy ze sterowników ma wbudowane w strukturę tranzystory MOSFET w układzie mostkowym pozwalające na bezpośrednie podłączenie uzwojeń silnika do sterownika. Ostatni wymieniony sterownik ma niedługo wyjść także w wersji z powiększoną wydajnością prądową stopnia mocy do 2,6 A rms.

Wszystkie układy obsługują pełny katalog funkcji zabezpieczających: nadprądowych, termicznych, zwarciowych.

Sterownik silników krokowych

Rys. 3. STSPIN240 obsługuje dwa silniki szczotkowe o mocy do około 10 watów

STSPIN220 przeznaczony jest do współpracy z dwuuzwojeniowymi silnikami krokowymi i obsługuje tryby mikrokrokowe (do 256) zapewniające płynny ruch obrotowy. Pracuje w oparciu o modulację PWM ze stałym czasem Off, działa w zakresie napięć zasilających 1,8-10 V. Mostkowy stopień mocy zawiera tranzystory MOSFET z R_DS(ON)=0,4 Ω (HS + LS), którego maksymalny prąd wyjściowy sięga 1,3 A rms.

Kontrola prądu i tym samym aktywacja zabezpieczeń realizowana jest za pomocą dwóch dołączanych z zewnątrz rezystorów, przez które przepływa prąd każdego z uzwojeń (rys. 1). Dobierając ich wartość, można dopasować progi zabezpieczeń do parametrów danego silnika.

Układ do pracy wymaga dołączenia tylko kilku elementów RC. Programowanie (np. liczby mikrokroków) i sterowanie silnikiem jest realizowane poprzez wysyłanie z mikrokontrolera poleceń ruchu i programowania rejestrów ustalających parametry kroku. Za pomocą elementów RC programuje się natomiast czas Off dla modulacji PWM. Warto zauważyć, że samo sterowanie silnikiem jest tutaj bardzo proste. Wybiera się kierunek i podaje impulsy powodujące obrót wirnika.

Układ STSPIN230 dla silnika BLDC różni się od poprzednika konstrukcją stopnia mocy. Tym razem bazuje on na 3 układach mostkowych zasilających poszczególne uzwojenia silnika i jednym rezystorze pomiarowym w układzie kontroli prądu. Parametry napięciowe i prądowe są identyczne jak dla poprzednika.

Zewnętrzny obwód czasowy RC ustala czas, po którym układ podejmie próbę ponownego uruchomienia silnika po przeciążeniu. Jest też specjalne wejście standby, które odłącza uzwojenia silnika od zasilania i wymusza tryb obniżonego poboru mocy. W przypadku sterownika silnika BLDC sterowanie, a więc algorytm, leży całkowicie po stronie mikrokontrolera, który decyduje o załączaniu i odłączaniu poszczególnych uzwojeń.

Fot. 4. Płytka Nucleo z nakładką sterownika silnika

Pozwala to na skorzystanie z licznych gotowych bibliotek i procedur sterowania, bez konieczności ich modyfikacji i dopasowywania do sterownika, który w tym wypadku jest przezroczysty dla sygnałów sterujących.

STSPIN240 to sterownik tradycyjnego silnika szczotkowego prądu stałego o parametrach elektrycznych identycznych jak dla pozostałych układów. Struktura zawiera dwa układy mostkowe z MOSFET-ami i pozwala sterować dwoma takimi silnikami. Wejście sterujące pozwala wybrać kierunek wirowania i regulować prędkość za pomocą PWM (rys. 3).

Zestawy projektowe

Poza samymi chipami ST Microelectronics przygotował dla konstruktorów zestawy startowe i płytki nakładkowe do popularnych platform jak Nucleo. Są też biblioteki procedur dla mikrokontrolerów z rodziny STM32 upraszczające budowę aplikacji od strony oprogramowania.

Robert Magdziak