Электродвигатель - это датчик! Часть II: технологии spreadCycle™, stealthChop™, dcStep™ и microPlyer™ от Trinamic

С помощью фирменных технологий от Trinamic можно повысить КПД системы, обойтись без концевых датчиков, повысить плавность движения и уменьшить уровень шума, защититься от пропуска шагов и повысить точность вращения.
6665
В избранное

Данная статья является второй из цикла статей, посвященных фирменным технологиям управления шаговыми двигателями от Trinamic. В первой части были рассмотрены технологии stallGuard2™ и coolStep™. На тот раз внимание будет уделено spreadCycle™, stealthChop™, dcStep™ и microPlyer™.

Фирменные технологии TRINAMIC рассматривают двигатель как основной датчик

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

Одной из причин популярности микросхем управления шаговыми двигателями от Trinamic являются фирменные технологии: stallGuard2™, coolStep™, spreadCycle, stealthChop™, dcStep™, microPlyer™, sensOstep™. В данном цикле публикаций мы рассказываем о назначении и особенностях каждой из них. Статьи будут полезны в первую очередь разработчикам, которые только знакомятся с продукцией компании Trinamic.

spreadCycle™– технология, позволяющая обеспечивать прецизионное плавное вращение шагового двигателя. Перед тем как рассказать о ее основных особенностях, рассмотрим классический алгоритм коммутации обмоток двигателей (Classic Chopper).

Для питания обмоток шаговых двигателя используются мостовые схемы (рис. 2). При этом применяют три комбинации состояний ключей:

  • On Phase (On) – фаза прямого протекания тока (рис. 2, фаза 1);
  • Fast Decay Phase (FD) – фаза форсированного обратного протекания тока (рис. 2, фаза 2);
  • Slow Decay Phase (SD) – фаза свободной циркуляции тока (рис. 2, фаза 3).

Коммутация обмотки шагового двигателя

Рис. 2. Коммутация обмотки шагового двигателя

Очевидно, что для управления током обмотки хватило бы и двух первых фаз (ON и FD), однако добавление фазы свободного протекания тока (SD) позволяет минимизировать потери и снизить уровень шумов. Длительность этой части периода в драйверах от Trinamic жестко задается пользователем с помощью таймера.

При использовании традиционного алгоритма Classic Chopper цикл коммутации состоит из трех вышеперечисленных фаз: On – FD – SD (рис. 3). При этом динамически изменяется только длительность фазы прямого протекания тока (On), а время обратного протекания тока (FD) фиксировано. Отсечка первой фазы происходит при срабатывании компаратора. Длительность второй фазы (Fast Decay) в микросхемах от Trinamic программируется пользователем с помощью таймера. Она должна быть не слишком короткой, чтобы ток успевал снизиться, но и не слишком длинной, чтобы не возникали дополнительные шумы и потери мощности.

Диаграмма токов при традиционном алгоритме коммутации

Рис. 3. Диаграмма токов при традиционном алгоритме коммутации

После задания фиксированной длительности фазы FD производят калибровку смещения, чтобы добиться непрерывного тока в катушках (рис. 4).

 Форма токов при традиционном алгоритме коммутации до и после калибровки смещения

Рис. 4. Форма токов при традиционном алгоритме коммутации до и после калибровки смещения

У традиционного алгоритма есть недостатки. Во-первых, вращение двигателя не всегда оказывается плавным, а при недостаточно точной калибровке это становится особенно заметно. Во-вторых, коммутация обмоток приводит к возникновению значительных помех и характерных шумов шаговых двигателей. При этом даже повышение рабочей частоты не всегда помогает от них избавиться. С другой стороны, рост частоты приводит и к увеличению потерь.

В отличие от традиционного алгоритма, при использовании spreadCycle™ цикл коммутации разбит на четыре этапа: On – SD– FD– SD. При этом возможна автоматическая подстройка как длительности фазы прямого тока (On), так и фазы обратного тока (FD) (рис. 5). Это позволяет добиваться максимально быстрого отклика и прецизионного контроля тока обмотки.

Диаграмма токов при алгоритме коммутации spreadCycle™

Рис. 5. Диаграмма токов при алгоритме коммутации spreadCycle™

spreadCycle™ имеет сразу три важных преимущества над традиционным алгоритмом:

  • повышение плавности движения;
  • снижение шума от двигателя;
  • уменьшение уровня помех.

Обеспечение плавности движения – одно из ключевых требований для прецизионных приложений, например, для станков с ЧПУ. Снижение уровня шума – важное условие для повышения комфорта работы как для операторов на промышленных объектах, так и для обычных пользователей в домашних или офисных условиях. Если же от механизма требуется получить минимальный уровень шума, то следует обратить внимание на следующую технологию с говорящим названием stealthChop™.

stealthChop™– технология, обеспечивающая беспрецедентное снижение шума при работе шаговых двигателей.

stealthChop использует обратную связь не по току, как в spreadCycle, а по напряжению. При этом контролю тока уделяется гораздо меньше внимания. Таким образом, в stealthChop нет необходимости в фазе FD, а последовательность коммутаций выглядит следующим образом: On– SD (рис. 6). Такой цикл, очевидно, приводит к снижению пульсаций тока.

Сравнение форм сигналов управления при использовании stealthChop™ (слева) и spreadCycle™ (справа)

Рис. 6. Сравнение форм сигналов управления при использовании stealthChop™ (слева) и spreadCycle™ (справа)

Даже простое сравнение диаграмм токов в обмотках шаговых двигателей позволяет заметить, что уровень шумов при использовании stealthChop™ хоть немного, но ниже, чем у spreadCycle™ (рис. 7).

Сравнение форм токов при использовании stealthChop™ (слева) и spreadCycle™ (справа)

Рис. 7. Сравнение форм токов при использовании stealthChop™ (слева) и spreadCycle™ (справа)

Одна из причин возникновения акустических шумов при использовании традиционного алгоритма коммутации или алгоритма spreadCycle заключается в динамической автоподстройке длительностей импульсов. При этом даже небольшие шумы приводят к джиттеру частоты (рис. 8), который, в конечном итоге, вызывает характерный шум шаговых двигателей. stealthChop использует жестко заданную частоту коммутации, что и становится причиной уникальной «тихоходности», сравнимой с показателями двигателей постоянного тока. Таким образом, при должной настройке пользователь услышит только шелест подшипников.

 Изменение частоты сигналов при использовании stealthChop™ (слева) и spreadCycle™ (справа)

Рис. 8. Изменение частоты сигналов при использовании stealthChop™ (слева) и spreadCycle™ (справа)

К сожалению, stealthChop имеет невысокие динамические характеристики и не подходит для приложений, в которых требуются значительные ускорения. Так как драйверы и контроллеры от Trinamic позволяют переключаться между stealthChop и spreadCycle, то имеет смысл комбинировать эти алгоритмы с учетом диапазона частот и ограничений по разгону/ торможению (рис. 9). Если же по каким-то причинам использование фирменных алгоритмов затруднено или неоправданно, то всегда можно перейти к традиционному методу коммутации.

Оптимальное использование stealthChop™ и spreadCycle™

Рис. 9. Оптимальное использование stealthChop™ и spreadCycle™

В руководствах пользователя от Trinamic приведено несколько интересных исследований по эффективности различных алгоритмов коммутации. На рис. 10 представлены результаты одного из них. На низких частотах вращения (до 100 об/мин) лидирует stealthChop, далее почти до 1000 об/мин значительное преимущество имеет spreadCycle.

Испытания stealthChop™ и spreadCycle™

Рис. 10. Испытания stealthChop™ и spreadCycle™

microPlyer™ – еще одна фирменная технология от Trinamic, направленная на повышение плавности движения. microPlyer используется для разбиения шагов на 16 дополнительных микрошагов с автоматической подстройкой длительности (рис. 11).

Принцип работы microPlyer™

Рис. 11. Принцип работы microPlyer™

dcStep™– технология, гарантирующая защиту от пропуска шагов и от потери информации о положении вала двигателя. Это очень полезная технология для различных прецизионных механизмов. Дело в том, что двигатель может пропускать шаги при избыточной нагрузке на вал, что приводит к потере контроля за положением. В традиционных приложениях, чтобы защититься от такой ситуации, максимально допустимый момент на валу ограничивался примерно на уровне 50% от реального максимального момента двигателя. С помощью dcStep этого можно избежать.

Если в процессе работы произошло увеличение нагрузки выше заданного значения, то dcStep автоматически снижает частоту вращения в соответствии с текущим моментом на валу и пропуска шагов не происходит (рис. 12).

Временная диаграмма частоты вращения двигателя

Рис. 12. Временная диаграмма частоты вращения двигателя

Благодаря такому подходу удается значительно расширить полезную область использования двигателя (рис. 13). При этом из него можно «выжать» до 80…90% от максимального момента, то есть при использовании dcStep для решения задачи хватит и менее мощного двигателя.

 Использование dcStep™ позволяет избегать пропуск шагов и расширяет рабочий диапазон приложения

Рис. 13. Использование dcStep™ позволяет избегать пропуск шагов и расширяет рабочий диапазон приложения

Стоит отметить, что у dcStep есть недостатки, например, пропуск шагов возможен на очень низких частотах.

Фирменные технологии от Trinamic являются по-настоящему полезными инструментами, а не маркетинговыми пустышками. С их помощью можно повысить КПД системы (coolStep), обойтись без концевых датчиков (stallGuard2), повысить плавность движения и уменьшить уровень шума (spreadCycle, stealthChop), защититься от пропуска шагов и повысить точность вращения (dcStep, microPlyer).

Производитель: TRINAMIC Microchips GmbH
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
TMC2130-LA-T
TRINAMIC Microchips GmbH
Арт.: 1931811 ИНФО PDF RD
Доступно: 3043 шт. от: 504 руб.
Драйвер с силовыми ключами для двухфазных биполярных шаговых двигателей. Технология бесшумной работы stealthChop™. Нагрузочная способность до 1.7А на катушку. Непосредственное управление и управление по шине SPI.
TMC2130-LA-T от 504,00 от 8 шт. 432,00 от 18 шт. 389,00 от 38 шт. 360,00 от 99 шт. 342,00
119 шт.
(на складе)
2924 шт.
(под заказ)
TMC2130-TA
TMC2130-TA
TRINAMIC Microchips GmbH
Арт.: 2517898 ИНФО RD
Доступно: 1046 шт.
Выбрать
условия
поставки
IC STEPPER MOTOR DRIVER 48TQFP
TMC2130-TA от 2 шт. от 969,33
1046 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()