Schrittmotor-Treiber

Treiber-Bausteine machen Parametrierung überflüssig

Neue Treiberkonzepte vereinfachen das Design und erhöhen die Zuverlässigkeit der Applikation. Aus-schlaggebend hierfür sind die Beschränkung auf eine Versorgungsspannung, der Verzicht auf eine Ladungspumpe sowie die GSP-Funktion. Anwen-dungen mit linearer UREF-Regelung können aufgrund der möglichen Pin-Kompatibilität und ohne Ände-rungen am Leiterplatten-Layout auf das neue Design umgestellt werden und so von der PWM-Technik profitieren. Eine komplexe Parametrierung ist nicht erforderlich.

Schätzungen zufolge entfallen zwei Drittel des industriellen Energieverbrauchs auf Elektromotoren. Es überrascht deshalb nicht, dass Elektromotoren in den Fokus rücken, wenn Industrieunternehmen nach Wegen suchen, ihren Energiebedarf zu reduzieren. Der Energieverbrauch von Elektromotoren lässt sich auf zweierlei Weise senken: Zum einen kann der Wirkungsgrad der Motoren selbst erhöht werden, zum anderen besteht die Möglichkeit, die Motordrehzahl effizienter zu regeln.

Eine besondere Nische in der Motorregelungs-Welt füllen die Schrittmotoren aus, die vorwiegend in Druckern, Scannern, Automatisierungssystemen oder Fabriksteuerungen eingesetzt werden. Forderungen nach verbesserter Energieeffizienz sowie niedrigeren Kosten, weniger Bauteileaufwand sowie hoher Zuverlässigkeit und Leistung haben zu einer neuen Generation von Schrittmotor-Treibern geführt. Diese Treiber spielen eine entscheidende Rolle beim Realisieren von Designs, die eben diese Forderungen bei kleineren Abmessungen erfüllen, zudem einen hohen Wirkungsgrad erreichen und über einen integrierten Fehlerschutz verfügen.

Rohm Semiconductor hat ein vollintegriertes Treiber-IC-Konzept für Schrittmotoren basierend auf PWM-Ansteuerung, DMOS-Technologie und weiteren Funktionen wie z.B. Ghost Supply Prevention (GSP) entwickelt.

Neue Generation – mehr Sicherheit

Gängige Betriebsarten von Schrittmotoren sind die Wave-Drive-Technik, der Vollschrittbetrieb, der Teilschrittbetrieb und der Mikroschrittbetrieb. Im Unterschied zur Wave-Drive-Technik mit einer On-Phase, dem Vollschrittbetrieb mit zwei On-Phasen oder dem Halbschrittbetrieb mit einer und zwei On-Phasen werden die Statorphasen im Viertelschrittbetrieb in einer speziellen Reihenfolge angesteuert – in Hybrid-Schrittmotordesigns mit Polen, die um einen Viertelschritt versetzt angeordnet sind. Zur Steigerung der Leistungsfähigkeit werden neuerdings sehr gerne Mikroschrittmotoren eingesetzt, die mit variierenden Strömen betrieben werden. Bei den Mikroschrittmotoren muss zwischen Achtel-, Zehntel-, Zwölftel- und Sechzehntel-Schritt-Betrieb unterschieden werden. Abgesehen von der höheren Auflösung hilft der Mikroschrittbetrieb, Resonanzen bei niedrigen Drehzahlen zu unterdrücken. Schrittmotoren mit vier Wicklungen können vier, sechs oder acht Anschlüsse haben. Bei vier Anschlüssen sind jeweils zwei Wicklungen in Reihe geschaltet, während bei sechs Anschlüssen jeweils ein Common-Anschluss zwischen den Wicklungen vorhanden ist. Damit kann entweder jeweils eine halbe Wicklung bestromt werden – zwischen Mittenabgriff und Wicklung – oder eine volle Wicklung, wie es bei vier Anschlüssen der Fall ist. Wird eine halbe Wicklung bestromt, fließt die Hälfte des Stroms. Bei Motoren mit acht Anschlüssen besteht die Wahlmöglichkeit zwischen Serien- und Parallelschaltung. In Serienschaltung ähnelt die Konfiguration der Lösung mit sechs Anschlüssen und Bestromung der ganzen Wicklung. Der in Parallelschaltung betriebene Motor mit acht Anschlüssen erreicht einen um etwa 3 % höheren Wirkungsgrad als ein Motor mit sechs Anschlüssen und Bestromung der halben Wicklung.

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Bild 1. Blockschaltung des Mikroschrittmotor-Treibers

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Bild 1. Blockschaltung des Mikroschrittmotor-Treibers

Bei der Entwicklung einer neuen Generation von Schrittmotor-Treiber (Bild 1) hat Rohm Semiconductor auf einige Funktionen besonderen Wert gelegt: Dies sind die Sicherheitsschaltungen, die Beschränkung auf eine einzige Versorgungsspannung, Ghost Supply Prevention (GSP), der Mixed-Decay-Modus und die Verwendung von P-Kanal-DMOS-Transistoren als High-Side-Schalter.

Hinsichtlich des Gehäuses sollte bei der Produktentwicklung besonders auf Abwärtskompatibilität geachtet werden. Während die Wärme bei konventionellen HSOP-Gehäusen über die Anschlüsse abgeführt wird, führt die neue Generation die Wärme über die Metallisierung an der Unterseite des flachen Gehäuses ab. Sie verkraften deshalb höhere Stromstärken und benötigen weniger Montagefläche.

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Bild 2. Das Schaltverfahren des Motor-Treibers ohne OCP (links) und mit OCP (rechts)

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Bild 2. Das Schaltverfahren des Motor-Treibers ohne OCP (links) und mit OCP (rechts)

Hinzu kommt, dass die TreiberBausteine mehrere Schutzfunktionen enthalten: Die Übertemperatur-Schutzschaltung (Thermal Shutdown – TSD) deaktiviert den Ausgang, sobald die Chiptemperatur, z.B. infolge zu hoher Stromstärke, den Grenzwert überschreitet, und verhindert damit eine Beschädigung des IC.

Ähnliches gilt für den selbsthaltenden Überstromschutz (Overcurrent Protection – OCP), der zuverlässiger als eine Schmelzsicherung ist, sowie den Überspannungsschutz (Overvoltage Lock-Out – OVLO; Bild 2). Letzterer verhindert den Ausfall des Motors, indem er den Ausgang abschaltet, sobald UCC einen vorgegebenen Wert überschreitet.

Die Anschlusskonfiguration vermeidet Ausfälle durch Verpolung oder durch Kurzschlüsse zwischen benachbarten Pins. Einige der Treiber sind pinkompatibel zu früheren Versionen, sodass ohne Modifikation der Leiterplatte verschiedene Motoren verwendet werden können. Zeit- und Kostenaufwand der Entwicklung reduzieren sich hierdurch.

In vielen Anwendungen ist es nicht praktikabel, zwei separate Strom-versorgungen einzusetzen. Diese sind meist nicht vorhanden, und außerdem ist die Beschränkung auf eine einzige Stromversorgung erheblich kosteneffektiver. Im Treiber eingebaut ist ein Regler, der ein Sequencing der Versorgungsspannungen überflüssig macht und den Verzicht auf einen externen Bypass-Kondensator ermöglicht.

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Bild 3. Verglichen mit den konventionellen parallelen Anschlüssen werden in der Betriebsart CLK IN (rechts) weniger Leitungen zum Anschluss des Schrittmotors benötigt.

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Bild 3. Verglichen mit den konventionellen parallelen Anschlüssen werden in der Betriebsart CLK IN (rechts) weniger Leitungen zum Anschluss des Schrittmotors benötigt.

Die beschriebenen Schrittmotor-Treiber sind für Steuerungszwecke und eine breite Kompatibilität mit den Schnittstellen CLK IN und PARALLEL IN ausgestattet. Im Unterschied zur Ansteuerung über PARALLEL IN, für die die Treibersignale von der CPU bereitgestellt werden müssen, verfügen die beschriebenen Schrittmotor-Treiber über eine eingebaute Umsetzerschaltung, welche die Ansteuersignale für den Motor selbst erzeugt. Hierzu muss lediglich ein Taktsignal (Clock – CLK) von außen angelegt werden (Bild 3).

Dies wiederum reduziert den Software-Aufwand und die Zahl der Signale. Das Umschalten zwischen den Betriebsarten CLK IN und PARALLEL IN erfolgt über den SELECT-Anschluss. Im PARALLEL-IN-Modus lassen sich zwei Kanäle separat ansteuern, sodass zwei Gleichstrommotoren unabhängig voneinander betrieben werden können. Außerdem kann mit einem IC sowohl ein Schrittmotor als auch ein Gleichstrommotor in einer Applikation angesteuert werden.

1. Teil: Treiber-Bausteine machen Parametrierung überflüssig
2. Teil: Höherer Wirkungsgrad durch PWM-Ansteuerung