Rein digital Mikroschrittmotor-Treiber mit Voltage-Mode-Regelung und Logikkern

STMicroelectronics stellt den ersten Baustein »L6470« aus seiner »dSPIN«-Familie monolithischer Motorregler-ICs
Die »dSPIN«-Familie monolithischer Motorregler-ICs von STMicroelectronics.

Moderne Motorregelungs-Applikationen stellen höchste Anforderungen an die Auflösung, die Stetigkeit der Bewegung und die Robustheit des Systems. Daher wird ein immer höherer Integrationsgrad gefordert. Das auf Basis des BCD-Fertigungsprozesses gefertigte Schrittmotor-Treiber-IC dSPIN regelt den Strom mit einem offenen Regelkreis. Ohne externe Bauelemente kann das IC einen zweiphasigen Schrittmotor mit einer Auflösung bis zu 128 Mikroschritten ansteuern – rein digital.

Hinter der Bezeichnung digital Spin, kurz dSPIN, steckt ein auf einem Chip integriertes Motorregelungs-System von STMicroelectronics. Hergestellt wird der dSPIN nach dem BCD-Fertigungsprozess (Bipolar-, CMOS- und DMOS-Technologie kombiniert), er integriert acht Leistungs-MOSFETs mit niedrigem RDS(on)-Wert, zwei DMOS-Vollbrücken mit einem RDS(on) von 0,28 mΩ, analoge Messschaltungen und einen Logikkern (Bild 1). Letzterer ist programmierbar und für das Bewegungsmanagement, z.B. Drehzahlprofil und Positionierungs-Algorithmen, zuständig. Für das Ansteuern von Zwei-Phasen-Schrittmotoren bedient sich das monolithische Motorregler-IC eines speziellen offenen Phasenstrom-Regelkreises, Voltage-Mode-Ansteuerung genannt. Diese rein digitale Motoransteuerung kommt ohne Abtasten der Phasenströme aus und ermöglicht eine Auflösung bis zu 128 Mikroschritten bei reduzierter Drehmomentwelligkeit. Der maximale Ausgangsstrom beträgt 3 Arms (Spitzenstrom 7 A) bei einem Versorgungsspannungsbereich von 8 bis 45 V.

Weitere Eigenschaften des Single-Chip-Motorreglers sind:

  • Sensorlose Blockier-Erkennung
  • Programmierbare, nicht-dissipative Überstrom-Erkennung ohne externe Shunt-Widerstände
  • Zweistufiger Überhitzungsschutz (Warnung und Schutz)
  • Schutz vor zu geringer Versorgungsspannung
  • 8 bit/5 MHz SPI Daisy-Chain-Kompatibilität
  • Vollständig programmierbare Dia-gnose und Interrupt-Erzeugung
  • Programmierbare Anstiegsgeschwindigkeit des Ausgangssignals

Digitale Motorregelung sorgt für gleichmäßigen Motorlauf

Bei der zum Patent angemeldeten Voltage-Mode-Ansteuerung wird mittels Pulsbreiten-Modulation (PWM) eine sinusförmige Spannung an die Motorwicklungen gelegt. So kann den Motorwicklungen ein gleichmäßiger Strom eingeprägt werden. Das Ergebnis ist ein gleichmäßiger Motorlauf ohne die Restriktionen der traditionellen zyklusweisen Current-Mode-Methoden – Slow-, Fast- und Mixed-Decay werden nicht mehr benötigt.

Die durchschnittliche Phasenstrom-Amplitude wird nicht direkt geregelt, sondern hängt von der angelegten durchschnittlichen Phasenspannung, den Eigenschaften des Elektromotors und der Gegen-EMK (elektromotorische Kraft) des Motors ab (Bild 2). Letztere wiederum wird durch das Lastdrehmoment und die Drehzahl bestimmt:

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Diese Art der offenen Regelung setzt eine Kompensation der Systemvariablen voraus, um einen stabilen Strom zu garantieren. Aus diesem Grund sind in den Logikkern Algorithmen integriert, welche jedwede Änderungen der Gegen-EMK, der Motor-Versorgungsspannung und des Wicklungswiderstands kompensieren.

Die größte Herausforderung ist die Kompensation der Gegen-EMK. Wird an den Motor eine Sinusspannung konstanter Amplitude gelegt, nehmen der Phasenstrom und damit das Motordrehmoment mit wachsender Drehzahl ab, da die Amplitude der Gegen-EMK wächst. Das Motorregler-IC verhindert diese Änderung mithilfe einer Parameter-Kompensation in Echtzeit, sodass der Ausgangsstrom   und folglich auch das Drehmoment unabhängig von der Motordrehzahl konstant gehalten werden (Bild 3).

Die sinusförmige Spannung wird durch Pulsbreitenmodulation erzeugt. Da die durchschnittliche Ausgangsspannung proportional zur Versorgungsspannung des Motors (UBUS) ist, haben Schwankungen dieser Spannung entsprechende Abweichungen der Ausgangsspannung und somit auch der Phasenströme zur Folge.

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Mit der Voltage-Mode-Technik können bestimmte Leistungs-Kriterien erreicht werden, ohne dass komplexe Bewegungssteuerungs-Routinen in einem externen Mikroprozessor implementiert werden müssten. Zu diesen Kriterien zählen

  • ein präzises Sinusprofil mit einer Auflösung von 128 Mikroschritten je Vollschritt,
  • eine hohe Positionsauflösung,
  • ein Minimieren des Resonanzverhaltens, der mechanischen Geräusche und der Vibrationen bei niedriger Drehzahl,
  • geringe Drehmoment- und Drehzahlwelligkeit bei niedriger Drehzahl und
  • insgesamt gleichmäßigere Laufeigenschaften.