Schrittmotortreiber-ICs
Geringer Platzbedarf und hohe Leistung
Maxim hat Trinamic Motion Control 2020 gekauft, danach hat Analog Devices Maxim übernommen. Damit hat ADI Trinamic Zugriff auf modernste Chip-Technologie. Die Folge: eine neue Generation von Schrittmotor-Treibern und kombinierten Motion-Controllern und Treibern.
Bei ADI Trinamic gibt es drei verschiedene Topologien von Schrittmotor-Treibern: Der einfachste ist ein Stand-alone-Treiber. Dieser wird über Port-Pins konfiguriert und über Schritt-Pulse und ein Richtungssignal angesteuert. Die Fachbegriffe hierfür sind Takt & Richtung bzw. Step/Direction.
Ein »intelligenter« Treiber verfügt zusätzlich über eine serielle Schnittstelle, mit der neben der Konfiguration auch das Auslesen von Daten während des Betriebs möglich ist. Dies ermöglicht umfangreiche Einstell- und Diagnose-Möglichkeiten.
Die höchste Integration besteht bei dem kombinierten Motion-Controller und Treiber. Hier sind nur noch einzelne Befehle zur Zielposition oder Geschwindigkeit notwendig. Der Motion-Controller erzeugt automatisch eine Beschleunigungsrampe und lässt den Motor auf die gewünschte Position fahren. Dabei werden mögliche Referenz- und Endschalter sowie inkrementelle Encoder zur Positionskontrolle direkt ausgewertet.
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Die integrierten Motion-Controller der neuesten Generation verfügen über einen 8-Punkt-Rampengenerator (EightPoint), bei dem sowohl Beschleunigen als auch Bremsen mit je drei verschiedenen linearen Werten möglich ist (Bild 1). So kann mit einfachen Mitteln eine komplizierte S-förmige Rampe nachgebildet werden, bei der nie große Beschleunigungsänderungen auftreten.
Einzigartige Funktionen
Die Besonderheit der Schrittmotor-Treiber von ADI Trinamic liegt in den verschiedenen patentierten Stromregelverfahren (Chopper) sowie Diagnose- und Steuerfunktionen.
Mit dem »SpreadCycle«-Strom-Chopper lässt sich das maximale Motordrehmoment erzielen. Anders als herkömmliche Verfahren mit konstanter Ausschaltzeit und einstellbarem Mixed Decay regelt dieser Chopper den Strom sowohl im Nulldurchgang als auch beim Bremsen sauber aus. Eine hohe Auflösung mit Mikroschritten ist nur mit einer sehr guten Stromregelung sinnvoll. Die Treiber von ADI Trinamic arbeiten seit über zehn Jahren mit bis zu 256 Mikroschritten pro Vollschritt. Der Mikroschritt-Vervielfacher »MultiPlyer« ermöglicht, auch bei Verwendung von geringeren Eingangs-Auflösungen die Vorteile der maximalen Auflösung von 256 Mikroschritten zu nutzen. Die zur Ansteuerung nötigen Schrittfrequenzen lassen sich so deutlich reduzieren.
Die Funktion »StallGuard2« erlaubt es, bei Verwendung des SpreadCycle-Choppers die Belastung des Motors auszulesen. Dieses sensorlose Verfahren basiert auf der Gegen-EMK (Back-EMF), also der generatorischen Wirkung des Motors. Ein 10-bit-Wert gibt Aufschluss darüber, wie viel Leistungsreserve der Motor hat. Wenn ein Schrittmotor seine Lastgrenze erreicht, also überlastet wird, bleibt er stehen (Stall) oder er lässt Schritte aus (Schrittverlust). Diesen Zustand kann die StallGuard2-Funktion erkennen und über einen Ausgang signalisieren (Stall-Detection). StallGuard2 wird z. B. häufig zur Erkennung von mechanischen Stopps verwendet (Bild 2).
»CoolStep« verwendet den von StallGuard2 ermittelten Wert und nutzt diesen, um den Strom zu skalieren (Bild 3). Da ein Schrittmotor typischerweise mit Konstantstrom betrieben wird, erhitzt er sich umso stärker, je weniger mechanische Energie entnommen wird. CoolStep passt den eingeprägten Strom automatisch an die Belastung des Motors an und hilft so, bis zu 75 Prozent Energie einzusparen.
Bei »StealthChop« handelt es ich um einen Chopper, bei dem die PWM fest vorgegeben ist und der Strom nicht in jedem Chopperzyklus gemessen wird. Das Ergebnis ist ein flüsterleiser Betrieb, da es hierbei keinen Jitter gibt, der die Spulen zum Schwingen anregt. Um auf die veränderten Verhältnisse durch die Gegen-EMK reagieren zu können, wird der Strom nach jeweils zehn Vollschritten gemessen und die PWM dem Zielstrom angepasst.
Der Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass bei hoher Beschleunigung die Gegen-EMK innerhalb der zehn Vollschritte bereits so stark angestiegen ist, dass der Zielstrom nicht mehr in den Motor gelangt und dieser somit über weniger Kraft verfügt. Deshalb sind alle Treiber der aktuellen Generation mit StealthChop2 ausgestattet. Bei dieser Weiterentwicklung werden zu Beginn die notwendigen Motorparameter gemessen und mit diesen ein Motormodell erstellt, sodass bei jeder Geschwindigkeit die angepasste PWM verwendet wird. Die Motorparameter werden während des Betriebs ständig aktualisiert, um auf veränderte Umgebungsbedingungen zu reagieren. StealthChop bzw. StealthChop2 wird häufig in 3D-Druckern verwendet, um die Geräusch- und Vibrationsentwicklung deutlich zu reduzieren.
Die neue Treiber-Generation bietet mit StallGuard4 auch eine Lasterkennung bei Verwendung von StealthChop2. In dieser Kombination kann CoolStep sogar bis zu 90 Prozent Energie einsparen.
Die beiden Motion-Controller+Treiber »TMC5271« und »TMC5272« bieten als erste Komponenten die neue »TriCoder«-Funktion. Damit ist es möglich, vollschrittgenau zu erkennen, ob ein Motor im nicht bestromten Zustand, sprich: Stillstand, eine unerwartete Bewegung gemacht hat. So kann der Motor z. B. als Positionsgeber verwendet oder ungewollte Bewegungen können ausgeglichen werden.
Integrierte verlustfreie Strommessung
Durch den Zugriff auf modernste Halbleitertechnologie hat ADI Trinamic die Miniaturisierung weiter vorangetrieben. Die integrierte verlustfreie Strommessung »ICS« benötigt keine externen Messwiderstände, sondern misst den Strom über den Widerstand der MOSFETs (RDSon). Somit entfallen nicht nur die teuren und großen externen Bauteile, sondern es werden auch Pins am Gehäuse gespart. Auf diese Weise sind Gehäuseabmessungen von nur 5 mm × 5 mm und sogar 3 mm × 3 mm möglich.
Geringerer Widerstand – höhere Leistung
Durch den deutlich reduzierten Widerstand können die Treiber der neuen Generation das 1,5-Fache des Stroms treiben, trotz der kleineren Gehäuse. Reto Himmler, leitender Elektronikingenieur bei Hombrechtikon Systems Engineering, Schweiz, bestätigt: »Wir verwenden den ADI-Trinamic-Schrittmotor-Treiber aufgrund der branchenführenden Funktionen bereits seit mehr als zehn Jahren. Der TMC5240 ist der Baustein, auf den wir gewartet haben! Der höhere Motorstrom, das kleinere Gehäuse und die integrierte Strommessung helfen, wertvollen Platinenplatz in unseren Laborautomatisierungsgeräten einzusparen. Die geringe Verlustleistung durch den niedrigen Einschaltwiderstand bietet mehr Freiheit für das mechanische Design. Die 8-Punkt-Rampen sind gut – auch wenn die 6-Punkt-Rampen der bestehenden Produkte für unsere Anwendungen bereits ausreichend waren.«
Einfache Evaluierung
Zur einfachen Evaluierung der Treiber von ADI Trinamic gibt es ein komplettes Ecosystem. Die zentrale Baugruppe ist die sogenannte Landungsbrücke. Dabei handelt es sich um ein Mikrocontroller-Board, das eine USB-Verbindung zum Windows-PC herstellt und die seriellen Daten aufbereitet (Bild 4). Als Software dient die TMCL-IDE, die kostenlos von der ADI-Trinamic-Website heruntergeladen werden kann.
Die Landungsbrücke verfügt über einen Steckverbinder, über den das Evaluation-Board für den jeweiligen Treiber über die Adapterplatine »Eselsbrücke« angesteckt wird. Die Software erkennt automatisch, welches Evaluation-Board verwendet wird, und stellt die entsprechenden Funktionen zur Verfügung.
Zusammenfassung
Die 5. Generation der Schrittmotortreiber von ADI Trinamic ermöglicht den Anwendern kleinere und intelligentere Produkte mit höherer Energieeffizienz in kürzerer Zeit zu entwickeln.
Übersicht Schrittmotortreiber der 5. Generation
36-V-Treiber im TQFN32- (5 mm × 5 mm) oder TSSOP38-Gehäuse (9,7 mm × 4,4 mm):
- TMC2210 – Stand-alone-Treiber, Takt & Richtung, 2,1 A rms
- TMC2240 – Smart-Treiber, SPI/UART/Takt & Richtung, 2,1 A rms
- TMC5240 – Motion-Controller + Treiber, SPI/UART, 2,1 A rms
Für batteriebetriebene Anwendungen und minimalen Platzbedarf gibt es die 20-V-Treiber im WLCSP36-Gehäuse (2,97 mm × 3,13 mm):
- TMC5271 – Motion-Controller + Treiber, SPI/UART, 1,6 A rms
- TMC5272 – Zweifach-Motion-Controller + Treiber, SPI/UART, 2 × 0,8 A rms
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