産業用アプリケーション向けにソレノイドおよびステッピングモータードライバーを改造する方法について skysmotor.com
方法一：
工場現場制御システム、自動車、実験装置などのエッジデバイスアプリケーションでは、モノのインターネット (IoT) や人工知能 (AI) 機能をますます活用して、低遅延の意思決定、パフォーマンスの向上、コストの削減、安全性と生産性の向上を実現しています。ソレノイドやステッピング モーターのドライバーは、時代の変化に対応し、急速に進化する新しい環境に統合するために、より多くのオンボード センシング機能とインテリジェンス機能を組み込む必要があります。精度、信頼性、閉ループ制御、コスト、設置面積、使いやすさがさらに向上します。
この記事では、ソレノイドとステッピングモーターの基本動作を要約し、スマート エッジ アプリケーション向けに設計されたドライバー IC の利点について概説します。次に、Analog Devices のサンプル・ドライバを使用して設計を開始する方法を紹介・説明します。
ソレノイドとステッピングモーター: 似ていますが、異なります
ソレノイド モーターとステッピングモーターは、電磁石として機能する巻線コイルを介して電流を物理的な動きに変換します。外観や機能の違いにもかかわらず、コイルが共通しているため、場合によっては両方のアクチュエータに同じドライバ IC を使用できます。
ソレノイドは、電流を流すことによって直線的な機械運動を生成する比較的単純なコンポーネントです。これらのコンポーネントには、円筒管の周りに巻かれた電気コイルがあり、代わりに、空芯には強磁性アクチュエータ (プランジャーまたはアーマチュアとも呼ばれる) があり、コイル内で自由に移動できます(図 1、左)。
対照的に、ステッピングモーターでは、モーター本体の周囲に円状に配置された複数のステーター コイルが使用されます (図 1、右)。 モーターローターにも永久磁石が装備されています。
図 1: ソレノイドは、内部にスライド プランジャーを備えた巻線コイルで構成されます (左の図)。ステッピング モーターはより複雑で、ローターに永久磁石、ステーターに電磁コイルが付いています (右の図)。
ソレノイドの場合、プランジャーの動きは、電流が印加されたときに発生する 1 つの「バンプ」によって生じ、プランジャーはその極限位置にノックされます。電源が遮断されると、ほとんどのソレノイドはバネを利用してプランジャーをいわゆる休止位置に戻します。
最も基本的な駆動方式では、ソレノイドは明確なオン/オフ電流パルスによって制御されます。この方法はシンプルで直接的ですが、大きな衝撃、大振動、音響および電気ノイズが大きい、低い電気効率、およびプランジャーの動作や戻りの制御がほとんどできないなどの多くの欠点があります。
ステーター コイルが順番に通電されると、結果として生じる回転磁界がアーマチュア マグネットを引き寄せ、ステッピングモーターが回転を開始します。 ステッピングモーターのローターは、タイミングを制御することで連続回転、停止、逆回転を行うことができます。
タイミングを考慮する必要のないソレノイドとは異なり、ステーター コイルは順番に通電され、正しいパルス幅などの特性を満たす必要があります。
スマートドライバーは限界を突破し、パフォーマンスを向上させます
ソレノイドとステッピング モーター コイルを駆動する電流 (波形プロファイルの形状、上り坂と下り坂、その他のパラメーターを含む) を注意深く制御することにより、スマートドライバーは次のような多くの利点を提供します。
• 動きと回転の滑らかさを高め、振動を最小限に抑えます。
• 特にソレノイドの振動と衝撃を軽減します。
•ステッピングモーターの開始/停止/逆転動作のより正確な位置決め
• 安定したパフォーマンス、過渡的または変化する負荷条件に適応可能
• 効率の向上
• 物理的な磨耗を軽減する
• 音響ノイズと電気ノイズの発生が少ない
• IoT の設置に不可欠な監視プロセッサとのインターフェースが容易
Analog DevicesのMAX22200は、統合シリアル制御ソレノイドおよびモータドライバであり、ソレノイドにとって高精度ドライバがどのような意味を持つかを実証します(図2)。この 36 V IC 内の 8 つの 1 A ハーフブリッジ ドライバは、並列接続して駆動電流を 2 倍にすることができ、フルブリッジとして構成して最大 4 つのラッチング バルブ (双安定バルブとも呼ばれる) を駆動することもできます。
Devices MAX22200は、さまざまな構成で配置できる8つのハーフブリッジドライバを備えた統合シリアル制御ソレノイドおよびモータドライバです。
ドライバーは、電圧駆動レギュレーション (VDR) と電流駆動レギュレーション (CDR) の 2 つの制御方法をサポートします。VDR を使用する場合、デバイスはパルス幅変調 (PWM) 電圧を出力します。そのデューティ サイクルは SPI インターフェイスを通じてプログラム可能です。所定の電源電圧とソレノイド抵抗の場合、出力電流はプログラムされたデューティ サイクルに比例します。CDR は閉ループ制御の一種で、統合された無損失電流検出回路が電流を検出し、それを内部プログラム可能な基準電流と比較します。
単純な電流源ドライバとは異なり、MAX22200は、電流駆動プロファイルをカスタマイズできます。ソレノイドドライブアプリケーションの電力管理を最適化するために、励磁駆動電流 (IHIT)、ホールド駆動電流 (IHOLD)、および励磁駆動時間 (tHIT) をチャネルごとに個別に配置できます。さらに、次のようなさまざまな保護および障害関連機能を提供します。
• 過電流保護 (OCP)
• オープンロード (OL) 検出
• サーマルシャットダウン (TSD)
• 低電圧ロックアウト (UVLO)
• プランジャー動作検出 (DPM) の検証
方法二：
最初の 4 つはよく知られた標準機能です。DPM についてはさらに説明が必要です。たとえば、ソレノイド制御のバルブでは、ソレノイドが作動したときにバルブが正常に動作している場合、電流分布は単調ではありません (図 3、黒い曲線)。その代わりに、プランジャーの動きによって発生する逆起電力 (BEMF) によって電流が減少します (図 3、青い曲線)。
ソレノイドが開始電流(ISTART)から最終励磁駆動電流(IHIT)まで駆動されると、MAX22200は、予想されるBEMF駆動電流降下と閾値(IDPM_TH)を決定することにより、ソレノイドまたはバルブの固着を検出します。
ソレノイドをセットアップして使用すると、MAX22200 の DPM 機能は励起フェーズ中の BEMF 低下の存在を検出します。落下が検出されない場合、FAULT ピンと内部フォルト レジスタに表示が設定されます。
評価キットはプロセスの簡素化に役立ちます
さまざまな静的および動的要求および負荷条件下でのシステム性能の問題に対処するために、Analog Devicesは、MAX22200 用のソレノイド制御電源管理評価キット MAX22200EVKIT# を提供しています (図 4)。評価キット(EVK)はMAX22200のシリアル制御をサポートし、オンボードUSB-SPIインタフェースおよびMAX32625マイクロコントローラを介した障害監視をサポートします。MAX22200 ICの機能を実行するためのWindows互換グラフィカルユーザーインタフェース(GUI)が含まれており、完全なPCベースの評価システムとなります。
MAX22200 の MAX22200EVKIT#ソレノイド制御電源管理評価ボードはWindowsベースのグラフィカルユーザインタフェースを通じて、IC とその負荷が完全にテストできます。
この完全に組み立ておよびテストされた回路基板は、ハイサイド/ローサイド ソレノイドとして構成でき、ラッチング バルブ (通常はソレノイドによって駆動される) またはブラシ付き DC モーターに使用できます。
ステッピングモーター: 制御の自由度が向上
ステッピング モーターはソレノイドよりも複雑で、より高度な制御要件があります。これは、 Analog Devicesの TMC5240 (図 5) で明らかです。これは、シリアル通信インターフェース (SPI、UART) と豊富な診断機能を備えた統合型高性能ステッピングモーターコントローラーおよびドライバー IC であり、組み込み式アルゴリズムを提供します。
図 5: TMC5240 高性能ステッピング モーター コントローラーとドライバー IC に組み込まれた複雑なアルゴリズムは、ソレノイドとステッピング モーターから最適なパフォーマンスを実現するのに役立ちます。
この IC には、柔軟な 8 ポイント ランプ ジェネレーターが含まれて、自動ターゲット位置決めにおけるジャークを最小限に抑えます。ジャークは加速度の変化率です。過度のジャークは、多くのシステムの問題やパフォーマンスの問題を引き起こす可能性があります。このステッピングモータードライバーには、0.23 Ω オン抵抗を備えた 36 V、3 A の H ブリッジと、非損失の統合電流検出 (ICS) が統合されています。TMC5240 は、小型の 5 × 5 mm TQFN32 パッケージと、エクスポーズド パッドを備えた熱的に最適化された 9.7 × 4.4 mm TSSOP38 パッケージを採用します。
TMC5240 は、より高い精度を可能にし、高いエネルギー効率、高い信頼性、スムーズな動作、低温動作をサポートする独自の高度な機能を備えています。 これらの機能には次のものが含まれます。
• StealthChop2: ノイズのない高精度チョッピング アルゴリズムを使用してモーターを動かして、動作を静かにし、より単純な StealthChop と比較してモーターの加速と減速を高速化できます。
• SpreadCycle: 高精度のサイクルごとの電流制御、もダイナミックな動作を実現します
• StallGuard2: SpreadCycle にセンサーレス失速検出と機械的負荷測定を提供します。
• StallGuard4: StealthChop にセンサーレス失速検出と機械的負荷測定を提供します。
• CoolStep: StallGuard を使用してモーター電流を測定および調整し、効率を最大化し、モーターとドライバーの熱を削減します。
ユーザーはこれらの機能を事前に設定し、モーターの動作サイクル中に使用することができます。また、加速度と組み合わせてトルクを制御することで、目標値に到達しながら効率的でスムーズな加減速を実現します。
たとえば、3 つの加速セグメントと減速セグメントを組み合わせると、2 つの目的を果たすことができます。1 つは低速でより高い加速値を使用してモーターのトルク曲線に合わせるか、1 つの加速セグメントから次のセグメントに移行する際のジャークを減らすことです。どちらのタイプの状況でも、8 点モーション カーブ ジェネレータを備えた TMC5240 コントローラは、目的のターゲット位置がリアルタイムで変化する間、一定速度セグメントを維持できるため、スムーズなモード移行が可能になります (図 6)。
図 6: TMC5240 は 8 ポイントのランプを提供し、リアルタイムのターゲット位置変更をサポートし、スムーズなモード変換を可能にします。
このドライバ IC の柔軟性、多用途性、複雑さを考慮すると、TMC5240-EVAL 評価ボードは人気のある補完ツールとなっています (図 7)。IC の標準回路図を使用し、設計者がさまざまな動作モードをテストできるようにソフトウェアで複数のオプションを提供します。
図 7: TMC5240-EVAL 評価ボードと関連するグラフィカル ユーザー インターフェイスを使用すると、設計者は特定のアクチュエータと負荷の組み合わせに基づいて TMC5240 のパフォーマンスを研究し、微調整できます。
それほど複雑でない評価および設計要件を持つ設計者のために、Analog Devices 还は TMC5240-BOB も提供しています。 この基本的な IC ブレークアウト ボードは、ユーザーが簡単にアクセスできるように、TMC5240 の物理ピンをヘッダー ストリップに接続します。
要約
ソレノイドおよびステッピング モーター ドライバーにインテリジェンスを追加することで、より優れた制御と障害検出を提供し、リアルタイムの意思決定を可能にし、より高いレベルの制御システムまたは AI ベースの生産性システムと通信します。Analog Devices MAX22200 や TMC5240 などの高度に統合されたドライバを使用すると、特定のアプリケーション向けにソレノイドやステッピング モータの性能を最適化する高度なアルゴリズムを迅速に起動して実行できます。
前の編:ステッピングモーターの構造と3つの制御モード
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