Pozycjonowanie urządzeń pomiarowych
z napędem krokowym
Witold Ober
działu krokowego większego niż 1/32
Małe napędy z silnikami krokowymi, pozwalające na precyzyjne pozycjonowanie,
pełnego kroku. Przy tak małym kroku
potrafią wyeliminować droższe napędy w warunkach przemysłowych
energia przekazana rotorowi przy jednym
nie tylko w urządzeniach technologicznych, ale i pomiarowych.
kroku elektrycznym wynosi tylko 0,1%
Firma WObit ze swoją obszerną ofertą silników krokowych i produkowanych
energii pełnego kroku, czyli jest tak mała,
w Poznaniu sterowników oraz ofertą bezstykowych metod pomiarowych
że może być z łatwością pochłonięta przez
wychodzi naprzeciw zapotrzebowaniu na ekonomiczny pomiar
wewnętrzne tarcie w silniku. Nie powstają
i pozycjonowanie w różnych dziedzinach produkcji.
wtedy groz
ne drgania ani silnik nie wy-
biega w danej chwili poza swoje pożądane
orzystając z najnowszych układów cą pełno- i półkrokową. Mikrokrok może położenie. Odchylenie kolejnych pozycji
Kscalonych i komponentów specjali- być użyty w celu rozwiązania problemów mikrokrokowych rotora od pozycji ide-
stycznych firm, takich jak Trinamic, fir- z rezonansami, a także w celu zwiększe- alnej zależy wtedy w głównej mierze od
ma WObit opracowuje i produkuje coraz nia dokładności i rozdzielczości. użycia nieskompensowanych przebiegów
nowsze sterowniki silników krokowych Z wykresu na rys. 1 widać, że praca wejściowych sinus/cosinus.
i urządzenia z zakresu pozycjonowania, półkrokowa w porównaniu z pełnokro- Chociaż układ elektroniczny służący
oferując obok czujników ważny asorty- kową ogranicza energię wzbudzającą re- do pracy z mikrokrokiem jest bardziej
ment techniki liniowej, pozwalający na zonans do 29%. Jeśli rozpatrywać mi- złożony niż w przypadku pełnego czy
budowę kompletnych urządzeń pomia- krokrok o podziale 1/32, pozostaje tylko półkroku, całkowita złożoność systemu
rowych i wykonawczych. Jednocześnie, 0,1% energii pełnego kroku niezbędnej wraz z silnikiem, przekładnią i elemen-
co rzadkie nie tylko na polskim rynku, do wykonania ruchu, co oznacza auto- tami przenoszenia napędu jest mniejsza,
WObit stara się popularyzować zdobytą matycznie radykalne zmniejszenie moż- wiąże się zatem z mniejszymi kosztami.
na temat małych napędów wiedzę oraz liwości wystąpienia niepożądanych zja- Zastosowanie pracy mikrokrokowej może
sprzedaje potrzebne do budowy sterow- wisk związanych z rezonansem. Urządze- wpłynąć na uproszczenie przekładni i me-
ników komponenty, wspomagając rów- nia pomiarowe wymagają precyzyjnego chanizmów tłumiących drgania, ułatwia
nież konkurencyjne rozwiązania. przemieszczania z kontrolą pozycji bez też wybór silnika.
gwałtownych skoków wskutek przestero-
wania czy drgań.
Mikrokrok dla precyzyjnego Kiedy silnik sterowany jest przy małej Układy scalone do pracy
pozycjonowania prędkości z pełnym krokiem lub półkro- mikrokrokowej
Praca z mikrokrokiem polega na ob- kiem, ruch staje się nieciągły i charak- Produktem z rodziny układów scalo-
racaniu polem magnetycznym stojana teryzuje się dużym poziomem zakłóceń nych Trinamic, skupiającym w jednym
w sposób bardziej płynny niż w sterowa- i drgań, szczególnie w obszarze często- czipie wymagane funkcje do pracy mi-
niu pełno- i półkrokowym, dzięki two- tliwości w pobliżu i poniżej naturalnej krokrokowej silnika, jest kontroler ru-
rzeniu wielu progów prądowych, co po- częstotliwości układu. Mikrokrokowe chu dla bipolarnych silników krokowych
zwala na uzyskiwanie dodatkowych pozy- sterowanie pozwala natomiast w łatwy TMC236 zawierający stopnie mocy. Po-
cji rotora. Powoduje to mniejsze drgania i bezpieczny sposób rozszerzyć zakres zwala na uzyskanie prądu 1,5 A na fa-
i umożliwia niemal bezszumowe poru- częstotliwości w dół (do 0 Hz). Zwykle zę bez konieczności stosowania dodatko-
szanie się silnika nawet przy bardzo ma- jest wtedy konieczne zastosowanie po- wych urządzeń chłodzących. Wbudowana
łych prędkościach bez przekładni mecha- kontrola prądu płynącego przez uzwoje-
nicznej aż do zatrzymania. Dzięki pracy nia silnika oraz funkcja programowa-
z mikrokrokiem możliwe jest uzyskanie nia szybkości narastania zbocza wpływa
mniejszych kroków i pozycjonowania na zmniejszenie emisji zakłóceń EMV
o większej rozdzielczości. (poprzez zmniejszenie harmonicznych).
Rotor będzie poruszał się znacznie Dzięki małej powierzchni (rys. 2) i wy-
gładszym ruchem przy niskich często- sokiej efektywności nadaje się do zasto-
tliwościach, ponieważ pole magnetyczne sowań w miniaturowych i bateryjnych
stojana, które określa stabilną pozycję ro- układach sterowania. Układy TMC236
tora, porusza się bardziej płynnie w po- produkowane są w obudowach PQFP-44
równaniu ze sterowaniem pełno- i półkro- i spełniają wymagania standardu RoHS.
Długość kroku względem pełnego kroku
kowym. W wielu zastosowaniach praca Obok typowego wejścia impulsowe-
Rys. 1. Względna energia wzbudzająca
mikrokrokowa pozwala zwiększyć efek- go (schemat blokowy na rys. 3) interfejs
jako funkcja długości kroku elektrycznego
tywność systemu, a także zmniejszyć je- SPI umożliwia wydajną kontrolę cyfrową
(podziału)
go złożoność i koszt w porównaniu z pra- wielu układów.
44 l NR 7/8 l Lipiec  Sierpień 2009 r.
% energii przy pełnym kroku
l napięcie zasilania 7 34 V dla stopnia
mocy napędu (TMC236A).
Interfejs:
l SPI;
l klasyczne wejścia zegar/kierunek.
Przykładem użycia czipu TMC246
identycznego do TMC236, ale poszerzo-
nego o mechanizm stallGuard, jest przed-
stawiona na rys. 4 niewielka płytka ste-
rownika TMCM-013-42 zamontowana
na silniku krokowym z rozmiaru 42 mm.
Rys. 2. Układ scalony TMC236
Miniaturowy stopień mocy zbudowany
na układzie TMC246 jest w stanie zasi-
Ogólna charakterystyka układu lić silnik o prądzie fazy od 0,3 A do 1,1 A
TMC236: (w szczycie do 1,5 A) z zasilania 7 V do
l pełne zabezpieczenie i diagnostyka; 30 V, dostarczając mikrokroku o stopniu
l małe straty mocy; podziału 64. Wbudowany mikrokontro-
l szesnastokrotny mikrokrok; ler zarządza ruchem silnika zarówno po
l podział kroku do 64 razy poprzez do- łączu szeregowym RS485, jak i zwykłym
datkowy rejestr zmienny; wejściem impulsowym i kierunku.
l miksowany tryb gaszenia tranzysto- Dla silników o dużym prądzie fazy de-
rów dla uzyskania płynnej pracy; dykowany jest układ scalony TMC239
l programowalna kontrola zbocza od (rys. 5). Nie posiada stopnia mocy, ale
30 ns do 500 ns; ma budowę otwartą do przyłączenia do-
l wbudowany i zewnętrzny zegar ukła- wolnego stopnia mocy. Konieczne jest
du PWM; zastosowanie dodatkowych tranzysto-
l opcje spoczynku i wyłączenia. rów kluczujących, po cztery tranzysto-
Parametry elektryczne: ry w każdym mostku dla obu faz silnika.
l prąd sterowania szczytowo osiąga Jeśli użyte zostaną tranzystory z małym
1500 mA; ładunkiem bramki, nie potrzeba dodatko-
l 3,3 V lub 5 V dla części cyfrowej; wych wzmacniaczy prądu drenu. Przy ze-
Rys. 3. Schemat blokowy układu TMC236
Rys. 4. Silnik krokowy z zamontowanym sterownikiem i płytka sterownika TMCM-013-42
NR 7/8 l Lipiec  Sierpień 2009 r. l 45
reklama
namiczną pracę średniego i dużego ze-
społu napędowego, również bazuje na
układzie TMC239. Dzięki nowoczesnej
Rys. 5.
technologii urządzenie ma niewielkie roz-
Układ
miary  mieści się w aluminiowym profi-
scalony
lu zamkniętym przeznaczonym do zabu-
TMC239
dowy wewnątrz maszyny czy szafy ste-
rującej. Rozłączne listwy zaciskowe dla
przewodów zasilania, silnika i sygnałów
sterujących pozwalają na szybki mon-
taż i demontaż bez potrzeby odkręcania
przewodów.
Rys. 6. Schemat blokowy układu TMC239
wnętrznych miniaturowych tranzystorach Poszerzony w stosunku do TMC239
MOSFET układ zapewnia zasilanie silni- o stallGuard (mechanizm wykrywania
ka prądem fazy o wartości do 4 A. Pre- utraty synchronizmu) czip TMC249 jest
cyzyjna kontrola prądu i zabezpieczenia wykorzystany w przedstawionym na rys.
sprawia, że jest bardzo efektywny i odpor- 7 sterowniku TMCM-111-56, przeznaczo-
ny na warunki temperaturowe otoczenia. nym do zabudowy na silniku krokowym
Rys. 8. Sterownik SMC139WP
Komunikację zapewnia interfejs SPI, jak z rozmiaru 56 mm. Miniaturowy stopień
i klasyczna kontrola analogowa/cyfrowa mocy zbudowany na układzie TMC249
(schemat blokowy na rys. 6). Przy użyciu jest w stanie zasilić silnik o prądzie fazy Stopnie mocy w sterowniku SMC139
specjalizowanych wzmacniaczy sterownik do 5 A (7 A szczytowo) ze z
ródła zasila- pracują przy niesłyszalnej częstotliwości
silnika w oparciu o TMC239 może do- nia 15 V do 36 V, dostarczając mikrokro- czopowania 20 kHz, a mieszany sposób
starczyć dużego prądu fazy. Układ scalony ku o stopniu podziału 64. Wbudowana in- gaszenia prądu daje oszczędności energii
TMC239 produkowany w obudowie SO28 teligencja sterownika w postaci interpre- przy optymalnym kształcie przebiegu prą-
posiada certyfikat zgodności RoHS. tera oprogramowania TMCL pozwala na du, co wiąże się z precyzją ruchu silnika
zapamiętanie do 2048 rozkazów TMCL krokowego (tryb mixed decay). W ukła-
Ogólna charakterystyka układu i przeprowadzenie kompleksowych ru- dzie sterującym TMC239 zawarte są nie-
TMC239: chów w zaprogramowanych trajektoriach, liniowe przetworniki D/A, pozwalające
l pełne zabezpieczenie i diagnostyka; których rampy generowane są przez czip na uzyskanie podziału krokowego 1/10.
l małe straty mocy; TMC428. Cztery interfejsy szeregowe Układ wyposażony jest w precyzyjną kon-
l szesnastokrotny mikrokrok; wyczerpują potrzeby komunikacji silni- trolę prądu oraz kontrolę przeciążeń gór-
l możliwość podziału kroku do 64 razy ka z nadrzędnym komputerem. nej i dolnej gałęzi mostka mocy wykorzy-
poprzez dodatkowy rejestr zmienny; stującego nowoczesne tranzystory mocy
l miksowany tryb gaszenia tranzysto- HEXFET o niskiej rezystancji włączenia
rów dla uzyskania płynnej pracy; i wysokim prądzie ciągłym. Osiem takich
l programowalna kontrola zbocza; tranzystorów sterowanych jest przez dwa
l wbudowany i zewnętrzny zegar ukła- wydajne układy drivera HIP4081 z uwagi
du PWM; na potrzebę dostarczenia dużego ładunku
l opcje spoczynku i wyłączenia. do bramek tranzystorów FET. Stan prze-
Parametry elektryczne: ciążenia termicznego lub rozwarcia most-
l prąd sterowania szczytowo osiąga ka (przewody od silnika) sygnalizowany
Rys. 7. Płytka sterownika TMCM-111-56
1500 mA; jest na wyjściu jako stan alarmowy. Ste-
l zasilanie 3,3 V lub 5 V dla części cy- rownik ma zaimplementowane dodatko-
frowej; we funkcje, jak filtr przeciwzakłócenio-
l napięcie zasilania 7 34 V stopnia mo- Sterownik SMC139WP wy pozwalający na eliminowanie krótko-
cy napędu (TMC239A). Popularny sterownik mikrokrokowy trwałych impulsów na wejściu CLK, oraz
Interfejs: SMC139WP (rys. 8) ze stopniami mocy automatyczną redukcję prądową.
l SPI; dla 2-fazowego silnika krokowego o prą- Sterownik można zasilać stałym napię-
l klasyczne wejścia zegar/kierunek. dzie fazy 3 A do 8,2 A, zapewniający dy- ciem niestabilizowanym z zakresu 24 do
46 l NR 7/8 l Lipiec  Sierpień 2009 r.
upraszcza i przyspiesza proces montażu
Zasil. od +24 do 75 V DC
sterownika na maszynie. Do dyspozycji
Układ Układ
Stopnie użytkownika jest także dodatkowe, odizo-
optoizo- sterujący
mocu FET
lowane galwanicznie napięcie 5 V, służące
lacji uP
do zasilania optoizolowanych obwodów
Drivery FET
sygn. Silnik
wejściowych.
HIP8041
we/wy 2-fazowy
Opisywany wyżej sterownik oczeku-
bipolarny
je impulsów sterujących (CLK=STEP=
do8,2 A
Sterowniki
=KROK), które decydują o osiąganej
na fazę
TMC239
Nastawa
przez silnik krokowy prędkości i docelo-
podziału
wej pozycji oraz sygnału deklarującego
krokowego Pamięć Rys. 9. Schemat
kierunek obrotu (DIR=KIER). Sygnały
nieulotna blokowy sterow-
takie generują najprostsze generatory lub
nika SMC139WP
odpowiednio zaprogramowane sterowni-
ki PLC posiadające wyjście do sterowania
krokrok powoduje przesunięcie o 1/1000 silnika krokowego, a także specjalizowa-
skoku śruby). ne indeksery, np. MI188, MI389, i karty
Popularny interfejs sterowania SMC139 pozycjonujące, jak np. LMKPCI-4P.
zgodny z pozostałymi sterownikami ofe- Urządzenia takie zostaną opisane wraz
rowanymi przez firmę WObit (interfejs z przykładowymi aplikacjami w następ-
krok/kierunek), umożliwia proste zastą- nym zeszycie NiS w kontynuacji tego ar-
pienie słabszego sterownika, gdy wystę- tykułu.
puje potrzeba podniesienia dynamiki pra- n
cy maszyny. Zaletą sterownika jest moż-
liwość zmian prądu fazy sterownika za
Rys. 10. Mikroindekser MI1.8.8
pomocą miniaturowych przełączników
DIP, bez żadnej ingerencji we wnętrze
75 V, co pozwala na uzyskiwanie więk- sterownika. Tak samo wybrać można
szych prędkości obrotowych silnika niż głębokość podziału krokowego oraz włą-
przy zasilaniu niższym napięciem. Do- czyć automatyczną redukcję prądu fazy
datkowe podziały 1/5 i 1/10 kroku uła- i filtr sygnału kroku. Obudową sterow-
twiają przeliczanie wartości skoku rotora nika jest aluminiowy profil z zamonto-
na np. przesunięcie liniowe przy współ- wanym wentylatorem. Wszystkie sygnały
pracy ze śrubami pociągowymi (przy po- zewnętrzne (zarówno sterujące, jak i prą- www.wobit.com.pl
dziale 1/5 na jeden obrót rotora potrzebne dowe) wyprowadzone są za pomocą roz- www.silniki.pl
jest 1000 mikrokroków, czyli jeden mi- łącznych złącz śrubowych, co znacznie www.trinamic.de
NR 7/8 l Lipiec  Sierpień 2009 r. l 47