【導(dǎo)讀】當(dāng)控制環(huán)境比較惡劣，周邊可能存在大型的電機(jī)對(duì)電磁抗干擾能力影響較大時(shí)，管道閘中的閥門(mén)控制將面臨一定挑戰(zhàn)和障礙，面對(duì)這種情況，該如何明確閥門(mén)的位置和檢測(cè)扭矩？本次技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健邀請(qǐng)到了他們的客戶(hù)——行業(yè)資深工程師阮工來(lái)分享他的實(shí)戰(zhàn)案例。
當(dāng)控制環(huán)境比較惡劣，周邊可能存在大型的電機(jī)對(duì)電磁抗干擾能力影響較大時(shí)，管道閘中的閥門(mén)控制將面臨一定挑戰(zhàn)和障礙，面對(duì)這種情況，該如何明確閥門(mén)的位置和檢測(cè)扭矩？本次技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健邀請(qǐng)到了他們的客戶(hù)——行業(yè)資深工程師阮工來(lái)分享他的實(shí)戰(zhàn)案例。
ADI的TMC5160是一款高度緊湊的步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器IC，具有最低功耗和最高動(dòng)態(tài)性能的功率級(jí)，能確保無(wú)噪音運(yùn)行，結(jié)合最高效率和最佳電機(jī)扭矩。阮工運(yùn)用TMC5160 StallGuard2，通過(guò)編碼器來(lái)判斷閥門(mén)是否已經(jīng)開(kāi)啟或關(guān)閉，通過(guò)扭矩判斷閥門(mén)是否異常不能打開(kāi)和關(guān)閉。該項(xiàng)目輸入?yún)?shù)如下表：
圖1.輸入?yún)?shù)
下圖為阮工結(jié)合硬件原理框架設(shè)置的系統(tǒng)架構(gòu)。
圖2.系統(tǒng)架構(gòu)
電源電壓輸入部分
電源DC-DC選擇ADI的MAX17501/MAX17502，該型號(hào)輸入電壓可以支持最高60V（和TMC5160最高輸入電壓一致）。電流分別是500mA和1A，封裝一致，由于不同的外設(shè)（光電開(kāi)關(guān)、編碼器）需求電流不一樣，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際需求來(lái)選擇型號(hào)。
為了實(shí)現(xiàn)斷電記憶的功能，使用超級(jí)電容來(lái)作為備份電源，超級(jí)電容芯片選擇LTC3225對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電管理。當(dāng)電源斷電后超級(jí)電容還可以持續(xù)輸出一段時(shí)間來(lái)維持MCU的供電，MCU就可以檢測(cè)輸入電壓來(lái)判斷是否已斷電來(lái)記錄位置。
MCU供電以MAX8891，MAX8891低壓差（LDO）線(xiàn)性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)用于提供高達(dá)150mA的連續(xù)輸出電流，可以滿(mǎn)足MCU、通信接口芯片的供電電流。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，阮工使用了TMC5160。TMC5160的電壓范圍為8-60V；支持編碼器接口和2個(gè)參考開(kāi)關(guān)輸入；支持StallGuard2高精度的無(wú)傳感器負(fù)載檢測(cè)，可用于閥門(mén)故障檢測(cè)；外置MOS管，最大支持電流20A。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，選擇60V40A的mos，可以滿(mǎn)足最大5A的需求。
通信部分
阮工在CAN接口使用了MAX3051，該型號(hào)支持最大1M的速率。RS485接口使用了MAX3060，該型號(hào)±15kV ESD保護(hù)、失效保護(hù)、20Mbps，輸入電壓是3.3V。接口芯片供電都是3.3V，可以直接與MCU鏈接。并且這兩個(gè)型號(hào)體積小，可以很好地優(yōu)化PCB尺寸。用戶(hù)可以根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際的需求來(lái)選擇通信接口。
位置反饋
大部分編碼器使用的是差分信號(hào)，這里以MAX14980作為信號(hào)轉(zhuǎn)換，將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，鏈接TMC5160和MCU的編碼器接口。
程序調(diào)試
由于該案例需要通過(guò)力矩來(lái)判斷閥門(mén)的故障和極限位置作為原點(diǎn)，需要使用StallGuard2的功能。下面介紹StallGuard2的相關(guān)寄存器及配置過(guò)程：
關(guān)鍵寄存器：
*IHOLD_IRUN 0X10：電流寄存器-設(shè)置合適的電流，設(shè)置電流大小直接影響電機(jī)的負(fù)載能力。設(shè)定電流改變后sgt值也需要調(diào)節(jié)。
圖3.IHOLD_IRUN 電流寄存器表
*VMAX 0X27 最高速度，使用StallGuard2的最佳工作速度范圍在10-300PRM，不同的電機(jī)速度有所區(qū)別。
圖4.VMAX最高速度寄存器表
*SW_MODE 0X34: sg_stop 10bit- 1:啟用STALLGUARD 2功能。
圖5.sg_stop寄存器表
*COOLCONF 0x6D: 16bit-22bit StallGuard2 閾值，該值用于設(shè)置靈敏度；24bit-標(biāo)準(zhǔn)/濾波模式。
圖6.COOLCONF 寄存器表
*TCOOLTHRS 0X14:使能CoolStep和StallGuard2功能的下限速度，到達(dá)此值電機(jī)停止并保持。
圖7.TCOOLTHRS 寄存器表
*DRV_STATUS 0X6F: StallGuard2值和驅(qū)動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志0-9bit SG_RESULT(負(fù)載值) 用于監(jiān)測(cè)電機(jī)所剩的扭力。
圖8.SG_RESULT 寄存器表
配置過(guò)程通過(guò)程序代碼來(lái)說(shuō)明，如下：
步驟1：
spi_writeRegister(SW_MODE，0x0600)；--使能StallGuard2
spi_writeRegister(IHOLD_IRUN，value)；--設(shè)置電機(jī)的額定電流
spi_writeRegister(VMAX，MAX_Speed_)；--設(shè)置最高速度
spi_writeRegister(COOLCONF，0)；--設(shè)置StallGuard2靈敏度
spi_writeRegister(TCOOLTHRS，setTCOOLTHRS )；--設(shè)定停止閾值，此值可以根據(jù)不同的閥門(mén)狀態(tài)來(lái)設(shè)定，如歸零或開(kāi)啟/關(guān)閉
spi_writeRegister(RAMPMODE，VELOCITY_MODE_POS)；--啟用速度模式
步驟2：
spi_readRegister(DRV_STATUS)；--50ms定時(shí)讀取SG_RESULT(負(fù)載值)
步驟3：
StallGuard2值SG_RESULT受電機(jī)特性及特定應(yīng)用的負(fù)載和速度影響。因此， 針對(duì)特定電機(jī)類(lèi)型和運(yùn)行條件調(diào)整Stallguard2閾值SGT的最簡(jiǎn)單方法是在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行交互式調(diào)整。
接下來(lái)調(diào)整StallGuard2的SGT的初始步驟。
1.以適用的正常運(yùn)行速度運(yùn)行電機(jī)，并監(jiān)控SG_RESULT 。
2.緩慢增加電機(jī)的機(jī)械負(fù)載。如果電機(jī)在SG_RESULT達(dá)到0之前停止，則減小SGT。如果SG_RESULT在電機(jī)停止之前達(dá)到0，則增大SGT。0是SGT初始值。SGT是有符號(hào)的，可正可負(fù)。
3.將TCOOLTHRS設(shè)置為高于TSTEP的值，并啟用sg_stop使能堵轉(zhuǎn)停止功能。確保電機(jī)在停機(jī)時(shí)安全停止。如果電機(jī)在堵轉(zhuǎn)發(fā)生前停止，增加SGT。通過(guò)禁用sg_stop或讀并寫(xiě)入RAMP_STAT寄存器(寫(xiě)+清除功能)重新啟動(dòng)電機(jī)。
4.在電機(jī)增加負(fù)載堵轉(zhuǎn)前，SG_RESULT最佳范圍大約在0和10之間，且在沒(méi)有負(fù)載的情況下SG_RESULT增加100或更多時(shí)。在大多數(shù)情況下，SGT應(yīng)在某個(gè)運(yùn)動(dòng)速度或速度范圍調(diào)整。確保設(shè)置在一定范圍內(nèi)(例如所需速度的80%至120 %)以及極端電機(jī)條件下(最低和最高適用溫度)工作可靠。
允許自動(dòng)調(diào)整 SGT 的可選步驟
SGT設(shè)置背后的基本思想是補(bǔ)償電機(jī)內(nèi)部電阻損耗的對(duì)StallGuard2影響。 在靜止和非常低的速度下，由于機(jī)械功率為零或接近零，電阻損耗是電機(jī)能量平衡的主要因素。這樣可以將SGT設(shè)置為接近零速度的最佳值。該算法特別適用于在應(yīng)用中調(diào)整SGT，以獲得與環(huán)境條件、電機(jī)雜散等無(wú)關(guān)的最佳結(jié)果。
以小于10 RPM(即每秒幾個(gè)至幾十個(gè)全步的低速運(yùn)行電機(jī)，并獲得目標(biāo)運(yùn)行電流和電源電壓。)在此速度范圍內(nèi)，SG_RESUL對(duì)電機(jī)負(fù)載的依賴(lài)性不大，因?yàn)殡姍C(jī)不會(huì)產(chǎn)生顯著的反電勢(shì)。因此，機(jī)械負(fù)載對(duì)結(jié)果影響不大。
2.打開(kāi)sfilt濾波器。將SGT從0逐漸增加到SG_RESULT開(kāi)始增加。當(dāng)SGT值較高時(shí)，SG_RESUL將上升到最大值，繼續(xù)增大SGT則SG_RESULT會(huì)溢出到0。 現(xiàn)在，SGT值被設(shè)置成最大敏感。當(dāng)看到SG_RESULT以較高的速度增加時(shí)，則檢測(cè)到堵轉(zhuǎn)。
該參數(shù)設(shè)置下堵轉(zhuǎn)檢測(cè)的上限速度由速度確定，在該速度下，電機(jī)反電勢(shì)接近電源電壓，速度繼續(xù)增大電機(jī)電流開(kāi)始下降。
當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，SG_RESULT變?yōu)?，可配置斜坡發(fā)生器 SW_MODE中的sg_stop 使能在堵轉(zhuǎn)事件時(shí)停止電機(jī)。將TCOOLTHRS設(shè)置為與較低的速度閾值相匹配，在該閾值下，StallGuard2 結(jié)果最佳，完成有效的sg_stop。
ADI的TMC5160 StallGuard2的功能非常廣泛，TMC5160 CoolStep負(fù)載自適應(yīng)電流控制，也是基于StallGuard2的負(fù)載檢測(cè)來(lái)控制電流輸出電流大小，實(shí)現(xiàn)低功耗，節(jié)約能源，降低芯片溫度。在某些應(yīng)用中可以通過(guò)力矩來(lái)診斷設(shè)備的健康狀況和設(shè)備歸零的功能，還可以節(jié)省編碼器及光電開(kāi)關(guān)，有效的節(jié)約生產(chǎn)成本。其授權(quán)代理商Excelpoint世健為客戶(hù)提供技術(shù)支持和指導(dǎo)，提高設(shè)備提高效率，助力實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)。
關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商
世健是完整解決方案的供應(yīng)商，為亞洲電子廠(chǎng)商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件、工程設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù)。多次被權(quán)威雜志和行業(yè)機(jī)構(gòu)列入全球領(lǐng)先分銷(xiāo)商榜單。
世健與供應(yīng)商及電子廠(chǎng)商緊密協(xié)作，為新的科技與趨勢(shì)作出定位，并幫助客戶(hù)把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中。世健分別在新加坡、中國(guó)及越南設(shè)有研發(fā)中心，專(zhuān)業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)造新的解決方案，幫助客戶(hù)提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計(jì)可應(yīng)用于工業(yè)、無(wú)線(xiàn)通信及消費(fèi)電子等領(lǐng)域。
世健擁有超過(guò)35年歷史、逾700名員工，業(yè)務(wù)擴(kuò)展至亞太區(qū)的49個(gè)城市和地區(qū)，遍及新加坡、馬來(lái)西亞、泰國(guó)、越南、中國(guó)、印度、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個(gè)國(guó)家。1993年，世健在香港設(shè)立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)（香港）有限公司，正式開(kāi)始發(fā)展中國(guó)業(yè)務(wù)。目前，世健在中國(guó)擁有十多家分公司和辦事處，遍及中國(guó)主要大中型城市。憑借專(zhuān)業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)、頂尖的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用支持以及豐富的市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，世健在中國(guó)業(yè)內(nèi)享有領(lǐng)先地位。
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