วิธีปรับใช้ไดรเวอร์โซลินอยด์และสเต็ปเปอร์มอเตอร์สำหรับการใช้งานทางอุตสาหกรรม

การใช้งานอุปกรณ์ระดับเอดจ์ เช่น ระบบควบคุมในโรงงาน ยานยนต์ และอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการมีการใช้ประโยชน์จากความสามารถ Internet of Things (IoT) และปัญญาประดิษฐ์ (AI) มากขึ้นเรื่อย ๆ เพื่อการตัดสินใจแบบความหน่วงที่ต่ำ ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น ต้นทุนที่ลดลง ตลอดจนความปลอดภัยและประสิทธิผลที่มากขึ้น ไดรเวอร์สำหรับโซลินอยด์และสเต็ปเปอร์มอเตอร์จำเป็นต้องพัฒนาเพื่อรวมการตรวจจับและความชาญฉลาดในตัวมากขึ้น เพื่อช่วยบูรณาการเข้ากับสภาพแวดล้อมที่พัฒนาอย่างรวดเร็ว และเพื่อปรับปรุงความแม่นยำ ความน่าเชื่อถือ การควบคุมแบบลูปปิด ต้นทุน พื้นที่ใช้งาน และความสะดวกในการใช้งาน

บทความนี้จะสรุปการทำงานพื้นฐานของโซลินอยด์และสเต็ปเปอร์มอเตอร์ และสรุปประโยชน์ของไอซีไดรเวอร์ที่ออกแบบมาสำหรับอุปกรณ์ระดับเอดจ์อัจฉริยะ จากนั้นจะแนะนำและอธิบายวิธีเริ่มต้นการออกแบบด้วยไดรเวอร์ตัวอย่างจาก Analog Devices

โซลินอยด์และสเต็ปเปอร์: คล้ายกันแต่แตกต่าง

โซลินอยด์และสเต็ปเปอร์มอเตอร์แปลงกระแสไฟฟ้าเป็นการเคลื่อนที่ผ่านขดลวดที่ทำหน้าที่เป็นแม่เหล็กไฟฟ้า แม้ว่ารูปลักษณ์และฟังก์ชันจะแตกต่างกัน แต่ความเหมือนกันของคอยล์ทำให้สามารถใช้ไอซีไดรเวอร์ตัวเดียวกันสำหรับแอคชูเอเตอร์ทั้งสองตัวได้ในบางกรณี

โซลินอยด์เป็นส่วนประกอบที่ค่อนข้างง่ายซึ่งมีการเคลื่อนที่เชิงกลขึ้นอยู่กับกระแสไฟฟ้าที่ใช้ ซึ่งประกอบด้วยขดลวดไฟฟ้าที่พันรอบท่อทรงกระบอกซึ่งมีตัวกระตุ้นเฟอร์โรแมกเนติก (หรือที่เรียกว่าทุ่นหรืออาร์เมเจอร์) ในแกนกลวงที่เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระภายในตัวขดลวด (รูปที่ 1 ซ้าย)

ในทางกลับกัน สเต็ปเปอร์มอเตอร์ใช้ขดลวดสเตเตอร์หลายตัวเรียงกันรอบเส้นรอบวงของตัวมอเตอร์ (รูปที่ 1 ขวา) มอเตอร์ยังมีชุดแม่เหล็กถาวรติดอยู่กับโรเตอร์ด้วย

รูปที่ 1: โครงสร้างโซลินอยด์ประกอบด้วยคอยล์พร้อมทุ่นเลื่อนภายใน (ซ้าย) สเต็ปเปอร์มอเตอร์มีความซับซ้อนมากขึ้น โดยมีแม่เหล็กถาวรบนโรเตอร์และขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าที่จัดเรียงอยู่บนสเตเตอร์ (ขวา) (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices, Monolithic Power Systems)

สำหรับโซลินอยด์ การเคลื่อนที่ของทุ่นเป็นการกระแทกแบบ "เจาะ" เพียงครั้งเดียวที่เกิดขึ้นเมื่อมีกระแสไฟจ่าย ทำให้ทุ่นกระแทกไปที่ตำแหน่งปลายสุด เมื่อไม่มีกระแสไฟ โซลินอยด์ส่วนใหญ่จะใช้สปริงเพื่อดันทุ่นกลับไปยังตำแหน่งปกติ

ในรูปแบบการขับเคลื่อนพื้นฐานที่สุด โซลินอยด์จะถูกควบคุมโดยพัลส์กระแสเปิด/ปิดที่ชัดเจน แม้ว่าสิ่งนี้จะง่ายและตรงไปตรงมา แต่ก็มีข้อเสียคือแรงกระแทกสูง การสั่นสะเทือน เสียงรบกวนและสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า ความไร้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้า และการควบคุมการทำงานของทุ่นหรือการย้อนกลับได้ไม่มากนัก

การหมุนของสเต็ปเปอร์มอเตอร์จะเกิดขึ้นเมื่อขดลวดสเตเตอร์ได้รับพลังงานตามลำดับ และสนามแม่เหล็กหมุนที่เป็นผลลัพธ์จะดึงแม่เหล็กอาร์เมเจอร์ ด้วยการควบคุมลำดับ โรเตอร์ของสเต็ปเปอร์สามารถหมุนอย่างต่อเนื่อง หยุด หรือย้อนกลับได้

แต่กต่างจากโซลินอยด์ที่ไม่มีการพิจารณาเรื่องจังหวะเวลา คอยล์สเตเตอร์จะต้องได้รับพลังงานตามลำดับและมีความกว้างพัลส์ที่ถูกต้องเมื่อเทียบกับคุณลักษณะอื่นๆ

สมาร์ทไดรเวอร์เอาชนะข้อจำกัด เพิ่มประสิทธิภาพ

ไดรเวอร์อัจฉริยะสามารถให้ประโยชน์มากมาย ด้วยการควบคุมกระแสที่ขับคอยล์ของโซลินอยด์และสเต็ปเปอร์มอเตอร์อย่างระมัดระวัง รวมถึงรูปร่างของรูปคลื่น อัตราแรมป์ขึ้นและลง และพารามิเตอร์อื่นๆ ซึ่งประโยชน์ดังกล่าวรวมถึง:

• เพิ่มความนุ่มนวลของการเคลื่อนไหวและการหมุนโดยมีการกระตุกน้อยที่สุด
• ลดการสั่นสะเทือนและแรงกระแทก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับโซลินอยด์
• ตำแหน่งที่แม่นยำยิ่งขึ้นสำหรับการสตาร์ท/หยุด/การเคลื่อนที่ถอยหลังของสเต็ปเปอร์มอเตอร์
• ประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอและช่วยในการปรับสภาวะโหลดชั่วคราวหรือมีการเปลี่ยนแปลง
• ปรับปรุงประสิทธิภาพ
• การสึกหรอทางกายภาพน้อยลง
• สร้างเสียงและสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าน้อยลง
• ความง่ายในการเชื่อมต่อกับโปรเซสเซอร์ควบคุมดูแล ซึ่งจำเป็นสำหรับการติดตั้ง IoT

Analog Devices MAX22200 เป็นโซลินอยด์และตัวขับมอเตอร์ที่ควบคุมแบบอนุกรมในตัว แสดงให้เห็นว่าตัวขับที่ซับซ้อนสามารถทำอะไรกับโซลินอยด์ได้บ้าง (รูปที่ 2) โดยไดรเวอร์ฮาล์ฟบริดจ์ 1 แอมแปร์ (A) 8 ตัวในไอซี 36 โวลต์นี้สามารถขนานกับกระแสไฟของไดรฟ์เป็นสองเท่า หรือกำหนดค่าเป็นฟลูบริดจ์เพื่อขับวาล์วที่มีสลัก (หรือที่เรียกว่าวาล์วสองทาง) ได้สูงสุด 4 ตัว

รูปที่ 2: Analog Devices MAX22200 เป็นไดรเวอร์โซลินอยด์และมอเตอร์แบบอนุกรมที่ควบคุมแบบอนุกรม พร้อมด้วยไดรเวอร์ฮาล์ฟบริดจ์แปดตัวที่สามารถจัดเรียงในรูปแบบที่แตกต่างกัน (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ไดรเวอร์นี้รองรับวิธีการควบคุมสองวิธี: การควบคุมแรงดันไฟฟ้าไดรฟ์ (VDR) และการควบคุมไดรฟ์กระแส (CDR) เมื่อใช้ VDR อุปกรณ์จะส่งออกแรงดันไฟฟ้าแบบพัลส์ไวด์ธมอดูเลต (PWM) ซึ่งสามารถโปรแกรมรอบการทำงานโดยใช้อินเทอร์เฟซ SPI โดยกระแสไฟเอาท์พุตเป็นสัดส่วนกับรอบการทำงานที่กำหนดไว้สำหรับแรงดันไฟฟ้าจ่ายและตัวต้านทานโซลินอยด์ที่กำหนด ซึ่ง CDR คือรูปแบบหนึ่งของการควบคุมแบบลูปปิด โดยที่วงจรตรวจจับกระแสแบบรวมและไม่มีการสูญเสียจะตรวจจับกระแสเอาท์พุตและเปรียบเทียบกับกระแสอ้างอิงที่ตั้งโปรแกรมได้ภายใน

แตกต่างจากไดร์เวอร์กระแสแบบธรรมดา MAX22200 เสนอการปรับแต่งโปรไฟล์ของไดรฟ์กระแสไฟฟ้า เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการจัดการพลังงานในการใช้งานโซลินอยด์ไดรฟ์ ระดับของตัวกระตุ้น (I_HIT) ระดับการหยุด (I_HOLD) และเวลาขับด้วยการกระตุ้น (t_HIT) สามารถกำหนดค่าแยกกันสำหรับแต่ละช่องได้ นอกจากนี้ยังมีการป้องกันและคุณสมบัติที่เกี่ยวข้องกับข้อผิดพลาดหลายประการ รวมไปถึง:

• การป้องกันกระแสเกิน (OCP)
• การตรวจจับโหลดแบบเปิด (OL)
• เทอร์มอลชัทดาวน์ (TSD)
• การล็อคแรงดันไฟฟ้าตก (UVLO)
• การตรวจจับการเคลื่อนที่ทุ่น (DPM)

คุณสมบัติสี่ประการแรกเป็นมาตรฐานที่เป็นที่เข้าใจกันดี โดย DPM จะต้องมีคำอธิบายเพิ่มเติม ตัวอย่างเช่น หากวาล์วทำงานอย่างถูกต้องเมื่อโซลินอยด์ถูกเปิดใช้งานในวาล์วที่ควบคุมโซลินอยด์ โปรไฟล์กระแสไฟฟ้าจะไม่เป็นโมโนโทนิก (รูปที่ 3 เส้นสีดำ) แต่จะแสดงการลดลงเนื่องจากแรงเคลื่อนไฟฟ้ากลับ (BEMF) ที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของทุ่น (รูปที่ 3 เส้นสีน้ำเงิน)

รูปที่ 3: เมื่อขับเคลื่อนโซลินอยด์ MAX22200 สามารถตรวจจับโซลินอยด์หรือวาล์วที่ติดอยู่โดยมองหากระแสไฟตกที่ขับเคลื่อนด้วย BEMF ที่คาดไว้ เทียบกับค่าเกณฑ์ (IDPM_TH) เนื่องจากโซลินอยด์ถูกขับเคลื่อนจากกระแสสตาร์ท (I_START) ถึงระดับแรงกระตุ้นสุดท้าย (I_HIT) (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

เมื่อตั้งค่าและใช้กับโซลินอยด์ ฟังก์ชัน DPM ของ MAX22200 จะตรวจจับการตกของ BEMF ในระหว่างเฟสการกระตุ้น หากตรวจไม่พบการตกของ BEMF การบ่งชี้จะถูกตั้งค่าบนพิน FAULT และในรีจิสเตอร์ข้อบกพร่องภายใน

ชุดประเมินช่วยให้กระบวนการง่ายขึ้น

เพื่อแก้ไขปัญหาที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพของระบบภายใต้ความต้องการและสภาวะโหลดแบบคงที่และไดนามิกที่แตกต่างกัน Analog Devices นำเสนอ MAX22200EVKIT# บอร์ดประเมินการจัดการพลังงานควบคุมโซลินอยด์สำหรับ MAX22200 (รูปที่ 4) ซึ่งชุดประเมินผล (EVK) นี้ช่วยให้สามารถควบคุม MAX22200 แบบอนุกรมและการตรวจสอบข้อผิดพลาดผ่านอินเทอร์เฟซ USB-to-SPI ออนบอร์ดผ่านไมโครคอนโทรลเลอร์ MAX32625 ที่ประกอบด้วยอินเทอร์เฟซผู้ใช้แบบกราฟิก (GUI) ที่เข้ากันได้กับ Windows สำหรับการใช้คุณลักษณะของไอซี MAX22200 ทำให้เป็นระบบประเมินผลบนพีซีที่สมบูรณ์

รูปที่ 4: บอร์ดประเมินการจัดการพลังงานควบคุมโซลินอยด์ MAX22200EVKIT# สำหรับ MAX22200 ช่วยให้ใช้ไอซีและโหลดได้อย่างเต็มที่โดยใช้ GUI ที่ใช้ Windows (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

บอร์ดที่ประกอบอย่างสมบูรณ์และผ่านการทดสอบนี้สามารถกำหนดค่าให้เป็นโซลินอยด์ด้านสูง/ด้านต่ำ และสำหรับวาล์วแบบล็อค (มักขับเคลื่อนด้วยโซลินอยด์) หรือมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่าน

สเต็ปเปอร์มอเตอร์: มีอิสระในการควบคุมมากขึ้น

สเต็ปเปอร์มอเตอร์มีความซับซ้อนมากกว่าโซลินอยด์และมีข้อกำหนดในการควบคุมมากกว่า เห็นได้จากคุณสมบัติของ Analog Devices TMC5240 (รูปที่ 5) ตัวควบคุมสเต็ปเปอร์มอเตอร์ประสิทธิภาพสูงแบบรวมและไอซีไดรเวอร์พร้อมอินเทอร์เฟซการสื่อสารแบบอนุกรม (SPI, UART) ความสามารถในการวินิจฉัยที่ครอบคลุม และอัลกอริธึมแบบฝัง

รูปที่ 5: ตัวควบคุมสเต็ปเปอร์มอเตอร์ประสิทธิภาพสูงและไอซีไดรเวอร์ฝังอัลกอริธึมที่ซับซ้อนเพื่อมอบประสิทธิภาพสูงสุดด้วยโซลินอยด์และสเต็ปเปอร์มอเตอร์ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ไอซีนี้รวมตัวกำเนิดแรมป์แปดจุดที่ยืดหยุ่นเพื่อการกระตุกขั้นต่ำในการวางตำแหน่งเป้าหมายอัตโนมัติ โดยการกระตุกคืออัตราการเปลี่ยนแปลงของการเร่งความเร็ว และการกระตุกที่มากเกินไปอาจทำให้เกิดปัญหากับระบบและปัญหาด้านประสิทธิภาพได้หลายอย่าง ตัวขับสเต็ปเปอร์มอเตอร์นี้รวมบริดจ์ H 36 โวลต์ 3 A ที่มีความต้านทานออนออนซิสเต็ม (Ω) และการตรวจจับกระแสไฟในตัว (ICS) แบบไม่กระจาย 0.23 โอห์ม TMC5240 มีจำหน่ายในแพ็คเกจ TQFN32 ขนาดเล็ก 5 × 5 มม. (มม.) และแพ็คเกจ TSSOP38 ขนาด 9.7 × 4.4 มม. ที่ปรับการระบายความร้อนพร้อมแพดเปลือย

TMC5240 ใช้คุณสมบัติขั้นสูงที่เป็นเอกลักษณ์ซึ่งช่วยให้มีความแม่นยำมากขึ้น มีประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูง ความน่าเชื่อถือสูง การเคลื่อนไหวที่ราบรื่น และการทำงานที่ยอดเยี่ยม คุณสมบัติเหล่านี้ได้แก่:

• StealthChop2: อัลกอริธึมช็อปเปอร์ที่มีความแม่นยำสูงไร้เสียงรบกวนสำหรับการเคลื่อนไหวและการหยุดนิ่งของมอเตอร์ ช่วยให้มอเตอร์เร่งความเร็วและลดความเร็วได้เร็วกว่า StealthChop ที่เรียบง่ายกว่า
• SpreadCycle: การควบคุมกระแสแบบทีละรอบที่มีความแม่นยำสูงสำหรับการเคลื่อนไหวแบบไดนามิกสูงสุด
• StallGuard2: ให้การตรวจจับสตอลแบบไร้เซ็นเซอร์และการวัดโหลดทางกลสำหรับ SpreadCycle
• StallGuard4: ให้การตรวจจับสตอลแบบไร้เซ็นเซอร์และการวัดโหลดทางกลสำหรับ StealthChop
• CoolStep: ใช้การวัด StallGuard เพื่อปรับกระแสของมอเตอร์เพื่อประสิทธิภาพที่ดีที่สุดและการเพิ่มความร้อนต่ำสุดของมอเตอร์และตัวขับ

คุณสมบัติเหล่านี้สามารถตั้งค่าล่วงหน้าและเรียกใช้ได้ในระหว่างรอบการทำงานของมอเตอร์ นอกจากนี้ แรงบิดยังสามารถควบคุมร่วมกับการเร่งความเร็วเพื่อพัฒนาค่าที่ต้องการ ขณะเดียวกันก็ให้อัตราเร่งและลดความเร็วที่มีประสิทธิภาพและราบรื่น

ตัวอย่างเช่น ชุดของส่วนความเร่งและความหน่วงสามส่วนสามารถใช้ได้สองวิธี: สำหรับการปรับให้เข้ากับเส้นแรงบิดของมอเตอร์โดยใช้ค่าความเร่งที่สูงขึ้นที่ความเร็วต่ำกว่า หรือเพื่อลดการกระตุกเมื่อเปลี่ยนจากส่วนความเร่งหนึ่งไปยังอีกส่วนหนึ่ง เพื่อจัดการกับทั้งสองสิ่งนี้ ตัวกำเนิดโปรไฟล์การเคลื่อนไหวแปดจุดของ TMC5240 ช่วยให้คอนโทรลเลอร์สามารถรักษาส่วนของความเร็วคงที่ในขณะที่ตำแหน่งเป้าหมายที่ต้องการเปลี่ยนแปลงแบบเรียลไทม์ ส่งผลให้มีการถ่ายโอนโหมด Bumpless (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: TMC5240 มีแรมป์แปดจุดที่รองรับการเปลี่ยนตำแหน่งเป้าหมายขณะทำงาน ส่งผลให้มีการถ่ายโอนโหมด Bumpless (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

เมื่อพิจารณาถึงความยืดหยุ่น ความคล่องตัว และความซับซ้อนของไอซีไดรเวอร์นี้ บอร์ดประเมินผล TMC5240-EVAL เป็นส่วนเสริมที่น่าพึงพอใจ (รูปที่ 7) โดยใช้แผนผังมาตรฐานสำหรับไอซีและมีตัวเลือกมากมายในซอฟต์แวร์ ช่วยให้นักออกแบบสามารถทดสอบโหมดการทำงานที่แตกต่างกันได้

รูปที่ 7: การใช้บอร์ดประเมินผล TMC5240-EVAL และ GUI ที่เกี่ยวข้อง นักออกแบบสามารถตรวจสอบและปรับแต่งประสิทธิภาพของ TMC5240 ให้เหมาะกับแอคชูเอเตอร์และชุดโหลดเฉพาะ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

สำหรับนักออกแบบที่มีข้อกำหนดในการประเมินและการออกแบบที่ซับซ้อนน้อยกว่า Analog Devices ยังมี TMC5240-BOB โดยบอร์ดแยกไอซีขั้นพื้นฐานนี้นำการเชื่อมต่อพินของ TMC5240 ออกไปยังแถวเฮดเดอร์ที่ผู้ใช้สามารถเข้าถึงได้

สรุป

การเพิ่มความชาญฉลาดให้กับตัวขับโซลินอยด์และสเต็ปเปอร์มอเตอร์ทำให้สามารถควบคุมและตรวจจับข้อผิดพลาดได้ดีขึ้น ช่วยให้ตัดสินใจได้แบบเรียลไทม์ และช่วยให้สามารถสื่อสารกับการควบคุมระดับสูงหรือระบบการผลิตที่ใช้ AI ไดรเวอร์ที่มีการผสานรวมในระดับสูง เช่น Analog Devices MAX22200 และ TMC5240 ช่วยให้ผู้ใช้สามารถเริ่มต้นและใช้งานได้อย่างรวดเร็วด้วยอัลกอริธึมขั้นสูง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของโซลินอยด์และสเต็ปเปอร์มอเตอร์สำหรับการใช้งานของตน