當控制環(huán)境比較惡劣，周邊可能存在大型的電機對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和障礙，面對這種情況，該如何明確閥門(mén)的位置和檢測扭矩？本次技術(shù)型授權代理商Excelpoint世健邀請到了他們的客戶(hù)——行業(yè)資深工程師阮工來(lái)分享他的實(shí)戰案例。
ADI的TMC5160是一款高度緊湊的步進(jìn)電機控制器和驅動(dòng)器IC，具有最低功耗和最高動(dòng)態(tài)性能的功率級，能確保無(wú)噪音運行，結合最高效率和最佳電機扭矩。阮工運用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。該項目輸入參數如下表：
圖1.輸入參數
下圖為阮工結合硬件原理框架設置的系統架構。
圖2.系統架構
電源電壓輸入部分
電源DC-DC選擇ADI的MAX17501/MAX17502，該型號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（光電開(kāi)關(guān)、編碼器）需求電流不一樣，用戶(hù)可以根據實(shí)際需求來(lái)選擇型號。
為了實(shí)現斷電記憶的功能，使用超級電容來(lái)作為備份電源，超級電容芯片選擇LTC3225對超級電容進(jìn)行充電管理。當電源斷電后超級電容還可以持續輸出一段時(shí)間來(lái)維持MCU的供電，MCU就可以檢測輸入電壓來(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)性穩壓器設計用于提供高達150mA的連續輸出電流，可以滿(mǎn)足MCU、通信接口芯片的供電電流。
步進(jìn)電機驅動(dòng)部分
步進(jìn)電機驅動(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)傳感器負載檢測，可用于閥門(mén)故障檢測；外置MOS管，最大支持電流20A。實(shí)際應用時(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，該型號支持最大1M的速率。RS485接口使用了MAX3060，該型號±15kV ESD保護、失效保護、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)型號體積小，可以很好地優(yōu)化PCB尺寸。用戶(hù)可以根據項目實(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，這里以MAX14980作為信號轉換，將差分信號轉換為單端信號，鏈接TMC5160和MCU的編碼器接口。
程序調試
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-設置合適的電流，設置電流大小直接影響電機的負載能力。設定電流改變后sgt值也需要調節。
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，不同的電機速度有所區別。
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，該值用于設置靈敏度；24bit-標準/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，到達此值電機停止并保持。
圖7.TCOOLTHRS 寄存器表
*DRV_STATUS 0X6F: StallGuard2值和驅動(dòng)錯誤標志0-9bit SG_RESULT(負載值) 用于監測電機所剩的扭力。
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)；--設置電機的額定電流
spi_writeRegister(VMAX，MAX_Speed_)；--設置最高速度
spi_writeRegister(COOLCONF，0)；--設置StallGuard2靈敏度
spi_writeRegister(TCOOLTHRS，setTCOOLTHRS )；--設定停止閾值，此值可以根據不同的閥門(mén)狀態(tài)來(lái)設定，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(負載值)
步驟3：
StallGuard2值SG_RESULT受電機特性及特定應用的負載和速度影響。因此，針對特定電機類(lèi)型和運行條件調整Stallguard2閾值SGT的最簡(jiǎn)單方法是在實(shí)際應用中進(jìn)行交互式調整。
接下來(lái)調整StallGuard2的SGT的初始步驟。
1.以適用的正常運行速度運行電機，并監控SG_RESULT 。
2.緩慢增加電機的機械負載。如果電機在SG_RESULT達到0之前停止，則減小SGT。如果SG_RESULT在電機停止之前達到0，則增大SGT。0是SGT初始值。SGT是有符號的，可正可負。
3.將TCOOLTHRS設置為高于TSTEP的值，并啟用sg_stop使能堵轉停止功能。確保電機在停機時(shí)安全停止。如果電機在堵轉發(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。
4.在電機增加負載堵轉前，SG_RESULT最佳范圍大約在0和10之間，且在沒(méi)有負載的情況下SG_RESULT增加100或更多時(shí)。在大多數情況下，SGT應在某個(gè)運動(dòng)速度或速度范圍調整。確保設置在一定范圍內(例如所需速度的80%至120 %)以及極端電機條件下(最低和最高適用溫度)工作可靠。
允許自動(dòng)調整 SGT 的可選步驟
SGT設置背后的基本思想是補償電機內部電阻損耗的對StallGuard2影響。在靜止和非常低的速度下，由于機械功率為零或接近零，電阻損耗是電機能量平衡的主要因素。這樣可以將SGT設置為接近零速度的最佳值。該算法特別適用于在應用中調整SGT，以獲得與環(huán)境條件、電機雜散等無(wú)關(guān)的最佳結果。
1.以小于10 RPM(即每秒幾個(gè)至幾十個(gè)全步的低速運行電機，并獲得目標運行電流和電源電壓。)在此速度范圍內，SG_RESUL對電機負載的依賴(lài)性不大，因為電機不會(huì )產(chǎn)生顯著(zhù)的反電勢。因此，機械負載對結果影響不大。
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SGT值較高時(shí)，SG_RESUL將上升到最大值，繼續增大SGT則SG_RESULT會(huì )溢出到0�，F在，SGT值被設置成最大敏感。當看到SG_RESULT以較高的速度增加時(shí)，則檢測到堵轉。
該參數設置下堵轉檢測的上限速度由速度確定，在該速度下，電機反電勢接近電源電壓，速度繼續增大電機電流開(kāi)始下降。
當電機堵轉時(shí)，SG_RESULT變?yōu)?，可配置斜坡發(fā)生器 SW_MODE中的sg_stop 使能在堵轉事件時(shí)停止電機。將TCOOLTHRS設置為與較低的速度閾值相匹配，在該閾值下，StallGuard2 結果最佳，完成有效的sg_stop。
ADI的TMC5160 StallGuard2的功能非常廣泛，TMC5160 CoolStep負載自適應電流控制，也是基于StallGuard2的負載檢測來(lái)控制電流輸出電流大小，實(shí)現低功耗，節約能源，降低芯片溫度。在某些應用中可以通過(guò)力矩來(lái)診斷設備的健康狀況和設備歸零的功能，還可以節省編碼器及光電開(kāi)關(guān)，有效的節約生產(chǎn)成本。其授權代理商Excelpoint世健為客戶(hù)提供技術(shù)支持和指導，提高設備提高效率，助力實(shí)現精確運動(dòng)。 |
