plik

7/8

ipiec

– S

ierpień

2009

orzystając z najnowszych układów
scalonych i komponentów specjali-

stycznych firm, takich jak Trinamic, fir-
ma WObit opracowuje i produkuje coraz
nowsze sterowniki silników krokowych
i urządzenia z zakresu pozycjonowania,
oferując obok czujników ważny asorty-
ment techniki liniowej, pozwalający na
budowę  kompletnych  urządzeń  pomia-
rowych i wykonawczych. Jednocześnie,
co rzadkie nie tylko na polskim rynku,
WObit stara się popularyzować zdobytą
na temat małych napędów wiedzę oraz
sprzedaje potrzebne do budowy sterow-
ników  komponenty,  wspomagając  rów-
nież konkurencyjne rozwiązania.

Mikrokrok dla precyzyjnego
pozycjonowania

Praca z mikrokrokiem polega na ob-

racaniu polem magnetycznym stojana
w sposób bardziej płynny niż w sterowa-
niu pełno- i półkrokowym, dzięki two-
rzeniu wielu progów prądowych, co po-
zwala na uzyskiwanie dodatkowych pozy-
cji rotora. Powoduje to mniejsze drgania
i umożliwia niemal bezszumowe poru-
szanie się silnika nawet przy bardzo ma-
łych prędkościach bez przekładni mecha-
nicznej aż do zatrzymania. Dzięki pracy
z mikrokrokiem możliwe jest uzyskanie
mniejszych kroków i pozycjonowania
o większej rozdzielczości.

Rotor będzie poruszał się znacznie

gładszym ruchem przy niskich często-
tliwościach, ponieważ pole magnetyczne
stojana, które określa stabilną pozycję ro-
tora, porusza się bardziej płynnie w po-
równaniu ze sterowaniem pełno- i półkro-
kowym. W wielu zastosowaniach praca
mikrokrokowa pozwala zwiększyć efek-
tywność systemu, a także zmniejszyć je-
go złożoność i koszt w porównaniu z pra-

cą pełno- i półkrokową. Mikrokrok może
być użyty w celu rozwiązania problemów
z rezonansami, a także w celu zwiększe-
nia dokładności i rozdzielczości.

Z wykresu na rys. 1 widać, że praca

półkrokowa w porównaniu z pełnokro-
kową ogranicza energię wzbudzającą re-
zonans do 29%. Jeśli rozpatrywać mi-
krokrok o podziale 1/32, pozostaje tylko
0,1% energii pełnego kroku niezbędnej
do wykonania ruchu, co oznacza auto-
matycznie radykalne zmniejszenie moż-
liwości wystąpienia niepożądanych zja-
wisk związanych z rezonansem. Urządze-
nia pomiarowe wymagają precyzyjnego
przemieszczania z kontrolą pozycji bez
gwałtownych skoków wskutek przestero-
wania czy drgań.

Kiedy silnik sterowany jest przy małej

prędkości z pełnym krokiem lub półkro-
kiem, ruch staje się nieciągły i charak-
teryzuje się dużym poziomem zakłóceń
i drgań, szczególnie w obszarze często-
tliwości w pobliżu i poniżej naturalnej
częstotliwości  układu.  Mikrokrokowe
sterowanie  pozwala  natomiast  w  łatwy
i  bezpieczny  sposób  rozszerzyć  zakres
częstotliwości w dół (do 0 Hz). Zwykle
jest wtedy konieczne zastosowanie po-

działu krokowego większego niż 1/32
pełnego kroku. Przy tak małym kroku
energia przekazana rotorowi przy jednym
kroku elektrycznym wynosi tylko 0,1%
energii pełnego kroku, czyli jest tak mała,
że może być z łatwością pochłonięta przez
wewnętrzne tarcie w silniku. Nie powstają
wtedy groźne drgania ani silnik nie wy-
biega w danej chwili poza swoje pożądane
położenie. Odchylenie kolejnych pozycji
mikrokrokowych rotora od pozycji ide-
alnej zależy wtedy w głównej mierze od
użycia nieskompensowanych przebiegów
wejściowych sinus/cosinus.

Chociaż układ elektroniczny służący

do pracy z mikrokrokiem jest bardziej
złożony niż w przypadku pełnego czy
półkroku, całkowita złożoność systemu
wraz z silnikiem, przekładnią i elemen-
tami przenoszenia napędu jest mniejsza,
wiąże się zatem z mniejszymi kosztami.
Zastosowanie pracy mikrokrokowej może
wpłynąć na uproszczenie przekładni i me-
chanizmów tłumiących drgania, ułatwia
też wybór silnika.

Układy scalone do pracy
mikrokrokowej

Produktem z rodziny układów scalo-

nych Trinamic, skupiającym w jednym
czipie wymagane funkcje do pracy mi-
krokrokowej  silnika,  jest  kontroler  ru-
chu dla bipolarnych silników krokowych
TMC236 zawierający stopnie mocy. Po-
zwala na uzyskanie prądu 1,5 A na fa-
zę bez konieczności stosowania dodatko-
wych urządzeń chłodzących. Wbudowana
kontrola prądu płynącego przez uzwoje-
nia  silnika  oraz  funkcja  programowa-
nia szybkości narastania zbocza wpływa
na  zmniejszenie  emisji  zakłóceń  EMV
(poprzez zmniejszenie harmonicznych).
Dzięki małej powierzchni (rys. 2) i wy-
sokiej efektywności nadaje się do zasto-
sowań  w  miniaturowych  i  bateryjnych
układach  sterowania.  Układy  TMC236
produkowane są w obudowach PQFP-44
i spełniają wymagania standardu RoHS.
Obok  typowego  wejścia  impulsowe-
go (schemat blokowy na rys. 3) interfejs
SPI umożliwia wydajną kontrolę cyfrową
wielu układów.

Pozycjonowanie urządzeń pomiarowych

z napędem krokowym

Witold Ober

Małe napędy z silnikami krokowymi, pozwalające na precyzyjne pozycjonowanie,
potrafią wyeliminować droższe napędy w warunkach przemysłowych
nie tylko w urządzeniach technologicznych, ale i pomiarowych.
Firma WObit ze swoją obszerną ofertą silników krokowych i produkowanych
w Poznaniu sterowników oraz ofertą bezstykowych metod pomiarowych
wychodzi naprzeciw zapotrzebowaniu na ekonomiczny pomiar
i pozycjonowanie w różnych dziedzinach produkcji.

% energii przy pełnym kroku

Długość kroku względem pełnego kroku

Rys. 1. Względna energia wzbudzająca

jako funkcja długości kroku elektrycznego

(podziału)

7/8

ipiec

– S

ierpień

2009

Ogólna charakterystyka układu

TMC236:

pełne zabezpieczenie i diagnostyka;

małe straty mocy;

szesnastokrotny mikrokrok;

podział kroku do 64 razy poprzez do-

datkowy rejestr zmienny;

miksowany tryb gaszenia tranzysto-

rów dla uzyskania płynnej pracy;

programowalna kontrola zbocza od

30 ns do 500 ns;

wbudowany i zewnętrzny zegar ukła-

du PWM;

opcje spoczynku i wyłączenia.

Parametry elektryczne:

prąd sterowania szczytowo osiąga

1500 mA;

3,3 V lub 5 V dla części cyfrowej;

napięcie zasilania 7–34 V dla stopnia

mocy napędu (TMC236A).

Interfejs:

SPI;

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.
Miniaturowy stopień mocy zbudowany
na układzie TMC246 jest w stanie zasi-
lić silnik o prądzie fazy od 0,3 A do 1,1 A
(w szczycie do 1,5 A) z zasilania 7 V do
30 V, dostarczając mikrokroku o stopniu
podziału 64. Wbudowany mikrokontro-
ler zarządza ruchem silnika zarówno po
łączu szeregowym RS485, jak i zwykłym
wejściem impulsowym i kierunku.

Dla silników o dużym prądzie fazy de-

dykowany  jest  układ  scalony  TMC239
(rys.  5).  Nie  posiada  stopnia  mocy,  ale
ma budowę otwartą do przyłączenia do-
wolnego  stopnia  mocy.  Konieczne  jest
zastosowanie  dodatkowych  tranzysto-
rów kluczujących, po cztery tranzysto-
ry w każdym mostku dla obu faz silnika.
Jeśli użyte zostaną tranzystory z małym
ładunkiem bramki, nie potrzeba dodatko-
wych wzmacniaczy prądu drenu. Przy ze-

Rys. 2. Układ scalony TMC236

Rys. 3. Schemat blokowy układu TMC236

Rys. 4. Silnik krokowy z zamontowanym sterownikiem i płytka sterownika TMCM-013-42

7/8

ipiec

– S

ierpień

2009

wnętrznych miniaturowych tranzystorach
MOSFET układ zapewnia zasilanie silni-
ka prądem fazy o wartości do 4 A. Pre-
cyzyjna kontrola prądu i zabezpieczenia
sprawia, że jest bardzo efektywny i odpor-
ny na warunki temperaturowe otoczenia.
Komunikację zapewnia interfejs SPI, jak
i klasyczna kontrola analogowa/cyfrowa
(schemat blokowy na rys. 6). Przy użyciu
specjalizowanych wzmacniaczy sterownik
silnika w oparciu o TMC239 może do-
starczyć dużego prądu fazy. Układ scalony
TMC239 produkowany w obudowie SO28
posiada certyfikat zgodności RoHS.

Ogólna charakterystyka układu

TMC239:

pełne zabezpieczenie i diagnostyka;

małe straty mocy;

szesnastokrotny mikrokrok;

możliwość podziału kroku do 64 razy

poprzez dodatkowy rejestr zmienny;

miksowany tryb gaszenia tranzysto-

rów dla uzyskania płynnej pracy;

programowalna kontrola zbocza;

wbudowany i zewnętrzny zegar ukła-

du PWM;

opcje spoczynku i wyłączenia.

Parametry elektryczne:

prąd sterowania szczytowo osiąga

1500 mA;

zasilanie 3,3 V lub 5 V dla części cy-

frowej;

napięcie zasilania 7–34 V stopnia mo-

cy napędu (TMC239A).

Interfejs:

SPI;

klasyczne wejścia zegar/kierunek.

Poszerzony w stosunku do TMC239

o  stallGuard  (mechanizm  wykrywania
utraty synchronizmu) czip TMC249 jest
wykorzystany w przedstawionym na rys.
7 sterowniku TMCM-111-56, przeznaczo-
nym do zabudowy na silniku krokowym
z rozmiaru 56 mm. Miniaturowy stopień
mocy zbudowany na układzie TMC249
jest w stanie zasilić silnik o prądzie fazy
do 5 A (7 A szczytowo) ze źródła zasila-
nia 15 V do 36 V, dostarczając mikrokro-
ku o stopniu podziału 64. Wbudowana in-
teligencja sterownika w postaci interpre-
tera oprogramowania TMCL pozwala na
zapamiętanie do 2048 rozkazów TMCL
i  przeprowadzenie  kompleksowych  ru-
chów w zaprogramowanych trajektoriach,
których rampy generowane są przez czip
TMC428.  Cztery  interfejsy  szeregowe
wyczerpują potrzeby komunikacji silni-
ka z nadrzędnym komputerem.

Sterownik SMC139WP

Popularny sterownik mikrokrokowy

SMC139WP (rys. 8) ze stopniami mocy
dla 2-fazowego silnika krokowego o prą-
dzie fazy 3 A do 8,2 A, zapewniający dy-

namiczną pracę średniego i dużego ze-
społu  napędowego,  również  bazuje  na
układzie TMC239. Dzięki nowoczesnej
technologii urządzenie ma niewielkie roz-
miary – mieści się w aluminiowym profi-
lu zamkniętym przeznaczonym do zabu-
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.

Stopnie mocy w sterowniku SMC139

pracują przy niesłyszalnej częstotliwości
czopowania 20 kHz, a mieszany sposób
gaszenia prądu daje oszczędności energii
przy optymalnym kształcie przebiegu prą-
du, co wiąże się z precyzją ruchu silnika
krokowego (tryb mixed decay). W ukła-
dzie sterującym TMC239 zawarte są nie-
liniowe przetworniki D/A, pozwalające
na uzyskanie podziału krokowego 1/10.
Układ wyposażony jest w precyzyjną kon-
trolę prądu oraz kontrolę przeciążeń gór-
nej i dolnej gałęzi mostka mocy wykorzy-
stującego nowoczesne tranzystory mocy
HEXFET o niskiej rezystancji włączenia
i wysokim prądzie ciągłym. Osiem takich
tranzystorów sterowanych jest przez dwa
wydajne układy drivera HIP4081 z uwagi
na potrzebę dostarczenia dużego ładunku
do bramek tranzystorów FET. Stan prze-
ciążenia termicznego lub rozwarcia most-
ka (przewody od silnika) sygnalizowany
jest na wyjściu jako stan alarmowy. Ste-
rownik ma zaimplementowane dodatko-
we funkcje, jak filtr przeciwzakłócenio-
wy pozwalający na eliminowanie krótko-
trwałych impulsów na wejściu CLK, oraz
automatyczną redukcję prądową.

Sterownik można zasilać stałym napię-

ciem niestabilizowanym z zakresu 24 do

Rys. 5.

Układ

scalony

TMC239

Rys. 6. Schemat blokowy układu TMC239

Rys. 7. Płytka sterownika TMCM-111-56

Rys. 8. Sterownik SMC139WP

7/8

ipiec

– S

ierpień

2009

75 V, co pozwala na uzyskiwanie więk-
szych prędkości obrotowych silnika niż
przy zasilaniu niższym napięciem. Do-
datkowe podziały 1/5 i 1/10 kroku uła-
twiają przeliczanie wartości skoku rotora
na np. przesunięcie liniowe przy współ-
pracy ze śrubami pociągowymi (przy po-
dziale 1/5 na jeden obrót rotora potrzebne
jest 1000 mikrokroków, czyli jeden mi-

krokrok powoduje przesunięcie o 1/1000
skoku śruby).

Popularny interfejs sterowania SMC139

zgodny z pozostałymi sterownikami ofe-
rowanymi przez firmę WObit (interfejs
krok/kierunek), umożliwia proste zastą-
pienie słabszego sterownika, gdy wystę-
puje potrzeba podniesienia dynamiki pra-
cy maszyny. Zaletą sterownika jest moż-
liwość zmian prądu fazy sterownika za
pomocą  miniaturowych  przełączników
DIP,  bez  żadnej  ingerencji  we  wnętrze
sterownika.  Tak  samo  wybrać  można
głębokość podziału krokowego oraz włą-
czyć automatyczną redukcję prądu fazy
i filtr sygnału kroku. Obudową sterow-
nika jest aluminiowy profil z zamonto-
wanym wentylatorem. Wszystkie sygnały
zewnętrzne (zarówno sterujące, jak i prą-
dowe) wyprowadzone są za pomocą roz-
łącznych złącz śrubowych, co znacznie

upraszcza i przyspiesza proces montażu
sterownika na maszynie. Do dyspozycji
użytkownika jest także dodatkowe, odizo-
lowane galwanicznie napięcie 5 V, służące
do zasilania optoizolowanych obwodów
wejściowych.

Opisywany wyżej sterownik oczeku-

je impulsów sterujących (CLK=STEP=
=KROK), które decydują o osiąganej
przez silnik krokowy prędkości i docelo-
wej pozycji oraz sygnału deklarującego
kierunek obrotu (DIR=KIER). Sygnały
takie generują najprostsze generatory lub
odpowiednio zaprogramowane sterowni-
ki PLC posiadające wyjście do sterowania
silnika krokowego, a także specjalizowa-
ne indeksery, np. MI188, MI389, i karty
pozycjonujące, jak np. LMKPCI-4P.

Urządzenia takie zostaną opisane wraz

z przykładowymi aplikacjami w następ-
nym zeszycie NiS w kontynuacji tego ar-
tykułu.

Rys. 9. Schemat

blokowy sterow-

nika SMC139WP

Układ
optoizo-
lacji

Zasil. od +24 do 75 V DC

Silnik
2-fazowy
bipolarny
do8,2 A
na fazę

Układ
sterujący
uP

Stopnie
mocu FET

Drivery FET
HIP8041

Sterowniki
TMC239

Nastawa
podziału
krokowego

Pamięć
nieulotna

sygn.
we/wy

Rys. 10. Mikroindekser MI1.8.8

www.wobit.com.pl

www.silniki.pl

www.trinamic.de