כיצד לאמץ דוחפי סולנואיד ומנוע צעד עבור יישומים תעשייתיים

יישומים של התקני קצה, כגון מערכות בקרה של רצפת מפעל, רכב וציוד מעבדה משתמשות יותר ויותר ביכולות של אינטרנט של דברים (IoT) ובינה מלאכותית (AI) עבור קבלת החלטות בשיהוי קצר, ביצועים גבוהים יותר, עלות נמוכה יותר ובטיחות ותפוקה גבוהות יותר. דוחפים של סולנואידים ומנועי צעד חייבים להתפתח ולשלב יותר חישה ואינטליגנציה מובנות כדי להקל על השתלבותם בסביבה זו המתפתחת במהירות, וכדי לשפר עוד יותר דיוק, אמינות, בקרת חוג-סגור, עלות, חתימת-שטח וקלות שימוש.

מאמר זה מסכם את הפעולה הבסיסית של סולנואידים ומנועי צעד ומתאר את היתרונות של‏ מעגלים-משולבים (ICs‏) דוחפים עבור הקצה האינטליגנטי‏. אחר כך הוא מציג ומסביר כיצד להתחיל לתכנן עם דוחפי דוגמה מבית Analog Devices‏.

סולנואידים ומנועי צעד: דומים ועם זאת שונים

סולנואידים ומנועי צעד ממירים זרם חשמלי לתנועה פיזית באמצעות סליל‏ מלופף הפועל‏ כאלקטרומגנט. למרות ההבדלים במראה ובתפקוד, מאפייני הסליל המשותפים מאפשרים לאותו IC דוחף לשמש עבור שני המפעילים בנסיבות מסוימות.

סולנואידים הם רכיבים פשוטים יחסית המפתחים תנועה מכנית לינארית עם החלת זרם. הם כוללים‏ סליל חשמלי מלופף סביב צינור גלילי‏ עם מפעיל (Actuator)‏ פרו-מגנטי (Ferromagnetic) (הנקרא גם טובלן (plunger) או עוגן (armature)) בליבה החלולה, שחופשי לנוע בתוך גוף הסליל (איור 1‏, שמאל).

לעומת זה, מנועי צעד משתמשים בסלילי סטטור מרובים מסודרים סביב היקף גוף המנוע (איור 1‏, ימין). למנוע יש גם סט מגנטים קבועים המוצמדים לרוטור‏ שלו.

איור 1: מבנה סולנואיד הכולל סליל‏ מלופף עם‏ טובלן פנימי מחליק (שמאל); מנועי צעד הם מסובכים יותר, עם מגנטים קבועים על הרוטור וסלילים אלקטרומגנטיים מסודרים על הסטטור (ימין). (מקור תמונה: Analog Devices,‏ Monolithic Power Systems)

עבור סולנואידים, התנועה של הטובלן היא‏ אימפקט יחיד של “מכה'” המתרחש כשמפעילים זרם, שמטיח את הטובלן למיקומו הקיצוני. כשמוסרת אספקת הכוח, מרבית הסולנואידים משתמשים בקפיץ כדי להחזיר את הטובלן למצב המנוחה הנומינלי שלו.

בשיטת הדחיפה הבסיסית ביותר, הסולנואיד מבוקר על ידי פולס זרם מופעל/מופסק חד.‏ בעוד זה‏ פשוט וישיר, החסרונות שלו כוללים כוח אימפקט חזק, רעידות, רעש נשמע וחשמלי, אי-נצילות חשמלית, ובקרה מועטה על פעולת הטובלן או חזרתו.

הפעולה הסיבובית של‏ מנוע הצעד מופעלת כשסלילי הסטטור מופעלים באופן סדרתי, והשדה המגנטי המסתובב המתקבל מושך את מגנטי העוגן (armature). על ידי בקרת סדר ההפעלה, ניתן לגרום לרוטור של מנוע הצעד להסתובב ברציפות, לעצור או להפוך כיוון.

בניגוד לסולנואיד, שאין ביחס אליו שיקולי תזמון, סלילי הסטטור חייבים להיות מופעלים באופן סדרתי ועם רוחב הפולס הנכון, בין שאר התכונות.

דוחפים חכמים מתגברים על מגבלות, משפרים ביצועים

על ידי בקרה קפדנית של הזרם הדוחף את הסלילים של‏ סולנואידים ומנועי צעד, כולל צורת פרופיל הגל, שיפוע העליה והירידה, ופרמטרים אחרים, דוחף‏ אינטליגנטי יכול לספק יתרונות רבים, כולל:

• חלקות משופרת של תנועה וסיבוב עם שקשוק מינימלי‏
• הפחתת רעידות ואימפקט, במיוחד עבור סולנואידים
• מיקום מדויק יותר עבור התחלה/עצירה/היפוך תנועה של מנוע הצעד
• ביצועים עקביים וסיגול לטרנזיינטים או תנאי עומס משתנים
• נצילות משופרת
• פחות בלאי פיזי
• יצירת פחות רעש נשמע וחשמלי
• קלות התחברות עם מעבד מפקח, חיוני עבור התקנות ‏IoT

ה-Analog Devices MAX22200,‏ דוחף סולנואיד ומנוע צעד מבוקר-טורית, משולב, מראה מה דוחף מתוחכם יכול לעשות עבור סולנואידים (איור 2‏). שמונה דוחפי החצי-גשר 1 אמפר (A‏) ב-IC זה של 36 וולט ניתנים לחיבור במקביל‏ כדי להכפיל את זרם הדחיפה, או להגדרת תצורתם כגשרים מלאים כדי לדחוף עד ארבעה שסתומים ננעלים (latched) (נקראים גם שסתומי שני מצבים).

איור 2: ה-Analog Devices MAX22200 הוא דוחף סולנואיד ומנוע צעד מבוקר-טורית, משולב, עם שמונה דוחפי חצי-גשר הניתנים לסידור בתצורות שונות. (מקור תמונה: Analog Devices)

דוחף זה תומך בשתי שיטות בקרה: ויסות על ידי דחיפת-מתח (VDR) וויסות על ידי דחיפת-זרם (CDR). ב-VDR, ההתקן מוציא מתח מאופנן רוחב פולס ‏(PWM) בו מחזור הפעולה (duty cycle) מתוכנת תוך שימוש בממשק ה-SPI שלו. זרם היציאה הוא יחסי למחזור הפעולה (duty cycle) המתוכנת עבור מתח אספקה נתון ונגד סולנואיד. CDR‏ הוא צורת בקרה בחוג-סגור בה מעגל חישת-זרם ללא-הפסדים, משולב, חש את זרם היציאה ומשווה אותו לזרם ייחוס‏ פנימי ניתן-לתכנות.

בניגוד לדוחף מקור-זרם‏ פשטני, ה-MAX22200 מציע התאמת פרופיל דוחף-הזרם. כדי למטב ניהול הספק ביישומי דחיפת סולנואיד, רמת דחיפת הערור (I_HIT), רמת דחיפת ההמתנה (I_HOLD) וזמן דחיפת הערור (t_HIT) ניתנים להגדרה בנפרד עבור כל ערוץ. הוא מציע גם מאפייני הגנה וקשורים-לתקלה מרובים, כולל:

• הגנת זרם-יתר (OCP)
• גילוי עומס מנותק (OL)
• כיבוי תרמי (TSD)
• השבתת תת-מתח (UVLO)
• אימות גילוי תנועת‏ טובלן (DPM‏)

ארבעת המאפיינים הראשונים הם סטנדרטיים ומובנים היטב. DPM‏ דורש הסבר נוסף. לדוגמה, אם השסתום עובד נכון כשהסולנואיד‏ מופעל בשסתום מבוקר-סולנואיד,‏ פרופיל הזרם אינו מונוטוני‏ (איור 3‏, עקומה שחורה). במקום זה, הוא מראה נפילה בשל הכוח האלקטרו-מניע לאחור (BEMF) המיוצר על ידי תנועת הטובלן (איור 3‏, עקומה כחולה).

איור 3‏: כשדוחפים‏ סולנואיד, ה-MAX22200 יכול לגלות‏ סולנואיד או שסתום תקוע על ידי חיפוש ירידת הזרם המצופה בשל BEMF ביחס לערך הסף (IDPM_TH) כשהסולנואיד נדחף מהזרם ההתחלתי (I_START) לרמת דחיפת העירור הסופית (I_HIT). (מקור תמונה: Analog Devices)

כשמוגדרת ומשמשת עבור סולנואידים, פונקציית ה-DPM‏ של‏ ה-MAX22200 מגלה את הנוכחות של‏ נפילת ה-BEMF‏ בשלב העירור. אם הנפילה אינה מתגלה, אינדיקציה על כך מופיעה על פין התקלה ובאוגר התקלה הפנימי‏.

ערכות הערכה מקלות על התהליך

כדי לפתור סוגיות המתיחסות לביצועי המערכת תחת דרישות סטטיות ודינמיות ותנאי עומס שונים, Analog Devices‏ מציעה את לוח ההערכה MAX22200EVKIT# Solenoid Control Power Management עבור ה-MAX22200 (איור 4‏). ערכת הערכה (EVK‏) זו מאפשרת בקרה טורית של‏ ה-MAX22200 וניטור תקלות באמצעות ממשק‏ USB‏-ל-SPI משולב, דרך מיקרו-בקר‏ MAX32625. היא כוללת ממשק משתמש גרפי (GUI) תואם-Windows‏ עבור הפעלת המאפיינים של ה-‏MAX22200 IC, ובכך הפיכתה למערכת הערכה מבוססת-PC שלמה.

איור 4‏: לוח ההערכה MAX22200EVKIT# Solenoid Control Power Management עבור ה-MAX22200 מסייע להפעלה מלאה של ה-IC והעומס שלו על ידי שימוש ב-GUI מבוסס-Windows. (מקור תמונה: Analog Devices)

לוח מורכב ובדוק במלואו זה ניתן-להגדרת תצורה כסולנואיד‏ צד-גבוה/צד-נמוך, ועבור שסתומים ננעלים (latched) (לרוב נדחפים על ידי סולנואידים) או מנועי DC עם-מברשות.

מנועי צעד: לבקרת יותר דרגות חופש

מנועי צעד הם יותר מסובכים מסולנואידים ודורשים יותר בקרה. זה‏ נראה במאפיינים של‏ ה-Analog Devices TMC5240 (איור 5‏), IC דוחף ובקר מנוע צעד ביצועים-עיליים, משולב, ‏עם ממשקי תקשורת טורית (SPI,‏ UART‏), יכולות דיאגנוסטיקה נרחבות ואלגוריתמים משובצים.

איור 5‏: ה-IC דוחף ובקר מנוע-צעד ביצועים-עיליים TMC5240 משבץ אלגוריתמים מתוחכמים כדי לספק ביצועים אופטימליים עם סולנואידים ומנועי צעד. (מקור תמונה: Analog Devices)

IC זה משלב מחולל ‏אות עולה ויורד ליניארית (ramp generator) גמיש של שמונה-נקודות עבור Jerk מינימלי תוך כדי מיקום אוטומטי ביעד. Jerk‏ הוא קצב‏ השינוי של‏ תאוצה, ו-Jerk חריג יכול לגרום לבעיות מערכת רבות ובעיות ביצועים. דוחף מנוע-צעד זה משלב גשרי-H‏ 36 וולט‏, A‏ 3‏ עם התנגדות מצב-מופעל של 3‏0.2‏ אוהם (Ω‏) וחישת זרם משולבת לא-מפזרת (ICS). ה-TMC5240‏ זמין במארז‏ TQFN32 קטן, ‏5‏ ×‏ ‏5‏ מילימטר (mm), ובמארז‏ TSSOP38 ממוטב תרמית, 9.7 ×‏ 4.4 מ"מ, עם‏ פד אחד חשוף.

ה-TMC5240 מיישם מאפיינים מתקדמים וייחודיים המאפשרים דיוק מוגדל, יעילות אנרגטית גבוהה, אמינות גבוהה, תנועה חלקה ועבודה קרה. מאפיינים אלה כוללים:

• StealthChop2: אלגוריתם Chopper‏ דיוק-גבוה, ללא-רעש, עבור תנועה ועמידה במקום בלתי נשמעות של המנוע,‏ מאפשר האצת והאטת מנוע מהירות יותר מה-StealthChop הפשוט יותר
• SpreadCycle: בקרת זרם מחזור-אחר-מחזור, דיוק-גבוה, לתנועות הדינמיות הגבוהות ביותר
• StallGuard2: מספק Stall detection ללא-חיישן ומדידת עומס מכני עבור SpreadCycle
• StallGuard4: מציע Stall detection ללא-חיישן ומדידת עומס מכני עבור StealthChop
• CoolStep: משתמש במדידת StallGuard כדי להתאים את זרם המנוע לנצילות הטובה ביותר וחימום הנמוך ביותר של המנוע והדוחף

מאפיינים אלה ניתנים להגדרה-מראש ולהפעלה במהלך מחזור העבודה של המנוע. נוסף לכך, ניתן לבקר מומנט בשילוב עם האצה כדי לפתח את הערך הרצוי תוך גרימת האצה והאטה יעילות וחלקות.

לדוגמה, ניתן להשתמש בסט של שלושה מקטעי האצה והאטה ‏בשתי דרכים: עבור התאמה לעקומת המומנט של המנוע על ידי שימוש בערכי האצה גבוהים יותר במהירות נמוכה יותר, או להפחית את ה-Jerk במעבר ממקטע האצה אחד לשני. כדי לענות על שניהם, מחולל פרופיל-התנועה של שמונה-נקודות של TMC5240 מאפשר לבקר לשמור על‏ מקטע מהירות-קבועה בעוד מיקום היעד המבוקש משתנה בזמן אמת, וכתוצאה מכך ההעברות מתבצעות ללא טלטלה (איור 6‏).

איור 6‏: ה-TMC5240 מציע‏ פונקציית מדרגה (ramp) של שמונה-נקודות התומכת בשינוי מיקום יעד תוך-כדי-פעולה, וכתוצאה מכך ההעברות מתבצעות ללא טלטלה. (מקור תמונה: Analog Devices)

בהינתן הגמישות, הוורסאטיליות והמורכבות של‏ IC דוחף זה, לוח ההערכה TMC5240-EVAL הוא תוספת ברוכה (איור 7‏). הוא משתמש בדיאגרמה הסכמטית הסטנדרטית עבור ה-IC ומציע מספר אפשרויות בתוכנה שלו, מה שמאפשר למתכננים לבדוק אופני פעולה שונים.

איור 7‏: על ידי שימוש בלוח ההערכה TMC5240-EVAL ו-GUI נלווה, מתכננים יכולים לחקור ולכוונן את הביצועים של‏ ה-TMC5240 לשילוב הספציפי שלהם של מפעיל (Actuator) ועומס. (מקור תמונה: Analog Devices)

עבור מתכננים עם דרישות הערכה ותכנון פחות מורכבות, Analog Devices‏ מציעה גם את ה-TMC5240-BOB. לוח IC Breakout בסיסי זה מביא את חיבורי הפינים הפיזיים של ה-TMC5240 להיות נגישים למשתמש באמצעות פסי פינים.

סיכום

הוספת אינטליגנציה לדוחפי סולנואיד ומנוע צעד מספקת בקרה וגילוי תקלות טובים יותר, מאפשרת קבלת החלטות בזמן-אמת, ומאפשרת תקשורת עם מערכות בקרה ברמה גבוהה יותר או מערכות פרודוקטיביות מבוססות בינה מלאכותית (AI). דוחפים משולבים ברמה גבוהה, כגון ה-Analog Devices MAX22200 וה-TMC5240, מאפשרים למשתמשים להתחיל לעבוד במהירות עם אלגוריתמים מתקדמים כדי למטב ביצועי סולנואיד ומנוע צעד עבור היישום שלהם.