Trends bei intelligenten embedded Schrittmotortreibern

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1 Trends bei intelligenten embedded Schrittmotortreibern Nürnberg, Dipl.-Ing. T. Ostermann, mechapro GmbH Inhalt Aufbau konventioneller Systeme mit und ohne Feldbus Anforderungen an eine in den Motor integrierte Lösung Referenzdesign mit USB- oder LAN-Anschluss Encoder-Integration Die Amis 305xx-Familie Integrierte Diagnosefunktionen Sensorlose Lastwinkelerkennung Designstudie mit USB-Anschluss Zusammenfassung Seite 2 1

2 Aufbau konventioneller Systeme mit und ohne Feldbus übergeordnete Steuerung Supply Treiber Treiber Encoder Motor Switch Hoher Verdrahtungsaufwand, besonders, wenn Drehgeber oder Endschalter verwendet werden Takt-/Richtungsschnittstelle als Quasistandard, erfordert zentrale Steuerung mit schnellen I/Os, keine Diagnose möglich Geeignet für alle Motorbaugrößen Seite 3 Aufbau einer Motor integrierten Lösung übergeordnete Steuerung Supply Switch Reduzierter Verdrahtungsaufwand durch integrierten Encoder digitale I/Os Bus-Verkabelung Punkt-zu-Punkt (Feldbusse) oder über lokale Hubs (USB, Ethernet) Möglichkeit zur Fehlerdiagnose über den Bus Betrieb direkt am PC (USB, Ethernet) Geeignet für Motoren ab 42mm mit mittleren Strömen und Kleinspannungen bis 48V Seite 4 2

3 Anforderungen an eine in den Motor integrierte Lösung Wenige ICs in kleinen Gehäusen Minimale Anzahl an externen Bauteilen Digitale Sollwertvorgabe zwischen uc und Treiber Integrierte Schutzbeschaltung Ggf. Verzicht auf Messwiderstände Niedrige Verlustleistung im Treiber Einfacher und kostengünstiger Feldbus oder Standard- Schnittstelle aus der IT-Welt, je nach Anwendung Fokussierung auf die für die Anwendung erforderlichen I/Os und Funktionen Entwicklung kundenspezifischer Lösungen Bei Verwendung von PC-Schnittstellen: Softwareschnittstelle unabhängig von physikalischer Schnittstelle Einsatz einer Motion-Control-DLL Seite 5 Referenzdesign mit USB- oder LAN-Anschluss Für Motoren ab Nema23 (56mm Flansch) bis 3A/Phase Modularer Ansatz zur Reduktion der Entwicklungskosten Nur ein Leistungsteil für alle Varianten Standard oder kundenspezifischer Controllerteil Bus: USB, LAN, CANopen, RS-485, Profinet Zusätzliche digitale I/O möglich Bei Bedarf integrierter Encoder auf Hallsensor-Basis Kombinierbar mit Motoren verschiedener Hersteller Ausführungen mit USB oder LAN für die einfache Integration in PC-basierte Steuerungen, z.b. in der Laborautomatisierung Blechgehäuse oder Vollverguss möglich Softwareschnittstelle: Standard: Motion-Control-DLL (USB, LAN) Optional kundenspezifisches Protokoll, wenn z.b. eine bestehende Anwendung nicht geändert werden soll Seite 6 3

4 Referenzdesign - Integrierter singleturn Absolutencoder Kostengünstige und platzsparende Alternative zu optischen Gebern Auflösung bis zu 12-bit, singleturn absolut Unempfindlich gegen Verschmutzung (Staub, Ölnebel, ) Gegenüber externen Treibern entfällt zusätzlich die Verdrahtung des Drehgebers zum Treiber Anwendungen: Anwendungen mit hohen Sicherheitsanforderungen (Überlasterkennung) Vermeidung von Referenzfahrten (für Drehwinkel <360 ) Verbesserung der Energieeffizienz durch lastabhängige Anpassung des Motorstroms Vollständiger Closed-loop Betrieb Seite 7 Die OnSemi-305xx Familie Schrittmotortreiber mit integrierten FETs Schrittmotor-Treiber und PWM-Stromregler Doppel H-Brücke für 2-Phasen Schrittmotoren Motorstrom wählbar über internen 5-bit DAC Maximaler Peak-Strom 0,8/1,6/3,2 A abhängig vom Produkt 7 Schrittweiten von Vollschritt bis zu 32 Mikroschritt Voll integrierte Strommessung, ohne externen Shunt PWM Stromregelung mit mixed decay Versorgungsspannung 6V= bis 30V= Interface Schnelle Motorsteuerung über Takt-/Richtungseingänge SPI-Interface für Konfiguration & Diagnose Speed and load-angle Ausgang, z.b. zur sensorlosen Überlast- oder Anschlagerkennung Integrierte Schutzschaltungen für die Ausgänge Temperaturüberwachung mit Warnung und Abschaltung Gehäuse: NQFP-32 (7 x 7mm) Integrierter Spannungsregler Erzeugt 5V für die externe MCU (nur 305x2) Seite 8 4

5 Integrierte Diagnosefunktionen Einfache Diagnose von Fehlerzuständen über digitale Schnittstellen (z.b. Kabelbruch / open load ) Schutz von Motor und Treiber vor Überlast (Kurzschluss, Übertemperatur) Übertemperatur-Warnung erlaubt eine Reaktion der übergeordneten Steuerung, bevor der Treiber endgültig abschaltet (z.b. geordnetes Herunterfahren des Systems) Signalisierung von Fehlern über einen I/O-Pin, daher kein Polling über SPI erforderlich Seite 9 Sensorlose Lastwinkelerkennung Die OnSemi 305XX-Treiber erlauben eine einfache Messung der induzierten Gegenspannung im Motor (Back-EMF) Diese im Nulldurchgang des Stroms gemessene Spannung wird am SLA- Ausgang bereitgestellt Die Back-EMF ist von der Drehzahl und dem Lastwinkel des Motors abhängig Damit lassen sich ohne externe Sensoren Rückschlüsse auf die Belastung des Motors ziehen Deutlich höhere Auflösung als bei anderen Produkten mit digitaler Lastwinkelerkennung (3 bit) Quelle: on Semi Seite 10 5

6 Sensorlose Lastwinkelerkennung Die Messung zeigt den SLA-Ausgang (grün) abhängig von der Geschwindigkeit (Takteingang in gelb) Deutlich zu erkennen: Die Back-EMF ist geschwindigkeitsproportional In den Bereichen, in denen Motor und angekoppelte Mechanik zu Resonanzen neigen, ist die Auswertung der Back-EMF schwierig oder gar unmöglich Bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten ist ebenfalls keine Auswertung möglich Mögliche Anwendungen: Überlasterkennung Referenzierung / Lagebestimmung Lastabhängige Bestromung des Motors Quelle: on Semi Seite 11 Designstudie mit USB-Anschluss Sehr kompakte Lösung für Nema17-Motoren (42 er Flansch) Varianten mit CANopen oder RS-485 möglich 2. Wellenende bleibt zugänglich (z.b. für Encoder) AMIS treibt bis 1,6A, Variante mit AMIS für Peak-Ströme bis 3,2A Diverse kundenspezifische Sonderfunktionen implementierbar Seite 12 6

7 Zusammenfassung Motor integrierte Treiber mit USB-Schnittstelle sind ohne SPS oder andere Steuerung verwendbar und ermöglichen dank Motion-Control-DLL den schnellen Einsatz in der Anwendung Die Bus-Anbindung ermöglicht schnelle und einfache Fehlerdiagnose Der Verdrahtungsaufwand wird deutlich reduziert, EMV- Verhalten und Störfestigkeit verbessert Durch den modularen Aufbau reduzieren sich Entwicklungskosten und time2market für kundenspezifische Lösungen Die sensorlose Lastwinkelerkennung oder ein integrierter Encoder ermöglichen intelligente Lösungen und Zusatzfunktionen Seite 13 Wir bewegen Ihre Ideen! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Weitere Informationen erhalten Sie in Halle 4 am Stand 490 Seite 14 7