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基于TMC5160 StallGuard2實戰(zhàn)案例分享

2023/03/01
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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,管道閘中的閥門控制將面臨一定挑戰(zhàn)和障礙,面對這種情況,該如何明確閥門的位置和檢測扭矩?本次技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健邀請到了他們的客戶——行業(yè)資深工程師阮工來分享他的實戰(zhàn)案例。

ADI的TMC5160是一款高度緊湊的步進電機控制器驅(qū)動器IC,具有最低功耗和最高動態(tài)性能的功率級,能確保無噪音運行,結(jié)合最高效率和最佳電機扭矩。阮工運用TMC5160 StallGuard2,通過編碼器來判斷閥門是否已經(jīng)開啟或關(guān)閉,通過扭矩判斷閥門是否異常不能打開和關(guān)閉。該項目輸入?yún)?shù)如下表:

圖1.輸入?yún)?shù)

下圖為阮工結(jié)合硬件原理框架設(shè)置的系統(tǒng)架構(gòu)。

圖2.系統(tǒng)架構(gòu)

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(shè)(光電開關(guān)、編碼器)需求電流不一樣,用戶可以根據(jù)實際需求來選擇型號。

為了實現(xiàn)斷電記憶的功能,使用超級電容來作為備份電源,超級電容芯片選擇LTC3225對超級電容進行充電管理。當電源斷電后超級電容還可以持續(xù)輸出一段時間來維持MCU的供電,MCU就可以檢測輸入電壓來判斷是否已斷電來記錄位置。

MCU供電以MAX8891,MAX8891低壓差(LDO線性穩(wěn)壓器設(shè)計用于提供高達150mA的連續(xù)輸出電流,可以滿足MCU、通信接口芯片的供電電流。

步進電機驅(qū)動部分

步進電機驅(qū)動部分,阮工使用了TMC5160。TMC5160的電壓范圍為8-60V;支持編碼器接口和2個參考開關(guān)輸入;支持StallGuard2高精度的無傳感器負載檢測,可用于閥門故障檢測;外置MOS管,最大支持電流20A。實際應(yīng)用時,選擇60V40A的mos,可以滿足最大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。并且這兩個型號體積小,可以很好地優(yōu)化PCB尺寸。用戶可以根據(jù)項目實際的需求來選擇通信接口。

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(zhuǎn)換,將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號,鏈接TMC5160和MCU的編碼器接口。

程序調(diào)試

由于該案例需要通過力矩來判斷閥門的故障和極限位置作為原點,需要使用StallGuard2的功能。下面介紹StallGuard2的相關(guān)寄存器及配置過程:

關(guān)鍵寄存器:

*IHOLD_IRUN 0X10:電流寄存器-設(shè)置合適的電流,設(shè)置電流大小直接影響電機的負載能力。設(shè)定電流改變后sgt值也需要調(diào)節(jié)。

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(qū)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(shè)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(qū)動錯誤標志0-9bit SG_RESULT(負載值) 用于監(jiān)測電機所剩的扭力。

圖8.SG_RESULT 寄存器表

配置過程通過程序代碼來說明,如下:

步驟1:

spi_writeRegister(SW_MODE,0x0600);--使能StallGuard2
spi_writeRegister(IHOLD_IRUN,value);--設(shè)置電機的額定電流
spi_writeRegister(VMAX,MAX_Speed_);--設(shè)置最高速度
spi_writeRegister(COOLCONF,0);--設(shè)置StallGuard2靈敏度
spi_writeRegister(TCOOLTHRS,setTCOOLTHRS );--設(shè)定停止閾值,此值可以根據(jù)不同的閥門狀態(tài)來設(shè)定,如歸零或開啟/關(guān)閉
spi_writeRegister(RAMPMODE,VELOCITY_MODE_POS);--啟用速度模式

步驟2:

spi_readRegister(DRV_STATUS);--50ms定時讀取SG_RESULT(負載值)

步驟3:

StallGuard2值SG_RESULT受電機特性及特定應(yīng)用的負載和速度影響。因此, 針對特定電機類型和運行條件調(diào)整Stallguard2閾值SGT的最簡單方法是在實際應(yīng)用中進行交互式調(diào)整。

接下來調(diào)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(jiān)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(shè)置為高于TSTEP的值,并啟用sg_stop使能堵轉(zhuǎn)停止功能。確保電機在停機時安全停止。如果電機在堵轉(zhuǎn)發(fā)生前停止,增加SGT。通過禁用sg_stop或讀并寫入RAMP_STAT寄存器(寫+清除功能)重新啟動電機。

4.在電機增加負載堵轉(zhuǎn)前,SG_RESULT最佳范圍大約在0和10之間,且在沒有負載的情況下SG_RESULT增加100或更多時。在大多數(shù)情況下,SGT應(yīng)在某個運動速度或速度范圍調(diào)整。確保設(shè)置在一定范圍內(nèi)(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。

允許自動調(diào)整 SGT 的可選步驟

SGT設(shè)置背后的基本思想是補償電機內(nèi)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(shè)置為接近零速度的最佳值。該算法特別適用于在應(yīng)用中調(diào)整SGT,以獲得與環(huán)境條件、電機雜散等無關(guān)的最佳結(jié)果。

1.以小于10 RPM(即每秒幾個至幾十個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(nèi),SG_RESUL對電機負載的依賴性不大,因為電機不會產(chǎn)生顯著的反電勢。因此,機械負載對結(jié)果影響不大。

2.打開sfilt濾波器。將SGT從0逐漸增加到SG_RESULT開始增加。當SGT值較高時,SG_RESUL將上升到最大值,繼續(xù)增大SGT則SG_RESULT會溢出到0。 現(xiàn)在,SGT值被設(shè)置成最大敏感。當看到SG_RESULT以較高的速度增加時,則檢測到堵轉(zhuǎn)。

該參數(shù)設(shè)置下堵轉(zhuǎn)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(xù)增大電機電流開始下降。

當電機堵轉(zhuǎn)時,SG_RESULT變?yōu)?,可配置斜坡發(fā)生器 SW_MODE中的sg_stop 使能在堵轉(zhuǎn)事件時停止電機。將TCOOLTHRS設(shè)置為與較低的速度閾值相匹配,在該閾值下,StallGuard2 結(jié)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(yīng)電流控制,也是基于StallGuard2的負載檢測來控制電流輸出電流大小,實現(xiàn)低功耗,節(jié)約能源,降低芯片溫度。在某些應(yīng)用中可以通過力矩來診斷設(shè)備的健康狀況和設(shè)備歸零的功能,還可以節(jié)省編碼器及光電開關(guān),有效的節(jié)約生產(chǎn)成本。其授權(quán)代理商Excelpoint世健為客戶提供技術(shù)支持和指導(dǎo),提高設(shè)備提高效率,助力實現(xiàn)精確運動。

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