Motion Controller en Driver Chip

Intelligente stappenmotorsturing in een enkel IC

Met de introductie van de TMC2130, TMC2160, TMC5130 en TMC5160 heeft Trinamic haar familie voor Step/Direction en SPI chipsets behoorlijk uitgebreid. Tijdens de Electronica 2018 in München is daar een driver aan toegevoegd, namelijk de TMC5161. Dit is een driver die alle elektronica herbergt om op een intelligente manier een stappenmotor te sturen die door toepassing van dit IC minder energie gebruikt en nagenoeg onhoorbaar zijn werk doet.

Een stappenmotor laten draaien, is geen ingewikkelde klus. Met een Arduino en een goedkope motor shield is in een paar minuten een stappenmotor aan te sturen. De motor draait dan wel, maar de manier van aansturen kan vele malen beter. Neem alleen al het energiegebruik. Om er voor te zorgen dat de stappenmotor ook blijft draaien met de hoogste verwachtte belasting, moet er gewerkt worden met een bepaalde stroom. Bij de simpele sturing wordt de stappenmotor ook met deze stroom aangestuurd als hij onbelast draait of als hij stilstaat in een vaste positie. Uit energieoogpunt gezien, is dat natuurlijk niet slim. De motor wordt er alleen maar onnodig warm van en bij voeding vanuit een batterij is deze sneller leeg dan bij een systeem waarbij hier wel rekening mee gehouden wordt. Een intelligente sturing kijkt dan ook naar de last die in beweging gebracht moet worden en past de stroom dusdanig aan dat er door de wikkelingen van de motor net iets meer stroom gestuurd wordt dan nodig is. Met een intelligente regelaar en de juiste terugkoppeling, is dit op te lossen. Nadeel van deze methode kan zijn dat er stappen gemist worden. Vooral als positionering van belang is, kan dit verstrekkende gevolgen hebben.
Een ander probleem bij de simpele stappenmotorsturingen is het geluid dat in de motor opgewekt wordt. Het in- en uitschakelen van de wikkelingen levert het karakteristieke geluid op dat we kennen van veel stappenmotorsturingen. Ook dit kan met een intelligente sturing aangepakt worden.
Bij de Arduino-oplossing moet er vervolgens met een heleboel zaken rekening gehouden worden. Neem alleen al het bijhouden hoeveel stappen de motor gedraaid heeft. Met een beetje pech blijft er daarnaast onvoldoende processorkracht over om de rest van de applicatie te sturen.

TMC5161
Al jaren maakt Trinamic IC’s voor motorsturingen. Ondertussen is de lijst IC’s dusdanig groot dat het vinden van een exemplaar dat al uw wensen afdekt de nodige tijd kost. Daarbij komt dat het aanbod alleen maar groter wordt, want onlangs tijdens de beurs Electronica 2018 in München introduceerde men de TMC5161, een zeer intelligente stappenmotorsturing en driver in één IC.
Afbeelding 1 toont het blokschema van het IC. Al deze blokken zijn ondergebracht in een AQFN-10×10-behuizing met een bijzondere layout van de aansluitingen op de onderkant (zie afbeelding 2). De grote vlakken aan de bovenkant zijn bedoeld voor het aansluiten van de motor. In het IC zijn immers twee H-bruggen te vinden die bedoeld zijn om de motor te sturen. De toegepaste MOSFET’s kunnen stromen tot 3,5 A schakelen wat maakt dat het IC nogal wat stroom moet kunnen leveren. Het grote vlak in het midden is de aansluiting van de voedingsspanning van de H-bruggen. Deze spanning mag maximaal 40 V zijn. De driver is dan ook geschikt voor redelijk zware stappenmotoren. Het onderste vlak is bedoeld voor koeling. Via dit vlak moet de in het IC opgewekte warmte afgevoerd worden. Aangeraden wordt om hiervoor op deze plek in de print een groot aantal via’s te plaatsen die de warme transporteren naar het massavlak aan de onderkant van de print.
Dat het IC een complete sturing bevat, is ook te zien in het applicatieschema in afbeelding 3. Letterlijk alles is in het IC te vinden, inclusief spanningsregelaars die ook voor externe schakelingen bruikbaar zijn. Veel onderdelen rond het IC zijn er niet te vinden. Wel belangrijk zijn de twee weerstanden Rs die in serie staan met de H-bruggen. Deze zijn om de stroom door de motoren te meten en vormen een belangrijke terugkoppeling voor de motorsturing. Dit zijn namelijk de sensoren in de verder sensorloze motorsturing.