Adapter les circuits d'attaque de solénoïdes et de moteurs pas-à-pas aux applications industrielles

Les applications de périphériques, telles que les systèmes de contrôle d'usine, les applications automobiles et les équipements de laboratoire, utilisent de plus en plus les capacités de l'Internet des objets (IoT) et de l'intelligence artificielle (IA) pour une prise de décision à faible latence, des performances supérieures, des coûts réduits, et une sécurité et une productivité accrues. Les circuits d'attaque pour les solénoïdes et les moteurs pas-à-pas doivent évoluer pour intégrer davantage de capacités de détection et d'intelligence embarquées afin de faciliter leur intégration dans cet environnement en évolution rapide, et améliorer la précision, la fiabilité, le contrôle en boucle fermée, le coût, l'empreinte et la facilité d'utilisation.

Cet article résume le fonctionnement de base des solénoïdes et des moteurs pas-à-pas, et décrit les avantages des circuits d'attaque intégrés conçus pour la périphérie intelligente. Il explique ensuite comment démarrer une conception avec des exemples de circuits d'attaque d'Analog Devices.

Solénoïdes et moteurs pas-à-pas : similaires et pourtant différents

Les solénoïdes et les moteurs pas-à-pas convertissent le courant électrique en mouvement physique via une bobine enroulée agissant comme un électro-aimant. Malgré les différences d'aspect et de fonctionnement, la similitude des bobines permet, dans certaines circonstances, d'utiliser le même circuit d'attaque intégré pour les deux actionneurs.

Les solénoïdes sont des composants relativement simples qui développent un mouvement mécanique linéaire avec un courant appliqué. Ils sont constitués d'une bobine électrique enroulée autour d'un tube cylindrique avec un actionneur ferromagnétique (également appelé piston ou armature) dans le noyau creux, qui peut se déplacer librement dans le corps de la bobine (Figure 1, à gauche).

En revanche, les moteurs pas-à-pas utilisent plusieurs bobines de stator disposées autour de la circonférence du corps du moteur (Figure 1, à droite). Le moteur est également doté d'un jeu d'aimants permanents fixés à son rotor.

Figure 1 : La construction du solénoïde comprend une bobine enroulée avec un piston coulissant interne (à gauche). Les moteurs pas-à-pas sont plus complexes, avec des aimants permanents sur le rotor et des bobines électromagnétiques disposées sur le stator (à droite). (Sources de l'image : Analog Devices, Monolithic Power Systems)

Pour les solénoïdes, le mouvement du piston est un simple impact « coup de poing » qui se produit lorsqu'un courant est appliqué, poussant le piston dans sa position extrême. Lorsque l'alimentation est coupée, la plupart des solénoïdes utilisent un ressort pour ramener le piston à sa position de repos nominale.

Dans le schéma de commande le plus basique, le solénoïde est contrôlé par une impulsion de courant marche/arrêt nette. Bien que simple et direct, ce système présente des inconvénients : force d'impact élevée, vibrations, bruit audible et électrique, inefficacité électrique et contrôle limité sur l'action du piston ou son retour.

L'action de rotation est activée pour le moteur pas-à-pas lorsque les bobines du stator sont alimentées en séquence, et que le champ magnétique rotatif résultant tire sur les aimants de l'armature. En contrôlant le séquencement, le rotor du moteur pas-à-pas peut tourner en continu, s'arrêter ou inverser la direction.

Contrairement au solénoïde, qui n'a aucune considération de synchronisation, les bobines du stator doivent être alimentées séquentiellement et avec la largeur d'impulsion correcte, entre autres attributs.

Les circuits d'attaque intelligents surmontent les limites et améliorent les performances

En contrôlant soigneusement le courant entraînant les bobines des solénoïdes et des moteurs pas-à-pas, y compris le profil de forme d'onde, la vitesse de rampe ascendante et descendante et d'autres paramètres, un circuit d'attaque intelligent peut offrir de nombreux avantages, notamment :

• Fluidité de mouvement et de rotation améliorée avec un minimum de broutage
• Réduction des vibrations des impacts, en particulier pour les solénoïdes
• Positionnement plus précis pour le démarrage/l'arrêt/le mouvement inverse du moteur pas-à-pas
• Performances constantes et adaptation aux conditions de charges transitoires ou variables
• Rendement amélioré
• Usure physique réduite
• Génération de moins de bruit audible et électrique
• Facilité d'interfaçage avec un processeur de supervision, indispensable pour les installations IoT

Le MAX22200 d'Analog Devices, un circuit d'attaque de moteur et de solénoïde intégré contrôlé en série, montre ce qu'un circuit d'attaque sophistiqué peut faire pour les solénoïdes (Figure 2). Les huit circuits d'attaque en demi-pont de 1 ampère (A) dans ce circuit intégré de 36 volts (V) peuvent être mis en parallèle pour doubler le courant de commande, ou configurés en ponts complets pour commander jusqu'à quatre valves verrouillées (également appelées valves bi-stables).

Figure 2 : Le MAX22200 d'Analog Devices est un circuit d'attaque de moteur et de solénoïde intégré contrôlé en série, avec huit circuits d'attaque en demi-pont pouvant être organisés en différentes configurations. (Source de l'image : Analog Devices)

Ce circuit d'attaque prend en charge deux méthodes de contrôle : la régulation de commande en tension (VDR) et la régulation de commande en courant (CDR). Avec la régulation VDR, le dispositif produit une tension PWM (modulation de largeur d'impulsion) dans laquelle le rapport cyclique est programmé à l'aide de son interface SPI. Le courant de sortie est proportionnel au rapport cyclique programmé pour une tension d'alimentation et une résistance de solénoïde données. La régulation CDR est une forme de contrôle en boucle fermée où un circuit de détection du courant sans perte intégré détecte le courant de sortie et le compare à un courant de référence programmable interne.

Contrairement à un circuit d'attaque courant-source simpliste, le MAX22200 offre une personnalisation du profil de commande en courant. Pour optimiser la gestion de l'alimentation dans les applications d'entraînement de solénoïde, le niveau d'excitation (I_HIT), le niveau de maintien (I_HOLD) et le temps d'excitation (t_HIT) peuvent être configurés individuellement pour chaque canal. Le dispositif offre également plusieurs fonctionnalités de protection et de gestion des défaillances, notamment :

• Protection contre les surintensités (OCP)
• Détection de charge ouverte (OL)
• Blocage thermique (TSD)
• Verrouillage en cas de sous-tension (UVLO)
• Contrôle de détection des mouvement du piston (DPM)

Les quatre premières fonctionnalités sont standards et bien comprises. Le contrôle DPM nécessite des explications supplémentaires. Par exemple, si la valve fonctionne correctement lorsque le solénoïde est activé dans une valve commandée par solénoïde, le profil du courant n'est pas monotone (Figure 3, courbe noire). Au lieu de cela, il montre une baisse due à la force contre-électromotrice (FCEM) générée par le mouvement du piston (Figure 3, courbe bleue).

Figure 3 : Lors de la commande d'un solénoïde, le MAX22200 peut détecter une valve ou un solénoïde bloqué en recherchant la chute de courant attendue induite par la force contre-électromotrice par rapport à la valeur seuil (IDPM_TH) lorsque le solénoïde est entraîné du courant de démarrage (I_START) jusqu'au niveau d'excitation final (I_HIT). (Source de l'image : Analog Devices)

Lorsqu'elle est configurée et utilisée pour les solénoïdes, la fonction DPM du MAX22200 détecte la présence de la chute FCEM pendant la phase d'excitation. Si la chute n'est pas détectée, une indication est définie sur la broche FAULT et dans le registre de défaillances interne.

Les kits d'évaluation facilitent le processus

Pour résoudre les problèmes liés aux performances d'un système sous différentes conditions de charge et exigences statiques et dynamiques, Analog Devices propose la carte d'évaluation de gestion de l'alimentation de contrôle de solénoïde MAX22200EVKIT# pour le MAX22200 (Figure 4). Ce kit d'évaluation (EVK) permet le contrôle série du MAX22200 et la surveillance des défaillances par le biais d'une interface USB-SPI embarquée via un microcontrôleur MAX32625. Il comprend une interface utilisateur graphique (GUI) compatible Windows permettant de tester les fonctionnalités du circuit intégré MAX22200, ce qui en fait un système d'évaluation complet basé sur ordinateur.

Figure 4 : La carte d'évaluation de gestion de l'alimentation de contrôle de solénoïde MAX22200EVKIT# pour le MAX22200 facilite le test complet du circuit intégré et de sa charge à l'aide d'une interface graphique basée sur Windows. (Source de l'image : Analog Devices)

Cette carte entièrement assemblée et testée est configurable comme solénoïde haut potentiel/bas potentiel, et pour les valves verrouillées (souvent entraînées par des solénoïdes) ou les moteurs CC à balais.

Moteurs pas-à-pas : plus de degrés de liberté à contrôler

Les moteurs pas-à-pas sont plus compliqués que les solénoïdes et nécessitent davantage de contrôle. Cela se voit dans les fonctionnalités du TMC5240 d'Analog Devices (Figure 5), un circuit d'attaque et de contrôleur de moteur pas-à-pas intégré hautes performances avec des interfaces de communication série (SPI, UART), des capacités de diagnostic étendues et des algorithmes embarqués.

Figure 5 : Le circuit d'attaque et de contrôleur de moteur pas-à-pas intégré hautes performances TMC5240 embarque des algorithmes sophistiqués pour offrir des performances optimales avec les solénoïdes et les moteurs pas-à-pas. (Source de l'image : Analog Devices)

Ce circuit intégré combine un générateur de rampe flexible à huit points pour un minimum de saccades lors du positionnement automatique de la cible. Une saccade est le taux de variation de l'accélération, et une saccade excessive peut entraîner de nombreux problèmes de système et de performances. Ce circuit d'attaque de moteur pas-à-pas intègre des ponts en H de 36 V, 3 A avec une résistance à l'état passant de 0,23 ohm (Ω) et une détection de courant intégrée (ICS) non dissipative. Le TMC5240 est disponible en boîtier TQFN32 compact de 5 millimètres (mm) × 5 mm et en boîtier TSSOP38 thermiquement optimisé de 9,7 mm × 4,4 mm avec un plot exposé.

Le TMC5240 implémente des fonctionnalités avancées et uniques qui permettent une précision améliorée, un rendement énergétique supérieur, une haute fiabilité, un mouvement fluide et un fonctionnement froid. Ces fonctionnalités incluent les suivantes :

• StealthChop2 : algorithme de hachage haute précision silencieux pour un mouvement et un arrêt inaudibles du moteur, permettant une accélération et une décélération du moteur plus rapides que le StealthChop plus simple
• SpreadCycle : contrôle du courant cycle par cycle haute précision, pour les mouvements dynamiques les plus élevés
• StallGuard2 : fournit une détection de calage sans capteur et une mesure de la charge mécanique pour SpreadCycle
• StallGuard4 : fournit une détection de calage sans capteur et une mesure de la charge mécanique pour StealthChop
• CoolStep : utilise la mesure StallGuard pour adapter le courant du moteur afin d'obtenir le meilleur rendement et l'échauffement le plus faible du moteur et du circuit d'attaque

Ces fonctionnalités peuvent être prédéfinies et appelées pendant le cycle de fonctionnement du moteur. De plus, le couple peut être contrôlé en conjonction avec l'accélération pour développer la valeur souhaitée tout en offrant une accélération et une décélération efficaces et sans à-coups.

Par exemple, un ensemble de trois segments d'accélération et de décélération peut être utilisé de deux manières : pour l'adaptation à la courbe de couple du moteur en utilisant des valeurs d'accélération supérieures à une vitesse inférieure, ou pour réduire les saccades lors du passage d'un segment d'accélération au suivant. Pour les deux, le générateur de profil de mouvement à huit points du TMC5240 permet au contrôleur de maintenir un segment à vitesse constante tandis que la position cible souhaitée change en temps réel, résultant en des transferts de modes sans à-coups (Figure 6).

Figure 6 : Le TMC5240 offre une rampe à huit points prenant en charge le changement de position cible à la volée, ce qui se traduit par des transferts de modes sans à-coups. (Source de l'image : Analog Devices)

Compte tenu de la flexibilité, de la polyvalence et de la complexité de ce circuit d'attaque intégré, la carte d'évaluation TMC5240-EVAL est un complément bienvenu (Figure 7). Elle utilise le schéma de principe standard du circuit intégré et son logiciel offre plusieurs options, permettant aux concepteurs de tester différents modes de fonctionnement.

Figure 7 : À l'aide de la carte d'évaluation TMC5240-EVAL et de l'interface graphique associée, les concepteurs peuvent étudier et ajuster les performances du TMC5240 en fonction de leur combinaison spécifique d'actionneur et de charge. (Source de l'image : Analog Devices)

Pour les concepteurs ayant des exigences d'évaluation et de conception moins complexes, Analog Devices propose également le TMC5240-BOB. Cette carte Breakout de circuit intégré de base apporte les connexions de broches physiques du TMC5240 sur des rangées d'embases accessibles à l'utilisateur.

Conclusion

L'ajout d'intelligence aux circuits d'attaque de solénoïde et de moteur pas-à-pas offre un meilleur contrôle et une meilleure détection des défaillances, et permet une prise de décision en temps réel et la communication avec des systèmes de contrôle de niveau supérieur ou des systèmes de productivité basés sur l'intelligence artificielle. Les circuits d'attaque hautement intégrés, tels que les dispositifs MAX22200 et TMC5240 d'Analog Devices, permettent aux utilisateurs d'être rapidement opérationnels grâce à des algorithmes avancés pour optimiser les performances des solénoïdes et des moteurs pas-à-pas pour leur application.