Como adaptar os acionadores de solenoides e motores de passo para aplicações industriais

As aplicações de dispositivos de borda, como sistemas de controle de chão de fábrica, equipamentos automotivos e de laboratório, utilizam cada vez mais a Internet das Coisas (IoT) e os recursos de inteligência artificial (IA) para tomar decisões com baixa latência, obter maior desempenho, menor custo e maior segurança e produtividade. Os acionadores para solenoides e motores de passo precisam evoluir para incorporar mais sensoriamento e inteligência na placa para facilitar sua integração nesse ambiente em rápida evolução e para melhorar ainda mais a precisão, a confiabilidade, o controle de malha fechada, o custo, a pegada e a facilidade de uso.

Este artigo resume a operação básica de solenoides e motores de passo e descreve os benefícios dos CIs acionadores projetados para a borda inteligente. Em seguida, ele apresenta e explica como começar a projetar com acionadores de amostra da Analog Devices.

Solenoides e motores de passo: semelhantes, mas diferentes

Os solenoides e os motores de passo convertem a corrente elétrica em movimento físico por meio de uma bobina enrolada que atua como um eletroímã. Apesar das diferenças na aparência e na função, a semelhança da bobina permite que o mesmo CI acionador seja usado para ambos os atuadores em algumas circunstâncias.

Os solenoides são componentes relativamente simples que desenvolvem movimento mecânico linear com a corrente aplicada. Eles são compostos por uma bobina de enrolamento elétrico em um tubo cilíndrico com um atuador ferromagnético (também chamado de êmbolo ou armadura) no núcleo oco que é livre para se mover dentro do corpo da bobina (Figura 1, à esquerda).

Em contraste, os motores de passo usam várias bobinas de estator dispostas ao redor da circunferência do corpo do motor (Figura 1, à direita). O motor também tem um conjunto de ímãs permanentes acoplados ao rotor.

Figura 1: A construção do solenoide compreende um enrolamento de bobina com um êmbolo deslizante interno (esquerda); os motores de passo são mais complicados, com ímãs permanentes no rotor e bobinas eletromagnéticas dispostas no estator (direita). (Fontes da imagem: Analog Devices, Monolithic Power Systems)

No caso dos solenoides, o movimento do êmbolo é um único impacto de "soco" que ocorre quando uma corrente é aplicada, fazendo com que o êmbolo atinja sua posição extrema. Quando a energia é removida, a maioria dos solenoides usa uma mola para retornar o êmbolo à sua posição nominal de repouso.

No esquema de acionamento mais básico, o solenoide é controlado por um pulso de corrente nítido de ligar/desligar. Embora isso seja simples e direto, suas desvantagens incluem alta força de impacto, vibração, ruído audível e ruído elétrico, ineficiência elétrica e pouco controle sobre a ação do êmbolo ou seu retorno.

A ação rotacional é ativada para o motor de passo quando as bobinas do estator são energizadas em sequência, e o campo magnético rotativo resultante puxa os ímãs da armadura. Ao controlar o sequenciamento, o rotor do motor de passo pode girar continuamente, parar ou inverter o sentido.

Ao contrário do solenoide, que não tem considerações de tempo, as bobinas do estator devem ser energizadas sequencialmente e com a largura de pulso correta, entre outros atributos.

Acionadores inteligentes superam limitações e melhoram o desempenho

Com o controle cuidadoso da corrente que aciona as bobinas de solenoides e motores de passo, incluindo o formato do perfil da forma de onda, a taxa da rampa de subida e descida e outros parâmetros, um acionador inteligente pode proporcionar muitos benefícios, inclusive:

• Maior suavidade de movimento e rotação com o mínimo de trepidação
• Redução da vibração e do impacto, especialmente para solenoides
• Posicionamento mais preciso para o movimento de partida/parada/inversão do motor de passo
• Desempenho consistente e acomodação de condições de carga transitórias ou variáveis
• Eficiência aprimorada
• Menor desgaste físico
• Geração de menos ruído audível e elétrico
• Facilidade de interface com um processador de supervisão, essencial para instalações de IoT

O MAX22200 da Analog Devices, um acionador integrado de solenoide e motor controlado em série, mostra o que um acionador sofisticado pode fazer por solenoides (Figura 2). Os oito acionadores de meia ponte de 1 ampere (A) nesse CI de 36 volts podem ser colocados em paralelo para dobrar a corrente de acionamento ou configurados como pontes completas para acionar até quatro válvulas biestáveis (válvulas com a função Latch).

Figura 2: O MAX22200 da Analog Devices é um acionador integrado de solenoide e motor controlado em série com oito acionadores de meia ponte que podem ser dispostos em diferentes configurações. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Esse acionador é compatível com dois métodos de controle: regulagem do acionamento de tensão (VDR) e regulagem do acionamento de corrente (CDR). Com o VDR, o dispositivo gera uma tensão modulada por largura de pulso (PWM) na qual o ciclo de trabalho é programado usando sua interface SPI. A corrente de saída é proporcional ao ciclo de trabalho programado para uma determinada tensão de alimentação e resistor de solenoide. O CDR é uma forma de controle de malha fechada em que um circuito sensor de corrente integrado, e sem perdas, detecta a corrente de saída e a compara com uma corrente de referência interna programável.

Ao contrário de um acionador simplista de fonte de corrente, o MAX22200 oferece personalização do perfil de acionamento da corrente. Para otimizar o gerenciamento de energia em aplicações de acionamento de solenoides, o nível de acionamento da excitação (I_HIT), o nível de acionamento da retenção (I_HOLD) e o tempo de acionamento da excitação (t_HIT) podem ser configurados individualmente para cada canal. Ele também oferece vários recursos de proteção e relacionados a falhas, incluindo:

• Proteção contra sobrecorrente (OCP)
• Detecção de carga aberta (OL)
• Desligamento térmico (TSD)
• Bloqueio de subtensão (UVLO)
• Verificação da detecção do movimento do êmbolo (DPM)

Os quatro primeiros recursos são padrões e bem compreendidos. O DPM requer mais explicações. Por exemplo, se a válvula funciona corretamente quando o solenoide é ativado em uma válvula controlada por solenoide, o perfil de corrente não é monotônico (Figura 3, curva preta). Em vez disso, mostra-se uma queda devido à força eletromotriz de retorno (BEMF) gerada pelo movimento do êmbolo (Figura 3, curva azul).

Figura 3: Ao acionar um solenoide, o MAX22200 pode detectar um solenoide ou válvula emperrada, procurando a queda de corrente esperada acionada por BEMF versus o valor limite (IDPM_TH), à medida que o solenoide é acionado a partir da corrente de partida (I_START) até o nível final de acionamento da excitação (I_HIT). (Fonte da imagem: Analog Devices)

Quando configurada e usada para solenoides, a função DPM do MAX22200 detecta a presença da queda da BEMF durante a fase de excitação. Se a queda não for detectada, uma indicação será definida no pino FAULT e no registrador interno de falhas.

Kits de avaliação facilitam o processo

Para resolver questões relacionadas ao desempenho do sistema sob diferentes demandas estáticas e dinâmicas e condições de carga, a Analog Devices oferece a placa de teste de gerenciamento de energia do controle de solenoides MAX22200EVKIT# para o MAX22200 (Figura 4). Esse kit de avaliação (EVK) permite o controle serial do MAX22200 e o monitoramento de falhas por meio de uma interface USB para SPI na placa via um microcontrolador MAX32625. Ele inclui uma interface gráfica do usuário (GUI) compatível com o Windows para exercitar os recursos do CI MAX22200, tornando-o um sistema completo de avaliação baseado em PC.

Figura 4: A placa de teste do gerenciamento de energia do controle de solenoides MAX22200EVKIT# para o MAX22200 facilita o exercício completo do CI e de sua carga usando uma GUI baseada em Windows. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Essa placa totalmente montada e testada pode ser configurada como um solenoide no lado de alta/baixa tensão e para válvulas biestáveis (geralmente acionadas por solenoides) ou motores CC com escovas.

Motores de passo: mais graus de liberdade para controle

Os motores de passo são mais complicados do que os solenoides e têm mais requisitos de controle. Isso é visto nos recursos do TMC5240 da Analog Devices (Figura 5), um CI controlador e acionador integrado de alto desempenho para motores de passo com interfaces de comunicação serial (SPI, UART), amplos recursos de diagnóstico e algoritmos incorporados.

Figura 5: O CI controlador e acionador de motor de passo de alto desempenho TMC5240 incorpora algoritmos sofisticados para proporcionar um desempenho ideal com solenoides e motores de passo. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Esse CI combina um gerador de rampa flexível de oito pontos para obter o mínimo de arranque no posicionamento automático do alvo. O arranque é a taxa de variação da aceleração, e o arranque excessivo pode causar muitos problemas no sistema e no desempenho. Esse acionador de motor de passo integra pontes H de 36 volts e 3 A com resistência de 0,23 ohm (Ω) e sensor de corrente integrado não dissipativo (ICS). O TMC5240 está disponível em um pequeno invólucro TQFN32 de 5 × 5 milímetros (mm) e em um invólucro TSSOP38 termicamente otimizado de 9,7 × 4,4 mm com um pad exposto.

O TMC5240 implementa recursos exclusivos e avançados que permitem maior precisão, alta eficiência energética, alta confiabilidade, movimento suave e operação fria. Esses recursos incluem:

• StealthChop2: um algoritmo chopper de alta precisão e sem ruído para movimento e parada inaudíveis do motor, permitindo aceleração e desaceleração mais rápidas do motor do que o StealthChop mais simples
• SpreadCycle: controle de corrente de alta precisão, ciclo a ciclo, para os movimentos dinâmicos maiores
• StallGuard2: fornece detecção de parada sem sensor e medição de carga mecânica para o SpreadCycle
• StallGuard4: oferece detecção de parada sem sensor e medição de carga mecânica para o StealthChop
• CoolStep: usa a medição do StallGuard para adaptar a corrente do motor para obter a melhor eficiência e o menor aquecimento do motor e do acionador

Esses recursos podem ser predefinidos e acionados durante o ciclo operacional do motor. Além disso, o torque pode ser controlado em conjunto com a aceleração para desenvolver o valor desejado e, ao mesmo tempo, proporcionar aceleração e desaceleração eficientes e suaves.

Por exemplo, um conjunto de três segmentos de aceleração e desaceleração pode ser usado de duas maneiras: para adaptação à curva de torque do motor, usando valores de aceleração mais altos em uma velocidade mais baixa, ou para reduzir o arranque ao fazer a transição de um segmento de aceleração para o próximo. Para atender a ambos, o gerador de perfil do movimento de oito pontos do TMC5240 permite que o controlador mantenha um segmento de velocidade constante, enquanto a posição-alvo desejada muda em tempo real, resultando em transferências de modo suaves (Figura 6).

Figura 6: O TMC5240 oferece uma rampa de oito pontos que suporta a mudança de posição do alvo em tempo real, resultando em transferências de modo suaves. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Dada a flexibilidade, a versatilidade e a complexidade desse CI acionador, a placa de teste TMC5240-EVAL é um complemento bem-vindo (Figura 7). Ela usa o diagrama esquemático padrão para o CI e oferece várias opções em seu software, permitindo que os projetistas testem diferentes modos de operação.

Figura 7: Usando a placa de teste TMC5240-EVAL e a GUI associada, os projetistas podem investigar e ajustar o desempenho do TMC5240 para sua combinação específica de atuador e carga. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Para projetistas com requisitos de avaliação e projeto menos complexos, a Analog Devices também oferece o TMC5240-BOB. Essa placa breakout básica do CI traz as conexões físicas dos pinos do TMC5240 para fileiras de barra de pinos acessíveis ao usuário.

Conclusão

A adição de inteligência aos acionadores de solenoides e motores de passo proporciona melhor controle e detecção de falhas, possibilita a tomada de decisões em tempo real e permite a comunicação com sistemas de controle de nível superior ou de produtividade baseados em IA. Acionadores altamente integrados, como o MAX22200 e o TMC5240 da Analog Devices, permitem que os usuários comecem a trabalhar rapidamente com algoritmos avançados para otimizar o desempenho de solenoides e motores de passo para suas aplicações.