UHF: Silicone Flexible Light Pipes

Die neuen flexiblen Silikon-Lichtleiter der UHF-Serie erreichen Schutzart IP67 und vereinfachen sowohl den Design- als auch den Montageprozess. Das UHF besteht aus einer Lichtleiter- und Linsenkonstruktion aus klarem Silikon und bietet ein einteiliges, zum Patent angemeldetes Rippendesign, das im Panel abdichtet. Ohne dass Dichtungs-, Muttern- und Unterlegscheiben erforderlich sind, wird eine starke Befestigung im Panel erreicht.

Das Unibody-Silikonmaterial ist sehr biegsam und ermöglicht eine bessere Führung des Lichtleiters um Komponenten herum sowie Flexibilität bei der Ausrichtung des LED-Lichtwegs zur Linse.

ZeroLightBleed™ Protection

Der UHF wird mit einem ZeroLightBleed™-Adapter in vorgewählten Längen geliefert, oder er kann in kürzeren Längen ohne Adapter verwendet werden.

Zusätzliche Vorteile

Silikon bietet einen breiteren Betriebstemperaturbereich von -40° bis 200° Celsius. Der UHF ist einfach zu installieren und erfordert für die Montage kein Werkzeug. Diese Serie wurde speziell für Anwendungen entwickelt, die anspruchsvolle Designanforderungen wie Platzbeschränkungen, Wegbehinderungen und Umgebungsbedingungen stellen.

Der UHF kann auch für Anwendungen verwendet werden, die UV- und IR-LEDs verwenden.

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Christian Wessel-Berning
Product Line Manager
cwessel-berning@mev-elektronik.com
+49 5424 2340-28

TDK MEMS Sensing Solutions

Höchste Präzision für raue Umgebungsbedingungen

Der neue absolute Encoder VLR-100 von Netzer ist auf beispiellose Zuverlässigkeit ausgelegt und zeichnet sich durch seine innovative berührungslose kapazitive Technologie in extremen Umgebungen aus.

Seine außergewöhnliche Vielseitigkeit macht den VLR-100 zu einem entscheidenden Werkzeug in verschiedenen anspruchsvollen Anwendungen, insbesondere bei Verteidigungsanwendungen sowie im Schwermaschinenbereich wie Ölbohrungen, Kränen und Turmsteuerungssystemen.

Mit seinem robusten, wartungsfreien Design setzt der VLR-100 neue Maßstäbe im Markt. Die verschleißfreie, lagerlose Konstruktion gewährleistet eine Betriebseffizienz, die die seiner Mitbewerber bei weitem übertrifft. Ausgestattet mit einer Hohlwellenbohrung, Temperaturstabilität und den seriellen Interfaces SSI und BiSS-C, geht der VLR-100 über die herkömmlichen Sensorfunktionen hinaus.

Bezüglich des mechanischen Aufbaus bietet der VLR-100 praktische und nützliche Montagemöglichkeiten für unterschiedliche Anforderungen:

1. Eine einfache Montage mit Klemmen auf einer ebenen Fläche

2. Eine mechanisch wiederholbare „lagerähnliche“ Installationsoption, die für Anwendungen entwickelt wurde, die eine höhere Präzision und Wiederholgenauigkeit bei der Ausrichtung erfordern.

Sind Sie bereit, Ihre Präzision in rauen Umgebungen zu verbessern?

Der VLR-100 eignet sich perfekt für Branchen mit härtesten Umgebungsbedingungen und setzt neue Maßstäbe für Sensorhaltbarkeit und -präzision.

Downloads & Links

VLR-100-Product-Guide (PDF)

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Guido Gandolfo
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+49 5424 2340-57
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Daten zuverlässig speichern und schützen – Speichermodule für jede Herausforderung von Swissbit

Swissbit PCIe-SSD N3202: Höchstleistung, Ausdauer und Datensicherheit

Die neue High-Performance PCIe-SSD SSD N3202 reiht sich im Angebot des Speicher- und Security-Spezialisten zwischen den Speichermodulen für rein industrielle Anwendungen und dem SSD-Angebot für Datacenter ein. Durch ihr robustes Design, die integrierte Swissbit powersafe™ PLP-Technologie und erweiterte Sicherheits-Features bietet die N3202 unübertroffene Zuverlässigkeit und Ausdauer für leistungshungrige Anwendungen im Industrie-, Netcom- und Enterprise-Umfeld.

Die SSD setzt auf den M.2 2280 Formfaktor und nutzt eine PCIe Gen 4×4 Schnittstelle für besonders schnelle Datentransfers. Der Einsatz von eTLC-Flash-Speicher und die DRAM-basierte Controller-Architektur garantieren hervorragende Leistungswerte und Langlebigkeit mit einer Endurance von bis zu 1,5 DWPD (Drive Writes Per Day) über einen Zeitraum von fünf Jahren. Die PCIe-SSD ist in den Speicherkapazitäten 240 GB, 480 GB, 960 GB und 1920 GB verfügbar.


Swissbit X-7x-Serie: Industrie-SATA-SSDs mit hochzuverlässiger 3D-NAND-Technologie

Die neuen Serien X-73, X-75 und X-78 setzen auf 112-Layer 3D-NAND-Technologie und überzeugen durch ihre beispiellose Zuverlässigkeit und verlängerte Lebensdauer. Die Produktreihe umfasst die Formfaktoren M.2 2242, M.2 2280, Slim SATA (MO-297) sowie 2,5″ und bietet ein breites Spektrum mit Speicherkapazitäten von 40 GB bis zu 1,92 TB. Für eine besonders hohe Endurance beinhaltet die Serie auch Varianten im pSLC-Modus (X-78). Sie erfüllen mit herausragenden 100.000 P/E-Zyklen die steigende Nachfrage nach langlebigen und zuverlässigen Datenspeicherlösungen.

Dank hervorragender Ausdauer und einem verlängerten Produktlebenszyklus trägt das neue SATA-Portfolio nachhaltig zur Verbesserung der TCO bei. Darüber hinaus sind die SSDs optional mit dem branchenführenden PLP-Feature Swissbit powersafe™ erhältlich, das für maximalen Schutz von Daten im Fall von Stromausfällen sorgt.


Kosteneffizienter Speicher mit kleinen Kapazitäten für IoT- und Smart City-Anwendungen

Die Industrie steht in einem Wettbewerb um immer größere Gigabyte-Zahlen. Und doch gibt es zahlreiche Anwendungen, die tatsächlich nur einen Bruchteil dieser Speicherkapazität benötigen. Typische Einsatzszenarien dafür sind u.a. grüne IoT-Technologien wie Ladestationen, Smart Meter oder PV-Wechselrichter. Speziell für diese Anforderungen bietet Swissbit e.MMCs (EM-30) und SD-Speicherkarten (S-56) mit kleinen Kapazitäten. Sie sind mit 4 bis 8 GB optimal als Boot-Medium oder für Data Logging kleiner Datenmengen geeignet, wobei Nutzer keine Abstriche in puncto Leistung oder Langlebigkeit in Kauf nehmen müssen. Dank bewährter Firmware-Architektur bieten die Modelle höchste Zuverlässigkeit und gewährleisten darüber hinaus eine 100-prozentige Datensicherheit.


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Elektromechanische Aktoren für die Industrie 4.0

Intelligente und hochintegrierte Treiberlösungen sind erforderlich, um smarte elektromechanische Aktoren für Industrie 4.0 zu ermöglichen.

Diese intelligenten Geräte vereinen Aktor- und Sensorfunktionen, um eine bessere Echtzeit-Entscheidungsfindung auf Maschinenebene zu ermöglichen und Vor-Ort-Feedback-Informationen an höhere Steuerungsebenen, die Cloud oder KI-Produktivitätslösungen zu geben.  In diesem Artikel werden intelligente Treiberlösungen und -technologien besprochen wo sich analoges und digitales kreuzt – für die Industrie 4.0.

Einführung

In unserem Bestreben, mehr Intelligenz zu dezentralisieren, benötigen physische Geräte wie z.B. elektromechanische Aktoren, mehr Intelligenz, um besser von Echtzeit-Entscheidungsfindung an der Maschine profitieren zu können. Diese Aktoren sorgen für intelligentes, wertvolles und reichhaltiges sensor-ähnliches Feedback. Solche smarten Geräte sind für die Industrie 4.0 und darüber hinaus von entscheidender Bedeutung. Sie steuern Roboter und handhaben und automatisieren Fertigungsprozesse, indem sie digitale Informationen mit einem hohen Maß an Intelligenz und Selbstbewusstsein in physische Bewegung umwandeln. Während Aktoren Dinge handhaben werden Sensoren verwendet, um reale Parameter zu messen und zu quantifizieren – sie übertragen physische Werte zurück auf digitale. Dabei werden Aktoren und Sensoren meistens als separate Geräte oder Komponenten betrachtet.

Schrittmotoren und Solenoide (Magnetspulen) machen einen großen Teil der elektromechanischen Aktoren aus. Der globale Markt für Schrittmotoren und Solenoide hat einen Wert von mehreren Milliarden US-Dollar und wächst stetig weiter. Getrieben wird dieser Markt von Anwendungen aus den Bereichen Laborautomation, Medizintechnik, Industrie und Automotive. Diese Applikationen erfordern einen zunehmenden Fokus auf höhere Automatisierungsgrade und Miniaturisierung der Aktoren und Treiberelektronik. Herkömmliche Treiberlösungen sind nicht auf diese neuen Anforderungen zugeschnitten und es mangelt ihnen an Sensorfunktionen.

Die neuesten auf Chipebene integrierten cDriver™ von ADI Trinamic, die aus einem intelligenten Motion-Controller und Treiber bestehen, ermöglichen intelligente Aktoren durch die Zusammenführung von Sensor- und Aktorfunktionen in einzelne integrierte Komponenten zur Verwendung in eingebetteten Lösungen zur Bewegungssteuerung. Systemparameter und Zustandsvariablen, die nur direkt im oder am elektromechanischen Aktor verfügbar sind, werden vor Ort gemessen und ausgewertet (z. B. Temperatur, Magnetreaktionszeit und Motorlastwert). Diese Fusion von Sensorfähigkeiten mit dem Aktor führt zu einem Paradigmenwechsel für elektromechanische Aktoren. Sie werden von einfachen Energiewandler-Systemen zu selbsterkennenden Sensoren, die den Aktor perfekt steuern und vor-Ort-Daten an höhere Steuerungsebenen, die Cloud oder KI-Produktivitätslösungen bereitstellen. Die elektromechanische Einheit wird zum Sensor.

Elektromechanische Aktoren – Kurzer Überblick

Schrittmotoren und Solenoide werden in einer Vielzahl von Automobil-, Industrie- und Gesundheitsanwendungen eingesetzt. Beide haben viele Gemeinsamkeiten: Kupferspulen werden mit Strom versorgt, was zu einer mechanischen Bewegung führt. Zweiphasen-Schrittmotoren werden typischerweise durch zwei Stromquellen gesteuert, die um 90° phasenverschobene Sinus und Cosinus förmige Ströme in die beiden Phasen des Schrittmotors induzieren. Die Ströme durch die Spulen des Schrittmotors (Stator) bestimmen die Ausrichtung eines Magnetfeldes. Der Rotor richtet sich wie eine Kompassnadel im Feld der Statorspule aus. Durch die elektrische Steuerung der Drehung des Magnetfelds dreht sich der Rotor durch Ausrichtung im Magnetfeld. Bild 1 zeigt die Stator-/Rotoranordnung eines Standard-Hybrid-Schrittmotors und einige beispielhafte Schrittmotortypen.

Bild 1: Ein Hybrid-Schrittmotor mit 50 Polpaaren (links) und verschiedenen Schrittmotortypen (rechts).

Solenoide sind vergleichbar mit Schrittmotoren. Eine Spule wird mit einem Strom versorgt, um eine mechanische Bewegung auszuführen. Der bewegliche Teil ist kein rotierender Magnet, sondern ein Metallkolben, der zu einer linearen Bewegung führt. Aus Ansteuersicht gibt es zwei Arten von Magnetventilen: Ein/Aus-Ventile (Schaltventile) und Proportionalventile. Schaltventile werden verwendet, um die Ein-/Aus-Funktion von pneumatischen oder hydraulischen Ventilen zu realisieren. Wenn die Spule erregt wird, wird ein Magnetfeld erzeugt und der Metallkolben bewegt sich in Richtung des Magnetfeldes. Während der Anfangsstrom (hit current) ziemlich hoch ist, um den Kolben zu bewegen, ist nur ein reduzierter Strom erforderlich, um den Kolben zu halten (hold current). Wenn die Spule stromlos ist, verschwindet das Magnetfeld und der Kolben bewegt sich durch eine äußere Kraft (z.B. Feder, Schwerkraft) zurück zur Ausgangsposition.

Bild 2: Die Stromkurve eines Schaltventils

Bild 2 zeigt den typischen Stromverlauf beim Ansteuern eines Schaltventils. Der kleine lokale Stromeinbruch während der Stromanstiegsphase (Erregungszeit) ist auf die Gegen-EMK (BEMF) zurückzuführen, die durch die Kolbenbewegung erzeugt wird. Wenn die Erregungszeit abgelaufen ist, kann der Strom auf einen Haltewert reduziert werden, um den Kolben so lange wie nötig an Ort und Stelle zu halten. Proportionalventile können den Kolben durch Steuerung des Energieflusses und Anpassung des Magnetstroms in jeder Position halten. Sie werden normalerweise in einem Regelsystem zur Steuerung einer bestimmten im System-Variable verwendet; zum Beispiel Druck, Luft oder Flüssigkeitsstrom.  

Warum brauchen wir einen neuen Ansatz bei der Ansteuerung von Solenoiden?

Die heute auf dem Markt erhältlichen Treiber-IC-Lösungen sind nicht auf Magnetspulen zugeschnitten, um effiziente und wirtschaftliche Antriebsanwendungen zu ermöglichen. Ihnen fehlen eingebettete Steuerungssequenzer, anwendungsspezifische Funktionen sowie Diagnose- und Schutzfunktionen.

Wann immer erweiterte Steuerungsfunktionen (z.B. Treibersequenzer, Dithering, schnelle Entmagnetisierung, Strommessung) oder intelligente Diagnose-Funktionen (Erkennung der Kolben-Bewegung, Ein-/Aus-Statuserkennung, Induktivitätsmessung, Erkennung fehlender Last) erforderlich sind, erhöht sich die Systemkomplexität erheblich. Dies ist vor allem auf die zusätzlich benötigten externen Schaltkreise und Workarounds zurückzuführen. Der Entwickler muss die einzelnen Blöcke entwerfen und diese miteinander verbinden (digitaler Controller, Stromerfassung, Signalkonditionierung, Leistungsstufen, Schutzvorrichtungen). Dabei stellen sich eine Reihe von Herausforderungen wie Platinen-Platz, lange Designzeit, Anwendungszuverlässigkeit, lange Stücklisten und mangelnde Flexibilität.

Schauen wir uns einige globale Trends an, die zu zusätzlichen Anforderungen für eingebetteten Steuerungs- und Treiberlösungen für elektromechanische Aktoren führen.

Entwicklung von Miniaturaktoren

Die fortschreitende Miniaturisierung macht elektromechanische Aktoren zu kosten- und platzsparenden Komponenten in medizinischen Geräten, der chemischen Industrie, der Laborautomatisierung, der Halbleiterfertigung, im Lebensmittel- und Getränkesektor sowie in Industrie- und Automotive-Anwendungen. Die Abmessungen werden kleiner und erreichen wenige Millimeter Durchmesser. Während erwartet wird, dass die Vorteile von Miniaturaktoren zu einem verstärkten Wachstum beitragen, erfordern diese Märkte zusätzliche Anforderungen. Dazu gehören eine längere effektive Lebensdauer, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit, kleine integrierte Controller- und Treiberlösungen aufgrund von Platzmangel sowie vereinfachte Handhabung und Steuerung.

Erweiterte Diagnose

Elektromechanische Aktuatoren neigen im Langzeitbetrieb dazu zu degenerieren. Hinzu kommen elektrische Fehlerszenarien wie Spulenprobleme, Fehlerstrom, Spulenleistung, Überhitzung, Isolationsfehler oder mechanische Fehler wie z.B.  nicht vollständiges Schließen oder Öffnen des Ventils, manuelle Überbetätigung, Druckunterschiede, Schmutzansammlung, beschädigte Ventilmechanik, Fettaustrocknung.

Diese Herausforderungen wirken sich auf die Leistung, Lebensdauer und Betriebsverfügbarkeit dieser Aktoren und damit auf die Systeme, in denen sie verwendet werden. Daraus ergibt sich ein notwendiger Bedarf zur Digitalisierung: detailliertes und hochwertiges diagnostisches Feedback der lokalen Systemparameter zur Überwachung des Gesundheitszustands des Aktuators und seiner Steuerelektronik. Dies hilft dabei bessere Entscheidungen auf lokaler Maschinenebene zu treffen, um auf Änderungen zu reagieren und Diagnoseinformationen – vorverarbeitet oder als Rohdaten – bis in die höheren Steuerungsebenen zu kommunizieren. Es sind Rückmeldungen und Diagnosen erforderlich, die über einfache Treiber-Fehlermeldungen hinausgehen!

Energieeffizienz

Der CO2-Fußabdruck spielt heute eine große Rolle. Energieeffizienz wird weltweit durch Umweltrichtlinien, Kostendruck und Anwendungsbeschränkungen vorangetrieben. Energie ist eine der wertvollsten Ressourcen weltweit und die Kosten steigen weiter. Daher sollte der Energie-Verbrauch der Aktoren optimal geregelt und auf ein Minimum reduziert werden.

Ein positiver Nebeneffekt ist, dass Solenoide oder Schrittmotoren innerhalb der Anwendung kühler bleiben, wenn der Stromverbrauch effizient geregelt wird. Dies reduziert den Aufwand für die Systemkühlung und könnte sie in spezifischen Anwendungen mit hohen Temperaturanforderungen nutzbar machen, beispielsweise in sensiblen Laborgeräten.

Time-to-Market

Entwicklungszeiten müssen in gleicher Weise reduziert werden wie die Systemkomplexität wächst. Hochintegrierte, bewährte und gebrauchsfertige System-Bausteine ​​und Subsysteme tragen dazu bei, die Gesamtkomplexität zu reduzieren oder zu verbergen und tragen so dazu bei Designrisiken zu reduzieren. So können die Time-to-Market-Zyklen auf einem angemessenen Niveau gehalten werden.

Das Systemdesign wird immer mehr von Kommunikationsschnittstellen und einer softwarezentrierten Sicht dominiert. Daher werden häufig aktive System-Bausteine und -Komponenten ​​durch die Flexibilität und Leistungsfähigkeit ihrer Kommunikations- und Steuerungsschnittstellen ausgewählt.

Gesamtkosten-Betrachtung

Die mit dem gesamten Lebenszyklus eines Produkts verbundenen Gesamtkosten sind allgemein als „total cost of ownership“ bekannt (TCO). Dabei geht es nicht nur um die Entwicklungskosten oder andere Einmalkosten, sondern alle direkten und indirekten laufenden Kosten: Energiekosten (Energieeffizienz), Wartungskosten, Betriebsverfügbarkeit und Lieferkettenrisiken. Während Energiekosten direkt messbar sind, können Wartungskosten nur im Voraus abgeschätzt werden. In Marktsegmenten mit langen Produktlebensdauern wie z. B. industriellen und medizinischen Anwendungen, muss die TCO berücksichtigt und auf ein Minimum reduziert werden.

Auswirkungen einer Sensor-Aktor-Fusion im cDriver™

Unter Bezugnahme auf die verschiedenen globalen Trends, die diskutiert wurden, ist die Integration von sensorähnlichen Fähigkeiten in cDriver™-ICs (Controller+Treiber) für elektromechanische Aktuatoren erforderlich. Monolithische und Multichip-Lösungen auf Siliziumebene beinhalten nicht nur den analogen Treiberteil, sondern werden von den modernen digitalen Funktionen, ihren Sensor-Fähigkeiten, eigener Entscheidungsfindung sowie ihren Kommunikations-Schnittstellen dominiert und definiert. Diese Sensor-Aktor-Fusion erfüllt viele Bedürfnisse und bietet ein breites Spektrum von Vorteilen für Solenoid- und Schrittmotor-basierte Anwendungen.

Entwicklung von Miniaturaktoren: Kompakt eingebettete Hardwarelösungen

Miniaturventile, Ventilinseln und mehrachsige Schrittmotoranwendungen profitieren von hochintegrierten und eingebetteten Hardwarelösungen zur Ansteuerung. Eine kleine und kompakte Controller- und Treiberelektronik ermöglicht eine wettbewerbsfähige Größenreduzierung des gesamten Aktuator-Subsystems für platzbeschränkte Anwendungen.

Eine typische eingebettete Hardwarelösung für einen Solenoid, eine Ventilinsel oder ein Mehrachs-Schrittmotorsystem besteht aus einer Busschnittstelle zur Kommunikation, einer Mikrocontrollereinheit (MCU) für die Anwendungssteuerung und eine oder mehrere Controller-/Treibereinheiten wie in Bild 3 abgebildet.

Bild 3: Typische Solenoid- oder Schrittmotor-Controller- und Treiberlösung

Die Kommunikationsschnittstelle und MCU hängen von der Anwendung und der Systemarchitektur ab und sind in der Regel nur einmal pro Einheit erforderlich. Im Gegensatz dazu kann die Aktuator-Controller-/Treiberstufe für eine Ventilinsel oder Mehrachssystem mehrfach erforderlich sein und bietet somit höchstes Optimierungspotenzial. Typische Treiberimplementierungen für Solenoide bieten ebenfalls erweiterte Funktionen, haben jedoch eine große Stückliste und erfordern viel Platz für alle Komponenten.

Die vollständige Integration dieser erweiterten Steuerungs- und Sensorfunktionen in einer einzigen Komponente reduziert den Platzbedarf auf der Platine auf ein absolutes Minimum. Bei Lösungen mit integrierter Strommessung entfallen z.B. große externe Messwiderstände und zusätzliche Shunt-Verstärker. Integrierte Treiberstufen mit niedrigem Einschaltwiderstand R DS(ON) ermöglichen beste Effizienz und reduzieren Wärmeverluste. Dies wirkt sich wiederum positiv auf die benötigte Kühlfläche aus und ermöglicht den Einsatz in kritischen Anwendungsumgebungen.

Wie bei Solenoiden dominiert auch bei Schrittmotorlösungen der Treiberteil. Hochintegrierte cDriver™ für Schrittmotoren ermöglichen extreme Platzeinsparungen und bieten gleichzeitig überlegene Leistung. Neben den Diagnose- und Feedbackfähigkeiten haben sie einen integrierten Motion Controller mit Rampengenerator sowie den Leistungsteil mit vollintegrierter Strommessung.

Verbesserte Diagnose ebnet den Weg zur vorausschauenden Wartung und Selbsterkenntnis

Sensorähnliche Daten stehen lokal in den intelligenten cDriver™ zur Verfügung. Aber was kann man mit dieser Fülle an Informationen machen?

Zu den verfügbaren Parametern gehören die Treibertemperatur, Spulenwiderstand und -temperatur, Schätzung der Spuleninduktivität, Versorgungsspannung, tatsächliche Spulenströme und BEMF-Informationen. Intelligente Algorithmen und Funktionen ermöglichen die Ableitung von System- und Anwendungsbedingungen und andere Systemparameter wie die Reaktions- und Laufzeit des Magnetventils, lokaler Stromabfall, Erkennung fehlender Last, Überstrom- und Kurzschlusserkennung, Teilverschlußerkennung, Kolbenbewegung, Messung der Kolbenverschiebung und Echtzeit-Stromüberwachung.

Die lokalen Erfassungs- und Diagnosemöglichkeiten sowie die Verfügbarkeit dieses Feedbacks ebnen den Weg für vorausschauende Wartung und Selbsterkenntnis in drei verschiedene Ebenen, die in Bild 4 dargestellt sind:

Bild 4: Verfügbarkeit und Fluss von Sensor- und Diagnosedaten.

Bessere Entscheidungen in Echtzeit können direkt in der Controller- und Treiber-Elektronik aufgrund der lokalen Überwachungs- und Selbstdiagnosefunktionen getroffen werden. Diese bestehen aus konfigurierbaren thermischen Schutzgrenzen, konfigurierbarer Kurzschluss- und Treiberschutz bei Störungen, automatische Haltestromumschaltung sowie sofortige Störungsmeldung; zum Beispiel, wenn der Stößel des Magnetventils klemmt.

Unter Verwendung der lokalen MCU können komplexere Funktionen durch Interpretation der sensor-ähnlichen Daten im Applikationskontext implementiert werden. Über die serielle Schnittstelle des cDriver ist eine Echtzeitüberwachung möglich. Diagnoseinformationen und Parameter stehen als kontinuierlicher Feedbackstrom vom Aktuator und cDriver™ zur Verfügung. Dies ermöglicht eine spezifischere Statusüberwachung, Langzeitfehler-Erkennung oder sogar Mustererkennung. Reaktions- und Laufzeit, lokaler Stromeinbruch, Kolbenverschiebung und Last: eine Drift dieser Parameter im Laufe der Zeit ist ein Zeichen für die Alterung des Aktuators und weist auf die Notwendigkeit einer vorbeugenden Wartung während der Betriebsdauer hin. Sensordaten können gesammelt werden. Anwendungsstatistiken, die über die einfache Fehlererkennung hinausgehen, können vorverarbeitet und in das richtige Format umgewandelt werden, bevor sie über Kommunikationsschnittstellen wie IO-Link®, CANopen oder auch Industrial Ethernet an höhere Kontrollschichten kommuniziert werden.

Auf den höheren Steuerungsebenen werden die Daten der dezentralen Einzelaktoren, Ventilinseln oder Mehrachsensystemen gestreamt. Oder die Daten von Inseln in der Fabrik werden zusammengeführt, um zusätzliche Optionen zur Verbesserung der Steuerung und Überwachung zu bieten. Beispielsweise hilft die Kenntnis der Reaktions- und Laufzeiten einer Ventilinsel bei der Synchronisierung mehrerer Ventile oder verbessert die Orchestrierung verschiedener Magnetventile und anderer Aktuatoren die Interaktion und den Durchsatz. Defekte Aktuatoren können identifiziert und lokalisiert werden.

Energieeffizienz: Überlegene Regelqualität

Die Möglichkeit die Reaktions- und Laufzeit eines Solenoids zu messen und den lokalen Stromeinbruch zu erkennen wirkt sich positiv auf den Stromverbrauch aus. Es ermöglicht Kontrollparameter wie Zielstrom und Anstiegsgeschwindigkeit zu Tunen, um die Reaktions- und Laufzeit zu optimieren. Darüber hinaus ist eine automatische Umschaltung von Arbeits- auf Haltestrom zum optimalen Zeitpunkt möglich, anstatt auf einen statisch vorbestimmten Zeitpunkt zu warten. Dies spart die Energie, die ansonsten unnötigerweise in die Spule des Magneten fließen würde. Dadurch wird die Effizienz der Magneteinheit weiter verbessert. Dies gilt besonders im Fall von bistabilen Impulsmagnetventilen (Rastventilen), bei denen der Haltezustand mechanisch mit Federn sichergestellt ist, so dass der Haltestrom Null ist und nur der Fahrstrom zum Gesamtstromverbrauch beiträgt.

Diese Verbesserung der Energieeffizienz bewirkt eine geringere Erwärmung und thermische Belastung, was zu einer längeren Lebensdauer und verbesserten Zuverlässigkeit und funktionalen Verfügbarkeit der Magnetventile führt. Ein kühlerer Betrieb der Aktuatoren ermöglicht ein breiteres Spektrum an Anwendungsfällen; zum Beispiel in biologischen, chemischen oder medizinischen Bereichen, in denen die Temperatur ordnungsgemäß kontrolliert werden muss, um kritische Grenzen einzuhalten.

Time-to-Market: Vereinfachte Steuerung/Benutzerfreundlichkeit

cDriver™-Komponenten verfügen über eine schnittstellenzentrierte Architektur. Die Bidirektionalität der Schnittstelle ermöglicht die Erfassung der Sensordaten und -parameter, die innerhalb des cDriver™-Bausteins verfügbar sind und ermöglicht die Konfiguration und Anpassung der Steuerungs-Parameter für die Anwendung. Die cDriver™-Komponenten sind selbst Subsysteme und stellen hochwertige System-Bausteine ​​für die Solenoid- und Schrittmotorsteuerung bereit, sind sofort einsatzbereit und umfassend konfigurierbar.

Die Softwareentwicklung für den Aktor-Teil wird auf ein Minimum reduziert – sie ist im Grunde überhaupt nicht nötig. Man muss kein Experte für Solenoid- oder Schrittmotorsteuerungen sein. Stattdessen kann der Fokus auf die eigenen anwendungsspezifischen Funktionen und die Kommunikation gelegt werden.

Diese kommunikationszentrierte, schnittstellenorientierte Denkweise führt zu softwaredefinierter Hardware und ist nicht nur ein Vorteil für das System-Design oder den Software-Ingenieur, sondern es verkürzt auch die Zeit bis zur Markteinführung und minimiert Designrisiken.

Gesamtkosten-Betrachtung

Intelligente und hochintegrierte cDriver™-ICs, wie in diesem Artikel beschrieben, helfen die Gesamtbetriebskosten zu reduzieren. Kosteneinsparungen werden auf drei verschiedenen Ebenen erwartet: Energiekosten, Wartungskosten und ungeplante Ausgaben aufgrund der Risikominderung. Die Funktionen zur Verbesserung der Energieeffizienz und Reduzierung des Stromverbrauchs wirken sich direkt auf die Betriebskosten aus – Energieeinsparung bedeutet Kosteneinsparung. Maßnahmen zur vorausschauenden Wartung auf Basis der umfangreichen Diagnosedaten und sensorähnliches Feedback hilft, ungeplante Wartungskosten zu reduzieren und den Wartungsprozess im Allgemeinen zu vereinfachen, da Fehlerquellen leicht lokalisiert werden können.

Ein kontinuierlicher Strom von Rückmeldungen von den Aktuator-Subsystemen hilft dabei die Systembedingungen zu überwachen und verbessert die Betriebsverfügbarkeit, was Mehrkosten aufgrund von Produktionsausfällen verhindert.

Eine weitere wichtige, nicht zu unterschätzende, Auswirkung der hohen Integration der cDriver™-ICs ist die erhebliche Reduzierung der Stückliste, wie sie in den Beispielen oben gezeigt wird. Jedoch es geht nicht nur um die Reduzierung der Stücklistenkosten. Weltweite Herausforderungen der Versorgungs-Kette, Fabrikkapazitäten und Mangel an Halbleitern und elektronischen Komponenten aufgrund von Handelskriegen oder anderen globalen Ereignissen wird die Fähigkeit beeinträchtigen Produkte rechtzeitig oder überhaupt herzustellen und zu versenden. Das ist nicht nur ein Risiko, sondern bereits Realität. Durch die Reduzierung der Anzahl der Stücklistenkomponenten werden Abhängigkeiten reduziert und ungeplante Neuentwicklungen der Controller- und Treiberelektronik mit nachfolgender Requalifizierung verhindert.

Zusammenfassung

Mit der Verschmelzung von Sensor und Aktor ermöglichen neue cDriver™-Bausteine intelligente elektromechanische Aktoren. cDriver™ können mehr als einen Magneten schalten oder einen Motor drehen: Sie bieten umfangreiche Diagnosefunktionen und sind damit eine Art eigenständiger Sensor. Vorverarbeitete Daten treffen Entscheidungen vor Ort und bieten Sicherheits- und Überwachungsfunktionen. Solche intelligenten Sensor-Aktoren bieten einen Mehrwert für die physikalisch-virtuellen Systeme und Fabriken der Zukunft, indem sie mechanische Herausforderungen lösen, Komplexität verbergen, ausgefeilte Funktionen kapseln und umfangreiche Informationen an die übergeordneten Steuerungs-Schichten zur weiteren Verarbeitung liefern sowie Kosten und Energieverbrauch

Das ist eine neue Stufe der Digitalisierung und ein Paradigmenwechsel in der Steuerung der elektromechanischen Aktoren in der Industrie 4.0.

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Klein, effizient und zuverlässig

Die neuen Vollbrücken-Treiber von ADI Trinamic ermöglichen miniaturisierte DC-Motor Antriebe mit hohem Wirkungsgrad.

Die neuen Bausteine MAX22201, MAX22202 & MAX22207 integrieren eine H-Brücke mit 36 ​​V und 3,5 A Spitze, die einen bürstenbehafteten Gleichstrommotor antreiben kann. Durch Verwendung von FETs mit sehr niedriger Impedanz und einem typischen Einschaltwiderstand von 0,3 Ω (HS+LS) wird eine hohe Effizienz erreicht. Der Spitzenstromwert von 3,5 A wird durch einen Überstromschutzschwellenwert begrenzt. Der Spitzenstrom ist definiert als der maximale Strom, den der Treiber für kurze Transienten bereitstellen kann. Der maximale Effektivstrom beträgt 2 A und wird normalerweise durch thermische Überlegungen begrenzt. Er wird auf einer Standard-JEDEC-4-Lagen-Platine bei 25 °C Umgebungstemperatur erreicht. Der tatsächliche maximale Betriebsstrom hängt von den thermischen Eigenschaften der Anwendung ab.

Die Treiber MAX22201, MAX22202 & MAX22207 verfügen über eine verlustfreie und genaue integrierte Strommessung und eine integrierte Stromregelung, um den Strom durch die Motorspule zu überwachen und den Spitzenausgangsstrom zu begrenzen. Wenn der Motorstrom den Stromgrenzwert überschreitet, wechselt die Vollbrücke für eine festgelegte Ausschaltzeit in einen Abklingmodus. Bei Antriebsanwendungen mit Bürstenmotoren garantiert die Stromregelung einen sicheren und zuverlässigen Betrieb des Treibers sowohl im Normalbetrieb als auch während des Anlaufens und Stillstands des Motors. Zusätzlich wird die Anforderung an die Systemleistung und-versorgung reduziert. Zur Überwachung wird der Wert des intern erfassten Stroms an einen Pin ausgegeben.

Die drei Treiber MAX22201, MAX22202 & MAX22207 unterscheiden sich lediglich in der Ansteuerung, sowie in der Ausschaltzeit. Alle Versionen verfügen über Überstromschutz, thermische Abschaltung und Unterspannungssperre sowie einen Fehlerausgang und sind im winzigen TDFN12-Gehäuse mit 3 x 3 mm erhältlich. Zur einfachen Inbetriebnahme sind Evaluierungsboards erhältlich.

Das kleine Gehäuse, der außergewöhnlich hohe Wirkungsgrad und die integrierte genaue Strommessung machen die Vollbrücken MAX22201, MAX22202 & MAX22207 zu einer ausgezeichneten Wahl für platz- und leistungskritische Anwendungen.

Downloads & Links

MAX22201 + 02 + 07 datasheet (PDF)

ADI Trinamic DC-Motor Driver overview (PDF)

MAX22201 | MAX22202 | MAX22207

MAX22201-EVKIT | MAX22202-EVKIT | MAX22207-EVKIT

DC-Motor ICs

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Neue Generation für weniger Platzbedarf und mehr Leistung

Die 5. Generation von ADI Trinamic Schrittmotor-Treiber ICs.

Nach der Aquisition von Trinamic Motion Control durch Maxim Integrated im Jahr 2020 und die darauffolgende Übernahme von Maxim durch Analog Devices, hat ADI Trinamic nun Zugriff auf modernste Chip-Technologie. Das aktuelle Ergebnis davon ist eine neue Generation von Schrittmotor-Treibern und kombinierte Motion Controller und Treiber.

Schrittmotor-Treiber Topologien

Bei ADI Trinamic gibt es drei verschiedene Topologien von Schrittmotor-Treibern: Der einfachste ist der sogenannte Stand-Alone-Treiber. Dieser wird über Port-Pins konfiguriert und über Schritt-Pulse und einem Richtungssignal angesteuert. Die Fachbegriffe hierfür sind Takt&Richung bzw. Step/Direction.

Ein Smart-Treiber verfügt zusätzlich über ein serielles Interface mit dem neben der Konfiguration auch das Auslesen von Daten während des Betriebs möglich sind. Dies ermöglicht umfangreiche Einstell- und Diagnose-Möglichkeiten.

Die höchste Integration besteht bei dem kombinierten Motion-Controller+Treiber, von ADI Trinamic cDriver genannt. Hier sind nur noch einzelne Befehle zur Zielposition oder Geschwindigkeit nötig. Der Motion-Controller erzeugt automatisch eine Beschleunigungsrampe und lässt den Motor auf die gewünschte Position fahren. Dabei werden mögliche Referenz- und Endschalter sowie inkrementelle Encoder zur Positionskontrolle direkt ausgewertet. Die integrierten Motion-Controller der neuesten Generation verfügen über einen 8-Punkt-Rampengenerator (EightPoint™), bei dem sowohl Beschleunigen als auch Bremsen mit je drei verschiedenen linearen Werten möglich ist. So kann mit einfachen Mitteln eine komplizierte S-förmige Rampe nachgebildet werden, bei der es nie große Änderungen der Beschleunigung gibt.

Bild: 8-Punkt-Beschleunigungsrampe EightPoint™

Einzigartige Funktionen

Die Besonderheit der Schrittmotor-Treiber von ADI Trinamic liegt in den verschiedenen patentierten Stromregelverfahren (Chopper) sowie Diagnose- und Kontroll-Funktionen.

Mit dem SpreadCycle™-Strom-Chopper lässt sich das maximale Motordrehmoment erzielen. Anders als herkömmliche Verfahren mit konstanter Ausschaltzeit und einstellbarem Mixed-Decay, regelt dieser Chopper den Strom sowohl im Nulldurchgang als auch beim Bremsen sauber aus. Nur mit einer sehr guten Stromregelung sind hohe Mikroschritt-Auflösungen sinnvoll. Die Treiber von ADI Trinamic arbeiten seit über 10 Jahren mit bis zu 256 Mikroschritten pro Vollschritt. Der Mikroschritt-Vervielfacher MultiPlyer™ ermöglicht auch bei Verwendung von geringeren Eingangs-Auflösungen die Vorteile der maximalen Auflösung von 256 Mikroschritten zu nutzen. Die zur Ansteuerung nötigen Schrittfrequenzen lassen sich so deutlich reduzieren.

Die StallGuard2™-Funktion erlaubt es bei Verwendung des SpreadCycle™-Choppers die Belastung des Motors auszulesen. Dieses sensorlose Verfahren basiert auf der Gegen-EMK (Back-EMF), also der generatorischen Wirkung des Motors. Ein 10Bit-Wert gibt Aufschluss darüber wie viel Leistungsreserve der Motor hat. Wenn ein Schrittmotor seine Lastgrenze erreicht, also überlastet wird, bleibt er stehen (Stall) oder er lässt Schritte aus (Schrittverlust). Diesen Zustand kann die StallGuard2™-Funktion erkennen und über einen Ausgang signalisieren (Stall-Detection). StallGuard2™ wird z.B. häufig zur Erkennung von mechanischen Anschlägen verwendet.

Bild: Last-Strom-Diagramm herkömmlich

CoolStep™ verwendet nun den von StallGuard2™ ermittelten Wert und nutzt diesen um den Strom zu Skalieren. Da ein Schrittmotor in der Regel mit Konstantstrom betrieben wird, erhitzt sich dieser umso stärker, je weniger mechanische Energie entnommen wird. CoolStep™ passt den eingeprägten Strom automatisch an die Belastung des Motors an und hilft so bis zu 75% Energie einzusparen.

Bild: Last-Strom-Diagramm mit CoolStep™

Bei StealthChop™ handelt es ich um einen Chopper, bei dem die PWM fest vorgegeben und nicht in jedem Chopperzyklus der Strom ausgemessen wird. Das Ergebnis ist ein flüsterleiser Betrieb, da es hierbei keinen Jitter gibt, der die Spulen zum Schwingen anregt. Um auf die veränderten Verhältnisse durch die Gegen-EMK reagieren zu können, wird der Strom jede 10 Vollschritte gemessen und die PWM auf den Zielstrom angepasst. Der Nachteil dieser Vorgehensweise ist, dass bei schneller Beschleunigung die Gegen-EMK innerhalb der 10 Vollschritte bereits so stark angestiegen ist, dass nicht mehr der Zielstrom in den Motor gelangt und dieser somit über weniger Kraft verfügt. Alle Treiber der aktuellen Generation verfügen daher über StealthChop2™. Bei dieser Weiterentwicklung werden zu Beginn die notwendigen Motorparameter gemessen und mit diesen ein Motormodell gebildet, so dass bei jeder Geschwindigkeit die angepasste PWM verwendet wird. Die Motorparameter werden während des Betriebs stets aktualisiert, um auf veränderte Umgebungsbedingungen zu reagieren. StealthChop™ bzw. StealthChop2™ wird häufig in 3D-Druckern verwendet, um die Geräusch- und Vibrationsenwicklung deutlich zu reduzieren.

Die neue Treiber-Generation bietet mit StallGuard4™ nun auch die Lasterkennung bei Verwendung von StealthChop2™. CoolStep™ kann in diese Kombination sogar bis zu 90% Energie einsparen.

Die beidnen Motion-Controller+Treiber TMC5271 und TMC5272 bieten als erste die neue TriCoder-Funktion. Damit ist es möglich im nicht bestromten Zustand eine unerwartete Bewegung vollschrittgenau zu erkennen. So kann der Motor z.B. als Positionsgeber verwendet oder ungewollte Bewegungen ausgeglichen werden.

Integrierte verlustfreie Strommessung

Durch den Zugriff auf modernste Halbleitertechnologie hat ADI Trinamic nun einen weiteren Schritt in Miniaturisierung vollzogen. Die integrierte verlustfreie Strommessung ICS benötigt keine externen Messwiderstände, sondern misst den Strom über den Widerstand der MOSFETs (R DS on). Es entfallen so nicht nur die teuren und großen externen Bauteile, sondern werden auch Pins am Gehäuse gespart. Auf diese Weise sind Gehäuse-Abmessungen von 5x5mm und sogar 3x3mm möglich.

Geringerer Widerstand – höhere Leistung

Durch den deutlich reduzierten Widerstand können die Treiber der neuen Generation das 1,5-fache des Stroms treiben, trotz kleinerem Gehäuse.

Reto Himmler, leitender Elektronikingenieur bei Hombrechtikon Systems Engineering AG, Schweiz, bestätigt:

„Wir verwenden ADI Trinamic™ Schrittmotor-Treiber Aufgrund der branchenführenden Funktionen bereits seit mehr als 10 Jahren. Der TMC5240 ist der Baustein, auf den wir gewartet haben! Der höhere Motorstrom, das kleinere Gehäuse und die integrierte Strommessung helfen, wertvollen Platinenplatz in unseren Laborautomatisierungsgeräten einzusparen. Die geringe Verlustleistung durch den niedrigen Einschaltwiderstand bietet mehr Freiheit für das mechanische Design. Die 8-Punkt-Rampen sind gut – auch wenn die 6-Punkt-Rampen der bestehenden Produkte für unsere Anwendungen bereits ausreichend waren.“

Einfache Evaluierung

Zur einfachen Evaluierung der Treiber von ADI Trinamic gibt es ein gesamtes Ecosystem. Die zentrale Baugruppe ist die sogenannte Landungsbrücke. Hierbei handelt es sich um ein Mikrocontroller-Board, das eine USB-Verbindung zum Windows-PC herstellt und die seriellen Daten aufbereitet. Als Software dient die TMCL-IDE, die kostenlos von der ADI Trinamic Website heruntergeladen werden kann.

Bild: TMC5272-Eval-Kit, bestehend aus Landungsbrücke, Eselsbrücke und TMC5272-Eval

Die Landungsbrücke verfügt über einen Steckverbinder über die das Evaluations-Board für den jeweiligen Treiber über die Adapterplatine „Eselsbrücke“ angesteckt wird. Die Software erkennt automatisch, welches Eval-Board verwendet wird und stellt die entsprechenden Funktionen zur Verfügung.

Zusammenfassung

Die 5. Generation der Schrittmotortreiber von ADI Trinamic ermöglicht den Anwendern kleinere und intelligentere Produkte mit höherer Energie-Effizienz in kürzerer Zeit zu entwickeln. Es ist der nächste Schritt zur Aufrechterhaltung der technischen Marktführerschaft von ADI Trinamic in diesem Segment.

Übersicht Schrittmotortreiber der 5. Generation

36V-Treiber im TQFN32 5×5 mm oder TSSOP38 9,7×4,4 mm Gehäuse:

TMC2210Stand-Alone-TreiberTakt&Richtung2,1 A rms  
TMC2240Smart-TreiberSPI, UART, Takt&Richtung2,1 A rms  
TMC5240MotionController+Treiber (cDriver)SPI, UART2,1 A rms  

20V-Treiber im WLCSP36 2,97 x 3,13mm Gehäuse für batteriebetriebene Anwendungen und minimalen Platzbedarf:

TMC5271MotionController+Treiber (cDriver)SPI, UART1,6 A rms
TMC5272Dual MotionController+Treiber (Dual cDriver)SPI, UART2x 0,8 A rms

Downloads & Links

Schrittmotortreiber ICs (MEV-Website)

Übersicht ADI Trinamic Schrittmotor ICs (PDF)

Kontakt

Wenn Sie mehr über Schrittmotor-Treiber von ADI Trinamic wissen möchten oder ein Angebot wünschen, kontaktieren Sie bitte:

Guido Gandolfo
Produkt Line Manager
Motion Control
+49 5424 2340-57
ggandolfo@mev-elektronik.com