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.
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™
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.
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.
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.“
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.
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.
36V-Treiber im TQFN32 5×5 mm oder TSSOP38 9,7×4,4 mm Gehäuse:
| TMC2210 | Stand-Alone-Treiber | Takt&Richtung | 2,1 A rms |
| TMC2240 | Smart-Treiber | SPI, UART, Takt&Richtung | 2,1 A rms |
| TMC5240 | MotionController+Treiber (cDriver) | SPI, UART | 2,1 A rms |
20V-Treiber im WLCSP36 2,97 x 3,13mm Gehäuse für batteriebetriebene Anwendungen und minimalen Platzbedarf:
| TMC5271 | MotionController+Treiber (cDriver) | SPI, UART | 1,6 A rms |
| TMC5272 | Dual MotionController+Treiber (Dual cDriver) | SPI, UART | 2x 0,8 A rms |
Schrittmotortreiber ICs (MEV-Website)
Übersicht ADI Trinamic Schrittmotor ICs (PDF)
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
