Tecnologia “AutoTune” per motori dc e passo-passo

È ora possibile disporre di driver per motori in continua e passo-passo in grado di adattarsi automaticamente al tipo di motore e ad ogni variazione di carico, coppia e tensione di alimentazione

Pubblicato il 2 maggio 2017

Molti sono i dispositivi per il pilotaggio dei motori passo-passo oggi disponibili, ma quelli recentemente annunciati da Texas Instruments hanno indubbiamente qualcosa in più che vale la pena di valutare. Si tratta infatti di una famiglia di quattro nuovi driver per motori da 24V, due dei quali utilizzano la nuova tecnologia di TI denominata “AutoTune” in grado di adattarsi automaticamente a vari tipi di motori, e gli altri due integrano dei circuiti di current-sensing che permettono di supportare in pratica tutti i tipi di stampanti 3D, controlli robotizzati, automatismi produttivi, macchine per il conteggio di valuta e altro ancora.

Fig. 1 – I nuovi driver AutoTune di Texas Instruments per motori passo-passo sono in grado di autoregolarsi in base ai parametri dei motori ed alle caratteristiche del carico

La tecnologia AutoTune

Nei driver DRV8880 e DRV8881, la nuova tecnologia AutoTune messa a punto da Texas Instruments (Fig. 1) permette di eliminare le complesse e noiose procedure di regolazione manuali del circuito in base al tipo di motore da pilotare, che spesso richiedono varie settimane di progettazione e ottimizzazione.

In questi dispositivi, invece, un’apposita circuiteria provvede automaticamente e in modo intelligente a monitorare il comportamento del motore nelle più svariate condizioni operative in maniera permanente, provvedendo a regolare con precisione le impostazioni e i parametri di pilotaggio. Ciò permette in pratica di realizzare un circuito driver in grado di pilotare motori che operano in maniera silenziosa, progressiva ed efficiente in tutte le condizioni, nonostante cambino eventualmente le caratteristiche del motore, le condizioni di carico, di coppia o di tensione di alimentazione.

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Fig. 2 – Confronto fra le principali caratteristiche dei quattro dispositivi della nuova famiglia di motor-driver di Texas Instruments

Per i sistemi che non richiedano la stabilità e la longevità garantite dai driver AutoTune, i progettisti possono comunque trarre beneficio dal driver per motori bipolari DRV8885, che effettuare automaticamente il monitoraggio della corrente. Questo nuovo driver permette inoltre di eliminare i due resistori esterni per la misura della corrente di lavoro, poiché provvede a monitorare la corrente che fluisce attraverso il motore in modo da regolarla con precisione in maniera automatica. Tale tecnica permette quindi di ridurre del 20% l’area richiesta dal circuito stampato e di semplificare il cablaggio dei componenti sulla scheda di controllo.

Nella tabella di figura 2 sono riassunte a confronto le principali caratteristiche dei quattro dispositivi della nuova famiglia di stepper-driver. Il DRV8881E, fra l’altro, può pilotare indifferentemente sia motori passo-passo sia bipolari (Fig. 3), traendo ampio vantaggio dalla tecnologia AutoTune.

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Fig. 3 – DRV8881E può pilotare indifferentemente sia motori passo-passo sia bipolari, traendo ampio vantaggio dalla tecnologia AutoTune

Le caratteristiche

Questi dispositivi – come si può vedere dallo schema funzionale interno di figura 4 – sono dei driver a ponte di tipo duale, e sono in grado di pilotare motori passo-passo bipolari o motori in continua. La tensione di alimentazione può andare dai 6.5 ai 45V, mentre la corrente d’uscita può raggiungere gli 1.4 Arms e i 2.5A di picco, e il monitoraggio della corrente di carico viene attuata con una precisione del 6.25% del valore massimo.

I driver che utilizzano la tecnologia AutoTune sono in grado di auto-adattare il banking-time, consentono di configurare la modulazione PWM di off-time, dispongono di un pin di Sleep-mode, permettono di attuare un microstepping superiore a 1/16 di passo se si utilizza una tensione di riferimento esterna, possono essere collegati in parallelo per ottenere correnti d’uscita più elevate e, nel caso del DRV8880, dispongono di un DAC interno per il controllo della coppia di carico.

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Fig. 4 – Schema funzionale interno del driver a ponte duale DRV8881

È altresì possibile selezionare fino a tre differenti modalità di “decay”: Slow, Slow/Mixed e Mixed-Decay. La corrente che attraversa gli avvolgimenti del motore viene regolata tramite uno schema del tipo “fixed-time-off”. Ciò significa che dopo ciascuna fase di pilotaggio, non appena la corrente ha raggiunto la soglia prefissata di chopping (Itrip), il circuito pone gli avvolgimenti in uno dei tre modi di decay per toff. Trascorso il toff, viene avviata una nuova fase di pilotaggio.

Si confrontino negli oscillogrammi di figura 5 gli andamenti della corrente nel pilotaggio a microstepping in modalità Slow-Decay nella fase di aumento dei passi e Mixed 30% Fast-Decay nella fase di diminuzione dei passi (parte alta) e nel pilotaggio a microstepping in modalità Mixed 60% Fast-Decay sia in aumento sia in diminuzione dei passi (parte bassa).

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Fig. 5 – Andamento della corrente attraverso gli avvolgimenti nel pilotaggio a microstepping in modalità Slow-Decay e Fast-Decay di tipo misto

Ampio supporto

I progettisti possono velocizzare e semplificare lo sviluppo di applicazioni basate su questi nuovi driver utilizzando i kit prodotti da TI. Sono infatti disponibili a un costo di 49$ vari moduli di valutazione (Fig. 6), tutti provvisti di microcontroller a bordo, e precisamente un MSP430. L’interfaccia è di tipo “phase-enable”, mentre il DRV8881PEVM dispone di un’interfaccia di tipo PWM. Per tutti i moduli è disponibile un software a interfaccia grafica che permette di settare comodamente tutti i parametri desiderati, e infatti accanto al microcontroller è presente un converter USB/UART per permettere la connessione al PC per l’utilizzo della GUI di controllo.

 

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Fig. 6 – Sono disponibili vari moduli di valutazione, tutti provvisti di microcontroller a bordo e corredati da un software di controllo a interfaccia grafica

A ulteriore supporto delle problematiche che possono insorgere nella progettazione delle schede di pilotaggio dei motori, i progettisti possono altresì interpellare il TI E2E Community Motor Driver Forum all’indirizzo: https://e2e.ti.com/support/applications/motor_drivers, dove potranno trovare soluzioni, risposta a dubbi e domande, nonché condividere le conoscenze con i colleghi progettisti e gli esperti di TI.

Paolo De Vittor



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