StallGuard

StallGuard — это технология аппаратного обнаружения механического заклинивания (останова) ротора шагового двигателя, реализованная в драйверах Trinamic (ныне подразделение компании Analog Devices). Метод основан на измерении падения напряжения на обратноходовых диодах силовых ключей драйвера во время фазы рециркуляции тока, что позволяет детектировать изменение противо-ЭДС двигателя без использования внешних датчиков.

Принцип действия

В основе работы StallGuard лежит измерение так называемого load angle (угла нагрузки) — фазового сдвига между вектором тока статора и положением ротора. В нормальном режиме работы шагового двигателя при отсутствии перегрузки этот угол остаётся в определённых пределах. При возрастании механической нагрузки на валу ротор начинает отставать от вращающегося магнитного поля, что приводит к увеличению угла нагрузки и, как следствие, к изменению формы тока в обмотках.

Технология использует тот факт, что в момент коммутации фаз (переключения тока с одной обмотки на другую) в паузе между импульсами широтно-модулированного сигнала (ШИМ) напряжение на открытом обратноходовом диоде пропорционально скорости изменения магнитного потока. Драйвер встроенными аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП) измеряет это напряжение в течение короткого временного окна (около 1 микросекунды) и преобразует его в цифровое значение — SGV (StallGuard Value).

Значение SGV нормируется в диапазоне от 0 до 63 (для 6-битных регистров) или от 0 до 255 (для 8-битных). Чем выше механическая нагрузка, тем меньше значение SGV. При достижении порога заклинивания (stall) SGV падает до нуля или ниже заданного порога, что интерпретируется микроконтроллером как событие останова.

Физические ограничения

Метод эффективен только при вращении двигателя с достаточной скоростью (обычно выше 10–20 оборотов в минуту для типовых двигателей). На низких скоростях или в статическом режиме противо-ЭДС слишком мала для точного измерения, и StallGuard неработоспособен. Кроме того, точность детектирования зависит от:

• тока удержания (hold current);
• напряжения питания драйвера;
• индуктивности и сопротивления обмоток двигателя;
• температуры окружающей среды.

История разработки

Технология была впервые реализована в микросхемах Trinamic серии TMC22x (например, TMC223, выпущенный в 2007 году) и TMC26x (TMC260, TMC262). Компания Trinamic Motion Control GmbH (Германия) запатентовала метод в 2008 году (патент US 7,880,422 B2). Первоначально технология применялась в промышленных контроллерах для текстильных машин, упаковочного оборудования и станков с ЧПУ, где требовалось автоматическое выявление заклинивания инструмента или зажимного приспособления.

В 2014 году вышла серия TMC2100, где StallGuard был совмещён с технологией автоматического управления током CoolStep. С 2018 года, после приобретения Trinamic корпорацией Analog Devices (США) в 2021 году, технология стала доступна в чипах под брендом Analog Devices, в частности в сериях TMC2209, TMC5160 и TMC5161.

Версии и разновидности

Разработчики выделяют две основные версии технологии:

StallGuard (первое поколение)

Реализована в чипах TMC223, TMC260, TMC262, TMC2100. Использует 6-битное значение SGV. Требует калибровки порога срабатывания под конкретный двигатель и напряжение питания. При неправильной калибровке возможны ложные срабатывания или пропуск события заклинивания.

StallGuard2 (второе поколение)

Внедрена в микросхемах TMC2209, TMC5160, TMC5161, TMC2240 и более новых. Отличается:

• 8-битным значением SGV (0–255);
• автоматической адаптацией к изменению напряжения питания и температуры;
• возможностью работы с двигателями с номинальным током до 3 А (TMC2209) и до 10 А (TMC5160);
• встроенной фильтрацией дребезга и гистерезисом для предотвращения ложных срабатываний от вибраций.

Применение

StallGuard применяется в системах, где требуется детектирование механического упора или заклинивания без использования концевых выключателей, энкодеров или датчиков тока. Основные области:

3D-печать

В настольных FDM-принтерах технология используется для автоматической калибровки стола (определение точки касания соплом платформы) и обнаружения заклинивания филамента в экструдере. Популярные платы управления на базе TMC2209 (например, SKR Mini E3 от BTT) реализуют эту функцию через прошивку Marlin или Klipper.

Станки с ЧПУ

В фрезерных и лазерных станках StallGuard позволяет выявлять поломку фрезы, утыкание инструмента в заготовку или перегрузку шпинделя. В сочетании с технологией CoolStep (автоматическое снижение тока при малой нагрузке) достигается экономия энергии до 75% по заявлениям производителя.

Робототехника

В манипуляторах и линейных приводах технология служит для позиционирования без обратной связи — система движется до упора, регистрирует останов и запоминает координату. Это упрощает конструкцию и снижает стоимость, так как не требуются дорогие энкодеры.

Промышленная автоматизация

В упаковочных машинах, конвейерах и устройствах подачи материала StallGuard используется для контроля натяжения ленты, обнаружения застревания продукции и защиты от перегрузки.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Отсутствие внешних датчиков — снижение стоимости и упрощение монтажа.
• Высокое быстродействие: время реакции составляет единицы микросекунд.
• Работает на всех стандартных двухфазных шаговых двигателях (NEMA 8–34).
• Не требует калибровки при смене двигателя одного типоразмера.

Недостатки

• Неприменим на низких скоростях (менее 10–20 об/мин).
• Чувствителен к электромагнитным помехам от соседних силовых цепей.
• Точность снижается при работе с двигателями с высоким сопротивлением обмоток (более 10 Ом).
• Не детектирует заклинивание, если ротор остановился в положении, близком к равновесному (нулевой угол нагрузки).
• Требует корректной настройки регистров драйвера (SGT — StallGuard threshold) в прошивке.

Альтернативные технологии

Помимо StallGuard, существуют иные методы детектирования заклинивания шаговых двигателей:

• Back-EMF sensing — измерение противо-ЭДС на отключённой фазе (реализован в драйверах Allegro A4988, но с существенно меньшей точностью);
• Encoder feedback — использование оптических или магнитных энкодеров (высокая точность, но дороже);
• Current sensing — измерение тока в обмотках через шунт (требует внешнего АЦП и сложной обработки сигнала).

StallGuard остаётся наиболее распространённым беcдатчиковым решением в любительской и малосерийной технике благодаря встроенной реализации в популярных микросхемах TMC2209 и TMC5160.

Источники

1. Trinamic Motion Control GmbH. TMC2209 Datasheet (Rev. 1.2, 2020).
2. Analog Devices. TMC5160 Datasheet (Rev. B, 2022).
3. Патент US 7,880,422 B2 «Method and circuit for monitoring the operation of a stepping motor», 2008.
4. RepRap Wiki. StallGuard (статья в открытой документации проекта RepRap).
5. Marlin Firmware Documentation. StallGuard Configuration (раздел официальной документации прошивки Marlin).
6. Klipper Documentation. tmc2209: StallGuard (раздел официальной документации прошивки Klipper).