Technologie automatyzacji i robotyki w dużym stopniu opierają się na silnikach i powiązanych z nimi układach sterowania i sterownikach. Te złożone półprzewodniki wykraczają poza podstawowe sterowanie ruchem, mogą uruchamiać zaawansowane algorytmy i ściśle dostosowywać działanie systemu w oparciu o priorytety silnika, obciążenia i ogólnej wydajności.
Jednak skonfigurowanie tych złożonych układów scalonych i ocena potencjalnej wydajności systemu wyłącznie w oparciu o specyfikacje lub symulacje jest wyzwaniem. Proces ten może być długotrwały i kosztowny, a także może powodować niepewność podczas wdrażania. Najlepszym podejściem programistycznym jest użycie płytek ewaluacyjnych, aby umożliwić równoległe projektowanie systemu, układ i rozwój oprogramowania.
W artykule skupiono się na wyzwaniach stojących przed projektantami podczas korzystania z układów scalonych do sterowania ruchem, a także na roli płytek ewaluacyjnych w stawianiu czoła tym wyzwaniom. Następnie wprowadzono typowe układy scalone i powiązane płytki ewaluacyjne firmy Analog Devices, co skróciło czas wymagany do wprowadzenia produktu na rynek poprzez uzyskanie wczesnych i realistycznych ocen przy jednoczesnym zmniejszeniu niepewności związanej ze sprzętem i oprogramowaniem.
Przegląd wymagań dla układów scalonych sterowania ruchem
Układ scalony sterowania ruchem zapewnia inteligencję wymaganą do sterowania silnikami i ich wewnętrznymi urządzeniami zasilającymi, takimi jak tranzystory MOSFET sterujące uzwojeniami silnika. Aby osiągnąć optymalną wydajność, trajektorię, krzywą ruchu i wydajność w statycznych i dynamicznych trybach pracy oraz warunkach obciążenia, a także aby poradzić sobie z zakłóceniami, stanami przejściowymi i awariami, zarówno silniki, jak i tranzystory MOSFET muszą być starannie zarządzane.
Aby pomóc stawić czoła tym wyzwaniom, dostawcy układów scalonych sterowników zapewniają płytki ewaluacyjne. Te płytki ewaluacyjne upraszczają konfigurację, optymalizację i ocenę wydajności sprzętu i oprogramowania, przeprowadzając testy sprzętu w pętli (HITL) w rzeczywistych warunkach silnika i rzeczywistego obciążenia. Zapewniają również, że fizyczny układ układu scalonego i otaczających go obwodów jest prawidłowo ustalony pod względem dystrybucji mocy, efektów pasożytniczych, połączeń i formatów wejścia/wyjścia (I/O), złączy fizycznych i innych aspektów. Projektanci mogą używać tych płytek ewaluacyjnych (jako płytek średniej wielkości, podstawowych płytek rozgałęźnych (BOB) lub rozwiązań modułowych) do oceny różnych ustawień, konfiguracji i opcji w celu określenia najbardziej odpowiedniego rozwiązania dla danego zastosowania.
Układ scalony sterowania silnikiem i powiązana płytka ewaluacyjna
Dobrym przykładem układu scalonego do sterowania silnikiem jest układ TMC5130A-TA-T z serii Analog Devices TMC5130. Jest to wysokowydajny sterownik i sterownik silnika krokowego z interfejsem komunikacji szeregowej i zawiera elastyczny generator rampy do automatycznego pozycjonowania celu.
Sterownik wykorzystuje zaawansowany algorytm choppera StealthHop, który zapewnia niemal bezgłośną pracę, najwyższą wydajność i optymalny moment obrotowy silnika. TMC5130 integruje wiele unikalnych funkcji ulepszeń poprzez integrację sterownika i kontrolera na chipie (SoC). Na przykład generator rampy SixPoint w TMC5130 wykorzystuje funkcje DcStep, CoolStep i StallGuard2 do automatycznej optymalizacji każdego ruchu silnika.
Aby pomóc projektantom w rozpoczęciu korzystania z TMC5130, system płytek ewaluacyjnych TMC5130-EVAL (rysunek 1) zapewnia wygodną platformę sprzętową i przyjazne dla użytkownika narzędzia oprogramowania ewaluacyjnego. System płytki ewaluacyjnej składa się z trzech części: mostka łączącego podłoże (po lewej), który łączy się z komputerem, płytki złącza (w środku) zawierającej wiele punktów testowych oraz płytki TMC5130-EVAL (po prawej).
Obraz płytki ewaluacyjnej Analog Devices TMC5130-EVAL (po prawej) i obciążenia silnika (po prawej) (kliknij, aby powiększyć)
Rysunek 1: Płytka ewaluacyjna TMC5130-EVAL (po prawej stronie) i obciążenie silnika (po prawej stronie) są konfigurowane za pomocą mostka USB podłączonego do podłoża komputera (lewa strona) i płytki złącza z punktami testowymi (w środku). (Źródło obrazu: urządzenia analogowe)
Projektantom, którzy chcą opracować więcej obwodów opartych na rdzeniu TMC5130, firma Analog Devices udostępnia tablicę rozdzielczą TMC5130A-BOB (rysunek 2, góra). Płyta ta zapewnia podstawowe połączenia wymagane do działania i jest sterowana poprzez interfejs SPI. Schemat ideowy (Rysunek 2 na dole) przedstawia najprostszy obwód przewidziany do realizacji funkcji układu scalonego TMC5130.
Obraz i schemat urządzeń analogowych TMC5130A-BOB (kliknij, aby powiększyć)
Rysunek 2: TMC5130A-BOB (na górze) zapewnia podstawową metodę oceny, z punktami połączeń ustawionymi wzdłuż krawędzi zamiast dyskretnych złączy; Schemat ideowy (poniżej) przedstawia najprostszy obwód wymagany do działania układu scalonego TMC5130. (Źródło obrazu: urządzenia analogowe)
Zestaw ewaluacyjny TMC5240-EVAL jest zbudowany na dojrzałej platformie TMC5130-EVAL, a jego celem jest uproszczenie oceny silnika elektrycznego nowej generacji. Integruje mostek H 36 V, nieniszczące wykrywanie prądu i zaawansowane funkcje sterowania ruchem, w tym zoptymalizowany generator rampy Jerk i wyjątkowo cichą pracę StealthShop2 ™, która umożliwia szybszy rozruch, łatwiejsze debugowanie i skuteczniejszą weryfikację płynnej i precyzyjnej pracy silnika.
Zaawansowana technologia sterowania eliminuje potrzebę stosowania czujników sprzężenia zwrotnego
Sterowanie zorientowane na pole (FOC), znane również jako sterowanie wektorowe, jest coraz popularniejszą metodą sterowania wieloma silnikami, ponieważ w wielu przypadkach eliminuje potrzebę stosowania czujników sprzężenia zwrotnego, takich jak enkodery lub czujniki z efektem Halla, oraz związanych z nimi kosztów i rozmiarów. Głównym kompromisem pomiędzy technologiami FOC i innymi technologiami jest to, że FOC wymaga wykonywania w czasie rzeczywistym dużej liczby precyzyjnych obliczeń i operacji na macierzach.
Układ scalony sterownika silnika TMC4671-LA firmy Analog Devices został specjalnie zaprojektowany dla FOC, z wbudowanymi algorytmami i dedykowanymi silnikami zdolnymi do wykonywania wymaganych złożonych obliczeń. Ten serwosterownik do silników prądu stałego, bezszczotkowych silników prądu stałego (BLDC) i silników krokowych zapewnia kontrolę momentu obrotowego poprzez FOC oraz kontrolę prędkości i położenia poprzez sterowanie kaskadowe.
TMC4671-A obsługuje łącza SPI i UART i może wykonywać podstawową komunikację z jednostkami mikrokontrolera monitorującego (MCU) z niższej półki. Wszystkie funkcje sterujące są zaimplementowane sprzętowo, w tym zintegrowany przetwornik ADC, interfejs czujnika położenia dla opcjonalnego sprzężenia zwrotnego, interpolator położenia itp., zapewniając w pełni funkcjonalny sterownik serwo do szerokiego zakresu zastosowań serwo.
Płytka ewaluacyjna TMC4671-EVAL (rysunek 3) dla TMC4671-A upraszcza proces konfigurowania wymaganych parametrów FOC i oceny wydajności silnika w ramach tego zaawansowanego schematu sterowania. Projektanci podłączyli TMC4671-EVAL do mostka połączeniowego, powiązanego podłoża i niezależnego stopnia mocy. To ustawienie umożliwia łatwą konfigurację regulatorów proporcjonalno-całkujących (PI) i schematów sprzężenia zwrotnego oraz obsługuje pracę silnika w standardowych trybach sterowania położeniem, prędkością i momentem obrotowym.