La tecnologia dell'automazione e della robotica fa molto affidamento sui motori e sui relativi circuiti integrati di controllo e driver. Questi semiconduttori complessi vanno oltre il controllo del movimento di base, possono eseguire algoritmi avanzati e regolare attentamente il funzionamento del sistema in base alle priorità del motore, del carico e delle prestazioni generali.
Tuttavia, impostare questi circuiti integrati complessi e valutare le potenziali prestazioni del sistema esclusivamente sulla base di specifiche o simulazioni è impegnativo. Questo processo può essere lungo e costoso e può comportare incertezze durante la distribuzione. L'approccio migliore allo sviluppo consiste nell'utilizzare schede di valutazione per consentire alla progettazione del sistema, al layout e allo sviluppo del software di procedere in parallelo.
Questo articolo si concentra sulle sfide che i progettisti devono affrontare quando utilizzano i circuiti integrati per il controllo del movimento, nonché sul ruolo dei comitati di valutazione nell'affrontare queste sfide. Successivamente sono stati introdotti i tipici circuiti integrati e le relative schede di valutazione di Analog Devices, che hanno ridotto i tempi necessari per il lancio del prodotto ottenendo valutazioni tempestive e realistiche e riducendo al tempo stesso le incertezze su hardware e software.
Panoramica dei requisiti per il CI di controllo del movimento
Il CI di controllo del movimento fornisce l'intelligenza necessaria per controllare i motori e i relativi dispositivi di potenza interni, come i MOSFET che azionano gli avvolgimenti del motore. Per ottenere prestazioni, traiettoria, curva di movimento ed efficienza ottimali in modalità operative statiche e dinamiche e condizioni di carico e per gestire disturbi, transitori e guasti, sia i motori che i MOSFET devono essere gestiti con attenzione.
Per aiutare ad affrontare queste sfide, i fornitori di circuiti integrati per driver forniscono schede di valutazione. Queste schede di valutazione semplificano la configurazione, l'ottimizzazione e la valutazione delle prestazioni dell'hardware e del software eseguendo test HITL (hardware in the loop) in condizioni reali del motore e di carico. Garantiscono inoltre che il layout fisico del circuito integrato e dei circuiti circostanti sia stabilito correttamente in termini di distribuzione dell'alimentazione, effetti parassiti, connessioni e formati di ingresso/uscita (I/O), connettori fisici e altri aspetti. I progettisti possono utilizzare queste schede di valutazione (come schede di medie dimensioni, schede di derivazione base (BOB) o soluzioni modulari) per valutare diverse impostazioni, configurazioni e opzioni per determinare la soluzione più adatta per l'applicazione.
CI di controllo motore e relativa scheda di valutazione
Un buon esempio di CI di controllo motore è il TMC5130A-TA-T della serie TMC5130 di Analog Devices. Si tratta di un controller e driver per motore passo-passo ad alte prestazioni con un'interfaccia di comunicazione seriale e include un generatore di rampa flessibile per il posizionamento automatico del target.
Il driver adotta l'algoritmo chopper avanzato StealthHop, che garantisce un funzionamento quasi silenzioso, la massima efficienza e una coppia motore ottimale. TMC5130 integra molteplici funzionalità di miglioramento uniche attraverso l'integrazione di driver e controller System on Chip (SoC). Ad esempio, il generatore di rampa SixPoint nel TMC5130 utilizza le funzioni DcStep, CoolStep e StallGuard2 per ottimizzare automaticamente ogni movimento del motore.
Per assistere i progettisti nell'iniziare a utilizzare TMC5130, il sistema della scheda di valutazione TMC5130-EVAL (Figura 1) fornisce una comoda piattaforma hardware e strumenti software di valutazione intuitivi. Il sistema della scheda di valutazione è costituito da tre parti: il ponte di connessione del substrato (a sinistra) che si collega al computer, la scheda del connettore (al centro) che include più punti di test e la scheda TMC5130-EVAL (a destra).
Immagine della scheda di valutazione TMC5130-EVAL di Analog Devices (a destra) e del carico del motore (all'estrema destra) (fare clic per ingrandire)
Figura 1: La scheda di valutazione TMC5130-EVAL (lato destro) e il carico del motore (lato destro) sono configurati tramite un bridge USB collegato al substrato del PC (lato sinistro) e una scheda connettore con punti di test (al centro). (Fonte immagine: Analog Devices)
Per i progettisti che desiderano sviluppare più circuiti basati sul core TMC5130, Analog Devices fornisce la scheda di distribuzione TMC5130A-BOB (Figura 2, in alto). Questa scheda fornisce le interconnessioni di base necessarie per il funzionamento ed è controllata tramite l'interfaccia SPI. Il diagramma schematico (Figura 2, in basso) mostra il circuito più semplice fornito per implementare la funzione IC TMC5130.
Immagine e schema di Analog Devices TMC5130A-BOB (fare clic per ingrandire)
Figura 2: TMC5130A-BOB (in alto) fornisce un metodo di valutazione di base, con punti di connessione posizionati lungo i bordi anziché connettori discreti; Il diagramma schematico (sotto) mostra il circuito più semplice richiesto per far funzionare l'IC TMC5130. (Fonte immagine: Analog Devices)
Il kit di valutazione TMC5240-EVAL è costruito sulla piattaforma matura TMC5130-EVAL, con l'obiettivo di semplificare la valutazione del motore elettrico di prossima generazione. Integra ponte H da 36 V, rilevamento di corrente non distruttivo e funzioni avanzate di controllo del movimento, tra cui generatore di rampa ottimizzato per Jerk e il funzionamento ultra silenzioso di StealthShop2™ consente un avvio più rapido, un debug più semplice e una verifica più efficiente delle prestazioni del motore fluide e precise.
La tecnologia di controllo avanzata elimina la necessità di sensori di feedback
Il controllo ad orientamento di campo (FOC), noto anche come controllo vettoriale, è un metodo sempre più diffuso per il controllo di più motori perché in molti casi elimina la necessità di sensori di feedback come encoder o sensori a effetto Hall e i relativi costi e dimensioni associati. Il principale compromesso tra le tecnologie FOC e non FOC è che il FOC richiede l'esecuzione in tempo reale di un gran numero di calcoli e operazioni su matrici ad alta precisione.
Il CI del controller motore TMC4671-LA di Analog Devices è progettato specificamente per FOC, con algoritmi incorporati e motori dedicati in grado di eseguire i calcoli complessi richiesti. Questo servocontrollore per motori CC, CC senza spazzole (BLDC) e motori passo-passo fornisce il controllo della coppia tramite FOC e il controllo della velocità e della posizione tramite il controllo in cascata.
TMC4671-A supporta collegamenti SPI e UART e può eseguire comunicazioni di base con unità microcontrollore di monitoraggio (MCU) di fascia bassa. Tutte le funzioni di controllo sono implementate nell'hardware, incluso ADC integrato, interfaccia del sensore di posizione per feedback opzionale, interpolatore di posizione, ecc., fornendo un servocontrollore completamente funzionale per un'ampia gamma di applicazioni servo.
La scheda di valutazione TMC4671-EVAL (Figura 3) per TMC4671-A semplifica il processo di configurazione dei parametri FOC richiesti e di valutazione delle prestazioni del motore con questo schema di controllo avanzato. I progettisti hanno collegato TMC4671-EVAL al ponte di connessione, al relativo substrato e allo stadio di potenza indipendente. Questa impostazione consente una facile configurazione dei controller proporzionali integrali (PI) e degli schemi di feedback e supporta il funzionamento del motore nelle modalità di controllo di posizione, velocità e coppia standard.