Utilizzare le schede di valutazione per accelerare lo sviluppo dei driver per motori e ottimizzare i risultati

L'automazione e la robotica dipendono fortemente dai motori e dai relativi controller e driver in CI. Questi semiconduttori complessi sono andati oltre il controllo di movimento base per eseguire algoritmi avanzati in grado di adattare il funzionamento del sistema al motore, al suo carico e alle priorità prestazionali complessive.

Tuttavia, è difficile configurare questi CI complessi e valutare le potenziali prestazioni del sistema esclusivamente sulla base di schede tecniche o simulazioni. Il processo può essere lungo e costoso e può comportare incertezze al momento dell'implementazione. Per i migliori risultati, è preferibile implementare lo sviluppo parallelamente alle fasi di progettazione del sistema, layout e sviluppo del software, mediante l'impiego di schede di valutazione.

Questo articolo evidenzia alcune delle sfide che i progettisti devono affrontare quando utilizzano CI di controllo del movimento e il ruolo delle schede di valutazione nel risolverle. Vengono quindi presentati alcuni CI di esempio e le relative schede di valutazione di Analog Devices, in grado di accelerare il time-to-market consentendo una valutazione reale precoce e riducendo le incertezze relative all'hardware e al software.

Panoramica dei requisiti dei CI di controllo del movimento

I CI di controllo del movimento forniscono l'intelligenza necessaria per controllare il motore e i suoi dispositivi di alimentazione interni, come i MOSFET che azionano gli avvolgimenti del motore. Sia il motore che i MOSFET richiedono un'attenta gestione per ottenere prestazioni, traiettoria, profilo di movimento ed efficienza ottimali in tutte le modalità operative statiche e dinamiche e in tutte le condizioni di carico, nonché per gestire disturbi, transitori e guasti.

Per affrontare queste sfide, i fornitori di driver in CI offrono schede di valutazione. Queste semplificano la configurazione, l'ottimizzazione e la valutazione delle prestazioni dell'hardware e del software, consentendo di eseguire test Hardware-in-the-Loop (HiL) con un motore reale e un carico reale in condizioni variabili. Assicurano inoltre che il layout fisico del CI e dei circuiti circostanti sia definito correttamente per quanto riguarda la distribuzione dell'alimentazione, le correnti parassite, la connettività e i formati di ingresso/uscita (I/O), i connettori fisici e altro ancora. Utilizzando queste schede, disponibili come schede di fascia media, schede di breakout (BOB) base o soluzioni modulari, i progettisti possono valutare diverse impostazioni, configurazioni e opzioni per determinare quelle più adatte alla specifica applicazione.

CI di controllo motori e schede associate

Un buon esempio di CI di controllo motori è il dispositivo TMC5130A-TA-T della famiglia TMC5130 di Analog Devices. Si tratta di un driver e controller per motori passo-passo ad alte prestazioni con interfacce di comunicazione seriale e un generatore di rampa flessibile per il posizionamento automatico del target.

Utilizzando un sofisticato algoritmo chopper StealthChop, il driver garantisce un funzionamento quasi silenzioso, la massima efficienza e una coppia motore ottimale. TMC5130 offre diversi miglioramenti esclusivi grazie all'integrazione del driver e del controller nel System-on-Chip (SoC). Ad esempio, il generatore di rampa SixPoint di TMC5130 utilizza le funzioni DcStep, CoolStep e StallGuard2 per ottimizzare automaticamente ogni movimento del motore.

Per aiutare i progettisti a iniziare a utilizzare TMC5130, la scheda TMC5130-EVAL (Figura 1) offre una comoda piattaforma hardware e uno strumento software di facile utilizzo per la valutazione. Il sistema è composto da tre parti: un ponte di collegamento della scheda di base a un computer (a sinistra), una scheda connettore che include diversi punti di prova (al centro) e la scheda TMC5130-EVAL (a destra).

Figura 1: La scheda di valutazione TMC5130-EVAL (a destra) e il carico del motore (all'estrema destra) sono configurati mediante un ponte USB di connessione della scheda base al PC (a sinistra) e una scheda connettore con punti di prova (al centro). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per i progettisti che preferiscono sviluppare in autonomia i circuiti attorno a un core basato su TMC5130, Analog Devices offre la scheda di breakout TMC5130A-BOB (Figura 2, in alto). Questa scheda fornisce le interconnessioni di base necessarie per il funzionamento ed è controllata tramite un'interfaccia SPI. Il suo diagramma schematico (Figura 2, in basso) mostra il circuito minimo che fornisce per la realizzazione di un CI TMC5130 funzionante.

Figura 2: La scheda TMC5130A-BOB (in alto) offre un approccio di valutazione di base, con punti di connessione lungo i bordi anziché connettori discreti; il suo diagramma schematico (in basso) mostra la circuiteria minima necessaria per la realizzazione di un CI TMC5130 funzionante. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il kit di valutazione TMC5240-EVAL si basa sulla collaudata piattaforma TMC5130-EVAL per semplificare la valutazione dei motori passo-passo di prossima generazione, integrando ponti H a 36 V, rilevamento della corrente senza perdite e controllo avanzato del movimento con un generatore di rampa e funzionamento StealthChop2™ ultrasilenzioso, consentendo una realizzazione più rapida, una messa a punto più semplice e una convalida più efficiente delle prestazioni fluide e precise del motore.

Il controllo avanzato elimina la necessità dei sensori di retroazione

Il controllo a orientamento di campo (FOC), noto anche come controllo vettoriale, è un approccio sempre più diffuso per il controllo di un'ampia gamma di motori, in quanto elimina, in molti casi, la necessità dei sensori di retroazione quali encoder o sensori a effetto Hall, con le complicazioni associate in termini di costi e ingombro. La principale differenza tra le tecniche FOC e non FOC consiste nel fatto che il controllo FOC richiede l'esecuzione in tempo reale di calcoli matriciali di alta precisione.

Il controller in CI per motori TMC4671-LA di Analog Devices si rivolge specificamente alla tecnica FOC con i suoi algoritmi embedded e un motore dedicato per i calcoli complessi necessari per la loro esecuzione. Questo servocontroller per motori c.c., c.c. brushless (BLDC) e passo-passo fornisce un controllo di coppia tramite FOC, oltre a velocità e posizione tramite controllo in cascata.

TMC4671-A supporta collegamenti SPI e UART per la comunicazione di base con un'unità microcontroller (MCU) di supervisione di fascia bassa. Tutte le funzioni di controllo sono implementate nell'hardware, con ADC integrati, interfacce di sensori di posizione per il feedback opzionale, interpolatori di posizione e altro ancora, per fornire un servocontroller completamente funzionante per un'ampia gamma di applicazioni con servomotori.

La scheda TMC4671-EVAL (Figura 3) per TMC4671-A semplifica la configurazione dei parametri FOC richiesti e la valutazione delle prestazioni del motore con questo schema di controllo avanzato. Il progettista collega la scheda TMC4671-EVAL con il ponte di collegamento, la scheda base associata e uno stadio di potenza separato. Questa impostazione consente l'agevole configurazione dei controller proporzionali-integrali (PI) e degli schemi di retroazione e supporta il funzionamento del motore nelle modalità standard di controllo di posizione, velocità e coppia.

Figura 3: La scheda TMC4671-EVAL presenta due file di basette per gli I/O di segnale e di alimentazione. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, modificata dall'autore)

Le basette pin nella parte superiore della scheda TMC4671-EVAL servono per il collegamento degli encoder digitali, i segnali dei sensori digitali a effetto Hall e gli interruttori di riferimento. Le basette pin nella parte inferiore della scheda servono invece per i segnali dei sensori analogici a effetto Hall o per un encoder seno/coseno.

I progettisti che preferiscono costruire il proprio circuito di valutazione attorno a un core di driver per motori funzionante possono utilizzare la scheda di breakout TMC4671-BOB (Figura 4, in alto). Offre interfacce SPI e UART per la comunicazione e la configurazione, oltre a un'interfaccia di monitoraggio in tempo reale (RTMI) per il debug e la messa a punto in tempo reale tramite l'adattatore USB-2-RTMI_V20 con isolamento galvanico (ohmico) (Figura 4, in basso).

Figura 4: La scheda TMC4671-BOB (in alto) fornisce accesso diretto a TMC4671 e alle interfacce SPI e UART; l'adattatore USB-2-RTMI_V20 associato (in basso) è un'interfaccia USB con isolamento galvanico. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questo adattatore offre la conversione dell'interfaccia USB per il monitoraggio in tempo reale del controller in CI FOC TMC4671-LA. Il convertitore di interfaccia a ponte USB High Speed-SPI è alimentato tramite USB e fornisce protezione base dalle scariche elettrostatiche (ESD), oltre a isolamento galvanico tra i connettori USB e RTMI per evitare problemi di sicurezza e di anello di massa.

Kit di valutazione completo

Infine, in alcuni casi, la scheda di valutazione completa di Analog Devices può servire come prodotto distribuibile. Ad esempio, il modulo TMCM-3351-TMCL (Figura 5, in alto) è una scheda controller/driver per motori passo-passo a tre assi per tre motori passo-passo bipolari bifasi. Include tutti i componenti attivi e passivi necessari, compresi i driver di potenza MOSFET e i connettori (Figura 5, in basso).

Figura 5: I connettori standard di segnale, alimentazione e I/O del modulo TMCM-3351-TMCL (in alto) accelerano la configurazione e l'uso; il CI e il relativo modulo possono gestire tre motori contemporaneamente (in basso) per il controllo del movimento su tre assi. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questo modulo completo dal punto di vista funzionale supporta rampe lineari e a S per il funzionamento ad anello chiuso con encoder opzionali per ciascuno dei tre assi. TMCM-3351-TMCL offre anche numerosi ingressi e uscite digitali e analogici per uso generale. Per le comunicazioni sono disponibili le interfacce seriali RS-485, bus CAN, USB e RS-232.

Strumenti software fondamentali per la produttività della scheda di valutazione

Le schede di valutazione sono supportate da Trinamic Motion Control Language-Integrated Development Environment (TMCL-IDE). Questa interfaccia grafica utente fornisce strumenti per impostare facilmente i parametri, visualizzare i dati in tempo reale e sviluppare ed eseguire il debug di applicazioni autonome.

TMCL-IDE dispone di varie finestre di dialogo per le attività di diagnostica (Figura 6) e include una panoramica dei chip di controller del movimento e driver collegati. Quando il kit di valutazione viene collegato per la prima volta, viene visualizzata una finestra di panoramica. In questa finestra è visualizzato lo stato attuale delle connessioni, mentre nella seconda scheda è possibile selezionare le impostazioni di base o ripristinare le impostazioni predefinite del modulo.

Figura 6: Quando utilizzata con le schede di valutazione associate, l'interfaccia grafica TMCL-IDE semplifica l'impostazione, la configurazione e l'analisi delle prestazioni dei vari driver per motori in CI sotto carichi reali. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Conclusione

I moderni circuiti integrati per il controllo del movimento e i relativi algoritmi sono altamente sofisticati e devono fornire prestazioni eccezionali su diversi criteri del motore, quali precisione, affidabilità ed efficienza. Utilizzando le schede di valutazione e il software di supporto, i progettisti possono mettere a punto questi controller mentre lavorano a tutti gli altri aspetti di progettazione, per ottenere prestazioni del motore ottimizzate nonostante le variazioni di carico e i transitori.

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