Gli MCU altamente integrati semplificano la progettazione precisa ed efficiente dei controlli di motori

Quando mio figlio delle superiori decise di iscriversi al club di robotica, mi sentii molto fiero di lui. Tuttavia, ben presto iniziò a parlarmi di problemi di progettazione che conoscevo bene. Una grande sfida per lui era stata trovare un hardware di controllo del motore che fosse preciso, efficiente e facile da usare.

Nel lavoro professionale, tutti i progettisti hanno la stessa esigenza quando progettano qualcosa di nuovo, da un elettrodomestico a un dispositivo di automazione industriale. Ecco perché sono incuriosito dal nuovo microcontroller (MCU) PSOC Control C3 di Infineon.

Un'architettura efficiente per il controllo avanzato dei motori

La famiglia PSOC Control C3 è proposta come soluzione efficiente e ad alte prestazioni per il controllo avanzato dei motori. Questi MCU sono realizzati sulla base di un core ARM Cortex-M33 con un processore di segnali digitali (DSP) e un'unità a virgola mobile (FPU) (Figura 1). Questo core è completato da periferiche ad alte prestazioni ottimizzate per sistemi che utilizzano dispositivi di alimentazione basati su tecnologie a banda larga come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN).

Figura 1: Gli MCU PSOC Control C3 sono dotati di potenti periferiche basate su un core ARM Cortex-M33 con DSP e un FPU. (Immagine per gentile concessione di Infineon)

Tre periferiche MCU Control C3 sono particolarmente degne di nota:

• Il convertitore analogico/digitale (ADC) ad alte prestazioni con registro ad approssimazioni successive (SAR) a 12 bit offre il campionamento inattivo sincrono reale di un massimo di 16 segnali analogici. Ciò è fondamentale per acquisire con precisione forme d'onda mutevoli, come le correnti di fase del motore nei sistemi di controllo a orientamento di campo (FOC) o le tensioni di rete in un inverter solare.
• L'acceleratore matematico opzionale con computer digitale per la rotazione delle coordinate (CORDIC) scarica le funzioni trigonometriche e altre funzioni trascendentali dal core ARM. Ciò è vantaggioso per algoritmi come le trasformate di Park nei sistemi FOC e i circuiti ad aggancio di fase (PLL) nella conversione di potenza legata alla rete.
• I blocchi di modulazione della larghezza di impulso di timer/contatore (TCPWM) possono generare segnali di commutazione precisi e integrare un'interfaccia di movimento (MOTIF), fornendo supporto hardware diretto per encoder Hall e in quadratura utilizzati nei progetti di controllo motore basati su sensori.

Nell'insieme, queste caratteristiche forniscono una soluzione altamente integrata per applicazioni impegnative, come azionamenti di motori ad alta efficienza, alimentatori digitali e sistemi di energia rinnovabile.

Altre caratteristiche che vorrei sottolineare sono l'abbondanza di I/O e le modalità a basso consumo che possono portare il consumo energetico al di sotto di 1 µA. La sicurezza certificata PSA di livello 2 protegge dalle manomissioni, mentre la conformità IEC 60730 Classe B e IEC 61508 SIL 2 garantisce la sicurezza funzionale.

Ottimizzare i costi o le capacità con due linee di MCU

Non tutti i progetti richiedono tutte le funzionalità disponibili e i budget possono a volte essere limitati, per questo il PSOC Control C3 è disponibile in due versioni: Entry Line, più economica, e Main Line, più performante. Le caratteristiche principali della Entry Line includono un core ARM da 100 MHz, un ADC da 6 Msps e un contenitore a 48 o 64 pin.

La Main Line passa a un processore da 180 MHz, un ADC SAR da 12 Msps e aggiunge un'opzione di contenitore a 80 pin. Migliora inoltre la temporizzazione PWM a oltre 100 ps, per il controllo delle frequenze di commutazione superiori a 200 kHz.

Il modello PSC3M5FDS2AFQ1XQSA1 (Figura 2) dimostra le capacità della Main Line. Questo MCU combina il core ARM Cortex-M33F da 180 MHz con 256 kB di memoria flash in un contenitore PG-LQFP-80. È particolarmente adatto ad applicazioni complesse, come la robotica e i controller per motori di e-bike, dove le prestazioni sono fondamentali.

Figura 2: L'MCU Main Line PSC3M5FDS2AFQ1XQSA1 combina il core ARM Cortex-M33F da 180 MHz con 256 kB di memoria flash in un contenitore PG-LQFP-80. (Immagine per gentile concessione di Infineon)

Accelerare la progettazione del controllo motori con i kit di valutazione

Per chi fosse interessato a progettare con la famiglia Control 3, il kit di valutazione KITPSC3M5EVK (Figura 3) è un buon punto di partenza. È dotato di un MCU PSC3M5FDS2AFQ1, che offre ai progettisti l'accesso alla suite completa di funzionalità PSOC Control C3.

Figura 3: Il kit di valutazione KITPSC3M5EVK fornisce una varietà di basette per il lavoro di proof-of-concept utilizzando gli MCU PSOC Control 3. (Immagine per gentile concessione di Infineon)

La scheda ha un design semplice, che la rende adatta all'uso con basette sperimentali. Offre anche basette per shield mikroBUS di MIKROE, Arduino Uno R3 e l'interfaccia Shield2Go di Infineon per una facile espansione. Nel complesso, è una scelta valida per test periferici, lavori di proof-of-concept e sviluppo iniziale del codice.

Per chi desiderasse passare direttamente alla progettazione del controllo motori, sono disponibili kit più avanzati, come KIT_PSC3M5_CC2 (Figura 4). Basata sullo stesso MCU PSC3M5FDS2AFQ1, questa piattaforma completa include gate driver integrati per il controllo dello stadio di potenza, circuiti di rilevamento della corrente per la misurazione della corrente di fase e un alimentatore su scheda per il funzionamento autonomo. È una scelta eccellente per lo sviluppo di controller per motori, test di algoritmi FOC e validazione a livello di sistema.

Figura 4: Il kit KIT_PSC3M5_CC2 è una piattaforma flessibile per la prototipazione di un controllo motori. (Immagine per gentile concessione di Infineon)

Entrambe le schede e la famiglia PSOC Control C3 sono supportate da ModusToolbox, l'ecosistema di sviluppo di Infineon. ModusToolbox Motor Suite offre esempi di codice e strumenti pronti all'uso appositamente pensati per applicazioni di controllo motori, con i quali è possibile passare velocemente dalla valutazione all'implementazione. Supporta inoltre l'integrazione diretta con numerosi IDE e sistemi di compilazione di terze parti, offrendo la flessibilità di adattare il flusso di lavoro alla toolchain preferita dell'utente.

Conclusione

Che tu sia alle prime armi con il controllo del movimento, come mio figlio, o un progettista esperto alla ricerca delle tecnologie più recenti, gli MCU PSOC Control C3 hanno molto da offrire. Le funzionalità avanzate, come l'acceleratore CORDIC e l'ADC sincronizzato, gli conferiscono straordinarie capacità di controllo motori. Ma l'aspetto migliore è che queste caratteristiche sono racchiuse in un MCU ad alta efficienza, aprendo nuove e interessanti possibilità per progetti attenti ai costi.