Automatisierung und Robotik sind in hohem Maße von Motoren und den dazugehörigen Steuerungs- und Treiber-ICs abhängig. Diese komplexen Halbleiter gehen über die grundlegende Bewegungssteuerung hinaus, führen fortschrittliche Algorithmen aus und passen den Systembetrieb genau an Motor-, Last- und Gesamtleistungsprioritäten an.
Es ist jedoch eine Herausforderung, diese komplexen ICs einzurichten und die potenzielle Systemleistung allein durch Spezifikation oder Simulation zu bewerten. Dieser Prozess kann langwierig und teuer sein und bei der Umsetzung zu Unsicherheit führen. Der beste Weg, dies zu erreichen, ist die Verwendung eines Evaluierungsboards, das die parallele Entwicklung von Systemdesign, Layout und Softwareentwicklung ermöglicht.
Dieses Papier konzentriert sich auf einige der Herausforderungen, denen Designer bei der Verwendung von Bewegungssteuerungs-ICs gegenüberstehen, und auf die Rolle von Evaluierungsplatinen bei der Bewältigung dieser Herausforderungen. Anschließend werden ein typischer IC und zugehörige Evaluierungsboards von Analog Devices vorgestellt, die die Markteinführungszeit verkürzen, indem sie frühe, realistische Evaluierungen ermöglichen und gleichzeitig Hardware- und Softwareunsicherheiten reduzieren.
Überblick über die Anforderungen an Bewegungssteuerungs-ICs
Der Bewegungssteuerungs-IC stellt die erforderliche Intelligenz zur Steuerung des Motors und seiner internen Leistungsgeräte bereit, beispielsweise der MOSFETs, die die Motorwicklungen antreiben. Sowohl Motoren als auch MOSFETs erfordern eine sorgfältige Verwaltung, um optimale Leistung, Flugbahn, Bewegungskurven und Effizienz unter statischen und dynamischen Betriebsmodi und Lastbedingungen zu erreichen und Störungen, Transienten und Fehler zu bewältigen.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, stellt der Treiber-IC-Lieferant ein Evaluierungsboard zur Verfügung. Diese Evaluierungskarten vereinfachen die Einrichtung, Optimierung und Leistungsbewertung von Hardware und Software, indem sie Hardware-in-the-Loop-Tests (HITL) unter tatsächlichen Motor- und realen Lastbedingungen durchführen. Sie stellen außerdem sicher, dass das physische Layout des IC und seiner umgebenden Schaltkreise im Hinblick auf Stromverteilung, parasitäre Effekte, E/A-Verbindungen und -Formate, physische Anschlüsse usw. ordnungsgemäß festgelegt ist. Entwickler können diese Evaluierungsplatinen (als mittelgroße Platinen, Basisverteilerplatinen (BOBs) oder modulare Lösungen) verwenden, um verschiedene Einstellungen, Konfigurationen und Optionen zu bewerten und die am besten geeignete Lösung für die Anwendung zu ermitteln.
Motorsteuerungs-IC und zugehörige Evaluierungsplatinen
Ein gutes Beispiel für einen Motorsteuerungs-IC ist der TMC5130A-TA-T aus der TMC5130-Serie von Analog Devices. Es handelt sich um einen leistungsstarken Schrittmotor-Controller und -Treiber mit serieller Kommunikationsschnittstelle und einem flexiblen Rampengenerator für die automatische Zielortung.
Der Antrieb nutzt einen fortschrittlichen StealtChopping-Algorithmus, um einen nahezu geräuschlosen Betrieb, maximale Effizienz und optimales Motordrehmoment zu gewährleisten. Der TMC5130 bietet eine Reihe einzigartiger Verbesserungen durch die Integration von Treibern und Controllern in das On-Chip-System (SoC). Beispielsweise nutzt der SixPoint-Rampengenerator im TMC5130 die Funktionen DcStep, CoolStep und StallGuard2, um jede Motorbewegung automatisch zu optimieren.
Um Entwicklern den Einstieg in die Verwendung des TMC5130 zu erleichtern, bietet das Evaluierungsplatinensystem TMC5130-EVAL (Abbildung 1) eine praktische Hardwareplattform und benutzerfreundliche Evaluierungssoftwaretools. Das Evaluierungsplatinensystem besteht aus drei Teilen: der Basisplatinen-Verbindungsbrücke (links), die den Computer verbindet, der Anschlussplatine (Mitte) mit mehreren Testpunkten und der TMC5130-EVAL-Platine (rechts).
Bild des TMC5130-EVAL-Evaluierungsboards von Analog Devices (rechts) und der Motorlast (ganz rechts) (zum Vergrößern klicken)
Abbildung 1: Die TMC5130-EVAL-Evaluierungsplatine (rechte Seite) und die Motorlast (ganz rechts) werden über eine mit dem PC verbundene Basisplatinen-USB-Brücke (linke Seite) und eine Anschlussplatine mit Testpunkten (Mitte) konfiguriert. Bildquelle: Analog Devices)
Für Designer, die mehr eigene Schaltkreise rund um einen TMC5130-basierten Kernel entwickeln möchten, bietet Analog Devices TMC5130A-BOB-Patchpanels an (Abbildung 2, oben). Dieses Board stellt die für den Betrieb erforderlichen grundlegenden Verbindungen bereit und wird über die SPI-Schnittstelle gesteuert. Das schematische Diagramm (Abb. 2 unten) zeigt die einfachste Schaltung, die die IC-Funktion des TMC5130 bietet.
Bild und schematisches Diagramm von Analog Devices TMC5130A-BOB (zum Vergrößern anklicken)
Abbildung 2: TMC5130A-BOB (oben) bietet eine grundlegende Evaluierungsmethode mit Verbindungspunkten entlang ihrer Kanten statt diskreter Anschlüsse; Das schematische Diagramm (unten) zeigt die einfachste Schaltung, die für den Betrieb des TMC5130 IC erforderlich ist. Bildquelle: Analog Devices)
Das TMC5240-EVAL-Evaluierungskit basiert auf einer bewährten TMC5130-EVAL-Plattform, um die Evaluierung von Schrittmotoren der nächsten Generation zu vereinfachen. Es integriert eine 36-VH-Brücke, eine zerstörungsfreie Stromerkennung und erweiterte Bewegungssteuerungsfunktionen, einschließlich eines ruckoptimierten Rampengenerators und eines extrem leisen StealtChop2™-Betriebs, was einen schnelleren Start, eine einfachere Inbetriebnahme und eine effizientere Überprüfung der reibungslosen und genauen Motorleistung ermöglicht.