Die Automatisierungs- und Robotertechnik ist in hohem Maße auf Motoren und die dazugehörigen Steuerungs- und Treiber-ICs angewiesen. Diese komplexen Halbleiter gehen über die grundlegende Bewegungssteuerung hinaus, können erweiterte Algorithmen ausführen und den Systembetrieb basierend auf Motor-, Last- und Gesamtleistungsprioritäten genau anpassen.
Der Aufbau dieser komplexen ICs und die Bewertung der potenziellen Systemleistung ausschließlich auf der Grundlage von Spezifikationen oder Simulationen ist jedoch eine Herausforderung. Dieser Prozess kann langwierig und teuer sein und während der Bereitstellung zu Unsicherheiten führen. Der beste Entwicklungsansatz besteht darin, Evaluierungsboards zu verwenden, damit Systemdesign, Layout und Softwareentwicklung parallel ablaufen können.
Dieser Artikel konzentriert sich auf die Herausforderungen, denen Designer bei der Verwendung von Bewegungssteuerungs-ICs gegenüberstehen, sowie auf die Rolle von Evaluierungsplatinen bei der Bewältigung dieser Herausforderungen. Anschließend wurden typische ICs und zugehörige Evaluierungsboards von Analog Devices eingeführt, die die für die Produkteinführung erforderliche Zeit verkürzten, indem sie frühe und realistische Evaluierungen ermöglichten und gleichzeitig Hardware- und Softwareunsicherheiten reduzierten.
Übersicht über die Anforderungen an den Bewegungssteuerungs-IC
Der Bewegungssteuerungs-IC bietet die erforderliche Intelligenz zur Steuerung von Motoren und ihren internen Leistungsgeräten, wie z. B. MOSFETs, die Motorwicklungen antreiben. Um optimale Leistung, Flugbahn, Bewegungskurve und Effizienz unter statischen und dynamischen Betriebsmodi und Lastbedingungen zu erreichen und Störungen, Transienten und Fehler zu bewältigen, müssen sowohl Motoren als auch MOSFETs sorgfältig verwaltet werden.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, bieten Treiber-IC-Anbieter Evaluierungsboards an. 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, Eingangs-/Ausgangsverbindungen (I/O) und -formate, physische Anschlüsse und andere Aspekte ordnungsgemäß eingerichtet ist. Designer können diese Evaluierungsplatinen (als mittelgroße Platinen, Basic Branch Boards (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 zugehöriges Evaluierungsboard
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 einer seriellen Kommunikationsschnittstelle und einem flexiblen Rampengenerator für die automatische Zielpositionierung.
Der Treiber verwendet den fortschrittlichen StealthHop-Chopper-Algorithmus, der einen nahezu geräuschlosen Betrieb, höchste Effizienz und optimales Motordrehmoment gewährleistet. Der TMC5130 integriert mehrere einzigartige Erweiterungsfunktionen durch die Integration von Treiber- und Controller-System-on-Chip (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 Nutzung des TMC5130 zu erleichtern, bietet das Evaluierungsplatinensystem TMC5130-EVAL (Abbildung 1) eine praktische Hardwareplattform und benutzerfreundliche Evaluierungssoftwaretools. Das Evaluierungsplatinensystem besteht aus drei Teilen: der Substratverbindungsbrücke (links), die eine Verbindung zum Computer herstellt, der Anschlussplatine (Mitte), die mehrere Testpunkte enthält, und der TMC5130-EVAL-Platine (rechts).
Bild der Evaluierungsplatine TMC5130-EVAL von Analog Devices (rechts) und der Motorlast (ganz rechts) (zum Vergrößern anklicken)
Abbildung 1: TMC5130-EVAL-Evaluierungsplatine (rechte Seite) und Motorlast (ganz rechte Seite) werden über eine USB-Brücke konfiguriert, die mit dem PC-Substrat (linke Seite) und einer Anschlussplatine mit Testpunkten (Mitte) verbunden ist. (Bildquelle: Analog Devices)
Für Designer, die weitere Schaltkreise auf Basis des TMC5130-Kerns entwickeln möchten, bietet Analog Devices die Verteilerplatine TMC5130A-BOB 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 (Abbildung 2, unten) zeigt die einfachste Schaltung zur Implementierung der TMC5130-IC-Funktion.
Bild und Schaltplan von Analog Devices TMC5130A-BOB (zum Vergrößern anklicken)
Abbildung 2: TMC5130A-BOB (oben) bietet eine grundlegende Evaluierungsmethode, bei der anstelle diskreter Anschlüsse Verbindungspunkte an den Rändern angebracht sind; Das schematische Diagramm (unten) zeigt die einfachste Schaltung, die erforderlich ist, damit der TMC5130 IC funktioniert. (Bildquelle: Analog Devices)
Das TMC5240-EVAL-Evaluierungskit basiert auf der ausgereiften TMC5130-EVAL-Plattform und zielt darauf ab, die Evaluierung des Elektromotors der nächsten Generation zu vereinfachen. Es integriert eine 36-V-H-Brücke, eine zerstörungsfreie Stromerkennung und erweiterte Bewegungssteuerungsfunktionen, einschließlich eines ruckoptimierten Rampengenerators und eines extrem leisen StealthShop2™-Betriebs, der einen schnelleren Start, ein einfacheres Debugging und eine effizientere Überprüfung der reibungslosen und präzisen Motorleistung ermöglicht.
Fortschrittliche Steuerungstechnologie macht Feedback-Sensoren überflüssig
Die feldorientierte Regelung (FOC), auch als Vektorregelung bekannt, ist eine zunehmend beliebte Methode zur Steuerung mehrerer Motoren, da sie in vielen Fällen den Bedarf an Rückkopplungssensoren wie Encodern oder Hall-Effekt-Sensoren und die damit verbundenen Kosten und Größen überflüssig macht. Der Hauptkompromiss zwischen FOC- und Nicht-FOC-Technologien besteht darin, dass FOC die Echtzeitausführung einer großen Anzahl hochpräziser Berechnungen und Matrixoperationen erfordert.
Der Motorsteuerungs-IC TMC4671-LA von Analog Devices wurde speziell für FOC entwickelt und verfügt über eingebettete Algorithmen und dedizierte Engines, die in der Lage sind, die erforderlichen komplexen Berechnungen durchzuführen. Dieser Servocontroller für Gleichstrom-, bürstenlose Gleichstrom- (BLDC) und Schrittmotoren bietet Drehmomentsteuerung durch FOC sowie Geschwindigkeits- und Positionssteuerung durch Kaskadensteuerung.
TMC4671-A unterstützt SPI- und UART-Verbindungen und kann grundlegende Kommunikation mit Low-End-Überwachungs-Mikrocontrollereinheiten (MCUs) durchführen. Alle Steuerfunktionen sind in Hardware implementiert, einschließlich integriertem ADC, Positionssensorschnittstelle für optionales Feedback, Positionsinterpolator usw., wodurch ein voll funktionsfähiger Servocontroller für eine Vielzahl von Servoanwendungen bereitgestellt wird.
Das TMC4671-EVAL-Evaluierungsboard (Abbildung 3) für TMC4671-A vereinfacht den Prozess der Konfiguration der erforderlichen FOC-Parameter und der Bewertung der Motorleistung unter diesem fortschrittlichen Steuerungsschema. Die Designer verbanden TMC4671-EVAL mit der Verbindungsbrücke, dem zugehörigen Substrat und der unabhängigen Leistungsstufe. Diese Einstellung ermöglicht eine einfache Konfiguration von Proportional-Integral-Reglern (PI) und Rückkopplungsschemata und unterstützt den Motorbetrieb in Standardmodi zur Positions-, Geschwindigkeits- und Drehmomentsteuerung.