Automatiserings- en roboticatechnologie zijn sterk afhankelijk van motoren en de bijbehorende besturings- en driver-IC's. Deze complexe halfgeleiders gaan verder dan de basisbewegingscontrole, kunnen geavanceerde algoritmen uitvoeren en de systeemwerking nauwkeurig aanpassen op basis van motor-, belasting- en algemene prestatieprioriteiten.
Het opzetten van deze complexe IC's en het evalueren van potentiële systeemprestaties uitsluitend op basis van specificaties of simulaties is echter een uitdaging. Dit proces kan langdurig en duur zijn en kan tijdens de implementatie onzekerheid met zich meebrengen. De beste ontwikkelingsaanpak is het gebruik van evaluatieborden, zodat systeemontwerp, lay-out en softwareontwikkeling parallel kunnen verlopen.
Dit artikel richt zich op de uitdagingen waarmee ontwerpers worden geconfronteerd bij het gebruik van bewegingsbesturings-IC's, evenals de rol van evaluatieborden bij het aanpakken van deze uitdagingen. Vervolgens werden typische IC's en bijbehorende evaluatieborden van Analog Devices geïntroduceerd, waardoor de tijd die nodig was voor de productlancering werd verkort door vroege en realistische evaluaties te realiseren en tegelijkertijd de hardware- en software-onzekerheden te verminderen.
Overzicht van vereisten voor bewegingsbesturings-IC
Het bewegingsbesturings-IC biedt de intelligentie die nodig is om motoren en hun interne voedingsapparaten te besturen, zoals MOSFET's die motorwikkelingen aandrijven. Om optimale prestaties, traject, bewegingscurve en efficiëntie te bereiken onder statische en dynamische bedrijfsmodi en belastingsomstandigheden, en om verstoringen, transiënten en fouten op te vangen, moeten zowel motoren als MOSFET's zorgvuldig worden beheerd.
Om deze uitdagingen aan te pakken, bieden leveranciers van driver-IC's evaluatieborden. Deze evaluatieborden vereenvoudigen de installatie, optimalisatie en prestatie-evaluatie van hardware en software door hardware-in-the-loop (HITL)-tests uit te voeren onder werkelijke motor- en reële belastingsomstandigheden. Ze zorgen er ook voor dat de fysieke lay-out van het IC en de omliggende circuits correct is vastgelegd in termen van stroomverdeling, parasitaire effecten, invoer/uitvoer (I/O)-verbindingen en -formaten, fysieke connectoren en andere aspecten. Ontwerpers kunnen deze evaluatieborden (als middelgrote borden, basisvertakkingsborden (BOB's) of modulaire oplossingen) gebruiken om verschillende instellingen, configuraties en opties te evalueren en zo de meest geschikte oplossing voor de toepassing te bepalen.
Motorbesturings-IC en bijbehorend evaluatiebord
Een goed voorbeeld van een motorbesturings-IC is de TMC5130A-TA-T uit de TMC5130-serie van Analog Devices. Het is een krachtige stappenmotorcontroller en -driver met een seriële communicatie-interface en een flexibele hellinggenerator voor automatische doelpositionering.
De bestuurder maakt gebruik van het geavanceerde StealthHop-chopperalgoritme, dat een vrijwel geruisloze werking, de hoogste efficiëntie en een optimaal motorkoppel garandeert. TMC5130 integreert meerdere unieke verbeteringsfuncties via driver- en controllersysteem op chip (SoC)-integratie. De SixPoint-rampgenerator in TMC5130 gebruikt bijvoorbeeld de functies DcStep, CoolStep en StallGuard2 om elke motorbeweging automatisch te optimaliseren.
Om ontwerpers te helpen de TMC5130 in gebruik te nemen, biedt het evaluatiebordsysteem TMC5130-EVAL (Figuur 1) een handig hardwareplatform en gebruiksvriendelijke evaluatiesoftwaretools. Het evaluatiebordsysteem bestaat uit drie delen: de substraatverbindingsbrug (links) die wordt aangesloten op de computer, het connectorbord (midden) dat meerdere testpunten bevat, en het TMC5130-EVAL-bord (rechts).
Afbeelding van Analog Devices TMC5130-EVAL evaluatiebord (rechts) en motorbelasting (uiterst rechts) (klik om te vergroten)
Afbeelding 1: TMC5130-EVAL evaluatiebord (rechterkant) en motorbelasting (uiterst rechts) worden geconfigureerd via een USB-brug aangesloten op het pc-substraat (linkerkant) en een connectorbord met testpunten (midden). (Afbeeldingsbron: analoge apparaten)
Voor ontwerpers die meer circuits willen ontwikkelen op basis van de TMC5130-kern, biedt Analog Devices het TMC5130A-BOB-verdeelbord (Afbeelding 2, bovenaan). Dit bord biedt de basisverbindingen die nodig zijn voor de werking en wordt bestuurd via de SPI-interface. Het schematische diagram (Afbeelding 2, onderaan) toont het eenvoudigste circuit dat beschikbaar is voor het implementeren van de TMC5130 IC-functie.
Afbeelding en schema van Analog Devices TMC5130A-BOB (klik om te vergroten)
Afbeelding 2: TMC5130A-BOB (boven) biedt een basisevaluatiemethode, waarbij verbindingspunten langs de randen zijn geplaatst in plaats van afzonderlijke connectoren; Het schematische diagram (hieronder) toont het eenvoudigste circuit dat nodig is om de TMC5130 IC te laten werken. (Afbeeldingsbron: analoge apparaten)
De TMC5240-EVAL-evaluatiekit is gebouwd op het volwassen TMC5130-EVAL-platform, met als doel de evaluatie van de volgende generatie elektromotoren te vereenvoudigen. Het integreert 36 V H-brug, niet-destructieve stroomdetectie en geavanceerde motion control-functies, waaronder een Jerk-geoptimaliseerde ramp-generator en ultrastille StealthShop2™-bediening maakt sneller opstarten, eenvoudiger debuggen en efficiëntere verificatie van soepele en nauwkeurige motorprestaties mogelijk.
Geavanceerde besturingstechnologie elimineert de noodzaak voor feedbacksensoren
Veldgeoriënteerde besturing (FOC), ook wel vectorbesturing genoemd, is een steeds populairdere methode voor het besturen van meerdere motoren, omdat hierdoor in veel gevallen de noodzaak voor feedbacksensoren zoals encoders of Hall-effectsensoren en de bijbehorende kosten en afmetingen wordt geëlimineerd. Het belangrijkste compromis tussen FOC- en niet-FOC-technologieën is dat FOC real-time uitvoering vereist van een groot aantal uiterst nauwkeurige berekeningen en matrixbewerkingen.
De TMC4671-LA motorcontroller-IC van Analog Devices is speciaal ontworpen voor FOC, met ingebouwde algoritmen en speciale motoren die in staat zijn de vereiste complexe berekeningen uit te voeren. Deze servocontroller voor DC-, borstelloze DC- (BLDC) en stappenmotoren biedt koppelregeling via FOC en snelheids- en positieregeling via cascaderegeling.
TMC4671-A ondersteunt SPI- en UART-koppelingen en kan basiscommunicatie uitvoeren met low-end monitoring microcontroller units (MCU's). Alle besturingsfuncties zijn geïmplementeerd in hardware, inclusief geïntegreerde ADC, positiesensorinterface voor optionele feedback, positie-interpolator, enz., waardoor een volledig functionele servocontroller ontstaat voor een breed scala aan servotoepassingen.
Het TMC4671-EVAL evaluatiebord (Figuur 3) voor TMC4671-A vereenvoudigt het proces van het configureren van de vereiste FOC-parameters en het evalueren van de motorprestaties onder dit geavanceerde besturingsschema. De ontwerpers sloten TMC4671-EVAL aan op de verbindingsbrug, het bijbehorende substraat en de onafhankelijke vermogenstrap. Deze instelling maakt een eenvoudige configuratie van proportionele integrale (PI)-controllers en feedbackschema's mogelijk, en ondersteunt de werking van de motor in standaardpositie-, snelheids- en koppelregelmodi.