השתמשו בלוחות הערכה כדי להאיץ את פיתוח דוחפי מנועים ולמטב את התוצאות

אוטומציה ורובוטיקה תלויות במידה רבה במנועים ובמעגלים המשולבים (ICs) לבקרה והדוחפים הנלווים אליהם. מוליכים-למחצה מורכבים אלה הם כיום מעבר לבקרת תנועה בסיסית כדי להפעיל אלגוריתמים מתקדמים המתאמים את פעולת המערכת למנוע, לעומס שלו ולסדרי העדיפויות הכוללים של הביצועים.

עם זאת, מאתגר לכונן מעגלים משולבים מורכבים אלה ולהעריך את ביצועי המערכת הפוטנציאליים אך ורק מגיליונות נתונים או סימולציות. התהליך יכול להיות ארוך ויקר, והוא עלול להוביל לחוסר ודאות בעת הפריסה. הפיתוח ממומש בצורה הטובה ביותר במקביל לשלבי תכנון המערכת, הפריסה ופיתוח התוכנה, באמצעות לוחות הערכה.

מאמר זה מדגיש כמה מהאתגרים העומדים בפני מתכננים בעת שימוש במעגלים משולבים (ICs) לבקרת תנועה ואת תפקידם של לוחות הערכה בהתמודדות איתם. לאחר מכן המאמר מציג מעגלים משולבים לדוגמה ולוחות הערכה נלווים של Analog Devices‏ המקצרים את זמן ההגעה לשוק על ידי מתן אפשרות להערכה מוקדמת בעולם האמיתי, תוך הפחתת אי-ודאויות בחומרה ובתוכנה.

סקירה כללית של דרישות מעגל משולב (IC) לבקרת תנועה

מעגלים משולבים (ICs) לבקרת תנועה מספקים את האינטליגנציה הדרושה לבקרת המנוע והתקני ההספק הפנימיים שלו, כגון MOSFETs הדוחפים את ליפופי המנוע. גם המנוע וגם ה-MOSFETs דורשים ניהול קפדני כדי להשיג ביצועים, מסלול, פרופיל תנועה ויעילות אופטימליים על פני אופני פעולה סטטיים ודינמיים ותנאי עומס, וכדי להתמודד עם הפרעות, טרנזיינטים ותקלות.

כדי לסייע בהתמודדות עם אתגרים אלה, יצרני מעגלים משולבים (IC) של דוחפים מציעים לוחות הערכה. אלה מפשטים את ההתקנה, האופטימיזציה והערכת הביצועים של חומרה ותוכנה על ידי מתן אפשרות לבדיקת חומרה-בתוך-חוג (HITL‏) עם מנוע אמיתי ועומס אמיתי בתנאים משתנים. הם גם מבטיחים שהפריסה הפיזית של המעגל המשולב והמעגלים הסובבים אותו נקבעת כראוי ביחס לפילוג הספקת-הכוח, אפקטים פרזיטיים, חיבוריות ופורמטים של כניסות/יציאות (I/O), מחברים פיזיים ועוד. באמצעות לוחות אלה, הזמינים כלוחות-ביניים, לוחות פילוג בסיסיים (BOBs‏) או פתרונות מודולריים, המתכננים יכולים להעריך הגדרות, תצורות ואפשרויות שונות כדי לקבוע את אלו המתאימות ביותר ליישום.

מעגלים משולבים (ICs‏) לבקרת מנועים ולוחות נלווים

דוגמה טובה למעגל משולב לבקרת מנועים הוא ה-TMC5130A-TA-T‏ ממשפחת TMC5130‏ של Analog Devices. זהו בקר ודוחף מנוע צעד עם ביצועים עיליים עם ממשקי תקשורת טוריים הכוללים מחולל מדרגה גמיש עבור מיקום אוטומטי של המטרה.

באמצעות אלגוריתם קוצץ (Chopper‏) StealthChop מתוחכם, הדוחף מבטיח פעולה כמעט ללא-רעש, נצילות מקסימלית ומומנט מנוע אופטימלי. ה-TMC5130 מציע מספר שיפורים ייחודיים המתאפשרים הודות לשילוב מערכת-על-שבב (SoC) של הדוחף והבקר. לדוגמה, מחולל המדרגה SixPoint‏ שב-TMC5130 משתמש במאפייני DcStep, CoolStep ו-StallGuard2 כדי למטב כל תנועת מנוע באופן אוטומטי.

כדי לעזור למתכננים להתחיל לעבוד עם ה-TMC5130, מערכת הלוח TMC5130-EVAL‏ (איור 1) מספקת פלטפורמת חומרה נוחה וכלי תוכנה ידידותי למשתמש עבור ההערכה. מערכת הלוח מורכבת משלושה חלקים: גשר חיבור לוח בסיס למחשב (משמאל), לוח מחבר הכולל מספר נקודות בדיקה (במרכז), ולוח TMC5130-EVAL (מימין).

איור 1: לוח ההערכה TMC5130-EVAL (מימין) ועומס המנוע (רחוק בצד ימין) מוגדרים באמצעות גשר USB לחיבור לוח בסיס ל-PC (משמאל) ולוח מחבר עם נקודות בדיקה (במרכז). (מקור התמונה: Analog Devices)

עבור מתכננים המעדיפים לפתח מעגלים משלהם סביב ליבה מבוססת-TMC5130, חברת Analog Devices מציעה את לוח הפילוג TMC5130A-BOB‏ (איור 2, למעלה). לוח זה מספק את החיברורים הבסיסיים הדרושים לפעולה ומבוקר באמצעות ממשק SPI. הדיאגרמה הסכמטית שלו (איור 2, למטה) מציגה את המעגלים המינימליסטיים שהוא מספק כדי לאפשר מעגל משולב TMC5130 פונקציונלי.

איור 2: ה-TMC5130A-BOB (למעלה) מספק גישת הערכה בסיסית, עם נקודות חיבור לאורך קצוותיו במקום מחברים נפרדים; הדיאגרמה הסכמטית שלו (למטה) מציגה את המעגלים המינימליים הנדרשים כדי לאפשר מעגל משולב TMC5130 פונקציונלי. (מקור התמונה: Analog Devices)

ערכת ההערכה TMC5240-EVAL בנויה על פלטפורמת TMC5130-EVAL מוכחת כדי לייעל את הערכת מנועי צעד של הדור-הבא, תוך שילוב גשרי-H של 36 וולט, חישת זרם ללא-הפסדים ובקרת תנועה מתקדמת עם מחולל מדרגה ממוטב-Jerk‏ ופעולת ™StealthChop2‏ אולטרה-שקטה, המאפשרת הפעלה מהירה יותר, כוונון קל יותר ותיקוף יעיל יותר של ביצועי מנוע חלקים ומדויקים.

בקרה מתקדמת חוסכת את הצורך בחיישני משוב

בקרה מוכוונת שדה (FOC), המכונה גם בקרת וקטור, היא גישה יותר ויותר פופולרית לבקרה במגוון רחב של מנועים, מכיוון שהיא מבטלת - במקרים רבים - את הצורך בחיישני משוב כגון אנקודרים או חיישני אפקט Hall‏ ואת העלויות והגודל הנלווים אליהם. הפשרה העיקרית בין טכניקות FOC לבין טכניקות שאינן FOC היא ש-FOC דורש חישובים משמעותיים בדיוק גבוה ומתמטיקה של מטריצות כדי לבצע אותם בזמן-אמת.

מעגל משולב בקר מנוע TMC4671-LA‏ של Analog Devices מכוון ספציפית ל-FOC בעזרת האלגוריתמים המשובצים שלו ומנוע ייעודי עבור החישובים המורכבים הדרושים לביצועם. בקר סרוו זה עבור מנועי DC‏, DC‏ ללא-מברשות (BLDC) ומנועי צעד מספק בקרת מומנט באמצעות FOC, יחד עם בקרת מהירות ומיקום באמצעות בקרת קסקדה.

ה-TMC4671-A תומך בקישורי SPI ו-UART עבור תקשורת בסיסית ליחידת מיקרו-בקר (MCU) פיקוח מהרמה-הנמוכה. כל פונקציות הבקרה ממומשות בחומרה, עם ממירי ADC משולבים, ממשקי חיישני מיקום עבור משוב אופציונלי, אינטרפולטורי מיקום ועוד, ומספקים בקר סרוו פונקציונלי במלואו עבור מגוון רחב של יישומי סרוו.

לוח TMC4671-EVAL‏ (איור 3) עבור ה-TMC4671-A מפשט את הגדרת פרמטרי ה-FOC הנדרשים ואת הערכת ביצועי המנוע תחת ערכת בקרה מתקדמת זו. המתכנן מחבר את ה-TMC4671-EVAL עם גשר החיבור, לוח הבסיס המשויך ודרגת הספקת-כוח נפרדת. מערך זה מאפשר הגדרת תצורה קלה של בקרי אינטגרל-פרופורציונלי (PI) וסכמות משוב, ותומך בפעולת מנוע באופני בקרת מיקום, מהירות ומומנט סטנדרטיים.

איור 3: לוח ה-TMC4671-EVAL כולל שתי שורות של פסי-פינים עבור I/O‏ הספקת-כוח ואותות. (מקור התמונה: Analog Devices, הותאמה על ידי הכותב)

פסי-הפינים בחלק העליון של ה-TMC4671-EVAL מיועדים עבור חיבור אנקודרים דיגיטליים, אותות חיישני אפקט Hall‏ דיגיטליים ומתגי ייחוס. פסי הפינים בתחתית הלוח מיועדים עבור אותות חיישני אפקט-הול אנלוגיים או אנקודרים סינוס/קוסינוס.

מתכננים המעדיפים לבנות מעגל הערכה משלהם סביב ליבת דוחף מנוע פונקציונלית יכולים להשתמש בלוח הפילוג TMC4671-BOB‏ (איור 4, למעלה). הוא מציע ממשקי SPI ו-UART עבור תקשורת והגדרת תצורה, יחד עם ממשק ניטור בזמן-אמת (RTMI‏) עבור ניפוי-באגים בזמן-אמת וכיוונון באמצעות מתאם USB-2-RTMI_V20‏ עם בידוד גלווני (אוהמי) (איור 4, למטה).

איור 4: ה-TMC4671-BOB (למעלה) מספק גישה ישירה ל-TMC4671, כמו גם לממשקי SPI ו-UART; מתאם USB-2-RTMI_V20 המשויך (למטה) הוא ממשק USB מבודד גלוונית. (מקור התמונה: Analog Devices)

מתאם זה מציע המרת ממשק USB עבור ניטור בזמן-אמת של מעגל משולב (IC) של בקר TMC4671-LA FOC‏. ממיר ממשק גשר USB High-Speed-to-SPI מופעל באמצעות USB ומספק הגנה בסיסית מפני פריקה אלקטרוסטטית (ESD), כמו גם בידוד גלווני בין מחברי ה-USB וה-RTMI כדי למנוע בעיות בטיחות וחוגי הארקה.

ערכת הערכה הכל-באחד

לבסוף, במקרים מסוימים, לוח ההערכה השלם של Analog Devices יכול לשמש כמוצר ניתן-לפריסה. לדוגמה, מודול TMCM-3351-TMCL‏ (איור 5, למעלה) הוא לוח בקר/דוחף מנוע צעד תלת-צירי עבור שלושה מנועי צעד ביפולריים דו-פאזיים. הוא כולל את כל הרכיבים האקטיביים והפסיביים הנדרשים, כולל דוחפי הספק ומחברים עבור ה-MOSFET (איור 5, למטה).

איור 5: מחברי אותות, הספקת-כוח ו-I/O‏ הסטנדרטיים של מודול TMCM-3351-TMCL (למעלה) מאיצים את הכינון והשימוש; המעגל המשולב והמודול שלו יכולים לטפל בשלושה מנועים בו-זמנית (למטה) עבור בקרת תנועה תלת-צירית. (מקור התמונה: Analog Devices)

מודול עם מלוא הפונקציות זה תומך במדרגות ליניאריות בצורת-S עבור פעולה בחוג-סגור עם אנקודרים אופציונליים עבור כל אחד משלושת הצירים. ה-TMCM-3351-TMCL מציע גם מספר רב של כניסות ויציאות דיגיטליות ואנלוגיות למטרות כלליות. עבור התקשורת קיימים ממשקים טוריים RS-485‏, RS-232‏, אפיק CAN‏ ו-USB‏.

כלי תוכנה קריטיים עבור פרודוקטיביות לוח ההערכה

לוחות ההערכה נתמכים על ידי סביבת פיתוח משולבת-שפה של TRINAMIC Motion Control‏ (TMCL-IDE‏). ממשק משתמש גרפי (GUI) זה מספק כלים עבור הגדרה קלה של פרמטרים, הצגת נתונים בזמן-אמת, ופיתוח וניפוי-באגים של יישומים עצמאיים.

ה-TMCL-IDE מציג תיבות דיאלוג שונות עבור משימות דיאגנוסטיקה (איור 6) וכולל סקירה כללית של בקר התנועה ושבבי הדוחף המחוברים. חלון סקירה כללית זה יופיע מיד לאחר חיבור ערכת ההערכה בפעם הראשונה. החלון מציג את הסטטוס הנוכחי של החיבורים, בעוד שהלשונית השנייה של תיבת הדיאלוג מאפשרת למשתמשים לבחור הגדרות בסיסיות או לאפס את המודול להגדרות ברירת-המחדל של היצרן.

איור 6: ממשק המשתמש הגרפי TMCL-IDE מפשט את ההתקנה, הגדרת התצורה וניתוח הביצועים של מעגלים משולבים (ICs) שונים של דוחפי מנועים תחת עומסים אמיתיים, כאשר משתמשים בהם עם לוחות ההערכה הקשורים. (מקור התמונה: Analog Devices)

סיכום

מעגלים משולבים (IC) מודרניים עבור בקרת תנועה והאלגוריתמים שלהם הם מתוחכמים ביותר וחייבים להעניק ביצועים יוצאי-דופן במספר קריטריוני מנועים, כולל דיוק, אמינות ויעילות. באמצעות לוחות הערכה ותוכנות תומכות, המתכננים יכולים לכוונן את הבקרים הללו במקביל לשאר מאמצי התכנון כדי להעניק ביצועי מנוע אופטימליים למרות שינויי עומס וטרנזיינטים.

תוכן קשור

1. מדריך לוח הערכה TMC5130-EVAL
2. לוח הערכה TMC4671-EVAL
3. מדריך חומרה TMCM-3351
4. תיאור TMC4671 BOB
5. תיאור USB-2-RTMI_V20
6. כיצד לתכנן לעולם בטוח יותר באמצעות מעגלים משולבים (ICs‏) של מצלמות מעקב PTZ חסכוניים באנרגיה
7. כיצד להתאים מנהלי התקנים של סולנואידים ומנועי צעד עבור יישומים תעשייתיים