Verwendung von Evaluierungsboards zur Beschleunigung der Motortreiberentwicklung und Optimierung

Automatisierung und Robotik hängen in hohem Maße von Motoren und den zugehörigen Steuer- und Treiber-ICs ab. Diese komplexen Halbleiter gehen über eine einfache Motorsteuerung hinaus und führen moderne Algorithmen aus, die den Systembetrieb an den Motor, seine Last und die allgemeinen Leistungsprioritäten anpassen.

Es ist jedoch schwierig, diese komplexen ICs einzurichten und die potenzielle Systemleistung allein anhand von Datenblättern oder Simulationen zu bewerten. Der Prozess kann langwierig und kostspielig sein und zu Unsicherheiten bei der Einführung führen. Die Entwicklung erfolgt am besten parallel zu den Phasen des Systemdesigns, des Layouts und der Softwareentwicklung unter Verwendung von Evaluierungsboards.

Dieser Artikel beleuchtet einige der Herausforderungen, mit denen Entwickler bei der Verwendung von Motorsteuerungs-ICs konfrontiert sind, sowie die Rolle von Evaluierungsboards bei der Bewältigung dieser Herausforderungen. Anschließend werden beispielhafte ICs und zugehörige Evaluierungsboards von Analog Devices vorgestellt, die die Zeit bis zur Markteinführung verkürzen, indem sie eine frühzeitige Bewertung unter realen Bedingungen ermöglichen und gleichzeitig Hardware- und Software-Unsicherheiten reduzieren.

Überblick über die Anforderungen an ICs zur Motorsteuerung

Motorsteuerungs-ICs bieten die notwendige Intelligenz zur Steuerung des Motors und seiner internen Leistungsbauteile, wie z. B. MOSFETs, die die Motorwicklungen antreiben. Sowohl der Motor als auch die MOSFETs müssen sorgfältig verwaltet werden, um eine optimale Performance, optimale Laufwege, ein optimales Bewegungsprofil und einen optimalen Wirkungsgrad in statischen und dynamischen Betriebsarten und unter verschiedenen Lastbedingungen zu erreichen und um mit Störungen, Transienten und Fehlern umzugehen.

Um diese Herausforderungen zu meistern, bieten die Anbieter von Treiber-ICs Evaluierungsboards an. Diese vereinfachen die Einrichtung, Optimierung und Leistungsbewertung von Hardware und Software, indem sie Hardware-in-the-Loop-Tests (HITL) mit einem tatsächlichen Motor und einer realen Last unter verschiedenen Bedingungen ermöglichen. Sie stellen auch sicher, dass das physische Layout des ICs und der umgebenden Schaltkreise im Hinblick auf die Stromverteilung, Parasitika, Eingangs-/Ausgangsverbindungen und -formate, physische Anschlüsse und vieles mehr ordnungsgemäß festgelegt ist. Mit diesen Boards, die als Mid-Range-Boards, Basis-Breakout-Boards (BOBs) oder modulare Lösungen erhältlich sind, können Entwickler verschiedene Einstellungen, Konfigurationen und Optionen testen, um die für die Anwendung am besten geeigneten zu ermitteln.

Motorsteuerungs-ICs und zugehörige Boards

Ein gutes Beispiel für einen Motorsteuerungs-IC ist der TMC5130A-TA-T aus der Familie TMC5130 von Analog Devices. Es handelt sich um eine leistungsstarke Schrittmotorsteuerung und einen Treiber mit seriellen Kommunikationsschnittstellen, die einen flexiblen Rampengenerator für die automatische Zielpositionierung enthalten.

Durch den Einsatz eines hochentwickelten StealthChop-Chopper-Algorithmus gewährleistet der Treiber einen nahezu geräuschlosen Betrieb, maximale Effizienz und ein optimales Motordrehmoment. Der TMC5130 bietet mehrere einzigartige Verbesserungen, die durch die SoC-Integration (System-on-Chip) von Treiber und Controller ermöglicht werden. Der SixPoint-Rampengenerator im TMC5130 nutzt beispielsweise die Funktionen DcStep, CoolStep und StallGuard2, um jede Motorbewegung automatisch zu optimieren.

Um Entwicklern den Einstieg in die Arbeit mit dem TMC5130 zu erleichtern, bietet das Board-System TMC5130-EVAL (Abbildung 1) eine praktische Hardware-Plattform und ein benutzerfreundliches Software-Tool für die Evaluierung. Das Board-System besteht aus drei Teilen: einer Basisplatinen-Verbindungsbrücke zu einem Computer (links), einer Anschlussplatine mit mehreren Testpunkten (Mitte) und dem Board TMC5130-EVAL (rechts).

Abbildung 1: Das Evaluierungsboard TMC5130-EVAL (rechts) und die Motorlast (ganz rechts) werden mit Hilfe einer USB-Verbindung für den Baseboard-Anschluss an einen PC (links) und einer Anschlussplatine mit Testpunkten (Mitte) konfiguriert. (Bildquelle: Analog Devices)

Für Entwickler, die es vorziehen, mehr eigene Schaltungen um einen TMC5130-basierten Kern herum zu entwickeln, bietet Analog Devices das Breakout-Board TMC5130A-BOB an (Abbildung 2, oben). Diese Karte bietet die für den Betrieb erforderlichen Grundverbindungen und wird über eine SPI-Schnittstelle gesteuert. Der Schaltplan (Abbildung 2, unten) zeigt die minimalistische Schaltung, die einen funktionsfähigen TMC5130-IC ermöglicht.

Abbildung 2: Der TMC5130A-BOB (oben) bietet einen grundlegenden Evaluierungsansatz mit Anschlusspunkten entlang seiner Kanten anstelle von diskreten Anschlüssen; sein Schaltplan (unten) zeigt die minimale Schaltung, die erforderlich ist, um einen funktionsfähigen TMC5130-IC zu ermöglichen. (Bildquelle: Analog Devices)

Das Evaluierungskit TMC5240-EVAL baut auf der bewährten Plattform TMC5130-EVAL auf, um die Evaluierung von Schrittmotoren der nächsten Generation zu vereinfachen. Es integriert 36V-H-Brücken, verlustfreie Strommessung und fortschrittliche Motorsteuerung mit einem ruckoptimierten Rampengenerator und dem ultraleisen StealthChop2™-Betrieb, was eine schnellere Inbetriebnahme, eine einfachere Abstimmung und eine effizientere Validierung einer reibungslosen, präzisen Motorleistung ermöglicht.

Moderne Steuerung macht Rückkopplungssensoren überflüssig

Die feldorientierte Regelung (FOC), auch bekannt als Vektorregelung, ist ein zunehmend beliebter Ansatz für die Regelung einer Vielzahl von Motoren, da sie in vielen Fällen den Bedarf an Rückkopplungssensoren wie Encodern oder Hall-Effekt-Sensoren und die damit verbundenen Kosten und die Größe eliminiert. Der Hauptnachteil zwischen FOC- und Nicht-FOC-Techniken besteht darin, dass FOC erhebliche Hochpräzisionsberechnungen und Matrizenberechnungen erfordert, die in Echtzeit durchgeführt werden müssen.

Der Motorcontroller-IC TMC4671-LA von Analog Devices zielt mit seinen eingebetteten Algorithmen und einer speziellen Engine für die komplexen Berechnungen, die für ihre Ausführung erforderlich sind, speziell auf FOC ab. Dieser Servoregler für Gleichstrom-, bürstenlose Gleichstrom- (BLDC) und Schrittmotoren bietet Drehmomentregelung über FOC sowie Geschwindigkeits- und Positionsregelung über Kaskadenregelung.

Der TMC4671-A unterstützt SPI- und UART-Verbindungen für die grundlegende Kommunikation mit einer Low-End-Überwachungs-Mikrocontrollereinheit (MCU). Alle Steuerungsfunktionen sind in Hardware implementiert, mit integrierten ADCs, Positionssensorschnittstellen für optionale Rückmeldungen, Positionsinterpolatoren und mehr, wodurch ein voll funktionsfähiger Servoregler für eine Vielzahl von Servoanwendungen entsteht.

Das Board TMC4671-EVAL (Abbildung 3) für den TMC4671-A vereinfacht die Konfiguration der erforderlichen FOC-Parameter und die Bewertung der Motorleistung unter diesem fortschrittlichen Steuerungsschema. Der Entwickler verbindet den TMC4671-EVAL mit der Verbindungsbrücke, der zugehörigen Basisplatine und einer separaten Leistungsstufe. Dieses Setup ermöglicht eine einfache Konfiguration von Proportional-Integral-Reglern (PI) und Rückkopplungsschemata und unterstützt den Motorbetrieb in den Standardmodi Positions-, Geschwindigkeits- und Drehmomentregelung.

Abbildung 3: Das Board TMC4671-EVAL verfügt über zwei Reihen von Steckleisten für Signal- und Leistungs-I/O. (Bildquelle: Analog Devices, modifiziert vom Autor)

Die Stiftleisten auf der Oberseite des TMC4671-EVAL sind für den Anschluss von digitalen Encodern, digitalen Halleffekt-Sensorsignalen und Referenzschaltern vorgesehen. Die Stiftleisten an der Unterseite der Platine sind für analoge Halleffekt-Sensorsignale oder einen Sinus/Cosinus-Encoder vorgesehen.

Entwickler, die es vorziehen, ihre eigene Evaluierungsschaltung um einen funktionalen Motortreiberkern herum aufzubauen, können das Breakout-Board TMC4671-BOB verwenden (Abbildung 4, oben). Es bietet SPI- und UART-Schnittstellen für die Kommunikation und Konfiguration sowie eine Echtzeit-Überwachungsschnittstelle (RTMI) für Live-Debugging und Tuning über den USB-2-RTMI_V20-Adapter mit galvanischer (ohmscher) Isolierung (Abbildung 4, unten).

Abbildung 4: Der TMC4671-BOB (oben) bietet direkten Zugriff auf den TMC4671 sowie auf SPI- und UART-Schnittstellen; der zugehörige Adapter USB-2-RTMI_V20 (unten) ist eine galvanisch getrennte USB-Schnittstelle. (Bildquelle: Analog Devices)

Dieser Adapter bietet eine USB-Schnittstellenkonvertierung für die Echtzeitüberwachung des FOC-Controller-ICs TMC4671-LA. Der USB-Highspeed-zu-SPI-Brückenschnittstellenkonverter wird über USB mit Strom versorgt und bietet einen grundlegenden Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) sowie eine galvanische Isolierung zwischen den USB- und RTMI-Anschlüssen, um Sicherheits- und Masseschleifenprobleme zu vermeiden.

Komplettes Evaluierungskit

In einigen Fällen kann das komplette Evaluierungsboard von Analog Devices als einsatzfähiges Produkt dienen. Das Modul TMCM-3351-TMCL (Abbildung 5, oben) ist beispielsweise eine dreiachsige Schrittmotorsteuerung/Treiberkarte für drei zweiphasige bipolare Schrittmotoren. Es enthält alle erforderlichen aktiven und passiven Komponenten, einschließlich MOSFET-Leistungstreiber und Steckverbinder (Abbildung 5, unten).

Abbildung 5: Die Standardsignal-, Stromversorgungs- und I/O-Anschlüsse des Moduls TMCM-3351-TMCL (oben) beschleunigen den Aufbau und die Verwendung; der IC und sein Modul können drei Motoren gleichzeitig bedienen (unten), um dreiachsige Bewegungen zu steuern. (Bildquelle: Analog Devices)

Dieses funktionell vollständige Modul unterstützt lineare und S-förmige Rampen für den Regelbetrieb mit optionalen Encodern für jede der drei Achsen. Das TMCM-3351-TMCL bietet außerdem zahlreiche digitale und analoge Mehrzweck-Ein- und Ausgänge. Für die Kommunikation stehen die seriellen Schnittstellen RS-485, CAN-Bus, USB und RS-232 zur Verfügung.

Software-Tools entscheidend für die Produktivität des Evaluierungsboards

Die Evaluierungsboards werden von der TMCL-IDE (Trinamic Motion Control Language-Integrated Development Environment) unterstützt. Eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) bietet Werkzeuge zur einfachen Einstellung von Parametern, zur Visualisierung von Daten in Echtzeit und zur Entwicklung und Fehlersuche bei eigenständigen Anwendungen.

Die TMCL-IDE zeigt verschiedene Dialogfelder für Diagnoseaufgaben an (Abbildung 6) und enthält eine Übersicht über die angeschlossenen Motorsteuerungs- und Treiber-Chips. Dieses Übersichtsfenster erscheint unmittelbar nach dem ersten Anschluss des Evaluierungskits. Das Fenster zeigt den aktuellen Status der Verbindungen an, während der Benutzer auf der zweiten Registerkarte des Dialogs grundlegende Einstellungen auswählen oder das Modul auf die Werkseinstellungen zurücksetzen kann.

Abbildung 6: Die grafische Benutzerschnittstelle (GUI) der TMCL-IDE vereinfacht die Einrichtung, Konfiguration und Leistungsanalyse der verschiedenen Motortreiber-ICs unter realen Lasten, wenn sie mit den zugehörigen Evaluierungsboards verwendet wird. (Bildquelle: Analog Devices)

Fazit

Moderne Motorsteuerungs-ICs und ihre Algorithmen sind hochentwickelt und müssen in Bezug auf mehrere Motorkriterien wie Präzision, Zuverlässigkeit und Effizienz hervorragende Leistungen erbringen. Mit Hilfe von Evaluierungsboards und unterstützender Software können Entwickler diese Steuerungen parallel zum restlichen Konstruktionsaufwand feinabstimmen, um trotz Lastschwankungen und Transienten eine optimale Motorleistung zu erzielen.

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