A tecnologia de automação e robótica depende fortemente de motores e seus CIs de controle e driver relacionados. Esses semicondutores complexos vão além do controle básico de movimento, podem executar algoritmos avançados e ajustar de perto a operação do sistema com base nas prioridades do motor, da carga e do desempenho geral.
No entanto, configurar esses CIs complexos e avaliar o desempenho potencial do sistema apenas com base em especificações ou simulações é um desafio. Este processo pode ser demorado e caro, e pode trazer incerteza durante a implantação. A melhor abordagem de desenvolvimento é usar painéis de avaliação para permitir que o design do sistema, o layout e o desenvolvimento de software prossigam em paralelo.
Este artigo enfoca os desafios que os projetistas enfrentam ao usar CIs de controle de movimento, bem como o papel dos conselhos de avaliação na abordagem desses desafios. Posteriormente, foram introduzidos ICs típicos e placas de avaliação relacionadas da Analog Devices, o que reduziu o tempo necessário para o lançamento do produto, conseguindo avaliações antecipadas e realistas e, ao mesmo tempo, reduzindo as incertezas de hardware e software.
Visão geral dos requisitos para IC de controle de movimento
O IC de controle de movimento fornece a inteligência necessária para controlar motores e seus dispositivos de alimentação internos, como MOSFETs que acionam os enrolamentos do motor. Para alcançar desempenho, trajetória, curva de movimento e eficiência ideais sob modos de operação estáticos e dinâmicos e condições de carga, e para lidar com distúrbios, transientes e falhas, tanto os motores quanto os MOSFETs precisam ser gerenciados cuidadosamente.
Para ajudar a enfrentar esses desafios, os fornecedores de CI de driver fornecem painéis de avaliação. Essas placas de avaliação simplificam a configuração de hardware e software, a otimização e a avaliação de desempenho, conduzindo testes de hardware no loop (HITL) sob condições reais de motor e carga. Eles também garantem que o layout físico do IC e dos circuitos adjacentes seja devidamente estabelecido em termos de distribuição de energia, efeitos parasitas, conexões e formatos de entrada/saída (E/S), conectores físicos e outros aspectos. Os projetistas podem usar essas placas de avaliação (como placas de tamanho médio, placas de ramificação básicas (BOBs) ou soluções modulares) para avaliar diferentes definições, configurações e opções para determinar a solução mais adequada para a aplicação.
IC de controle do motor e placa de avaliação relacionada
Um bom exemplo de IC de controle de motor é o TMC5130A-TA-T da série Analog Devices TMC5130. É um controlador e driver de motor de passo de alto desempenho com interface de comunicação serial e inclui um gerador de rampa flexível para posicionamento automático do alvo.
O driver adota o algoritmo avançado de chopper StealthHop, que garante operação quase sem ruído, maior eficiência e torque ideal do motor. O TMC5130 integra vários recursos exclusivos de aprimoramento por meio da integração do sistema de driver e controlador no chip (SoC). Por exemplo, o gerador de rampa SixPoint no TMC5130 usa as funções DcStep, CoolStep e StallGuard2 para otimizar automaticamente cada movimento do motor.
Para ajudar os projetistas a começar a usar o TMC5130, o sistema de placa de avaliação TMC5130-EVAL (Figura 1) fornece uma plataforma de hardware conveniente e ferramentas de software de avaliação fáceis de usar. O sistema da placa de avaliação consiste em três partes: a ponte de conexão do substrato (esquerda) que se conecta ao computador, a placa conectora (meio) que inclui vários pontos de teste e a placa TMC5130-EVAL (direita).
Imagem da placa de avaliação Analog Devices TMC5130-EVAL (direita) e carga do motor (extrema direita) (clique para ampliar)
Figura 1: A placa de avaliação TMC5130-EVAL (lado direito) e a carga do motor (lado direito) são configuradas através de uma ponte USB conectada ao substrato do PC (lado esquerdo) e uma placa conectora com pontos de teste (meio). (Fonte da imagem: Dispositivos Analógicos)
Para projetistas que desejam desenvolver mais circuitos baseados no núcleo TMC5130, a Analog Devices fornece o quadro de distribuição TMC5130A-BOB (Figura 2, acima). Esta placa fornece as interconexões básicas necessárias para a operação e é controlada através da interface SPI. O diagrama esquemático (Figura 2, parte inferior) mostra o circuito mais simples fornecido para implementar a função IC TMC5130.
Imagem e esquema dos Dispositivos Analógicos TMC5130A-BOB (clique para ampliar)
Figura 2: TMC5130A-BOB (topo) fornece um método de avaliação básico, com pontos de conexão definidos ao longo de suas bordas em vez de conectores discretos; O diagrama esquemático (abaixo) mostra o circuito mais simples necessário para fazer o IC TMC5130 funcionar. (Fonte da imagem: Dispositivos Analógicos)
O kit de avaliação TMC5240-EVAL é construído na plataforma madura TMC5130-EVAL, com o objetivo de simplificar a avaliação do motor elétrico da próxima geração. Ele integra ponte H de 36 V, detecção de corrente não destrutiva e funções avançadas de controle de movimento, incluindo gerador de rampa otimizado Jerk e operação StealthShop2 ™ ultrassilenciosa que permite inicialização mais rápida, depuração mais fácil e verificação mais eficiente do desempenho suave e preciso do motor.
A tecnologia de controle avançada elimina a necessidade de sensores de feedback
O controle orientado a campo (FOC), também conhecido como controle vetorial, é um método cada vez mais popular para controlar vários motores porque, em muitos casos, elimina a necessidade de sensores de feedback, como codificadores ou sensores de efeito Hall, e seus custos e tamanhos associados. O principal compromisso entre as tecnologias FOC e não FOC é que o FOC requer a execução em tempo real de um grande número de cálculos de alta precisão e operações matriciais.
O IC do controlador de motor TMC4671-LA da Analog Devices foi projetado especificamente para FOC, com algoritmos incorporados e motores dedicados capazes de realizar os cálculos complexos necessários. Este servocontrolador para motores CC, CC sem escovas (BLDC) e motores de passo fornece controle de torque por meio de FOC e controle de velocidade e posição por meio de controle em cascata.
O TMC4671-A suporta links SPI e UART e pode realizar comunicação básica com unidades microcontroladoras de monitoramento (MCUs) de baixo custo. Todas as funções de controle são implementadas em hardware, incluindo ADC integrado, interface de sensor de posição para feedback opcional, interpolador de posição, etc., fornecendo um servo controlador totalmente funcional para uma ampla gama de aplicações servo.
A placa de avaliação TMC4671-EVAL (Figura 3) para TMC4671-A simplifica o processo de configuração dos parâmetros FOC necessários e avaliação do desempenho do motor sob este esquema de controle avançado. Os projetistas conectaram o TMC4671-EVAL à ponte de conexão, ao substrato relacionado e ao estágio de potência independente. Essa configuração permite fácil configuração de controladores integrais proporcionais (PI) e esquemas de feedback e suporta a operação do motor nos modos padrão de controle de posição, velocidade e torque.