Công nghệ tự động hóa và robot phụ thuộc nhiều vào động cơ cũng như các IC điều khiển và điều khiển liên quan của chúng. Những chất bán dẫn phức tạp này vượt xa khả năng điều khiển chuyển động cơ bản, có thể chạy các thuật toán nâng cao và điều chỉnh chặt chẽ hoạt động của hệ thống dựa trên mức độ ưu tiên của động cơ, tải và hiệu suất tổng thể.
Tuy nhiên, việc thiết lập các IC phức tạp này và đánh giá hiệu năng hệ thống tiềm năng chỉ dựa trên thông số kỹ thuật hoặc mô phỏng là một thách thức. Quá trình này có thể kéo dài và tốn kém và có thể mang lại sự không chắc chắn trong quá trình triển khai. Cách tiếp cận phát triển tốt nhất là sử dụng bảng đánh giá để cho phép thiết kế hệ thống, bố cục và phát triển phần mềm được tiến hành song song.
Bài viết này tập trung vào những thách thức mà các nhà thiết kế gặp phải khi sử dụng IC điều khiển chuyển động, cũng như vai trò của hội đồng đánh giá trong việc giải quyết những thách thức này. Sau đó, các IC điển hình và bảng đánh giá liên quan từ Thiết bị Analog đã được giới thiệu, giúp rút ngắn thời gian cần thiết để ra mắt sản phẩm bằng cách đạt được các đánh giá sớm và thực tế, đồng thời giảm thiểu sự không chắc chắn về phần cứng và phần mềm.
Tổng quan về yêu cầu đối với IC điều khiển chuyển động
IC điều khiển chuyển động cung cấp trí thông minh cần thiết để điều khiển động cơ và các thiết bị nguồn bên trong của chúng, chẳng hạn như MOSFET dẫn động cuộn dây động cơ. Để đạt được hiệu suất, quỹ đạo, đường cong chuyển động và hiệu suất tối ưu trong các chế độ vận hành tĩnh và động cũng như điều kiện tải, đồng thời để xử lý các nhiễu loạn, quá độ và sự cố, cả động cơ và MOSFET cần được quản lý cẩn thận.
Để giúp giải quyết những thách thức này, các nhà cung cấp IC điều khiển cung cấp bảng đánh giá. Các bảng đánh giá này đơn giản hóa việc thiết lập, tối ưu hóa và đánh giá hiệu suất phần cứng và phần mềm bằng cách tiến hành kiểm tra phần cứng trong vòng lặp (HITL) trong điều kiện tải thực tế và động cơ thực tế. Họ cũng đảm bảo rằng bố cục vật lý của IC và các mạch xung quanh nó được thiết lập hợp lý về mặt phân phối nguồn, hiệu ứng ký sinh, kết nối và định dạng đầu vào/đầu ra (I/O), đầu nối vật lý và các khía cạnh khác. Nhà thiết kế có thể sử dụng các bảng đánh giá này (dưới dạng bảng cỡ trung, bảng nhánh cơ bản (BOB) hoặc giải pháp mô-đun) để đánh giá các cài đặt, cấu hình và tùy chọn khác nhau nhằm xác định giải pháp phù hợp nhất cho ứng dụng.
IC điều khiển động cơ và bảng đánh giá liên quan
Một ví dụ điển hình về IC điều khiển động cơ là TMC5130A-TA-T của dòng Analog Devices TMC5130. Nó là bộ điều khiển và trình điều khiển động cơ bước hiệu suất cao với giao diện truyền thông nối tiếp và bao gồm một bộ tạo đường dốc linh hoạt để định vị mục tiêu tự động.
Trình điều khiển áp dụng thuật toán cắt StealthHop tiên tiến, đảm bảo hoạt động gần như không có tiếng ồn, hiệu suất cao nhất và mô-men xoắn động cơ tối ưu. TMC5130 tích hợp nhiều tính năng nâng cao độc đáo thông qua tích hợp hệ thống trình điều khiển và bộ điều khiển trên chip (SoC). Ví dụ: bộ tạo đoạn đường nối SixPoint trong TMC5130 sử dụng các chức năng DcStep, CoolStep và StallGuard2 để tự động tối ưu hóa từng chuyển động của động cơ.
Để hỗ trợ các nhà thiết kế bắt đầu sử dụng TMC5130, hệ thống bảng đánh giá TMC5130-EVAL (Hình 1) cung cấp nền tảng phần cứng tiện lợi và các công cụ phần mềm đánh giá thân thiện với người dùng. Hệ thống bảng đánh giá gồm 3 phần: cầu nối đế (trái) kết nối với máy tính, bảng kết nối (giữa) bao gồm nhiều điểm kiểm tra và bảng TMC5130-EVAL (phải).
Hình ảnh bảng đánh giá Analog Devices TMC5130-EVAL (phải) và tải động cơ (ngoài cùng bên phải) (click để phóng to)
Hình 1: Bảng đánh giá TMC5130-EVAL (phía bên phải) và tải động cơ (phía ngoài cùng bên phải) được cấu hình thông qua cầu nối USB kết nối với đế PC (phía bên trái) và bảng kết nối với các điểm kiểm tra (ở giữa). (Nguồn hình ảnh: Thiết bị Analog)
Đối với các nhà thiết kế muốn phát triển thêm các mạch dựa trên lõi TMC5130, Analog Devices cung cấp bảng phân phối TMC5130A-BOB (Hình 2, trên cùng). Bảng này cung cấp các kết nối cơ bản cần thiết cho hoạt động và được điều khiển thông qua giao diện SPI. Sơ đồ nguyên lý (Hình 2, phía dưới) hiển thị mạch đơn giản nhất được cung cấp để thực hiện chức năng IC TMC5130.
Hình ảnh và sơ đồ của Analog Devices TMC5130A-BOB (bấm vào để phóng to)
Hình 2: TMC5130A-BOB (trên cùng) cung cấp phương pháp đánh giá cơ bản, với các điểm kết nối được đặt dọc theo các cạnh của nó thay vì các đầu nối rời rạc; Sơ đồ nguyên lý (bên dưới) hiển thị mạch đơn giản nhất cần thiết để làm cho IC TMC5130 hoạt động. (Nguồn hình ảnh: Thiết bị Analog)
Bộ đánh giá TMC5240-EVAL được xây dựng trên nền tảng TMC5130-EVAL hoàn thiện, nhằm đơn giản hóa việc đánh giá động cơ điện thế hệ tiếp theo. Nó tích hợp cầu 36 V H, phát hiện dòng điện không phá hủy và các chức năng điều khiển chuyển động tiên tiến, bao gồm bộ tạo đường dốc được tối ưu hóa Jerk và Hoạt động StealthShop2 ™ cực kỳ yên tĩnh cho phép khởi động nhanh hơn, gỡ lỗi dễ dàng hơn và xác minh hiệu quả hơn hiệu suất động cơ trơn tru và chính xác.
Công nghệ điều khiển tiên tiến loại bỏ sự cần thiết của cảm biến phản hồi
Điều khiển định hướng trường (FOC), còn được gọi là điều khiển véc tơ, là một phương pháp ngày càng phổ biến để điều khiển nhiều động cơ vì trong nhiều trường hợp, nó loại bỏ nhu cầu về cảm biến phản hồi như bộ mã hóa hoặc cảm biến hiệu ứng Hall cũng như chi phí và kích thước liên quan của chúng. Sự thỏa hiệp chính giữa công nghệ FOC và không FOC là FOC yêu cầu thực hiện theo thời gian thực một số lượng lớn các phép tính và ma trận có độ chính xác cao.
IC điều khiển động cơ TMC4671-LA của Analog Devices được thiết kế đặc biệt cho FOC, với các thuật toán nhúng và công cụ chuyên dụng có khả năng thực hiện các phép tính phức tạp cần thiết. Bộ điều khiển servo dành cho động cơ DC, DC không chổi than (BLDC) và động cơ bước này cung cấp khả năng điều khiển mô-men xoắn thông qua FOC cũng như điều khiển tốc độ và vị trí thông qua điều khiển xếp tầng.
TMC4671-A hỗ trợ các liên kết SPI và UART, đồng thời có thể thực hiện giao tiếp cơ bản với các đơn vị vi điều khiển giám sát (MCU) cấp thấp. Tất cả các chức năng điều khiển được triển khai trong phần cứng, bao gồm ADC tích hợp, giao diện cảm biến vị trí cho phản hồi tùy chọn, bộ nội suy vị trí, v.v., cung cấp bộ điều khiển servo đầy đủ chức năng cho nhiều ứng dụng servo.
Bảng đánh giá TMC4671-EVAL (Hình 3) cho TMC4671-A đơn giản hóa quá trình định cấu hình các thông số FOC cần thiết và đánh giá hiệu suất động cơ theo sơ đồ điều khiển nâng cao này. Các nhà thiết kế đã kết nối TMC4671-EVAL với cầu nối, đế liên quan và tầng cấp nguồn độc lập. Cài đặt này cho phép cấu hình dễ dàng các bộ điều khiển tích phân tỷ lệ (PI) và sơ đồ phản hồi, đồng thời hỗ trợ vận hành động cơ ở các chế độ điều khiển vị trí, tốc độ và mô-men xoắn tiêu chuẩn.