Микроконтролери за управление на електродвигатели – част II

• Драйверите за класически колекторни ЕДГ и соленоиди обикновено работят с ограничени като обхват напрежения и токове, но все още са най-разпространени, евтини и лесни за използване
  
  
• Устройството на ИС за управление на стъпкови двигатели не се отличава значително от коя да е управляваща ИС – присъстват захранване, контролен и сензорен интерфейс и изпълнителна част, например вградени MOSFET транзистор

Впървата част на статията, публикувана в бр. 3/2024 на списание Инженеринг ревю, бяха разгледани основните типове електродвигатели (ЕДГ) и начините за управлението им. Тук продължаваме с някои нови микроконтролери, специализирани ИС, развойни китове и софтуер за управление на ЕДГ.

Развойният комплект dsPIC33CK

е предназначен да демонстрира възможностите на фамилията цифрови сигнални процесори на Microchip със специализирани възможности за управление и мониторинг на различни безколекторни ЕДГ – BLDC/PMSM/IPM. Инверторът, реализиран на платката, се управлява от най-големия като изводи и възможности процесор във фамилията – dsPIC33CK256MP508. Китът също така включва интерфейс за сензор на Хол / квадратурен енкодер (QEI) за шестстепенен трапецоидален или синусоидален контрол, както и входове за сензори за измерване на постоянни напрежения и токове, фазови разлики и др. Вградените 3 x 3,5 Msps АЦП се използват за изпълнение на математически интензивни алгоритми за контрол на ЕДГ, като полеви контрол (sensorless FOC) с единичен, двоен или троен шунт за измерване на тока, детекция на начална позиция (IPD), field weakening FW, BackEMF и др. За основна комуникация се използва вграден USB-UART конвертор. Осигурени са и конектори за допълнителни модули с mikroBUS шина. Вграденият PICkit On-Board (PKOB) програматор/дебъгер осигурява бърз достъп и препрограмиране при разработка. Осигурен е и допълнителен ICSP конектор за използване с външен програматор/дебъгер. Развойният комплект може да се захранва с напрежения в обхвата 12 – 48 V и обслужва ЕДГ с работни токове до 10 А RMS. Поддържа се от MPLAB X, както и от софтуерни инструменти на Microchip като X2C Scope (виртуален осцилоскоп) и RTDM (монитор за данни в реално време).

Фамилията цифрови dsPIC33CK предлага разнообразие от функционални блокове, бързина и изчислителни възможности за управление на ЕДГ, както и набор от контролни и измервателни интерфейси. За управлението на два ЕДГ се изисква минимум от следните интегрирани елементи в управляващата ИС – 48 вход/изхода, 6х PWM модула, 3х АЦП модула. dsPIC се предлагат с едно – dsPIC33CK, или две – dsPIC33CH, ядра, даващи възможност за бързо и детерминистично изпълнение на инструкциите с цел осъществяване на приложения в реално време, каквито са приложенията с електродвигатели.

Други микроконтролери,

които също имат богати възможности за управление на ЕДГ, са Infineon MOTIX, базирани на ARM Cortex-М. За колекторни постояннотокови двигатели са предназначени TLE985x/TLE986x/TLE988x (за MOSFET транзисторно управление) и MOTIX TLE9842/3/4 (за управление с реле), а за безколекторни ЕДГ са TLE987x/TLE989x/TLE9140EQW. Микроконтролерите имат LIN, PWM и CAN-FD, както и специализирани сензорни интерфейси. Автомобилните варианти на ИС покриват ISO26262/ASIL-B стандарти за безопасност. Предлагат се и развойни китове, примерни библиотеки и драйвери, както и графична среда за демонстрация и разработка – MOTIX софтуер.

Фамилията ADSP-CM40x на Analog Devices предлага разширени възможности за измерване, бързи изчисления и контрол на индустриални и серво ЕДГ. Конролерите са базирани на ARM Cortex-M4, работят с тактови честоти до 240 MHz и разполагат с до 384 kB SRAM и 2 MB Flash памет, както и прецизни 16-битови АЦП. Също така са интегирани SINC филтри за директна връзка с AD740x сигма-делта модулатори, както и модул за спектрален анализ на консумирана мощност.
Фамилиите за управление на електродвигатели на NXP – MCSxTE1AK1xx, S12/S12 Magniv, MPC57xx/MPC56xx, са специализирани в индустриални и автомобилни BLDC/PMSM ЕДГ. Интересно е наличието на дублиран Етернет комуникационeн интерфейс.

Интересна хибридна ИС с висока степен на интеграция –

микроконтролер + трифазен контролер в един корпус (System in a package - SIP) произвежда STMicroelectronics. Примерна схема на свързване на STSPIN32G4 е показана на Фиг. 2.

Тази хибридна ИС може да се използва в индустриални и домашни роботи, професионални и любителски строителни и градински приложения, помпи и вентилатори, както и дронове. Малкият брой периферни компоненти води до по-кратко време за разработка, по-малка печатна платка и в резултат – по-компактни крайни усройства. STSPIN32G4 е подходяща за управление на ЕДГ със захранващи напрежения от 5,5 до 75 V. Вградените трифазни драйвери могат да работят с токове до 1 А (sink/source), като управляват мощните MOSFET транзистори, имат вградени bootstrap диоди, I2C интерфейс за конфигурация и диагностика, както и защита от грешно комутиране на управляващата верига.

Използваният MCU STM32G431 е модерен 32-битов ARM Cortex-M4 микроконтролер с математически копроцесор. Има работна честота до 170 MHz, CORDIC ускорител за тригонометрични функции, 128k FLASH със специализирана защита (PCROP), допълнителна защитена памет за еднократно програмиране (OTP) и 32 kB SRAM с хардуерен parity check. Процесорът предлага два специализирани таймера, до 6 ШИМ 16-битови канала, 8 стандартни таймерa, два 12-битови АЦП (до 19 канала) със скорост на преобразуване до 4 Msps, четири 12-битови ЦАП, 4 бързи rail-to-rail компаратора и три rail-to-rail усилвателя с програмируемо усилване (PGA).
Хибридната ИС има също прецизен вътрешен опорен източник на напрежение, до 40 В/И с универсално предназначение (GPIO), както и пълен набор от серийни интерфейси I2C, SPI, UART, CAN. Вградено е и ключово захранване (buck converter) с изходен ток до 200 mA, с вграден MOSFET и програмируем изход, както и линеен регулатор с нисък пад (LDO) до 150 mA. Допълнително има специализиран линеен регулатор с ниска утечка за захранване на MCU в standby режим. Осигурен е и пълен набор от защити – термична, от късо съединение, претоварване и от ниско напрежение.

За нея се предлага развойна платка EVSPIN32G4, която се контролира през софтуера X-CUBE-MCSDK. Вариантът EVLSPIN32G4-ACT може да работи с STWIN.box и FP-IND-DATALOGMC, като чрез ръководства за бързо стартиране лесно да се изградят нужните прототипи. За по-сложни приложения може да се използва развойният кит EVSPIN32G4-DUAL, който комбинира STSPIN32G4 и STDRIVE101 мостов драйвер (half bridge). В резултат платката може да управлява два трифазни безколекторни мотора с работно напрежение/ток – до 74 V / 10 Arms, с възможност за безсензорно управление с единичен шунт или със сензор на Хол / енкодер.

Специализирани интегрални схеми и драйвери

За специални приложения е предназначена ИС LX4580 на Microchip (Фиг. 3). Тя представлява аналогов front-end за електродвигатели в приложения с висока интеграция и надеждност. Комбинира сензорни интерфейси, модул за наблюдение и диагностика, както и синхронизиран контрол за поддръжка на PMSM, BLDC и стъпкови ЕДГ. Обикновено LX4580 работи заедно с избрания за съоветното приложение процесор, контролер, DSP или FPGA. Схемата покрива стандарти за авионика като DO-160 и има двоен сериен/SPI порт за дублиращи се MCU/FPGA със съоветни възможности за реализиране на CON/MON (контрол/наблюдение) системни архитектури. Има още възможност за коригиращo кодиране (ECC), и тройно осигуряване (Triple Mode Redudancy – TMR) за реакция при т. нар. единични грешки (Single-Event Upset – SEU, Single-Event Error – SEE) причинени от заредени частици и космическа радиация.

LX4580 разполага с дублиран UART или SPI интерфейс, 5 интерфейса за температурни сензори, 3 интерфейса за сензори за налягане, 2 LVDT драйвера и монитори за тях, 4 LVDT монитора с усукана двойка с моментно и RMS отчитане, 5 токови интерфейса, 1 вход за диференциално измерване по напрежение, 3 входа за Хол сензори, 8 ШИМ изхода, вградени регулатори за напрежение, програмируеми универсални вход/изходи GPIO, комплексна система за детекция и сигнализация на проблеми. Подържа се JTAG интерфейс за програмиране и развой.

Драйвери за колекторни постояннотокови електродвигатели

Драйверите за класически колекторни ЕДГ и соленоиди обикновено работят с ограничени като обхват напрежения и токове, но все още са най-разпространени, евтини и лесни за използване. Класическите ежедневни приложенията включват управление на електронни брави, играчки, инфузионни помпи за медицината, портативни принтери за POS терминали и други. Автомобилните приложения са управления за автоматични прозорци и моторизирани анатомични седалки, управления в двигателите с вътрешно горене (помпи, клапани и т.н.), както и компоненти на хибриди и елекрически автомобили. Типични примери са DRV8213 и DRV8242-Q1 на Texas Instruments.

Фамилията DRV824x-Q1 (суфиксът -Q1 означава че ИС са предназначени специално за автомобилни предложения) представлява напълно интегриран мостов/двупосочен драйвер (H-bridge). Схемите предлагат PWM или фазово управление и са произведени по BiCMOS силициева технология, осигуряваща отлични термични характеристики при компактни размери. Взети са мерки за минимизиране на смущенията и прецизно измерване на работния ток. Интегрирани са пълен N-канален MOSFET мост, повишаващ charge-pump регулатор на напрежение, пропорционален токов изход и различни защитни механизми за превишени ток и температура. Наличен е режим на ниска консумация, когато ИС не се използва, а при възникване на проблем той се индикира на извода nFAULT. ИС са валидни в три варианта – фиксиран HW (H) и с два различни SPI интерфейса: SPI(P) и SPI(S). SPI (P) изисква външно напрежение за логическите сигнали, а SPI(S) генерира това напрежение вътре в ИС.

Чипът DRV8242 поддържа работни напрежения от 4,5 до 35 V, като съпротивлението при включен мост е 250 mOhm, а максималният изходен ток 6 А. Работната честота на ШИМ достига 25 kHz, с възможност за допълнително конфигуриране на разпределен спектър (spread spectrum). Поддържат се логически нива 3,3 V / 5 V.
Интегралната схема DRV8213 предлага възможност за работа от с по-ниски напрежения 1,65 – 11 V, както и логически нива от 1,8 / 3,3 / 5 V, подходящи за приложения с по-малки електродвигатели.

Драйвери за стъпкови електродвигатели

Стъпковите ЕДГ имат разнообразни приложения в преносими и персонални устройства, управление на обективи, системи за насочване на камери, прецизни инсулинови помпи, лабораторни пипети, принтери и скенери, индустриални машини и др.

В таблица 1 са представени основни параметри на някои от най-новите драйвери за стъпкови електродвигатели – ADI TMC5271/5272, MPS MP6602 и TI DRV8849.
Нека разгледаме по-подробно типичната MP6602 със съоветната блокова схема, представена на Фиг. 4. Устройството на ИС за управление на стъпкови двигатели не се отличава значително от коя да е управляваща ИС – присъстват захранване, контролен и сензорен интерфейс и изпълнителна част (в случая вградени MOSFET транзистори). Характерно е захранването за логическата част, като обикновенно се поддържат различни захранващи нарежения – например 3,3 / 5 V, което прави управлението гъвкаво според използвания микроконтролер. Управляващите мостове – два или четири мостови управления (full H-bridge), имат възможност да работят с широк обхват на захранващото напрежение (например 4,5 – 38 V). Контролният интерфейс включва управление на стъпките (STEP), управление на посоката (DIR), както и сериен интерфейс (SPI). Добавени са и логически входове и изходи за рестартиране, индикация на проблем, режим на готовност и т.н.

ИС притежава вграден осцилатор, който генерира нужните тактови импулси за коректна работа на вътрешната логика. Отделен блок се грижи за следене и сигнализиране на възможни проблеми – защита по ток (OCP), защита по ниско напрежение (UVLO), защита по високо напрежение (OVP), термична защита, липса на товар, неподвижен ротор, обратно напрежение (Back EMF) и др. Следенето на работния ток също е осъществено вътре в ИС и не изисква допънителни шунтови резистори.

MP6602 може да работи с токове до 4 А на фаза в зависимост от околната температура и конструкцията на печатната платка и управлява биполярни или униполярни стъпкови ЕДГ с до 1/32 микростъпки. Автоматичният hold current режим може да понижи тока в намотката за да пести енергия, в случай че максималният възможен ток не е нужен – например когато ЕДГ е спрян или леко натоварен. Генерираното обратно напрежение (back EMF) може да бъде следено през серийния интерфейс с цел допълнителни диагностични и контролни функции. Управлението и диагностиката се извършват през серийния SPI интерфейс, но при нужда могат да се използват само STEP и DIR входовете, без пълна цифрова комуникация. Развойният кит EV6602-V-01A може да се управлява чрез друг кит EVKT-MOTOR-00A, който представлява USB към I2C/SPI адаптер, работещ с графичен конфигуратор.

При необходимост от още по-голяма степен на интеграция и работa с увеличени работни напрежения и токове е подходящ хибридният микромодул POWERSTEP01 на STM. Модулът включва интегирани регулатори на напрежението, 8 мощни MOSFET транзистора, контролна логика със SPI интерфейс и богат набор от предпазни механизми. Корпусът му е много специфичен и е обозначен като VFQFPN 11х14 mm.