تعتمد تكنولوجيا الأتمتة والروبوتات بشكل كبير على المحركات وأجهزة التحكم والتشغيل ذات الصلة بها. تتجاوز أشباه الموصلات المعقدة هذه التحكم الأساسي في الحركة، ويمكنها تشغيل خوارزميات متقدمة، وضبط تشغيل النظام عن كثب بناءً على أولويات المحرك والحمل والأداء العام.
ومع ذلك، فإن إعداد هذه الدوائر المتكاملة المعقدة وتقييم الأداء المحتمل للنظام استنادًا إلى المواصفات أو عمليات المحاكاة فقط يمثل تحديًا. قد تكون هذه العملية طويلة ومكلفة، وقد تؤدي إلى عدم اليقين أثناء النشر. أفضل نهج للتطوير هو استخدام لوحات التقييم للسماح بتصميم النظام وتخطيطه وتطوير البرامج بالتوازي.
تركز هذه المقالة على التحديات التي يواجهها المصممون عند استخدام الدوائر المتكاملة للتحكم في الحركة، بالإضافة إلى دور مجالس التقييم في معالجة هذه التحديات. بعد ذلك، تم تقديم الدوائر المتكاملة النموذجية ولوحات التقييم ذات الصلة من الأجهزة التناظرية، مما أدى إلى اختصار الوقت اللازم لإطلاق المنتج من خلال تحقيق تقييمات مبكرة وواقعية مع تقليل عدم اليقين في الأجهزة والبرامج.
نظرة عامة على متطلبات التحكم في الحركة IC
توفر دائرة التحكم في الحركة (IC) الذكاء المطلوب للتحكم في المحركات وأجهزة الطاقة الداخلية الخاصة بها، مثل الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFETs) التي تحرك ملفات المحرك. من أجل تحقيق الأداء الأمثل والمسار ومنحنى الحركة والكفاءة في ظل أوضاع التشغيل الثابتة والديناميكية وظروف التحميل، ولمعالجة الاضطرابات والعابرين والأخطاء، يجب إدارة كل من المحركات ودوائر MOSFET بعناية.
للمساعدة في مواجهة هذه التحديات، يوفر موردو IC للسائق لوحات تقييم. تعمل لوحات التقييم هذه على تبسيط إعداد الأجهزة والبرامج وتحسينها وتقييم الأداء من خلال إجراء اختبار الأجهزة في الحلقة (HITL) في ظل ظروف المحرك الفعلي والحمل الحقيقي. كما أنها تضمن أيضًا أن يتم إنشاء التخطيط المادي لدائرة IC والدوائر المحيطة بها بشكل صحيح من حيث توزيع الطاقة، والتأثيرات الطفيلية، واتصالات وتنسيقات الإدخال/الإخراج (I/O)، والموصلات المادية، والجوانب الأخرى. يمكن للمصممين استخدام لوحات التقييم هذه (مثل اللوحات متوسطة الحجم أو اللوحات الفرعية الأساسية (BOBs) أو الحلول المعيارية) لتقييم الإعدادات والتكوينات والخيارات المختلفة لتحديد الحل الأكثر ملاءمة للتطبيق.
التحكم في المحركات IC ومجلس التقييم ذي الصلة
من الأمثلة الجيدة على التحكم في المحرك IC هو TMC5130A-TA-T من سلسلة الأجهزة التناظرية TMC5130. إنها وحدة تحكم ومحرك متدرج عالي الأداء مع واجهة اتصال تسلسلية وتتضمن مولدًا منحدرًا مرنًا لتحديد موضع الهدف تلقائيًا.
يستخدم السائق خوارزمية StealthHop المروحية المتقدمة، والتي تضمن تشغيلًا خاليًا من الضوضاء تقريبًا، وأعلى كفاءة، وعزم دوران المحرك الأمثل. يدمج TMC5130 العديد من ميزات التحسين الفريدة من خلال تكامل نظام التشغيل ووحدة التحكم على الشريحة (SoC). على سبيل المثال، يستخدم مولد المنحدر SixPoint في TMC5130 وظائف DcStep وCoolStep وStallGuard2 لتحسين كل حركة للمحرك تلقائيًا.
لمساعدة المصممين في البدء في استخدام TMC5130، يوفر نظام لوحة التقييم TMC5130-EVAL (الشكل 1) منصة أجهزة ملائمة وأدوات برمجية للتقييم سهلة الاستخدام. يتكون نظام لوحة التقييم من ثلاثة أجزاء: جسر توصيل الركيزة (يسار) الذي يتصل بالكمبيوتر، ولوحة الموصل (الأوسط) التي تتضمن نقاط اختبار متعددة، ولوحة TMC5130-EVAL (يمين).
صورة لوحة تقييم الأجهزة التناظرية TMC5130-EVAL (يمين) وحمل المحرك (أقصى اليمين) (انقر للتكبير)
الشكل 1: تم تكوين لوحة التقييم TMC5130-EVAL (الجانب الأيمن) وحمل المحرك (أقصى الجانب الأيمن) من خلال جسر USB متصل بركيزة الكمبيوتر (الجانب الأيسر) ولوحة موصل بها نقاط اختبار (الوسط). (مصدر الصورة: الأجهزة التناظرية)
بالنسبة للمصممين الذين يرغبون في تطوير المزيد من الدوائر المعتمدة على نواة TMC5130، توفر الأجهزة التناظرية لوحة التوزيع TMC5130A-BOB (الشكل 2، أعلى). توفر هذه اللوحة التوصيلات البينية الأساسية اللازمة للتشغيل ويتم التحكم فيها من خلال واجهة SPI. يُظهر الرسم التخطيطي (الشكل 2، الأسفل) أبسط دائرة متوفرة لتنفيذ وظيفة TMC5130 IC.
صورة وتخطيط للأجهزة التناظرية TMC5130A-BOB (اضغط للتكبير)
الشكل 2: يوفر TMC5130A-BOB (أعلى) طريقة تقييم أساسية، مع تعيين نقاط الاتصال على طول حوافه بدلاً من الموصلات المنفصلة؛ يُظهر الرسم التخطيطي (أدناه) أبسط دائرة مطلوبة لتشغيل TMC5130 IC. (مصدر الصورة: الأجهزة التناظرية)
تم تصميم مجموعة التقييم TMC5240-EVAL على منصة TMC5130-EVAL الناضجة، بهدف تبسيط تقييم الجيل التالي من المحرك الكهربائي. إنه يدمج جسر H بقوة 36 فولت، والكشف عن التيار غير المدمر، ووظائف التحكم المتقدمة في الحركة، بما في ذلك مولد المنحدر المحسّن من Jerk وتشغيل StealthShop2 ™ فائق الهدوء، مما يتيح بدء تشغيل أسرع، وتصحيح أخطاء أسهل، وتحقق أكثر كفاءة من أداء المحرك السلس والدقيق.
تكنولوجيا التحكم المتقدمة تلغي الحاجة إلى أجهزة استشعار ردود الفعل
يعد التحكم الموجه ميدانيًا (FOC)، والمعروف أيضًا باسم التحكم في المتجهات، طريقة شائعة بشكل متزايد للتحكم في محركات متعددة لأنه في كثير من الحالات، يلغي الحاجة إلى أجهزة استشعار التغذية المرتدة مثل أجهزة التشفير أو أجهزة استشعار تأثير هول والتكاليف والأحجام المرتبطة بها. الحل الوسط الرئيسي بين تقنيات FOC والتقنيات غير FOC هو أن FOC يتطلب تنفيذًا في الوقت الفعلي لعدد كبير من الحسابات عالية الدقة وعمليات المصفوفة.
تم تصميم وحدة التحكم في المحرك TMC4671-LA IC من الأجهزة التناظرية خصيصًا لـ FOC، مع خوارزميات مدمجة ومحركات مخصصة قادرة على إجراء الحسابات المعقدة المطلوبة. وحدة التحكم المؤازرة هذه للتيار المستمر، والتيار المستمر بدون فرش (BLDC)، والمحركات السائر توفر التحكم في عزم الدوران من خلال FOC والتحكم في السرعة والموضع من خلال التحكم المتتالي.
يدعم TMC4671-A روابط SPI وUART ويمكنه إجراء اتصالات أساسية مع وحدات التحكم الدقيقة للمراقبة المنخفضة (MCUs). يتم تنفيذ جميع وظائف التحكم في الأجهزة، بما في ذلك ADC المتكامل، وواجهة مستشعر الموضع للتعليقات الاختيارية، ومحرف الموضع، وما إلى ذلك، مما يوفر وحدة تحكم مؤازرة كاملة الوظائف لمجموعة واسعة من تطبيقات المؤازرة.
تعمل لوحة التقييم TMC4671-EVAL (الشكل 3) لـ TMC4671-A على تبسيط عملية تكوين معلمات FOC المطلوبة وتقييم أداء المحرك بموجب نظام التحكم المتقدم هذا. قام المصممون بتوصيل TMC4671-EVAL بجسر الاتصال والركيزة ذات الصلة ومرحلة الطاقة المستقلة. يسمح هذا الإعداد بالتكوين السهل لوحدات التحكم المتكاملة التناسبية (PI) وأنظمة التغذية المرتدة، ويدعم تشغيل المحرك في الوضع القياسي، والسرعة، وأوضاع التحكم في عزم الدوران.