Utiliser des cartes d'évaluation pour accélérer le développement des variateurs moteurs et optimiser les résultats

L'automatisation et la robotique dépendent fortement des moteurs et de leurs circuits intégrés d'attaque et de commande associés. Ces semi-conducteurs complexes ne se limitent plus au contrôle de mouvement de base, mais exécutent désormais des algorithmes avancés qui adaptent le fonctionnement du système au moteur, à sa charge et aux priorités de performances globales.

Cependant, il est difficile de configurer ces circuits intégrés complexes et d'évaluer les performances potentielles du système à partir des seules fiches techniques ou de simulations. Le processus peut être long et coûteux, et il peut entraîner des incertitudes au moment du déploiement. Le développement s'effectue idéalement en parallèle avec les phases de conception système, de configuration et de développement logiciel à l'aide de cartes d'évaluation.

Cet article met en lumière certains des défis auxquels les concepteurs sont confrontés lorsqu'ils utilisent des circuits intégrés de contrôle de mouvement, ainsi que le rôle des cartes d'évaluation dans la résolution de ces défis. Il présente ensuite des exemples de circuits intégrés et des cartes d'évaluation associées d'Analog Devices qui accélèrent la mise sur le marché en permettant une évaluation précoce en conditions réelles, tout en réduisant les incertitudes matérielles et logicielles.

Aperçu des exigences relatives aux circuits intégrés de contrôle de mouvement

Les circuits intégrés de contrôle de mouvement fournissent l'intelligence nécessaire pour contrôler le moteur et ses composants de puissance internes, tels que les MOSFET qui commandent les enroulements du moteur. Le moteur et les MOSFET requièrent une gestion rigoureuse pour optimiser les performances, la trajectoire, le profil de mouvement et le rendement en modes de fonctionnement statique et dynamique et dans différentes conditions de charge, ainsi que pour gérer les perturbations, les transitoires et les défaillances.

Pour relever ces défis, les fournisseurs de circuits intégrés d'attaque proposent des cartes d'évaluation. Ces cartes simplifient la configuration, l'optimisation et l'évaluation des performances du matériel et des logiciels en permettant des tests Hardware-in-the-Loop (HITL) avec un moteur réel et une charge réelle dans différentes conditions. Elles garantissent également que la configuration physique du circuit intégré et des circuits environnants est correctement définie en termes de distribution de puissance, de parasites, de formats et de connectivité d'entrée/sortie (E/S), de connecteurs physiques et plus encore. En utilisant ces cartes, disponibles en tant que cartes de milieu de gamme, cartes Breakout (BOB) de base ou solutions modulaires, les concepteurs peuvent évaluer différents paramètres, configurations et options pour déterminer ceux qui conviennent le mieux à l'application.

Circuits intégrés de commande moteur et cartes associées

Un bon exemple de circuit intégré de commande moteur est le TMC5130A-TA-T de la gamme TMC5130 d'Analog Devices. Il s'agit d'un variateur et contrôleur moteur pas-à-pas hautes performances avec interfaces de communication série, incluant un générateur de rampe flexible pour le positionnement automatique de la cible.

Grâce à un algorithme StealthChop sophistiqué, le variateur garantit un fonctionnement quasi silencieux, un rendement maximum et un couple moteur optimal. Le TMC5130 offre plusieurs améliorations uniques rendues possibles par l'intégration du variateur et du contrôleur dans le système sur puce (SoC). Par exemple, le générateur de rampe SixPoint du TMC5130 utilise les fonctions DcStep, CoolStep et StallGuard2 pour optimiser automatiquement chaque mouvement du moteur.

Pour aider les concepteurs à démarrer avec le TMC5130, le système de carte TMC5130-EVAL (Figure 1) fournit une plateforme matérielle pratique et un outil logiciel convivial pour l'évaluation. Le système de carte se compose de trois parties : un pont de connexion de carte de base à un ordinateur (à gauche), une carte de connexion comprenant plusieurs points de test (au centre) et la carte TMC5130-EVAL (à droite).

Figure 1 : La carte d'évaluation TMC5130-EVAL (à droite) et la charge moteur (complètement à droite) sont configurées à l'aide d'un pont USB de connexion de carte de base à un PC (à gauche) et d'une carte de connexion avec points de test (au centre). (Source de l'image : Analog Devices)

Pour les développeurs qui préfèrent concevoir leurs propres circuits autour d'un cœur basé sur le TMC5130, Analog Devices propose la carte Breakout TMC5130A-BOB (Figure 2, en haut). Cette carte fournit les interconnexions de base nécessaires au fonctionnement et est contrôlée via une interface SPI. Son schéma (Figure 2, en bas) montre le circuit minimaliste qu'elle fournit pour permettre un circuit intégré TMC5130 fonctionnel.

Figure 2 : La carte TMC5130A-BOB (en haut) offre une approche d'évaluation simple, avec des points de connexion sur ses bords plutôt que des connecteurs discrets ; son schéma (en bas) illustre le circuit minimal nécessaire au fonctionnement du circuit intégré TMC5130. (Source de l'image : Analog Devices)

Le kit d'évaluation TMC5240-EVAL s'appuie sur la plateforme TMC5130-EVAL éprouvée pour rationaliser l'évaluation des moteurs pas-à-pas nouvelle génération, intégrant des ponts en H de 36 V, une détection de courant sans perte et un contrôle de mouvement avancé avec un générateur de rampe optimisé pour les à-coups et un fonctionnement StealthChop2™ ultra-silencieux, permettant une mise en service plus rapide, un réglage plus facile et une validation plus efficace des performances fluides et précises du moteur.

Le contrôle avancé élimine le recours à des capteurs de rétroaction

Le contrôle vectoriel (FOC) constitue une approche de plus en plus populaire pour contrôler une grande variété de moteurs, car il élimine — dans de nombreux cas — le besoin de capteurs de rétroaction tels que les codeurs ou les capteurs à effet Hall, ainsi que les coûts et l'encombrement associés. Le principal compromis entre les techniques FOC et non-FOC réside dans le fait que le contrôle vectoriel requiert des calculs matriciels et des calculs de haute précision considérables devant être effectués en temps réel.

Le circuit intégré de contrôleur moteur TMC4671-LA d'Analog Devices cible spécifiquement le contrôle FOC avec ses algorithmes embarqués et un moteur dédié pour les calculs complexes nécessaires à leur exécution. Ce servocontrôleur pour moteurs CC, CC sans balais (BLDC) et pas-à-pas fournit le contrôle du couple via FOC, ainsi que le contrôle de la vitesse et de la position via un contrôle en cascade.

Le TMC4671-A prend en charge les liaisons SPI et UART pour la communication de base avec un microcontrôleur (MCU) de supervision d'entrée de gamme. Toutes les fonctions de contrôle sont implémentées dans le matériel, avec des CAN intégrés, des interfaces de capteurs de position pour un retour optionnel, des interpolateurs de position, et plus encore, offrant un servocontrôleur entièrement fonctionnel pour une large gamme d'applications de servocommande.

La carte TMC4671-EVAL (Figure 3) pour le TMC4671-A simplifie la configuration des paramètres FOC requis et l'évaluation des performances du moteur dans ce schéma de contrôle avancé. Le concepteur connecte la carte TMC4671-EVAL au pont de connexion, à la carte de base associée et à un étage de puissance séparé. Cette installation permet la configuration aisée des contrôleurs proportionnels-intégraux (PI) et des schémas de rétroaction, et prend en charge le fonctionnement du moteur dans les modes de contrôle de couple, de vitesse et de position standard.

Figure 3 : La carte TMC4671-EVAL présente deux rangées d'embases pour les entrées/sorties de signaux et d'alimentation. (Source de l'image : Analog Devices, modifiée par l'auteur)

Les embases mâles situées en haut de la carte TMC4671-EVAL sont destinées à la connexion des codeurs numériques, des signaux de capteurs à effet Hall numériques et des commutateurs de référence. Les embases mâles situées en bas de la carte sont destinées aux signaux de capteurs à effet Hall analogiques ou à un codeur sinus/cosinus.

Les concepteurs qui préfèrent construire leur propre circuit d'évaluation autour d'un cœur de variateur moteur fonctionnel peuvent utiliser la carte Breakout TMC4671-BOB (Figure 4, en haut). Elle offre des interfaces SPI et UART pour la communication et la configuration, ainsi qu'une interface de surveillance en temps réel (RTMI) pour le débogage et le réglage en direct via l'adaptateur USB-2-RTMI_V20 avec isolation galvanique (ohmique) (Figure 4, en bas).

Figure 4 : La carte TMC4671-BOB (en haut) fournit un accès direct au TMC4671, ainsi qu'aux interfaces SPI et UART. L'adaptateur USB-2-RTMI_V20 associé (en bas) est une interface USB à isolation galvanique. (Source de l'image : Analog Devices)

Cet adaptateur offre une conversion d'interface USB pour la surveillance en temps réel du circuit intégré de contrôleur FOC TMC4671-LA. Le convertisseur d'interface USB haute vitesse vers SPI est alimenté par USB et fournit une protection de base contre les décharges électrostatiques (DES), ainsi qu'une isolation galvanique entre les connecteurs USB et RTMI pour éviter les problèmes de sécurité et de boucle de masse.

Kit d'évaluation tout-en-un

Enfin, dans certains cas, la carte d'évaluation complète d'Analog Devices peut servir en tant que produit déployable. Par exemple, le module TMCM-3351-TMCL (Figure 5, en haut) est une carte de variateur/contrôleur moteur pas-à-pas à trois axes pour trois moteurs pas-à-pas bipolaires à deux phases. Il inclut tous les composants actifs et passifs requis, y compris les circuits d'attaque de puissance MOSFET et les connecteurs (Figure 5, en bas).

Figure 5 : Les connecteurs de signaux, d'alimentation et d'E/S standard du module TMCM-3351-TMCL (en haut) accélèrent la configuration et l'utilisation. Le circuit intégré et son module peuvent gérer simultanément trois moteurs (en bas) pour le contrôle de mouvement à trois axes. (Source de l'image : Analog Devices)

Ce module fonctionnellement complet prend en charge les rampes linéaires et en S pour un fonctionnement en boucle fermée avec des codeurs optionnels pour chacun des trois axes. Le TMCM-3351-TMCL offre également de nombreuses entrées et sorties numériques et analogiques à usage général. Pour les communications, des interfaces série RS-232, USB, bus CAN et RS-485 sont disponibles.

Outils logiciels essentiels à la productivité des cartes d'évaluation

Les cartes d'évaluation sont prises en charge par l'environnement de développement intégré TMCL-IDE (Trinamic Motion Control Language-Integrated Development Environment). Une interface utilisateur graphique (GUI) fournit des outils permettant de définir facilement les paramètres, de visualiser les données en temps réel et de développer et déboguer des applications autonomes.

L'interface TMCL-IDE affiche différentes boîtes de dialogue pour les tâches de diagnostic (Figure 6) et inclut un aperçu des puces de variateur et de contrôleur de mouvement connectées. Cette fenêtre d'aperçu apparaît immédiatement après la première connexion du kit d'évaluation. La fenêtre affiche l'état en cours des connexions, tandis que le deuxième onglet de la boîte de dialogue permet aux utilisateurs de sélectionner les paramètres de base ou de réinitialiser le module aux paramètres d'usine.

Figure 6 : L'interface graphique TMCL-IDE simplifie l'installation, la configuration et l'analyse des performances des différents circuits intégrés de variateur moteur sous charges réelles lors de l'utilisation avec les cartes d'évaluation associées. (Source de l'image : Analog Devices)

Conclusion

Les circuits intégrés de contrôle de mouvement modernes et leurs algorithmes sont hautement sophistiqués et doivent offrir des performances exceptionnelles pour de multiples critères de moteur, notamment la précision, la fiabilité et le rendement. Grâce à des cartes d'évaluation et à des logiciels associés, les concepteurs peuvent ajuster ces contrôleurs en parallèle avec le reste du processus de conception afin d'optimiser les performances des moteurs malgré les variations de charge et les transitoires.

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