Utilice las tarjetas de evaluación para acelerar el desarrollo de controladores de motor y optimizar los resultados

La automatización y la robótica dependen en gran medida de los motores y de sus CI de control y excitadores asociados. Estos complejos semiconductores han ido más allá del control básico del movimiento para ejecutar algoritmos avanzados que adaptan el funcionamiento del sistema al motor, a su carga y a las prioridades generales de rendimiento.

Sin embargo, es todo un reto configurar estos complejos circuitos integrados y evaluar el rendimiento potencial del sistema únicamente a partir de hojas de datos o simulaciones. El proceso puede ser largo y costoso, y puede dar lugar a incertidumbres en el momento de la implementación. El desarrollo se realiza mejor en paralelo con las fases de diseño del sistema, maquetación y desarrollo del software, utilizando placas de evaluación.

Este artículo destaca algunos de los retos a los que se enfrentan los diseñadores a la hora de utilizar circuitos integrados de control de movimiento y el papel de las tarjetas de evaluación para abordarlos. A continuación, presenta circuitos integrados ejemplares y placas de evaluación asociadas de Analog Devices que acortan el tiempo de comercialización al permitir una evaluación temprana en el mundo real al tiempo que reducen las incertidumbres de hardware y software.

Visión general de los requisitos del CI de control de movimiento

Los CI de control de movimiento proporcionan la inteligencia necesaria para controlar el motor y sus dispositivos internos de potencia, como los MOSFET que accionan los bobinados del motor. Tanto el motor como los MOSFET requieren una gestión cuidadosa para lograr un rendimiento, una trayectoria, un perfil de movimiento y una eficiencia óptimos en todos los modos de funcionamiento estáticos y dinámicos y en todas las condiciones de carga, así como para hacer frente a alteraciones, transitorios y fallos.

Para ayudar a afrontar estos retos, los proveedores de circuitos integrados de controladores ofrecen placas de evaluación. Estas simplifican la configuración, optimización y evaluación del rendimiento del hardware y el software al permitir las pruebas hardware-in-the-loop (HITL) con un motor real y una carga real en condiciones variables. También garantizan que la disposición física del circuito integrado y de los circuitos que lo rodean se establezca correctamente en lo que respecta a la distribución de la energía, las parásitas, la conectividad y los formatos de entrada/salida (E/S), los conectores físicos, etc. Utilizando estas placas, disponibles como placas de gama media, placas adaptadoras básicas (BOB) o soluciones modulares, los diseñadores pueden evaluar diferentes ajustes, configuraciones y opciones para determinar las que mejor se adaptan a la aplicación.

Circuitos integrados de control de motores y placas asociadas

Un buen ejemplo de CI de control de motores es el TMC5130A-TA-T de la familia TMC5130 de Analog Devices. Se trata de un controlador y excitador de motores paso a paso de alto rendimiento con interfaces de comunicación serie que incluye un generador de rampas flexible para el posicionamiento automático de objetivos.

Mediante un sofisticado algoritmo de corte StealthChop, el excitador garantiza un funcionamiento casi silencioso, la máxima eficiencia y un par motor óptimo. El TMC5130 ofrece varias mejoras únicas habilitadas por la integración del controlador y el controlador en el sistema en chip (SoC). Por ejemplo, el generador de rampas SixPoint del TMC5130 utiliza las funciones DcStep, CoolStep y StallGuard2 para optimizar automáticamente cada movimiento del motor.

Para ayudar a los diseñadores a iniciarse en el uso del TMC5130, el sistema de placas TMC5130-EVAL (figura 1) proporciona una cómoda plataforma de hardware y una herramienta de software de fácil manejo para la evaluación. El sistema de placas consta de tres partes: un puente de conexión de la placa base a una computadora (izquierda), una placa de conectores que incluye varios puntos de prueba (centro) y la placa TMC5130-EVAL (derecha).

Figura 1: La placa de evaluación TMC5130-EVAL (derecha) y la carga del motor (extremo derecho) se configuran utilizando un puente USB de conexión de la placa base a una PC (izquierda) y una placa de conexión con puntos de prueba (centro). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Para los diseñadores que prefieran desarrollar más circuitos propios en torno a un núcleo basado en el TMC5130, Analog Devices ofrece la placa adaptadora TMC5130A-BOB (figura 2, arriba). Esta placa proporciona las interconexiones básicas necesarias para el funcionamiento y se controla a través de una interfaz SPI. Su diagrama esquemático (figura 2, abajo) muestra los circuitos minimalistas que proporciona para habilitar un circuito integrado TMC5130 funcional.

Figura 2: El TMC5130A-BOB (arriba) ofrece un enfoque de evaluación básico, con puntos de conexión a lo largo de sus bordes en lugar de conectores discretos; su diagrama esquemático (abajo) muestra los circuitos mínimos necesarios para habilitar un CI TMC5130 funcional. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El kit de evaluación TMC5240-EVAL se basa en la probada plataforma TMC5130-EVAL para agilizar la evaluación de motores paso a paso de nueva generación, integrando puentes H de 36 V, detección de corriente sin pérdidas y control de movimiento avanzado con un generador de rampa optimizado para sacudidas y funcionamiento ultrasilencioso StealthChop2™, lo que permite un arranque más rápido, un ajuste más sencillo y una validación más eficaz del rendimiento suave y preciso del motor.

El control avanzado elimina la necesidad de sensores de retroalimentación

El control orientado al campo (FOC), también conocido como control vectorial, es un enfoque cada vez más popular para controlar una amplia gama de motores, ya que elimina -en muchos casos- la necesidad de sensores de realimentación como encoders o sensores de efecto Hall y sus costos y tamaño asociados. La principal desventaja entre las técnicas FOC y las que no lo son es que la FOC requiere que se realicen importantes cálculos de alta precisión y matemáticas matriciales en tiempo real.

El CI del controlador de motor TMC4671-LA de Analog Devices están diseñados específicamente para los FOC con sus algoritmos integrados y un motor dedicado a los complejos cálculos necesarios para ejecutarlos. Este servocontrolador para motores de CC, CC sin escobillas (BLDC) y paso a paso proporciona control de par mediante FOC, junto con velocidad y posición mediante control en cascada.

El TMC4671-A admite enlaces SPI y UART para la comunicación básica con una unidad de microcontrolador (MCU) de supervisión de gama baja. Todas las funciones de control se implementan en hardware, con ADC integrados, interfaces de sensores de posición para retroalimentación opcional, interpoladores de posición y mucho más, proporcionando un servocontrolador totalmente funcional para una amplia gama de servoaplicaciones.

La placa TMC4671-EVAL (figura 3) para el TMC4671-A simplifica la configuración de los parámetros FOC necesarios y la evaluación del rendimiento del motor bajo este esquema de control avanzado. El diseñador conecta el TMC4671-EVAL con el puente de conexión, la placa base asociada y una etapa de potencia independiente. Esta configuración permite configurar fácilmente los controladores proporcional-integral (PI) y los esquemas de realimentación, y admite el funcionamiento del motor en los modos estándar de control de posición, velocidad y par.

Figura 3: La placa TMC4671-EVAL presenta dos filas de cabezales para E/S de señal y alimentación. (Fuente de la imagen: Analog Devices, modificado por el autor)

Los cabezales de pines de la parte superior del TMC4671-EVAL sirven para conectar codificadores digitales, señales de sensores digitales de efecto Hall e interruptores de referencia. Los cabezales de los pines de la parte inferior de la placa son para señales analógicas de sensores de efecto Hall o para un codificador seno/coseno.

Los diseñadores que prefieran construir su propio circuito de evaluación en torno a un núcleo de controlador de motor funcional pueden utilizar la placa adaptadora TMC4671-BOB (figura 4, arriba). Ofrece interfaces SPI y UART para la comunicación y la configuración, junto con una interfaz de monitorización en tiempo real (RTMI) para la depuración y el ajuste en vivo a través del adaptador USB-2-RTMI_V20 con aislamiento galvánico (óhmico) (figura 4, abajo).

Figura 4: El TMC4671-BOB (arriba) proporciona acceso directo al TMC4671, así como a las interfaces SPI y UART; el adaptador USB-2-RTMI_V20 asociado (abajo) es una interfaz USB aislada galvánicamente. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Este adaptador ofrece la conversión de la interfaz USB para la monitorización en tiempo real del CI del controlador FOC TMC4671-LA. El convertidor de interfaz puente de alta velocidad USB a SPI se alimenta por USB y proporciona una protección básica contra descargas electrostáticas (ESD), así como aislamiento galvánico entre los conectores USB y RTMI para evitar problemas de seguridad y puesta a tierra-bucle.

Kit de evaluación integrado

Por último, en algunos casos, la placa de evaluación completa de Analog Devices puede servir como producto desplegable. Por ejemplo, el módulo TMCM-3351-TMCL (figura 5, arriba) es una placa controladora/driver de motor paso a paso de tres ejes para tres motores paso a paso bipolares bifásicos. Incluye todos los componentes activos y pasivos necesarios, incluidos los controladores de potencia MOSFET y los conectores (figura 5, abajo).

Figura 5: Los conectores estándar de señal, alimentación y E/S del módulo TMCM-3351-TMCL (arriba) agilizan la configuración y el uso; el CI y su módulo pueden manejar tres motores simultáneamente (abajo) para el control del movimiento en tres ejes. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Este módulo funcionalmente completo admite rampas lineales y en forma de S para un funcionamiento en bucle cerrado con codificadores opcionales para cada uno de los tres ejes. El TMCM-3351-TMCL también ofrece numerosas entradas y salidas digitales y analógicas de propósito general. Para las comunicaciones, dispone de interfaces serie RS-485, bus CAN, USB y RS-232.

Herramientas informáticas fundamentales para la productividad de las placas de evaluación

Las placas de evaluación son compatibles con el entorno de desarrollo integrado del lenguaje de control de movimiento Trinamic (TMCL-IDE). Esta interfaz gráfica de usuario (GUI) proporciona herramientas para configurar fácilmente los parámetros, visualizar los datos en tiempo real y desarrollar y depurar aplicaciones autónomas.

El TMCL-IDE muestra varios cuadros de diálogo para tareas de diagnóstico (figura 6) e incluye una visión general de los chips controladores y controladores de movimiento conectados. Esta ventana de resumen aparece inmediatamente después de conectar el kit de evaluación por primera vez. La ventana muestra el estado actual de las conexiones, mientras que la segunda pestaña del cuadro de diálogo permite a los usuarios seleccionar los ajustes básicos o restablecer el módulo a los valores predeterminados de fábrica.

Figura 6: La interfaz gráfica de usuario TMCL-IDE simplifica la instalación, la configuración y el análisis del rendimiento de los distintos circuitos integrados de controladores de motor bajo cargas reales cuando se utiliza con las placas de evaluación asociadas. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Conclusión

Los circuitos integrados de control de movimiento modernos y sus algoritmos son muy sofisticados y deben ofrecer un rendimiento sobresaliente en múltiples criterios del motor, como la precisión, la fiabilidad y la eficiencia. Mediante el uso de placas de evaluación y software de respaldo, los diseñadores pueden afinar estos controladores en paralelo con el resto del esfuerzo de diseño para ofrecer un rendimiento optimizado del motor a pesar de las variaciones de carga y los transitorios.

Contenido relacionado

1. Manual de la placa de evaluación TMC5130-EVAL
2. Placa de evaluación TMC4671-EVAL
3. Manual de hardware TMCM-3351
4. Descripción de TMC4671 BOB
5. Descripción de USB-2-RTMI_V20
6. Cómo diseñar para un mundo más seguro mediante CI PTZ para cámaras de vigilancia con eficiencia energética
7. Cómo adaptar controladores de solenoide e impulsores de motor paso a paso a aplicaciones industriales