סקירה כללית של PIC Microcontrollers for Motor Control

מיקרובקרים PIC, שפותחו על ידי Microchip טכנולוגיה, הם בין הבקרים הנפוצים ביותר באלקטרוניקה תעשייתית וצרנית.הפריפריה המשולבת שלהם - PWM מודולים, עתירי מהירות גבוהה, Multi-channel ADCs, וטיפול בהפרעה גמישה - להפוך אותם מתאימים במיוחד עבור יישומי בקרה מוטורית.

המפתח לשליטה מוטורית יעילה הוא ביכולת להתאים באופן דינמי את אספקת החשמל המבוססת על משוב בזמן אמת. PIC MCUs לספק את התכונות הדרושות של כוח חישובי חומרה ותכונות חומרה ליישום אלגוריתמים סגורים כגון PID (החומרי-integral-derivative) מבלי לדרוש רכיבים חיצוניים.בנוסף, צריכת החשמל הנמוכה שלהם, טווח תפעולי רחב, ומערכת אקולוגית נרחבת של כלים לפיתוח יישומים ולהפחית את סימני סיכון לשוק ולצמצם את זמן.

סוגי המנועים והדרישות שלהם

סוגים שונים של מנועים לכפות דרישות שליטה נפרדות.הבנת דרישות אלה היא הצעד הראשון בבחירת המיקרובקר הימני של PIC ועיצוב הנהג המתאים והאלגוריתם.

DC Brushed Motors

מנועים מכחול DC הם פשוטים, זולים וקלים לשלוט.מהירות מוסדר על ידי שינוי המתח הממוצע החל, בדרך כלל באמצעות מודולציה דו-ממדית (PWM) נשלט על ידי ניתוק הקוטביות באמצעות H-bridge.סגור את המהירות בקרת מהירות ניתן להשיג עם tachometer או encoder הזנה בחזרה ליחידת קלט PIC.

Stepper Motors

מנועים שלבפר נעים בצעדים דיסקרטיים, מה שהופך אותם אידיאליים עבור שליטה מיקום ללא חיישן משוב (Open-loop) PIC חייב ליצור רצפים מדויקים של הדופק לנהג המנוע (למשל, A4988 או DRV8825). זה דורש זמן מדויק ותגובה מהירה להפריע למנוע שלבים מפספסים.שליטה מתקדמת כוללת מיקרו-שלב (למשל, 1/16) עבור תנועה חלקה / MDC לעתים קרובות ניתן להוסיף את המודול הנוכחי.

Brushless DC Motors (BLDC)

מנועים BLDC יעילים ועמידים יותר מסוגים מכחולים, אך דורשים ניתוק אלקטרוני.ה-PIC חייב לדעת את המיקום המסתובב (באמצעות חיישנים הול או back-EMF sensing) ולקדם את הרוחות הנכונות ברצף.זה כולל שישה שלבים של מודולים מתקדמים של שליטה על שדה (FOC) דורש שליטה מהירה ADCslings (שלבים משולבים ו-R) מורכבים (RIC) כולל בקרה מתקדמת יותר (DCR) ו-C).

תכונות מפתח עבור בקרת מוטור

כדי ליישם בקרה מוטורית יעילה, מעצב חייב לנצל באופן מלא את הסט היקפי של המיקרובקר.התכונות הבאות הן קריטיות ביותר.

דופק-Width Modulation (PWM)

PWM הוא עמוד השדרה של מהירות המנוע ובקרת ה- PIC microcontrollers מציעים מספר ערוצי PWM עם תדירות הסתגלות, מחזור חובה וזמן מת (עבור H-bridge לירות באמצעות מניעת) מכשירים כגון PIC16F1789 תכונה עד ארבעה מודולים PWM, בעוד משפחות dsPIC33C לספק פתרון גבוה PW עם עד 250 רזולוציה של מנועי, עבור BLMable, הם תפוקה הכרחית עם תפוקה.

Analog-to-Digital Converter (ADC)

בקרת Closed-loop דורשת משוב מחיישנים: נוגדנים הגיוניים נוכחיים, מתפצלי מתח, חיישניים של הול-אפקט, או קודקוד אופטי.רוב PIC MCUs כוללים 10bit או 12-bit ADCs עם מספר ערוצי קלט.סדרה dsPIC33 מציעה 12-bit ADCs עם עד 3.5 MS / s המרה קצב ההמרה, המאפשרת דגימה במקביל של שני שלבים נוכחיים עבור רבים של חיישנים.

טיים ומלכוד

טיימרים מייצרים עיכובים מדויקים ו- PWM בסיס תדרים.מודול קלט יכול למדוד רוחב הדופק מקודדים או ממירים בתדר-ל-מתח.זה חיוני למדידת מהירות המנוע (RPM) או לפענוח אותות מקודרציה מקובעית.חלק מה-PICs הקדישו את QE (Quadra Encoder Interface) אשר מטפלות במיקומים, מהירות, וכיוון אוטומטי, הסרת CPU.

אינטרפוחיות

תגובה בזמן אמת היא חיונית בשליטה מוטורית.טעויות חוזרות ונשנות, אירועים אפסיים, ו הדופק הדופק של אינדקס הדופק יש לטפל בתוך מיקרו-שניות. PIC microcontrollers לתמוך בעדיפות מספר רב של הפרעות, ומאפשר שגרות קריטיות זמן (למשל, PWM עדכון) כדי לתקן משימות פרטיות נמוכות יותר.

השוואות ו- Op-Amps

מכשירים רבים לאחרונה PIC משלבים קומפוטורים אנלוגיים ומגברים תפעוליים.אלה יכולים לשמש לזיהוי עדכני, back-EMF sensing for חיישןless BLDC control, וכדי לבנות מסננים אנלוגיים פשוטים.

בחירת המיקרובקר הימני

הבחירה של PIC תלויה בסוג המנוע, המורכבות של אלגוריתם הבקרה, ואת מערכת היקפית הנדרשת. Microchip מציעה משפחות החל מבסיס 8 סיביות למכשירים מבוססי 32 סיביות MIPS.

8 סיביות PICs לשליטה בסיסית

משפחות PIC16F ו- PIC18F מתאימות ליישומים מהירים מכחולים ופשוטים של מעבדי ה- PIC16F1847 מספקת שני ערוצים PWM, 10bit ADC, ועד 64 מהרץ פנימי oscillator. עבור נהגי פורפר, PIC18F25K40 כולל מספר רב של צירים ומודול PWM ייעודי. אלה הם פתרונות יעילים לצעצועים, משאבות קטנות, משאבות אוטומציה פשוטה.

16 סיביות PIC24 ו- dsPIC33 עבור בקרת מתקדם

עבור מנועים BLDC ו- FOC, הבקרים הדיגיטליים dsPIC33 (DSC) הם הבחירה הטובה ביותר. הם משלבים הליבה של 16 סיביות MCU עם מנוע DSP למתמטיקה מהירה (מולטי-אקומפולט, דיבידנד תכונות מפתח כוללות מספיקות PWM (250 ps), 12 סיביות ADC עם עד 6PS, כפול-port עבור ביצועים במקביל CMPS, 3.

32 סיביות PIC32 עבור מערכות מורכבות

כאשר אלגוריתם הבקרה הופך להיות מאוד רגיש (למשל, רב-אקסיולט שליטה עם EtherCAT), PIC32MZ microcontrollers עם 200 MHz MIPS הליבה לספק את הצורך באמצעות לוח. שלהם במהירות גבוהה PWM (עד 1 nsרזולוציה) ו- Multi-Fc עם ריצוף אוטומטי להפוך אותם תחרותיים עם ARM-M.

מערכת בקרת המנוע

מערכת בקרת מנוע מורכבת משלושה בלוקים עיקריים: המיקרובקר PIC, שלב הכוח (נהג ו- H-bridge), ואת חיישני משוב.הסעיפים הבאים מתארים אפשרויות עיצוב מעשיות.

המונחים:

בחר נהג מנוע IC אשר תואם את המתח של המנוע ואת הדירוג הנוכחי.עבור מנועים DC נמוך, L293D או TB6612FNG (עד 1.2 A) הם פופולריים.עבור מנועים BLDC, שלושה-phase נהגים כמו DRV8301 (עד 2.5 A לשלב מנהלי שער ו הנוכחית) תמיד כוללים מגפיים ל-Fidesperi-Fside, ו-Abspi-Absp; ID.

מעגלים הגנה הם לא ניתן להשגה. Place TVS diodes ברחבי הטרמינלים המנועים, פתיחת מהירה על קלט החשמל, ו diode הגנה לאחור-קוטבית של PIC יש להיות מוקרן עם סדקים של שטאקי אם הם ממשק עם מעגלים גבוהים.

אדריכלות תוכנה

קושחה הבקרה בדרך כלל פועל כמכונה מדינה.הלאה העיקרית מחלחלת לפריפריה, ואז נכנסת ללולאה אינסופית. .Interrupt Service שגרתית (ISRs) להתמודד עם משימות קריטיות בזמן: PWM לעדכן, ADC, השלמת מעבר לטיול הנוכחי, לולאה קודמה של הלולאהט - עבור בקר מהירות מהירות PID, ISR מחשבת את השגיאה, חישוב הפלט, ואת הפונקציה PWMW היא 1 לקצב חשמלי לפחות 10C 10 - 10 פעמים 1 - 10 - 10 - 10 - 010 הוא 1 ל- iC רגיל - יש צורך קבוע של שעון רגיל - 10.

השתמש בקוד של Microchip (MCC) כדי ליצור קוד ההתקנה הראשוני, אשר מפחית שגיאות ידניות. MPLAB X IDE מספק סימולטור ו debugger לבדיקת לולאה הבקרה ללא חומרה.

המונחים: control Algorithms

שליטה PID

אלגוריתם PID נשאר השיטה הנפוצה ביותר בשימוש נרחב לבקרת מנוע.מיישם את הטופס דיסקרטי:

(ב) .

איפה e(k) הוא השגיאה המהירות בדגימה k, dt הוא תקופת הדגימה, ו Kp, KD הם רווחים מחוננים.כדי למנוע רוח אינטגרלית, לדגום את המונח האינטגראלי לערך המקסימלי. דרביטיבי מצטמצם על ידי יישום הנגזרה לאות המדוייק ולא את השגיאה.הת u(k) הוא בקנה מידה למחזור החובה של PWM-100%).

בקרה BLDC

עבור BLDC ללא חיישן, המיקום של רוטטור מוערך מן ה-Back-EMF. במהלך שלב פתוח, אפס-קרוס של מתח שלב ביחס לנקודה נייטרלית מצביע על רגע ההחלמה של המודול המסגר של PIC ו-Timers משמשים כדי לזהות אירועים אלה. a ייעודי back-F sensing יישום (FLT:0Michip Control Design), אשר ניתן גם כן למדוד את ה-Fated Pre-F).

בקרה מבוססת שדה (FOC)

(מ) ,C decouples torque and flux, המאפשרת יעילות גבוהה של הפעולה BLDC.זה דורש קלארק ופארק שינויים, PI בקרים ב מסגרת ההתייחסות dq, ו פארק הפוך משנה.מנוע DSP33 של DSP מבצע בדיקות אלה שינויים במספר מיקרו-שניות.

שיקולים עיצוביים מעשיים

המונחים: PCBout

מטוסים אנלוגיים ודיגיטליים נפרדים, המחברים אותם בנקודה אחת מתחת ל- PIC. Place decoupling capacitors (0.1 μF + 10 μF) קרוב לכל סיכה כוח. שמור על עקבות עתירי גבוה (כוח מוטורי) רחב ומהתרחק אותות אנלוגיים רגישים. השתמש מטוס קרקע על השכבה התחתונה כדי להפחית את החדירה.

המונחים:

מעבר מוטורי מייצר רעש גבוה ⁇ שיכול להשחית את קוראי ADC של PIC ולגרום הפרעות מזעזעות. השתמש ferrite beads על קווי הכוח המנוע, מגן כבלים קודר, ולהוסיף מסננים RC נמוך על קלטות אנלוגיות (בתדירות מתחת לתדירות המעבר PWM) יש זמן רכישה; השתמש ב- mpslings הזמן כדי למנוע התמוטטות (Ratesects) גם כן.

ניהול ארס

נהג המנוע וה- PIC עצמו עלול להתחמם במהלך הפעלה ממושכת.להבטיח שטח נחושת נאות לפירוק חום.אם הטמפרטורה הממוקדת עולה על 85 מעלות צלזיוס, לשקול את טווח הטמפרטורה המורחבת PIC גרסאות. שגרת סתום תרמי פשוטה ניתן ליישם באמצעות מחוון הטמפרטורה הפנימי של PIC (אם זמין) כדי להפחית את חובת PWM או לעצור את המנוע.

כלי פיתוח ומשאבים

(ה) ,(ה-FLT:0)MPLAB X IDEFLT) 1 ו- (FLT:2XC8/XC16/XC32FLT 3,3, הם חופשיים לקוד עד 1 KB (XC8) או 30 KB (XC16) ותפקוד מלא לפיתוח בקרה מוטורי.

(ב) ל-[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] ו[[1924]] [[1924]]]]]] [[1924]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]] [[[[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[[[[[1924]]]]

מסקנה

תכנון מערכות בקרה מוטוריות יעילות עם מיקרובקרים PIC הוא בחירה מעשית עבור מהנדסים החל מתחביבים לאנשי מקצוע תעשייתיים.אינטגרציה היקפית נרחבת, עלות נמוכה, ומערכת אקולוגית לפיתוח בוגר לאפשר ייצור מהיר ויעיל ייצור. על ידי הבנת הדרישות הספציפיות של סוגים שונים של מנועים, תוך מינוף של PIC מוקדש PWM ו ADC, יישום אלגוריתמים חזקים כמו PID או FOCupt, כדי לעזור עיצוב יעיל, הן יכולות ליצור אופטימיזציה אנרגיה יעילה, כלומר, עיצוב יעיל, עיצוב כלי ניהול כלי יעיל.