Motor Kontrolleri için PIC Microkontrolörlerin Genel Bakış

Mikroçip Teknolojisi tarafından geliştirilen PIC mikrokontroller, endüstriyel ve tüketici elektroniklerinde en yaygın kullanılan gömülü kontrolörler arasındadır. Entegre periferikler -PWM modülleri, yüksek hızlı zamanlayıcılar, çok kanallı ADCs ve esnek kesme işlemi - onları olağanüstü derecede iyi bir şekilde şarj edilebilir kontrol uygulamaları için. 3D yazıcıda küçük bir DC fanı, veya bir fırçasız DC (BLDC) bir motor, bir droneda yüksek kontrol cihazı olarak hizmet edebilir.

Verimli motor kontrolü anahtarı, gerçek zamanlı geri bildirime dayanan güç teslimatını dinamik olarak ayarlama yeteneğinde yatıyor. PIC MCUs, PID (proportional-integral-derivative) gibi kapalı hesaplamalı güç ve donanım özelliklerini, dışsal gerilim aralığı ve piyasa için zamanlamayı sağlar.

Motorlar ve Kontrol Gereksinimleri

Farklı motor türleri farklı kontrol talepleri getiriyor. Bu gereksinimleri anlamak doğru PIC mikrokontrolü seçmek ve uygun sürücü ve algoritmayı tasarlamak için ilk adımdır.

DC Fırçalı Motorlar

DC fırçalı motorlar basit, ucuz ve kontrol etmek kolaydır. Hız, normal olarak, pul-altı modulation (PWM) aracılığıyla yapılır ve bir CCP veya ECCP periferisi kullanarak herhangi bir PIC modülünün doğrudan H-bridge'i kullanarak kontrol edilmesi gerekir.

Stepper Motors

Stepper motorları ayrı adımlar atarak, geri bildirim sensörü olmadan pozisyon kontrolü için ideal hale getirir (open-loop). PIC, sürücüye (örneğin, A4988 veya DRV8825) ile sabit bir şekilde frenleme yapar. Bu, gerekli adımları önlemek için doğru zamanlayıcıları ve hızlı bir şekilde kesintiye uğratabilir. Gelişmiş kontrol, ADC'nin düzgün hareketine karşı hassas bir şekilde dirençli bir adım (örneğin, DNTD'nin karşılaştırma / kapak/P) modüller yapılandırılabilir.

Fırçasız DC Motors (BLDC)

BLDC motorları fırçalanmış tiplerden daha verimli ve dayanıklıdır, ancak elektronik komünasyon gerektirir. PIC, yüksek hızlı ADC örnekleme (günümüzdeki) ve karmaşık matematiksel algılamalar (Clarke Park/dönüşümler, PI kontrolörleri) içerir.Bu, yüksek performanslı bir çekirdek ile (örneğin, DFOC) ve mevcut Microp-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W-W) için önerilen bir dizi.

Motor Kontrol için Anahtar PIC Özellikler

Verimli motor kontrolü uygulamak için, bir tasarımcı mikrokontrolörlerin periferik setini tamamen kullanmalıdır. Aşağıdaki özellikler en kritiktir.

Pulse-Width Modulation (PWM)

PWM motor hızı ve tork kontrolü arka kemiğidir. PIC mikrokontroller, ayarlanabilir frekans, görev döngüsü ve ölü zaman (H-bridge atışları ile birlikte) dört PWM modüle kadar olan cihazlardır, DsPIC33C aileleri 250 ps kararıyla yüksek çözünürlüklü PWM sağlar.For BLDC motorlar için, tamamlayıcı PWM çıktıları için, programlanabilir bant ile şarj edilebilir.

Analog-to- Digital Converter (ADC)

Kapalı-loop kontrolü, sensörlerden geri bildirim gerektirir: mevcut anlamda direniciler, gerilim bölmeleri, Hall- effects sensörler veya optik kodlayıcılar. Çoğu PIC MCUs, 10bit veya 12bit ADCs'leri birden fazla giriş kanalıyla sunar.

Zamanlayıcılar ve Giriş Yakaladı

Zamanlayıcılar kesin gecikmeler ve PWM temel frekanslar üretirler. girdi yakalama modülü, pozisyondaki veya frekans-to-ürücü dönüştürücüler ile ilgili ölçümler ölçebilir.Bu, motor hızı (RPM) veya decoding quadrature encoder sinyalleri için önemlidir. Bazı PICs, QEI (Quadrature Encoder Interface) konumunu ele alan modüller ve otomatik olarak, CPU'yu yükleyerek.

Interrupts

Gerçek zamanlı yanıt motor kontrolü için gereklidir. Fazla hata, sıfır-cross events ve modern PICs'in kesintileri 5-20 saat döngüsünde ele alınmalıdır. PIC mikrokontroller çok sayıda kesintiye neden oluyor, zaman kritik rutinlere izin veriyor (örneğin, PWM update) daha düşük öncelikli görevlerin sonsuzluğun üstesinden gelmek için.

Karşılaştırmacılar ve Op-Amps

Birçok son PIC cihazı analog kotatörler ve operasyonel yükselteçleri entegre eder. Bunlar, aşırı algılama, arka-EMF sensörsüz BLDC kontrolü için algılanabilir ve basit analog filtreler oluşturmak için kullanılabilir. yapılandırılabilir analog bloklar dış bileşen sayımını azaltır ve gürültü bağışıklığı artırmak için kullanılabilir.

Doğru PIC Microkontrolü seçin

PIC seçimi, kontrol algoritmasının karmaşıklığı ve gerekli periferik set. Microchip, 8bit temelden 32-bit MIPS tabanlı cihazlara kadar değişen aileler sunar.

Temel Kontrol için 8bit PICs

PIC16F ve PIC18F aileleri basit DC fırçalanmış ve adımlı motor uygulamaları için uygundur. PIC16F1847 iki PWM kanal, 10bit ADC ve 64 MHz iç osilatör için.For stepper sürücüleri için, PIC18F25K40 çok sayıda zamanlayıcı ve oyuncaklar için özel bir PWM modülü içerir.

16-bit PIC24 ve dsPIC33 için Gelişmiş Kontrol için

BLDC motorları ve FOC için, dsPIC33 dijital sinyal kontrolörleri (DSC) en iyi seçimdir.Onlar, hızlı matematik için bir DSP motoru ile 16 bit MCU çekirdeği (multiply-accumulate, bölme) ve altı op-amps içerir, üç fazlı motor kontrolü için idealdir.

Kompleks Sistemler için 32-bit PIC32

Kontrol algoritması son derece hesaplamalı (örneğin, çok eksenli robot kontrolü EtherCAT ile) olduğunda, PIC32MZ mikrokontrolörler 200 MHz MIPS çekirdeği ile gerekli olan bağlantılarını sağlar. yüksek hızlı PWM ( 1 ns kararına kadar) ve çok kanallı ADC onları otomatik olarak kontrol eder.

Motor Kontrol Sistemi Tasarımı

Bir motor kontrol sistemi üç ana bloktan oluşur: PIC mikrokontroller, güç aşaması (vida ve H-bridge), ve geri bildirimler sensörleri. Aşağıdaki bölümler pratik tasarım seçeneklerini tanımlar.

Donanım Uygulamalı

Motorun gerilimi ve mevcut puanı ile eşleşen bir motor sürücüsü IC seçin. Düşük gerilim DC motorlar için, L293D veya TB6612FNG (p> A) yüksek çözünürlükte olan MOSFET motorlarında, DRV8301 (düşünce 2.5 A'ye kadar) üç fazlı sürücüleri ve mevcut test yükselticileri içerir.

Koruma devreleri, motor terminalleri boyunca TVS diyotları, güç girişi üzerinde hızlı bir şekilde füzyon ve endüstriyel ortamlar için ters-polarity koruma diyotları ile karıştırılmalıdır. PIC'nin analog giriş noktaları yüksek gerilim devreleriyle arayüze bağlanırsa Schottky diyotları ile yapıştırılmalıdır.

Yazılım Mimarisi

Kontrol sistemi genellikle bir devlet makinesi olarak çalışır. ana döngü ilk periferiklar için, o zaman sonsuz bir döngüyü hesaplar. Interrupt service rutinleri (ISRs) zaman kritik görevleri yürütmek: PWM update, ADC dönüşüm tamamlanma, son derecelen bir DC motor için, 1-10 kHz yeterli.For a PID hız kontrolörü için, doğruyu hesaplar, PWM görevi ve güncelleme hızı en az 10 kez olmalıdır.

Mikroçip Kod Configurator (MCC) ilk periferik kurulum kodu oluşturmak için kullanın, bu manuel hataları azaltır. MPLAB X IDE, donanım olmadan kontrol döngüsü test etmek için bir simülatörü ve debugger sağlar.

Kontrol Algoritmalarını Uygulamayın

PID Control

PID algoritması, motor kontrolü için en yaygın kullanılan kapalı-loop yöntemi olarak kalır: Ayrılı formu uygulayın:

[0]

E(k) örnek olarak hız hatasıdır, dt örnek dönemdir ve Kp, Ki, Kd optimize kazanımlardır. integral rüzgarı önlemek için, integral terimi maksimum değere dönüştürmek. Derivative single, test etmek yerine, test etmek için en aza indirilir.

Sensörsiz BLDC Kontrol

Sensörsiz BLDC için, rotor pozisyonu bu olayları tespit etmek için kullanılır. Açık aşamada, sıfır motor Kontrol Merkezi) kompresyon anında gösterir.The PIC's comparator modülü ve zamanlayıcılar, sıfırdan önce gerilimi ölçerek de kullanılabilir.

Alan-Oriented Control (FOC)

FOC de çift tork ve flux, yüksek verimsiz BLDC işlemine izin veriyor. Clarke ve Park dönüşümleri, dq referans çerçevesinde PI kontrolörleri ve ters Park dönüşümü[Dön Parkın] DSP motoru, bu dönüşümleri birkaç mikrosaniyede yürütüyor. Microchip, iletişim güvenliği ve kontrol için ücretsiz bir FOC yazılımı kütüphanesi ()Reference Designs) içerir.

Pratik Tasarım

PCB Layoutoutoutoutoutoutoutout

Ayrı analog ve dijital zemin uçaklar, onları tek bir noktada PIC. Place decoupling kapasitors (0.1 μF + 10 μF) her güç pinine yakın. yüksek-şimdili izlerini (motor gücü) geniş ve hassas analog sinyallerin altında bir zemin kullanın. BL-fazlama tasarımları için, üç fazlı çıkış izlerinin izlerinin en aza indirmek için, yanlış eşleştirmeyi en aza indirmek için eşit uzunlukta tutun.

Gürültü Mession

Motor geçişi, PIC'nin ADC okumalarını bozabilecek yüksek frekanslı gürültüyü ortaya çıkarır ve prestijli bir kesintiye neden olur. Motor güç hatlarında ferrite beads kullanın, kalkan encoder kablolar ve analog girişlerde düşük geçit RC filtreleri ekleyin (PWM geçiş frekansının altında frekans). PIC'nin iç ADC'nin bir satın alma zamanı vardır; geçicileri görmezden gelmek için örnekleme süresini kullanın.

Termal Yönetim

Motor sürücüsü ve PIC uzun süre boyunca ısı dağılımı için yeterli bakır alanı sağlayabilir.Eğer ortam sıcaklığı 85 °C'yi aşıyorsa, genişletilmiş sıcaklık aralığı PIC varyantlarını göz önünde bulundurun. Basit bir termal kapatma rutini PWM görevini azaltmak veya motoru durdurmak için PIC'nin iç ısı göstergesini kullanabilir.

Geliştirme Araçları ve Kaynaklar

Mikroçip'in İZMİRT:0)MPLAB X IDE[DÜT:1) ve [[Dönetici:2)XC8/XC16/XC32) derleyiciler 1 KB (XC8) veya 30 KB (XC16) ve tam olarak kontrol gelişimi için işlevsel olarak işlevseldir.The MacROchip Code Configurator (MCC) grafiksel araç, saatlerin hızlı bir şekilde kurulumuna izin verir, zamanlayıcılar, PWM, ADC ve 30 KB (XC16) ve tam olarak kontrol için başvuru örnekleridir.

Debugging için, [[Üyetim:0)MPLAB ICE 4[DÜye Olmayanlar İçindeki Kontrol Uygulama Kurulu[Döneticileri) gerçek zamanlı iz ve gerilim izleme sağlar. Boşaltmalı bir sonlu cihazla çiftlerin PWM kapı sinyalleri ve mevcut algılamaları izlemek için gereklidir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

PIC mikrokontrollü sistemlerle verimli motor kontrol sistemleri tasarlamak, hobilerden endüstriyel profesyoneller için değişen mühendisler için pratik bir seçimdir. Geniş periferik entegrasyon, düşük maliyet ve olgun geliştirme ekosistemi hızlı prototipleme ve güvenilir üretim sağlar.Farklı motor türleri hakkında bilgi sahibi olmak için, PWM ve ADC modüllerini kullanarak, PID veya FOC gibi sağlam kontrol algoritmaları uygulamak ve donanım düzeni ve gürültü yönetimine dikkat edin.