TMCC160 - контроллер и драйвер бесколлекторного двигателя в одном корпусе

Компания Trinamic известна своими интегральными решениями для управления шаговыми двигателями. На этот раз фирма сделала значительный рывок вперед и выпустила микросхему контроллера бесколлекторных двигателей TMCC160. Она объединяет в одном корпусе процессор Cortex-M4 и драйвер силового трехфазного моста. Благодаря поддержке широкого спектра интерфейсов и датчиков положения TMCC160 способна стать базовой микросхемой для электроприводов: как для простых, так и для сложных и ответственных приложений.

Рис. 1.	TMCC160 – контроллер бесколлекторного двигателя от TRINAMIC.

Управление бесколлеторным двигателем – сложная задача. Как известно, в таких двигателях нет коллекторно-щеточного узла. Вместо этого переменное поле создается с помощью электронного блока управления. При этом формирование питающих напряжений и коммутация обмоток производится по достаточно сложному алгоритму.

Конструктивно бесколлекторный двигатель состоит из статора с обмотками и ротора, изготовленного из постоянного магнита. Наибольшее распространение получили трехфазные моторы. Их обмотки соединены звездой или треугольником.

Если подключить одну из фаз на шину питания, а вторую на шину земли, то через соответствующие обмотки начнет протекать ток. Он создаст магнитное поле, которое приведет к повороту ротора. Чтобы добиться кругового вращения, необходимо коммутировать фазы двигателя по специальному алгоритму. Обычно используется последовательность из шести шагов (Рис. 2).

Рис. 2.	Принцип работы бесколлекторного двигателя.

На первом этапе к шине питания подключается фаза А, а фаза B – к земле. После этого ротор начнет вращение. Когда его положение приблизится к положению равновесия, необходимо повернуть магнитное поле статора. Для этого производится вторая коммутация обмоток – фаза A отключается, а напряжение питания подается на фазу С. Проводя такие последовательные переключения, можно поворачивать поле статора, и, соответственно, добиться вращения подвижного ротора.

В этой простой с первого взгляда схеме есть множество сложностей. Во-первых, нужно очень точно определять моменты коммутации обмоток, например, с помощью датчиков Холла или энкодеров. Во-вторых, для управления скоростью необходимо менять значение тока обмоток. Для этого обычно используют ШИМ (Рис. 3). В-третьих, коммутация производится за счет трехфазного моста, который требует драйвера и обеспечения мертвого времени. В-четвертых, необходимо обеспечить оптимальные разгонные и тормозные характеристики. Кроме всего перечисленного, не стоит забывать и о таких важных функциях привода, как поддержка аналогового или цифрового управления.

Рис. 3.	Упрощенные диаграммы напряжений фаз бесколлекторного двигателя.

Таким образом, для создания привода потребуется достаточно сложная схема, включающая контроллер, драйвер силовых транзисторов, силовой мост, источник питания для процессора и логики управления, источник питания для драйвера и т. д. Еще более сложным окажется программное обеспечение для процессора. Однако с появлением специализированных интегральных контроллеров создание электронной части электропривода значительно упростилось.

В разделе УНИТЕРА неоднократно публиковались статьи о контроллерах шаговых двигателей от TRINAMIC. Теперь же компания вышла на новый для себя рынок контроллеров бесколлекторных двигателей. Первым продуктом компании стала микросхема TMCC160.

TMCC160 – интегральный контроллер бесколлекторного двигателя, объединяющий в одном миниатюрном корпусе LGA (17×12×1.4 мм) ключевые компоненты системы управления:

• производительный процессор Cortex-M4;
• драйвер силового моста с источником питания 12 В/ 1 А;
• источник питания 3.3 В с входным напряжением 7…24 В.

Для создания привода на базе TMCC160 потребуется силовой мост и несколько пассивных компонентов (Рис. 4).

Рис. 4.	Схема включения TMCC160.

Функции управления и выполнение алгоритмов коммуникации обеспечивает процессор Cortex-M4:

• Формирование управляющих сигналов для драйвера силового моста;
• Прием и обработка сигналов обратной связи;
• Прием и обработка сигналов с датчиков положения (датчиков Холла и энкодеров);
• Управление работой схемы тормозного резистора;
• Прием команд управления от внешнего управляющего контроллера по интерфейсам UART/ SPI/ CAN;
• Прием аналогового сигнала управления AIN;
• Взаимодействие с внешним ПЗУ EEPROM (если требуется).

Интегрированный драйвер формирует управляющие сигналы для силового трехфазного моста. Для этой цели используется внутренний источник 12 В/1 А.

TMCC160 может работать как в автономном режиме, так и под управлением внешнего контроллера. Для автономной работы в простых приложениях (вентиляторы, насосы) в качестве задающего сигнала удобно использовать аналоговый вход 10 В. При работе в паре с внешним контроллером, для управления параметрами вращения двигателя также может применяться аналоговый вход либо один из цифровых интерфейсов (UART/ SPI/ CAN). При этом общение с TMCC160 производится с помощью языка TMCL, включающего около 2048 команд.

В состав средств разработки и отладки входят: система проектирования ПО TMCL-IDE 3.0 и отладочный набор TMCC160-EVAL (Рис. 5).

Рис. 5.	Подключение и внешний вид отладочной платы TMCC160-EVAL.

Отладочная плата TMCC160-EVAL, по сути, является полноценным контроллером бесколлекторных двигателей с номинальным напряжением питания 24 В и током до 10 А. Плата включает микросхему TMCC160-LC, силовой трехфазный мост, схему управления тормозным резистором, цепи нормирования для сигналов датчиков положения (датчиков Холла и энкодеров), микросхемы интерфейсов RS232, RS485, CAN, SPI. Таким образом, для того чтобы создать свой первый привод, потребуется только лишь ПК, двигатель и источник питания.

В качестве заключения хотелось бы отметить, что новый контроллер наверняка найдет свое применение как в относительно простых приложениях (насосы, вентиляторы), так и в сверхточных и ответственных системах: роботы, двигатели станков с ЧПУ, системы промышленной автоматизации, медицинское и лабораторное оборудование, электромобили, электровелосипеды и многое другое.

Характеристики микросхемы контроллера бесколлекторного двигателя TMCC160:

• Микропроцессорное ядро: ARM Cortex-M4;
• Управление: FOС и шестишаговое;
• Диапазон рабочих напряжений питания: 7…28 В;
• Драйвер силового моста: 12 В, 1 А;
• Встроенный регулятор: 3.3 В 500 мА;
• Поддерживаемые датчики: датчики Холла и энкодеры;
• Коммуникационные интерфейсы: RS232, RS485, CAN, SPI;
• Особенности: аналоговый вход управления (10 В), поддержка резистивного резистора;
• Язык программирования: TMCL с поддержкой 2048 команд;
• Среда разработки: TMCL-IDE 3.0 (доступна для скачивания на сайте www.trinamic.com);
• Диапазон рабочих температур: -40…85 °C;
• Корпусное исполнение: 17×12×1.4 мм 51-выводной LGA.
• Характеристики отладочного набора TMCC160-EVAL:
• Микросхема управления двигателем: TMCC160-LC;
• Напряжение питания шины: 7…28 В;
• Среднеквадратичный ток двигателя 10 А;
• Поддерживаемые датчики положения: датчики Холла и энкодеры;
• Поддержка резистивного тормоза: есть;
• Коммуникационные интерфейсы: RS232, RS485, CAN, SPI;
• Номинальное напряжение аналогового входа управления: 10 В (максимальное 24 В);
• ПО для настройки и работы: TMCL-IDE 3.0 (доступно для скачивания на сайте www.trinamic.com);
• Габаритные размеры: 85×79×34 мм.

Посмотреть подробные характеристики контроллеров бесколлекторных двигателей от TRINAMIC