Microcontrolere Microchip pentru controlul motoarelor electrice

14 APRILIE 2021

Componente pe 32-biți din seriile PIC32CM și PIC32MK.

Familia de microcontrolere PIC32CM, seria MC

Bogatul portofoliu de microcontrolere pe 32-biți PIC® se împarte în câteva familii, dintre care fiecare se distinge printr-un set de funcții specifice. Cea mai nouă dintre acestea este familia PIC32CM „MC”, unde „MC” înseamnă „motor control”. Este vorba de controlul funcționării motoarelor, întrucât acesta este scopul principal pentru care au fost proiectate. Aceste componente pe 32-biți sunt construite pe baza arhitecturii ARM® Cortex®- M0+. Pot fi tactate la o frecvență de până la 48MHz, au o memorie Flash integrată (de până la 128KB), precum și 16KB memorie SRAM. Tensiunea de lucru este cuprinsă între 2,7V și 5,5V DC. Datorită acestui interval, sunt potrivite în circuitele simple alimentate cu acumulatoare, de exemplu cu o celulă individuală litiu-polimer (LiPo) sau litiu-ion (Li-Ion). În plus, în acest mod, au fost imunizate de la început la oscilațiile de tensiune care însoțesc alimentarea motoarelor electrice. De asemenea, rezistă la interferențele electromagnetice (EMC).

În circuitele din seria PIC32CM „MC” găsim o serie de soluții care facilitează controlul motoarelor. Prima este PDEC (Positional Decoder) integrat, adică un circuit cu ajutorul căruia microcontrolerul obține informații despre poziția curentă a rotorului. Acest lucru permite controlul precis și ergonomic al acționării – alimentarea înfășurărilor succesive ale motorului se realizează la un unghi optim de rotație al comutatorului. Proiectantul are astfel controlul deplin asupra funcționării motorului – chiar și la sarcini mari, când controlul doar cu ajutorul semnalului PWM poate să nu fie suficient.

Controlul funcționării motoarelor cu ajutorul microcontrolerelor PIC32CM

Programul de control al acționării este bazat, cel mai adesea, pe instrucțiuni condiționale. Sensul și viteza rotațiilor motorului depind de datele privind starea echipamentului. Microcontrolerul poate obține aceste informații cu ajutorul unor semnale simple, binare, primite, de exemplu, de la limitatoare de cursă. Însă, tot mai des întâlnim situații în care datele sunt colectate de la accelerometre, senzori optici sau senzori de câmp magnetic etc. Comunicarea cu aceste circuite necesită, de obicei, implementarea în program a cel puțin unui protocol (de exemplu SPI sau I2C). Pe măsură ce numărul de circuite periferice crește și, odată cu acesta, complexitatea întregului sistem, proiectanții se confruntă adesea cu resursele hardware limitate ale microcontrolerului. De exemplu, timerele (contoarele) acestuia pot fi folosite pentru generarea de întreruperi, dar și de către variate biblioteci pentru operarea protocoalelor de comunicație, în timp ce sunt necesare pentru controlul motoarelor. Se întâmplă ca doar colectarea, prelucrarea și transmisia datelor să echivaleze cu numărul maxim de echipamente controlate și să forțeze utilizarea unor multiplexoare și controlere suplimentare, externe. Microcontrolerele din familia PIC32CM „MC” includ o serie de soluții care facilitează proiectarea de sisteme de control complexe, limitând totodată la minimum numărul de componente externe.

Controlul motoarelor în sistemele menționate este realizat cu ajutorul timerelor și contoarelor integrate (TTC) special proiectate în acest scop. Acestea funcționează independent de celelalte circuite periferice ale microcontrolerului, astfel încât semnalele de control sunt precise și nu sunt perturbate de sarcinile colaterale realizate de program. Circuitele PIC32 MC au integrate și patru module hardware de comunicație serială (SERCOM), care pot fi configurate pentru transmisia de date cu ajutorul interfețelor USART, SPI, I2C, RS485 sau LIN – acestea sunt cele mai populare standarde folosite în sistemele industriale integrate. Magistrala de date pe 12-biți dedicată, echipată cu modul CRC (care minimizează erorile în comunicație) permite schimbul de date între memoria microcontrolerului și periferice, cu omiterea nucleului acestuia, datorită mecanismului de acces direct la memorie (DMA, Direct Memory Access). Această soluție evită întârzierile în executarea programului.

Programarea microcontrolerelor cu ajutorul MPLAB X și Harmony

Scrierea aplicațiilor pentru microcontrolerele PIC32 se desfășoară în mediul MPLAB® X. Acesta este o soluție integrate, care permite utilizarea pe deplin a posibilităților circuitelor Microchip. MPLAB X este o soluție originală a producătorului, care permite folosirea aceluiași cod pe diferite platforme hardware ale acestuia (dacă au funcționalități compatibile), ceea ce permite migrarea cu ușurință între diferite familii de microcontrolere în fiecare etapă de proiectare a aplicației. Interfața prietenoasă de utilizator oferă programatorilor posibilitatea de a consulta toate informațiile despre microcontrolerul programat și despre operațiile executate de acesta. Framework-ul de dezvoltare software MPLAB® Harmony conține peste 1000 de exemple gratuite de programe, precum și multe biblioteci, care constituie o bază excelentă pentru învățare, dar și pentru asistență în timpul dezvoltării proiectului. Mai multe detalii despre conținutul și funcționalitățile mediului MPLAB® X / Harmony puteți găsi mai jos, în contextul familiei PIC32MK.

Microcontrolere din familia PIC32MK GPG și MCM

PIC32MK GPG

În proiectele mai exigente, în care supravegherea funcționării motoarelor este doar una dintre numeroasele funcții realizate de microcontroler, o soluție potrivită pot fi circuitele mai extinse PIC32MK. Acestea includ, printre altele, seriile „GPG” și „MCM”. Aceste produse foarte înrudite au în comun majoritatea caracteristicilor. Diferențele nu sunt mari, însă, în anumite aplicații, se pot dovedi esențiale. În cazul seriei „MCM”, memoria Flash are o capacitate maximă de 1MB (512kB pentru „GPG”), în aceste circuite a fost inclusă și o buclă suplimentară de sincronizare a fazei pentru interfața USB, numărul de intrări analogice a crescut la 42 și de asemenea, sunt utilizate 6 (în loc de 2) module de comunicație SPI/I2C. Întrucât caracteristicile celor două serii nu sunt atât de diferite, în continuare vom analiza familia PIC32MK în ansamblu.

PIC32MK MCM

Microcontrolerele PIC32MK „GPG” și „MCM” sunt construite pe baza arhitecturii MIPS32 și sunt completate cu un set impresionant de funcții. Circuitele permit controlul motoarelor DC cu ajutorul semnalelor PWM (în 9 sau 12 perechi), dar și lucrul cu motoare de curent continuu fără perii (BLDC) și chiar cu varianta de curent alternativ și anume PMSM (numită uneori BLAC) cu ajutorul unor algoritmi care nu utilizează senzori de poziție exteriori. Circuitele sunt prevăzute cu suport hardware pentru lucrul cu numere în virgulă mobilă (coprocesor matematic), oferă șapte convertoare analog-numerice de 12-biți cu frecvența de eșantionare de 3,75 Msps multiplexați pe 30 sau 42 de canale și au opt canale cu acces direct la memorie DMA. La bordul microcontrolerelor se află zeci de periferice demne de atenție, precum: ceas de timp real (RTC), până la opt timere/contoare cu rezoluția de 32-biți, trei convertoare numeric-analogice de 12-biți, 4 amplificatoare operaționale și 5 comparatoare.

Afișaje și interfață tactilă pentru utilizator cu PIC32

Atunci când lucrează cu microcontrolerele Microchip, proiectantul beneficiază de largi posibilități de construire a interfeței de utilizator: circuitele sunt prevăzute cu un port paralel (PMP) pentru conectarea de afișaje cu cristale lichide (LCD), dar și cu un convertor CVD integrat, datorită căruia microcontrolerele pot îndeplini rolul de controler de tastatură tactilă matricială, realizată în tehnologie capacitivă. În proiectul circuitului a fost prevăzut suport pentru șase canale I2S, adică un protocol care realizează o transmisiune fără pierderi de eșantioane în format PCM la traductoarele de sunet. În plus, toți pinii de intrare/ieșire pot servi la generarea de întreruperi, astfel încât circuitul PIC32MK este excelent ca unitate de control chiar și în sistemele extinse. Merită remarcat aici că cinci terminale pot fi programate pentru declanșarea întreruperii în cazul depășirii unei anumite tensiuni, ceea ce facilitează, printre altele, integrarea microcontrolerului cu senzorii analogici. Deși microcontrolerul este alimentat cu o tensiune cuprinsă între 2,3V și 3,6V DC, porturile GPIO tolerează o tensiune de până la 5V DC.

Certificare și biblioteci pentru dispozitive sigure IoT

La fel ca în cazul seriilor descrise mai sus, mediul de programare al circuitelor PIC32MK este MPLAB X cu framework-ul Harmony. Bibliotecile puse la dispoziție de producător oferă largi posibilități. În funcție de necesități, utilizatorul poate beneficia de suport de stivă TCP/IP, de comunicație USB, precum și de tehnologia mTouch® (crearea de butoane tactile, glisoare etc.). Proiectanții echipamentelor de consum au posibilitatea de a construi o aplicație audio bazată pe standarde Bluetooth în sisteme de operare Android sau MFi (Apple). Printre programele demonstrative oferite de producător se află și un exemplu de utilizare a bibliotecii wolfSSL. Aceasta este una dintre cele mai populare soluții de protecție a comunicației pentru dispozitivele IoT – permite transmisia criptată a datelor cu ajutorul protocoalelor SSL și TLS 1.3. Aceasta va fi deosebit de importantă pentru proiectanții care realizează, pe baza PIC32MK, dispozitive mobile cu conexiune de bandă largă.

În contextul bunurilor de consum și al securității, trebuie menționată și biblioteca Class-B Safety. Este vorba de un set de proceduri de nivel scăzut, dezvoltat de producător, care garantează că dispozitivele construite pe baza microcontrolerelor PIC32 respectă standardele de securitate IEC 60335 și IEC 607030. Aceste criterii se referă nu doar la echipamentele de consum, ci și la cele folosite de profesioniști. Certificarea IEC 60730 a devenit obligatorie pentru fiecare produs vândut în Europa. Însă acest lucru nu va fi un obstacol pentru fabricanții care utilizează soluțiile Microchip. Întrucât biblioteca Class-B Safety a fost testată pe toate platformele furnizorului, aplicațiile realizate pe baza acesteia nu trebuie să mai fie supuse unor teste suplimentare, ceea ce scurtează cu mult durata de introducere a produsului pe piață. Mai mult, Microchip oferă suport profesional pentru toți inginerii interesați de utilizarea bibliotecii Class-B Safety în proiectele lor.

De asemenea, merită amintit că microcontrolerele PIC32MK suportă tehnologia microMIPS. Datorită acesteia, majoritatea funcțiilor pe 32-biți ale procesorului este disponibilă de la un nivel de instrucțiuni pe 16-biți, ceea ce permite comprimarea codului, densitatea acestuia crescând cu până la 25%.

Prototipare cu microcontrolere PIC32CM și PIC32MK

În oferta TME au intrat și kiturile de dezvoltare PIC32. Pentru fiecare proiectant, acestea vor fi platforme excelente de testare, dezvoltare și perfecționare a echipamentelor. Kiturile permit accesul la toate funcțiile menționate ale microcontrolerelor și ajută la planificarea construcției echipamentului final.

Pentru început, să examinăm soluțiile cu circuite PIC32CM.

Placa Curiosity Nano – cum să începem lucrul cu PIC32?

Acest mic kit de dezvoltare, care încape într-o palmă, oferă acces la majoritatea funcțiilor PIC32CM. În plus, are un preț atractiv, iar pentru programarea acestuia nu e nevoie de niciun alt dispozitiv suplimentar (este prevăzut cu un programator/depanator integrat). Cu siguranță, acest produs trebuie să se afle în atenția tuturor care abia încep să lucreze cu circuitele PIC32 și doresc să afle mai multe despre cele mai moderne microcontrolere.

Placa EV10N93A este echipată cu circuitul PIC32CM1216MC00032, ai cărui pini GPIO au terminații pentru paduri PCB (pentru lipirea de conectoare goldpin sau pentru montarea plăcii ca o componentă lipită folosind conectoare ‘edge’), cu un soclu Micro USB destinat alimentării și programării circuitului, un buton individual și LED-uri pentru a indica starea de funcționare. Kitul este suportat pe deplin de mediul de lucru MPLAB® X.

Kitul PIC32CM Curiosity Pro (EV15N46A)

Un alt kit, echipat cu microcontrolerul PIC32CM1216MC00048, dispune de toate caracteristicile kitului Nano, însă în cazul EV15N46A utilizatorul primește butoane suplimentare și terminații ale tuturor pinilor microcontrolerului cu câteva conectoare goldpin (separat pentru GPIO, semnale de control, precum și pentru convertoare numeric-analogice și analog-numerice), un port separat pentru programator/depanator cu interfață SWD, oscilator extern pentru ceas RTC, precum și un punct de măsurare a intensității curentului, care permite analizarea precisă și optimizarea consumului de putere al microcontrolerului și al motoarelor controlate de acesta.

Modulul PIC32CM Motor Control Plug-In și kiturile MCHV-2 și MCHV-3

Modulul EV94F66A sau PIC32CM Motor Control Plug-In, este echipat cu microcontrolerul PIC32CM1216MC0048 și cu componentele de bază necesare pentru funcționare. Pe modul se află și un port pentru un programator ISP și un conector cu 100 de pini, necesar pentru montarea modulului pe o placă de prototipare sau într-un kit de dezvoltare. Kiturile de dezvoltare dedicate sunt produsele MCHV-2 și MCHV-3, care sunt unelte pentru dezvoltarea de proiecte destinate controlului motoarelor de curent înalt folosite, de exemplu, în aparatele electrocasnice.

Modulul PIM împreună cu kitul de dezvoltare accelerează procesul de proiectare, pentru că toate elementele de alimentare și de control al acționării sunt prezente. Proiectantul poate, așadar, să se concentreze pe proiectarea funcționalităților controlerului și pe optimizarea codului de program, având la dispoziție un prototip pe deplin funcțional. Kiturile MCHV sunt alimentate la un curent alternativ, cu tensiunea cuprinsă între 85V și 260V AC. Sursa de alimentare a kitului poate furniza un curent de 6,5A și poate funcționa cu sarcini trifazate, cu puterea de până la 2kVA (poate fi vorba de motorul inverter al unei mașini de spălat, dar și de un echipament complex din segmentul de automatizări industriale. Plăcile de dezvoltare sunt proiectate astfel încât componentele montate pe acestea să poată prelua funcțiile anumitor elemente aflate în interiorul microcontrolerului – de exemplu, ale amplificatoarelor operaționale, care nu sunt adaptate unor sarcini mari.

Modul cu microcontroler PIC32MK

Avantajul conectorului cu 100 de pini din plăcile MCHV constă în utilizarea generală a acestuia. În soclu putem monta atât module PIC32MC, cât și pe cele echipate cu microcontroler PIC32MK. Însă produsele din această grupă, datorită funcționalității lor extinse, pot constitui inima unui echipament independent, integrat, care nu doar supraveghează funcționarea motoarelor, dar este prevăzut și cu interfață de utilizator, cu modul de comunicare serială și cu multe alte funcții. Dezvoltarea unui asemenea proiect este una complicată, dar cu ajutorul modulului gata de utilizare cu microcontroler PIC32MK1024MCM, munca de dezvoltare va avansa mai rapid. În timp ce plăcile MCHV facilitează lucrul la proiect în fazele incipiente ale acestuia, modulul MA320211 (PIC32MK MCM Motor Control Plug-In Module) poate fi folosit din nou, în timpul testării prototipului dispozitivului/controlerului, pentru lucrări de dezvoltare a altor elemente ale proiectului (comunicație HMI Human Machine Interface, transmisie de date etc.)

Transfer Multisort Elektronik   |    https://www.tme.eu

 

 

 

Articol creat de TME

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre