Zaloguj
Nowe trendy w obszarze sterowników silników
Wzrost liczby pojazdów elektrycznych (EV) i zapotrzebowanie na energooszczędne systemy rozszerzyły zastosowanie silników elektrycznych poza tradycyjne aplikacje. Nowoczesne systemy mechatroniczne integrują technologie Internetu Rzeczy (IoT) i sztucznej inteligencji (AI), umożliwiając konserwację predykcyjną, nadzór w czasie rzeczywistym i zwiększoną wydajność napędów. Wysokowydajne silniki, produkowane na bazie innowacyjnych projektów i oparte na skrupulatnie wybranych materiałach, zmniejszają zużycie energii, a co za tym idzie – także emisję dwutlenku węgla.
Kompaktowe i lekkie silniki są kluczowe w sektorach takich jak motoryzacja, lotnictwo czy automatyka przemysłowa, w których oszczędność miejsca i masy ma znaczenie zasadnicze. Postęp w algorytmach sterowania silnikami (w tym oparte na modelach sterowanie predykcyjne czy zaawansowane sterowanie bezczujnikowe) poprawiają wydajność energetyczną, dokładność sterowania oraz dynamikę napędów.
Zintegrowane sterowniki silników: skok technologiczny
Zintegrowane sterowniki silników znajdują się na czele postępu technologicznego, łącząc w sobie wszystkie niezbędne funkcje sterowania i interfejsu analogowego oraz obejmując m.in.: zaawansowany mikrokontroler (MCU) zdolny do obsługi bezczujnikowego sterowania polowozorientowanego (FOC), 3-fazowy sterownik bramek, a nawet transceiver do komunikacji z urządzeniem nadrzędnym. Popyt na zintegrowane sterowniki silników wynika z zalet, jakie przynoszą one konstruktorom: umożliwiają one bowiem nie tylko redukcję kosztów implementacji, ale także zwiększenie wydajności i niezawodności, oszczędność miejsca oraz bezproblemową integrację z innymi systemami.
Zastosowania zintegrowanych sterowników silników
Sterowniki zintegrowane są szeroko stosowane w aplikacjach motoryzacyjnych (w tym EV) oraz przemysłowych. W sektorze motoryzacyjnym odpowiadają za elektryczne wspomaganie układu kierowniczego (EPS), systemy hamowania, HVAC i układy chłodzenia silnika. W środowiskach przemysłowych umożliwiają natomiast precyzyjną kontrolę w robotyce, pompach zasilanych akumulatorowo, sprężarkach i obrabiarkach. W pojazdach elektrycznych nowoczesne mikrokontrolery optymalizują sterowanie silnikiem, obsługę akumulatora, hamowanie regeneracyjne i zarządzanie temperaturą, a ponadto realizują rozmaite funkcje diagnostyczne i nadzorują pracę systemów bezpieczeństwa.
Rozwiązanie Microchip Technology
Microchip Technology wprowadziła nową serię zintegrowanych sterowników silników opartych na kontrolerze sygnałowym (DSC) o architekturze dsPIC. Układy te usprawniają wdrażanie wydajnych, wbudowanych systemów sterowania silnikiem w czasie rzeczywistym, także w zastosowaniach o istotnych ograniczeniach pod względem dostępnej przestrzeni na PCB. Sterowniki silników zawierają kontroler dsPIC33, 3-fazowy sterownik bramek MOSFET i opcjonalny transceiver LIN lub CAN FD, co znakomicie przyspiesza proces projektowania systemu poprzez uproszczenie układu elektronicznego, zmniejszenie liczby niezbędnych komponentów, a co za tym idzie – także rozmiarów płytki drukowanej.
Sterowniki zintegrowane z omawianej rodziny działają na pojedynczym zasilaniu do 29 V (praca ciągła)/40 V (stany przejściowe) i zapewniają wysoką wydajność obliczeniową dzięki taktowaniu do 70...100 MHz. Ułatwiają wydajną implementację FOC i innych zaawansowanych algorytmów sterowania silnikiem. Wbudowany stabilizator LDO 3,3 V zasila rdzeń dsPIC, eliminując potrzebę stosowania zewnętrznego regulatora liniowego bądź DC/DC.
Kluczowe trendy w technologii mikrokontrolerów
Nowoczesne mikrokontrolery rozwiązują szereg problemów, z jakimi zmaga się elektronika XXI wieku. Rosnąca złożoność oprogramowania, potrzeba ciągłego podnoszenia efektywności energetycznej czy też konieczność spełnienia surowych standardów bezpieczeństwa – właściwie dobrane mikrokontrolery pomagają konstruktorom poradzić sobie ze wszystkimi tymi zagadnieniami, a dodatkowo zapewniają zintegrowane, wielofunkcyjne bloki peryferyjne, pozwalające na realizowanie zaawansowanych operacji w zakresie obsługi sygnałów mieszanych czy też komunikacji z zewnętrznymi systemami.
Większa złożoność oprogramowania i rosnące wymagania dotyczące bezpieczeństwa
Integracja projektów oparta na modelach ułatwia szybkie prototypowanie i generowanie kodu, przyspieszając proces rozwoju złożonego oprogramowania. Nowoczesne mikrokontrolery oferują ponadto zoptymalizowaną architekturę odporną na błędy, co ułatwia zapewnienie integralności systemu, zwłaszcza w zastosowaniach o podwyższonych wymogach bezpieczeństwa – ma to niebywale istotne znaczenie, jeżeli docelowa aplikacja wymaga spełnienia wyśrubowanych norm bezpieczeństwa funkcjonalnego, przede wszystkim ISO 26262, IEC 61508 czy też IEC 60730. Akceleratory kryptograficzne, mechanizmy bezpiecznego rozruchu czy też kontroli dostępu w celu ochrony danych i własności intelektualnej odpowiadają za podwyższenie poziomu cyberbezpieczeństwa, zaś większa pamięć i moc obliczeniowa umożliwiają tworzenie wielozadaniowych aplikacji.
Wysokowydajne, cyfrowe kontrolery sygnałowe (DSC) firmy Microchip
Kontrolery DSC firmy Microchip odpowiadają na złożone potrzeby sterowania w czasie rzeczywistym z wysoką precyzją i niezawodnością. Nowa seria dsPIC33A oznacza istotny skok technologiczny w zakresie mikrokontrolerów, oferując solidną i wydajną platformę, która wyróżnia się na tle konkurencji pod względem zarządzania pamięcią, optymalizacji wykonywania kodu czy też wsparcia w zakresie bezpieczeństwa funkcjonalnego.
Główne cechy serii dsPIC33A
- 32-bitowy procesor: 200-megahercowy procesor z FPU o podwójnej precyzji zwiększa wydajność obliczeniową w aplikacjach z obszaru cyfrowego zarządzania mocą czy też zaawansowanego sterowania silnikami.
- Jednostka zmiennoprzecinkowa podwójnej precyzji (DP-FPU) jest zgodna z normą IEEE 754-2019, obsługuje pojedynczą i podwójną precyzję z dedykowanym potokiem, zwiększając szybkość pętli sterowania i redukując błędy oprogramowania związane ze skalowaniem zmiennych. Obejmuje sprzętowe wsparcie obliczeń trygonometrycznych (funkcje sinusoidalne i cosinusoidalne) dla jeszcze wydajniejszego sterowania napędami elektrycznymi.
- Ulepszony silnik DSP i procesor zawierają dwa 72-bitowe akumulatory, minimalizując ryzyko przepełnienia lub niedopełnienia.
- Zaawansowane, szybkie bloki peryferyjne obejmują m.in. 12-bitowy przetwornik ADC (40 MSps), wzmacniacze operacyjne (GBW do 100 MHz) i szybkie komparatory o czasie reakcji 5 ns.
- Ulepszone funkcje bezpieczeństwa i architektura pamięci obejmują technologię Root of Trust, bezpieczne debugowanie i ograniczenie dostępu do segmentów pamięci Flash.
Pierwszy produkt w rodzinie dsPIC33A
Pierwsza wprowadzona na rynek rodzina dsPIC33AK128MC1xx będzie zawierać 128 kB pamięci Flash i rozbudowany zestaw peryferiów. Układy udostępnione zostaną w obudowach SSOP, VQFN i TQFP (od 28 do 64 pinów), przy wymiarach obudowy zredukowanych nawet do 4×4 mm. Kolejne podgrupy układów dsPIC33A z dodatkową pamięcią, peryferiami i większą liczbą pinów uzupełnią portfolio firmy Microchip w zakresie zintegrowanych kontrolerów napędów elektrycznych.
Ekosystem i wsparcie
Aby przyspieszyć proces projektowania urządzeń, Microchip oferuje kompleksowy ekosystem oprogramowania do sterowania silnikiem i sprzętowe narzędzia deweloperskie, w tym zestaw startowy dsPIC33CK (MCSK) oraz płytkę rozwojową MCLV-48V-300W. MPLAB motorBench Development Suite, bezpłatne narzędzie oparte na GUI do sterowania silnikami, pozwala na pomiar parametrów napędu, dostrajanie wzmocnienia pętli sprzężenia zwrotnego oraz generowanie kodu źródłowego. Wersja 2.45 wprowadza ponadto rozwiązania Zero-Speed/Maximum Torque (ZS/MT), maksymalizując moment obrotowy w systemach bezczujnikowych.
Microchip zapewnia również bezpłatne bloki urządzeń MPLAB do środowiska MATLAB Simulink, umożliwiając zoptymalizowane generowanie kodu na procesory dsPIC i inne mikrokontrolery Microchipa. Wciąż rozszerzane portfolio obejmuje gotowe do użycia projekty referencyjne, przeznaczone do sterowania silnikami w aplikacjach motoryzacyjnych, przemysłowych i konsumenckich.
Nowa seria dsPIC33A usprawnia rozwój systemów wbudowanych dzięki projektowaniu opartemu na modelach i architekturze zestawu instrukcji (ISA) zgodnej z istniejącymi układami dsPIC33 DSC. Integruje się z kompilatorem MPLAB XC-DSC i konfiguratorem kodu MPLAB, kompatybilnymi z zestawem ogólnego przeznaczenia dsPIC33A Curiosity Development Board (EV74H48A) i modułem dsPIC33AK128MC106 Motor Control DIM (EV68M17A).
Podsumowanie
Synergia nowoczesnych silników elektrycznych i wysokowydajnych mikrokontrolerów wyznacza nowe trendy rozwoju technologii napędowych. Microchip Technology Inc. jest na czele wyścigu, oferując innowacyjne rozwiązania zwiększające wydajność i promujące zrównoważony rozwój. Udoskonalenia w obszarze technologii półprzewodnikowej, algorytmów sterowania i integracji systemów zapowiadają nową erę precyzji i niezawodności w aplikacjach wymagających m.in. kontroli w czasie rzeczywistym czy cyfrowej konwersji energii.
Opracowano na podstawie: „Optimized Motor Control with Integrated Motor Driver and Real-Time Computing Power of dsPIC33A DSCs” (Pramit Nandy, Product Marketing Manager, Microchip Technology).
