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恩智浦MCX微控制器增強移動(dòng)機器人的電機控制能力

2024-06-24
作者:Altaf Hussain
來(lái)源:恩智浦

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  移動(dòng)機器人的卓越性能、平穩運動(dòng)和可靠運行離不開(kāi)高效精確的電機控制。機器人的自主性和復雜性不斷提高,非常需要能夠處理復雜電機控制和其他任務(wù)的高級微控制器。恩智浦新一代MCX微控制器產(chǎn)品組合具有先進(jìn)的外設,可幫助開(kāi)發(fā)人員優(yōu)化移動(dòng)機器人系統中的電機控制。

  FlexPWM模塊

  MCX A和N系列具有通用、高配置的增強型Flex脈寬調制器(eFlexPWM)模塊,可實(shí)現精確的電機控制,并提供廣泛的功能集,滿(mǎn)足移動(dòng)機器人應用的各種需求。除了驅動(dòng)電機的高級控制外,eFlexPWM模塊還可用于構建開(kāi)關(guān)式電源。

  eFlexPWM模塊的一個(gè)主要功能是支持中心對齊、邊沿對齊和非對稱(chēng)脈寬調制(PWM)。

  中心對齊PWM可保持相位對齊,并將無(wú)刷直流(BLDC)電機的電流波紋降至最低,這種電機因其高效率和扭矩密度而常用于移動(dòng)機器人領(lǐng)域。開(kāi)發(fā)人員采用中心對齊PWM,可以實(shí)現更平穩的電機運行,減少電磁干擾(EMI),并延長(cháng)電機繞組的使用壽命。

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  中心對齊PWM信號

  邊沿對齊PWM可簡(jiǎn)化占空比計算,并更輕松地控制H橋電路,在移動(dòng)機器人領(lǐng)域應用廣泛,可用于雙向電機控制、精確定位和速度調節。FlexPWM模塊簡(jiǎn)化了H橋電路必要控制信號的生成,降低了軟件復雜性,并提高了固件響應速度。

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  邊沿對齊PWM信號

  FlexPWM模塊還提供相移PWM,這對于涉及多相逆變器的移動(dòng)機器人應用來(lái)說(shuō)是一個(gè)有價(jià)值的功能。開(kāi)發(fā)人員對PWM信號進(jìn)行移相,可同時(shí)優(yōu)化多臺電機的供電,確保多自由度的系統(如機械臂或多輪平臺)實(shí)現平穩協(xié)調的運動(dòng)。

  FlexPWM模塊還具備強大的故障保護和自動(dòng)故障清除機制,確保系統安全可靠。一旦檢測到故障,該模塊會(huì )立即切斷PWM輸出,防止對電機繞組等敏感部件造成損害。故障排除后,該模塊可自動(dòng)清除故障狀態(tài),并恢復正常運行,最大限度地減少停機時(shí)間,增強整個(gè)系統的穩健性。

  正交解碼器(QDC)

  移動(dòng)機器人需要精確的位置和速度反饋,才能形成有效的閉環(huán)控制系統。MCX微控制器具有正交解碼器(QDC)模塊,這是一種專(zhuān)用外設,可簡(jiǎn)化正交編碼器信號的解碼過(guò)程,并提供可靠的位置和速度測量。

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  QEI

  正交編碼器生成兩個(gè)正交信號,即A相和B相,它們的相位相差90度。QDC模塊通過(guò)分析信號的順序和頻率確定電機軸的位置和旋轉方向。該模塊的高級功能,如干擾濾波和邊緣檢測,可確保解碼位置和速度數據的完整性與可靠性,即使在存在電氣噪聲或信號干擾的情況下也能保障。

  QDC模塊在計數器初始化方面具有靈活性,支持開(kāi)發(fā)人員根據特定事件或情況調整計數器的位置。例如,計數器可根據編碼器每轉一圈產(chǎn)生的索引脈沖進(jìn)行初始化。這一功能還簡(jiǎn)化了歸位例程和絕對定位的實(shí)施。此外,QDC模塊還支持根據外部傳感器或開(kāi)關(guān)觸發(fā)的歸位信號進(jìn)行初始化,從而實(shí)現移動(dòng)機器人系統的精確控制和校準。

  QDC模塊提供多種速度測量方法,可滿(mǎn)足不同的應用需求。開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)監測固定時(shí)間間隔內的位置變化、平衡分辨率和響應時(shí)間來(lái)計算電機速度。此外,該模塊還可以測量連續正交邊沿之間的累計時(shí)間,提供高分辨率速度測量,適合需要快速響應和精細控制的應用。

  AND/OR INVERT (AOI)模塊

  在優(yōu)化電機控制方面,MCX A系列中的AOI模塊與FlexPWM和QDC模塊相輔相成。AOI模塊支持開(kāi)發(fā)人員創(chuàng )建可編程組合布爾邏輯,根據特定輸入條件生成事件輸出。在MCX N系列微控制器中,兩個(gè)AOI模塊和一個(gè)可配置觸發(fā)器構成了事件生成器(EVTG)模塊。

  AOI模塊為電機控制提供了高效的解決方案,可以從主處理器分流事件檢測和觸發(fā)器生成任務(wù),從而減少固件開(kāi)銷(xiāo)并提高系統響應速度。通過(guò)配置AOI模塊來(lái)監測位置、速度或故障狀態(tài)等各種輸入信號,開(kāi)發(fā)人員可以創(chuàng )建自定義硬件觸發(fā)器,啟動(dòng)特定的電機控制操作,而無(wú)需持續的軟件干預。

  例如,AOI模塊能夠被設定,在滿(mǎn)足特定條件組合時(shí)生成觸發(fā)信號,例如當電機位置達到預定閾值且速度在一定范圍內時(shí)。然后,此觸發(fā)信號可用于自動(dòng)調整PWM占空比、更改電機換向序列或執行任何其他所需的電機控制操作。

  開(kāi)發(fā)人員可以利用AOI模塊的可編程邏輯,實(shí)施復雜的控制策略,對實(shí)時(shí)事件做出快速反應,提高整體性能和效率。AOI模塊非常靈活,支持根據每個(gè)應用的具體要求創(chuàng )建自定義觸發(fā)條件,使開(kāi)發(fā)人員能夠根據其機器人平臺的獨有特點(diǎn)優(yōu)化電機控制。

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  FRDM-MC-LVPMSM擴展板

  FRDM-MC-LVPMSM擴展板

  恩智浦提供的FRDM-MC-LVPMSM擴展板有助于電機控制應用的開(kāi)發(fā)和原型設計。FRDM板結合了軟硬件資源,可加速設計過(guò)程。它采用shield擴展板外形設計,可與恩智浦的Freedom開(kāi)發(fā)板平臺無(wú)縫集成。

  FRDM-MC-LVPMSM擴展板與恩智浦永磁電機控制參考軟件相結合,可提供完整的電機控制參考設計。該軟件套件包括一系列預配置電機控制算法、庫和示例項目,使開(kāi)發(fā)人員能夠針對其特定的移動(dòng)機器人應用快速實(shí)施和優(yōu)化電機控制系統。

  此擴展板采用低壓三相永磁同步電機(PMSM),由于其高效率、高扭矩密度和精確控制能力,廣泛用于移動(dòng)機器人領(lǐng)域。此外,該板還包括功率模塊、電流檢測電路和編碼器接口等基本組件,為電機控制開(kāi)發(fā)提供了完整的平臺。

  開(kāi)發(fā)人員利用FRDM-MC-LVPMSM擴展板和相關(guān)參考軟件,可以顯著(zhù)減少設計和驗證移動(dòng)機器人電機控制系統所需的時(shí)間和精力。該板與FRDM-MCX開(kāi)發(fā)平臺兼容,可實(shí)現無(wú)縫集成,使開(kāi)發(fā)人員能夠根據其特定應用要求選擇合適的微控制器。

  MCUXpresso Developer Experience (MCUXpresso開(kāi)發(fā)人員體驗)

  恩智浦提供了低成本的FRDM開(kāi)發(fā)平臺,可使用MCX快速進(jìn)行原型設計。FRDM開(kāi)發(fā)板具有標準規格和接頭,便于連接MCU的輸入/輸出端口,并內置了MCU-Link調試器,帶有USB-C線(xiàn)纜。

  恩智浦的GitHub 還允許訪(fǎng)問(wèn)應用示例,可以使用應用代碼中心門(mén)戶(hù) (ACH)訪(fǎng)問(wèn)這些示例。MCUXpresso IDE和MCUXpresso for VS Code內置了ACH瀏覽功能,開(kāi)發(fā)人員可以輕松搜索可用的演示和示例,并在直接加載項目使用之前按設備、應用技術(shù)或外設/功能進(jìn)行篩選。

  擴展板中心 (EBH)是NXP SDK Builder網(wǎng)站的擴展,開(kāi)發(fā)人員可以在其中找到恩智浦及其合作伙伴提供的一系列附加板,以擴展所選評估板的功能。 該中心提供直觀(guān)的篩選功能,可快速查找板卡和可用的支持軟件。開(kāi)發(fā)人員可以將他們的板與不同類(lèi)型的擴展板配對,以評估特定用例或應用程序并進(jìn)行快速原型設計。

  恩智浦全面的移動(dòng)機器人電機控制解決方案

  恩智浦的MCX微控制器產(chǎn)品組合代表了電機控制技術(shù)的重大進(jìn)步,提供了一整套外設,專(zhuān)用于優(yōu)化移動(dòng)機器人應用中的電機控制。FlexPWM模塊具有較高的靈活性和可靠性,支持精確電機控制,而正交解碼器(QDC)模塊則提供閉環(huán)控制系統所需的精確位置和速度反饋。AOI/EVTG模塊增加了一層可編程邏輯,使開(kāi)發(fā)人員能夠創(chuàng )建自定義硬件觸發(fā)器,并分流主處理器的事件檢測功能。




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