Проектирование и изготовление печатных плат для контроллеров сервоприводов и бесщеточных двигателей постоянного тока.

Платы управления сервоприводами и бесщеточными двигателями постоянного тока представляют собой платы драйверов двигателей с высокоточным замкнутым контуром управления. В то время как базовые драйверы двигателей генерируют фазные токи в ответ на команды, контроллеры сервоприводов и бесщеточных двигателей постоянного тока замыкают контуры тока, скорости и положения, обеспечивая точное управление движением, определяющее производительность робота в приложениях, где качество движения имеет значение. На этой странице рассматриваются вопросы проектирования и изготовления плат управления сервоприводами и бесщеточными двигателями постоянного тока: интерфейсы энкодеров, измерение тока, реализация контура управления и протоколы связи, которые интегрированы в эти платы.

Современные робототехнические приложения все чаще требуют управления движением сервоприводами. Коллаборативным роботам необходимо управление крутящим моментом для безопасного взаимодействия с человеком; промышленным манипуляторам требуется скоординированное многоосевое движение; человекоподобным роботам необходимо высокоскоростное управление суставами множества приводов одновременно. Платы управления сервоприводами обеспечивают такую ​​точность, а качество их конструкции и изготовления напрямую определяет, будет ли движение робота плавным и надежным или прерывистым и ненадежным.

Чем отличаются контроллеры сервоприводов и бесщеточных двигателей постоянного тока от обычных драйверов двигателей?

Сервоуправление повышает точность измерений мощности привода двигателя.

Базовый драйвер двигателя может коммутировать ток; контроллер сервопривода или бесщеточного двигателя постоянного тока должен измерять положение и ток с достаточной точностью, чтобы замыкать стабильные контуры. Качество энкодера, время выборки, компоновка датчика тока, задержка процессора и дрожание связи — все это влияет на качество движения.

Платы управления сервоприводами и бесщеточными двигателями постоянного тока представляют собой платы драйверов двигателей с добавленными высокоточными контурами управления. В то время как обычный драйвер двигателя генерирует фазные токи в ответ на команды, контроллер сервопривода или бесщеточного двигателя постоянного тока замыкает несколько контуров управления — ток, скорость, положение — и обеспечивает точное управление движением. Это различие существенно влияет как на электронику, так и на программное обеспечение. Что делает контроллеры сервоприводов и бесщеточных двигателей постоянного тока особенно сложными в использовании:

• Замкнутое управление: Контуры тока, скорости и положения работают с частотой от килогерц до десятков килогерц. Производительность контура зависит от точности измерений и вычислительной задержки.
• Интерфейс кодировщика: Обратная связь по положению от оптических, магнитных или резольверных энкодеров. Пропускная способность и разрешение интерфейса влияют на производительность сервопривода.
• Управление, ориентированное на поле: Алгоритмы FOC разлагают фазные токи на составляющие, создающие крутящий момент и поле. Требует точного положения ротора и прецизионного измерения тока.
• Контроль крутящего момента: Передача крутящего момента по замкнутому контуру посредством управления током. Обеспечивает податливое движение, измерение силы на исполнительном механизме и применение в системах, связанных с безопасностью.
• Протокол связи: Промышленные протоколы (EtherCAT, CANopen, PROFINET) для скоординированного многоосевого движения. Задержка и дрожание влияют на качество скоординированного движения.

Современное сервоуправление выигрывает от вычислительных возможностей, которые предоставляют новейшие семейства микроконтроллеров и цифровых сигнальных процессоров. Десять лет назад работа с FOC на частоте 20 кГц была сложной задачей; сегодня же компоненты справляются с ней без проблем, оставляя при этом вычислительный запас для функций управления, связи и диагностики. Программы, использующие компоненты текущего поколения, получают выгоду от этого запаса; программы, использующие более старые компоненты, иногда излишне борются с вычислительными ограничениями.

Архитектура контура управления имеет такое же значение, как и вычислительные возможности. Многоскоростные каскадные контуры — внутренний ток на частоте 20 кГц, скорость на частоте 4 кГц, положение на частоте 1 кГц — обеспечивают лучшую производительность, чем односкоростные реализации, при тех же вычислительных затратах. В конструкциях сервоконтроллеров, которые хорошо используют возможности современных микроконтроллеров, как правило, применяются многоскоростные архитектуры; конструкции, использующие более старые односкоростные архитектуры, иногда показывают худшие результаты по сравнению с тем, что может обеспечить оборудование.

Интерфейсы энкодера: оптический, магнитный, резольверный, бессенсорный.

Выбор интерфейса кодировщика влияет на поведение при запуске и полосу пропускания управления.

Инкрементальные, абсолютные, магнитные, оптические, резольверные и бессенсорные методы различаются по разрешению, помехоустойчивости, надежности запуска, чувствительности кабеля и стоимости. Печатная плата должна обеспечивать электрическую и механическую поддержку выбранного метода обратной связи, а не рассматривать энкодер как обычный разъем.

Интерфейс энкодера — это место, где сервоконтроллеры интегрируют обратную связь по положению. Тип энкодера, разрешение и протокол интерфейса влияют на эффективность управления. Основные категории энкодеров:

• Оптическая инкрементальная: Схема считывания данных с оптического диска с помощью фотодиодной матрицы. Высокое разрешение; для определения абсолютного положения при запуске требуется импульс индексации.
• Оптический абсолют: Закодированный шаблон считывается непосредственно как абсолютное положение. Более высокая стоимость по сравнению с инкрементальным методом, но более быстрый запуск и более безопасная работа после отключения питания.
• магнитно: Датчики Холла или магниторезистивные датчики считывают магнитный рисунок. Более низкая стоимость по сравнению с оптическими; достаточное разрешение для большинства применений.
• Резольвер: Синусоидальные/косинусоидальные выходные сигналы от вращающегося трансформатора. Высокая надежность в суровых условиях эксплуатации; требуется преобразование резольвера в цифровой сигнал.
• Бессенсорный: Оценка положения ротора по напряжениям и токам на клеммах двигателя. Экономия средств по сравнению с энкодером, но ограниченная производительность на низких скоростях.

Электроника интерполяции в аналоговых энкодерах обеспечивает дополнительное разрешение, выходящее за рамки физических меток энкодера. Энкодер на 2000 линий с 4-кратной интерполяцией обеспечивает 8000 отсчетов на оборот; с 256-кратной интерполяцией — более 500 000 отсчетов. Качество интерполяции — уровень шума, линейность, температурная стабильность — напрямую влияет на работу сервопривода и требует тщательной разработки аналоговой схемы.

Системы с абсолютным энкодером исключают последовательность позиционирования, необходимую для инкрементальных энкодеров после включения питания. Они являются стандартным решением для высокопроизводительных сервоприводов и приложений, где важна задержка при запуске. Дополнительные затраты на абсолютные энкодеры часто компенсируются упрощением приложений и более быстрым развертыванием.

Разрешение энкодера должно соответствовать точности, фактически необходимой приложению. Завышение разрешения энкодера приводит к потере возможностей, которые контуры управления не могут использовать; занижение ограничивает достижимую точность. Программы, которые подбирают разрешение энкодера в соответствии с требованиями приложения, платят только за используемую точность.

Измерение тока для управления крутящим моментом

Измерение тока является основой управления крутящим моментом.

Для управления моментом в контурах FOC и сервопривода необходимы точные измерения фазного тока с низкой задержкой. Расположение шунта, диапазон синфазного сигнала усилителя, фильтрация, синхронизация АЦП, полоса пропускания датчика Холла и температурный дрейф определяют, сможет ли контроллер обеспечить плавное изменение момента.

Измерение тока в сервоконтроллерах напрямую влияет на эффективность управления крутящим моментом. Точность датчика, полоса пропускания и уровень шума в совокупности определяют достижимую полосу пропускания контура управления крутящим моментом. Основные варианты измерения тока:

• Шунт на стороне низкого давления: Самый дешевый и простой вариант. Измерение относительно земли; требуется восстановление тока шины из состояния переключения.
• Синфазный шунт: Прямое измерение фазного тока. Стандарт для управления FOC. Требует изолированного усилителя или преобразователя уровня.
• Эффект Холла: Изолированное измерение тока без шунта. Более высокая стоимость, но отсутствие рассеивания энергии и полная изоляция.
• Флюксгейт: Высокоточное изолированное измерение тока для самых требовательных применений. Более высокая стоимость; специализированные приложения.
• Катушка Роговского: Высокоскоростное измерение переменного тока; обычно используется в приложениях с высокими токами или высокими частотами.

Точность измерения напрямую влияет на точность управления крутящим моментом сервопривода. Погрешность измерения тока в 1% приводит к погрешности крутящего момента не менее 1% при низких значениях крутящего момента, где погрешность составляет значительную долю от заданного значения. Программы, ориентированные на точное управление силой или крутящим моментом, инвестируют в высокоточные датчики; программы, где достаточно приблизительного измерения крутящего момента, могут использовать более дешевые датчики.

Температурный дрейф в датчиках тока является особой проблемой для сервоприводов, работающих в широком диапазоне температур. Поведение при холодном пуске, при прогреве и в установившемся тепловом режиме различаются; программы, которые характеризуют дрейф и компенсируют его, обеспечивают точность во всех рабочих условиях.

Реализация контура управления: DSP, MCU, FPGA, SoC

Архитектуру управления следует выбирать с учетом частоты обратной связи и детерминированного временного регулирования.

Решения на основе микроконтроллеров (MCU), цифровых сигнальных процессоров (DSP), программируемых логических интегральных схем (FPGA) и систем на кристалле (SoC) могут работать, но каждое из них по-разному обрабатывает задержку, синхронизацию прерываний, генерацию ШИМ, синхронизацию АЦП и обмен данными. Печатная плата должна предоставлять ресурсы синхронизации, необходимые архитектуре встроенного программного обеспечения.

Реализация контура управления осуществляется на процессоре сервоконтроллера. Скорость контура, детерминированность вычислений и задержка прерывания в совокупности определяют эффективность управления. Основные категории процессоров:

• Цифровой сигнальный процессор или специализированный микроконтроллер: Процессор с фиксированной или плавающей запятой и выделенными периферийными устройствами для управления двигателями. Стандартная частота циклов — до десятков килогерц.
• Микроконтроллер с аппаратным ускорением: Универсальный микроконтроллер с блоками управления FOC или аппаратными блоками управления двигателем. Упрощает программное обеспечение, сохраняя при этом производительность контура управления.
• FPGA + MCU: FPGA для внутренних контуров; MCU для управления. Максимальная частота выполнения контуров и детерминированное время.
• SoC + FPGA: Интегрированные вычислительные компоненты для ресурсоемких приложений. Часто используются в высокопроизводительных сервоприводах, где как связь, так и управление требуют высокой производительности.

Выбор процессора также влияет на долгосрочную доступность. Сервоконтроллеры со сроком службы 10 лет требуют, чтобы процессор оставался доступным для замены деталей в течение всего этого периода. Семейства процессоров промышленного класса с определенными обязательствами по долгосрочной доступности обеспечивают работоспособность; детали потребительского класса с более коротким сроком службы создают проблемы с обслуживанием в дальнейшем.

Наряду с чисто аппаратными возможностями, важны также инструментарий разработки и программная поддержка. Процессор с развитыми библиотеками управления, документированными примерами кода и активной поддержкой от поставщика обеспечивает более быструю разработку, чем процессор с мощным оборудованием, но ограниченной программной экосистемой. При выборе процессора программы балансируют аппаратные возможности и программную поддержку.

Протоколы связи: EtherCAT, CANopen, PROFINET, Sercos

Выбор сетевого протокола влияет на многоосевую синхронизацию.

EtherCAT, CANopen, PROFINET, Sercos, RS-485 и пользовательские каналы связи различаются по пропускной способности, дрожанию сигнала, топологии, диагностике и поддержке промышленной экосистемы. Плата контроллера должна обеспечивать контроль импеданса, изоляцию, защиту от электростатического разряда, выбор разъемов и согласование тактовой частоты с выбранной сетью.

Протоколы связи для скоординированного движения передают данные между сервоконтроллерами и системами управления движением более высокого уровня. Требования к задержке, дрожанию сигнала и пропускной способности различаются в зависимости от протокола. Основные протоколы:

• ЭтерКАТ: Промышленный Ethernet с распределенной синхронизацией часов. Очень низкая задержка и дрожание сигнала; стандарт для высокопроизводительных многоосевых систем управления движением.
• CANopen: Протокол управления движением на основе CAN. Подходит для умеренной производительности; широко используется в промышленных приложениях.
• ПРОФИНЕТ: Промышленный протокол на основе Ethernet. Стандартный для некоторого оборудования; менее распространен в робототехнике, чем EtherCAT.
• Серкос: Высокопроизводительный протокол управления движением. Широко используется в станках и сложных системах управления движением.
• Собственный: Протоколы, специфичные для каждого поставщика. Сохранение интеграции, но ограничение проектирования систем с использованием продукции разных производителей.

Многоосевая координация на сложных роботах зависит от протокола связи между сервоконтроллерами и контроллером движения. Распределенная синхронизация часов в EtherCAT обеспечивает координацию с точностью до долей микросекунды по многим осям; более простые протоколы с меньшей синхронизацией обеспечивают менее точную координацию. Программы выбирают протокол, соответствующий требуемой точности координации.

Выбор протокола связи также влияет на кабельную и соединительную инфраструктуру. В EtherCAT используются стандартные промышленные разъемы RJ45 или M12 на стандартных кабелях; для специализированных протоколов могут потребоваться фирменные кабели. Выбор инфраструктуры влияет как на стоимость, так и на удобство обслуживания в полевых условиях.

Компоновка и терморегулирование сервоконтроллеров

В компоновке необходимо изолировать переключение питания от цепей обратной связи и синхронизации.

Платы сервоприводов объединяют в себе токи инвертора, сигналы энкодера, усилители тока, опорные напряжения АЦП, источники тактовой частоты и средства промышленной связи. Грамотная компоновка изолирует сильноточные коммутационные процессы от измерений и синхронизации, обеспечивает чистые опорные напряжения и предсказуемый путь отвода тепла от платы.

Компоновка и терморегулирование сервоконтроллеров сочетают в себе требования драйверов двигателей с дополнительными ограничениями высокоскоростной управляющей электроники. Основные соображения:

• Изоляция силового каскада: Физическое разделение силового каскада и управляющей электроники снижает шумовую связь. Размещение компонентов учитывает это разделение.
• Маршрутизация линий связи: Сигналы измерения тока передаются в виде дифференциальных пар или экранированных дорожек. Каждый микровольт наводки ухудшает контроль крутящего момента.
• Изоляция кодировщика: Сигналы энкодера изолированы от шума силового каскада. В некоторых случаях, для наиболее требовательных применений, используется оптическая изоляция.
• Управление температурным режимом: Аналогично базовым драйверам двигателей, но с дополнительным рассеиванием тепла за счет управляющей электроники. Иногда полезно использовать отдельные тепловые пути для силового каскада и управления.
• Соответствие ЭМС: Более строгие требования, поскольку контроллер не должен вмешиваться в собственные измерения энкодера или систему обнаружения неисправностей.

Разделение силового каскада и управляющей электроники на зоны — вот где сервоконтроллеры либо преуспевают, либо создают помехи в работе. Программы, которые планируют разделение на начальном этапе компоновки — размещая компоненты в выделенных зонах с четкими пересечениями — создают контроллеры, работающие надежно; программы, которые распределяют компоненты по разным зонам, обычно борются с шумовой связью, которую невозможно полностью устранить с помощью фильтрации.

Постпроектное моделирование SI и PI высокопроизводительных сервоконтроллеров позволяет выявить проблемы, которые в противном случае проявились бы на этапе прототипирования. Инструменты проектирования поддерживают это моделирование для распространенных топологий процессоров и интерфейсов; программы, которые тратят время на моделирование, получают работающие прототипы, а не прототипы, требующие доработки.

Требования к изготовлению, калибровке и тестированию печатных плат сервоконтроллеров

Калибровка в процессе производства должна фиксировать данные, фактически используемые контуром управления.

При производстве сервоконтроллеров может потребоваться выравнивание энкодера, проверка порядка фаз, калибровка смещения датчика тока и коэффициента усиления, регистрация версий микропрограммного обеспечения, программирование сетевой идентификации и функциональное тестирование двигателя под нагрузкой. Фиксация этих значений для каждого устройства значительно ускоряет последующую отладку и обслуживание.

Компания Highleap производит контроллеры сервоприводов и бесщеточных двигателей постоянного тока, используя специфические технологические процессы, необходимые для изготовления плат. Это включает в себя: изготовление силового каскада с использованием толстой медной проволоки, контроль импеданса для энкодера и интерфейсов связи, а также функциональное тестирование с использованием предоставленной заказчиком нагрузки двигателя. К числу таких возможностей относятся:

• Толстый слой меди плюс контролируемое сопротивление: Смешанная архитектура, поддерживающая как силовой каскад, так и высокоскоростную связь.
• SMT с малым шагом выводов: для компактных современных семейств микроконтроллеров и цифровых сигнальных процессоров, используемых в сервоконтроллерах.
• Сборка для гибридного контента: Интеграция SMT, сквозного монтажа и разъемов. Стандартная технология при производстве сервоконтроллеров.
• Тест интерфейса кодировщика: Функциональная проверка интерфейсов энкодера в ходе производственного тестирования.
• Тест протокола связи: Тестирование протоколов EtherCAT, CANopen или других коммуникационных протоколов с обратной связью или в партнерской сети.
• Документация: Протоколы испытаний каждого блока, включая данные калибровки коммутации двигателя, где это необходимо.

Компания Highleap производит контроллеры для широкого спектра применений: от промышленного управления движением и прецизионной робототехники до специализированных аэрокосмических приложений. Такое разнообразие означает, что производственный процесс учитывает специфические требования каждой категории приложений — долговременная стабильность для аэрокосмической отрасли, точная коммутация для робототехники, надежная электромагнитная совместимость для промышленности. Программы получают выгоду от накопленных возможностей, вместо того чтобы разрабатывать их с нуля.

Специфика производственного процесса включает в себя не только изготовление плат, но и калибровку и ввод в эксплуатацию сервоприводов. Калибровка коммутации двигателя для каждого отдельного устройства во время производственных испытаний, проверка выравнивания энкодера и тестирование под эталонной нагрузкой в ​​совокупности позволяют получить платы, которые будут корректно работать к моменту получения заказчиком, вместо того чтобы требовать обширных работ по вводу в эксплуатацию со стороны заказчика.

Часто задаваемые вопросы о печатных платах контроллеров сервоприводов и бесщеточных двигателей постоянного тока

Что такое печатная плата контроллера сервопривода и бесщеточного двигателя постоянного тока?

Плата управления сервоприводом и бесщеточным двигателем постоянного тока (BLDC) представляет собой плату управления двигателем, которая замыкает контуры тока, скорости и положения для обеспечения точного перемещения. Она объединяет в себе инверторный привод, датчик тока, обратную связь энкодера, обработку в реальном времени, связь и защиту.

Чем сервоконтроллер отличается от обычного драйвера двигателя?

Базовый драйвер переключает ток в зависимости от команд. Сервоконтроллер измеряет ток и положение, выполняет алгоритмы управления, такие как FOC, управляет обратной связью и передает скоординированные команды движения с низкой задержкой.

Что такое FOC в управлении бесщеточными двигателями постоянного тока?

Управление с ориентацией на поле (FOC) позволяет управлять током двигателя во вращающейся системе координат, что дает возможность независимо регулировать крутящий момент и магнитный поток. Для этого необходимы точное положение ротора, синхронизированная выборка тока и быстрая обработка данных в контуре управления.

Какие типы энкодеров используются с платами сервоконтроллеров?

К распространенным вариантам обратной связи относятся инкрементальные оптические энкодеры, абсолютные энкодеры, магнитные энкодеры, резольверы, датчики Холла, синусоидальные/косинусоидальные энкодеры и бессенсорное оценивание. Наилучший выбор зависит от точности, характеристик при запуске, условий эксплуатации и стоимости.

Какие протоколы связи являются распространенными для сервоконтроллеров?

К распространенным протоколам относятся EtherCAT, CANopen, PROFINET, Sercos, RS-485, UART, SPI, а также пользовательские детерминированные каналы связи. Промышленные многоосевые роботы часто отдают приоритет низкому уровню дрожания и синхронизации.

Почему измерение тока важно для сервоконтроллеров?

Точность измерения крутящего момента определяется измерением тока. Шум, дрейф смещения, задержка выборки и некачественная компоновка шунта могут дестабилизировать контуры управления или создавать пульсации крутящего момента. В сервоприводных платах измерение тока должно быть выполнено в виде высокоточной аналоговой функции.

Какие принципы компоновки важны для печатных плат контроллеров сервоприводов и бесщеточных двигателей постоянного тока?

Важные аспекты включают в себя разделение силовых импульсов и обратной связи, узкие токовые контуры, чистые опорные сигналы АЦП, трассировку дифференциальных энкодеров, контролируемое сопротивление сетей, изоляцию там, где это необходимо, и тепловые пути для силовых компонентов.

Какие тесты важны для производства сервоконтроллеров?

В число проверок могут входить: включение питания, программирование микропрограммы, проверка интерфейса энкодера, калибровка датчика тока, проверка порядка фаз, программирование идентификаторов сети, проверка связи, измерение температуры и функциональная проверка двигателя под нагрузкой.