Как выбрать микроконтроллер с подходящей ШИМ под привод

Широтно-импульсный сигнал для привода формируется не любым таймером. Управление коллекторным двигателем, шаговым двигателем, бесколлекторным двигателем или преобразователем требует от микроконтроллера согласованных каналов с мёртвым временем, аппаратной защиты по сигналу аварии, синхронизации с измерением тока и достаточного разрешения на рабочей частоте. Если этих свойств нет, часть функций приходится реализовывать внешними схемами или отказываться от нужного алгоритма управления.

Ниже — какие параметры широтно-импульсного модуля определяют пригодность микроконтроллера, как считается разрешение на заданной частоте, что требуется под разные типы двигателей и что проверяется в описании. Позиции собраны в разделах микроконтроллеры и драйверы и ключи.

Какие параметры модуля определяют пригодность

• Число независимых каналов и число согласованных пар. Для трёхфазного моста нужны три пары с общим управлением, а не шесть независимых каналов.
• Аппаратное мёртвое время. Задержка между выключением одного ключа плеча и включением другого должна формироваться модулем, а не программой: программная реализация не даёт гарантии при прерываниях.
• Разрешение таймера и тактовая частота его источника. Произведение этих величин задаёт достижимое разрешение на рабочей частоте модуляции.
• Режимы счёта. Симметричный счёт вверх-вниз даёт выровненный по центру сигнал, который предпочтителен для приводов: спектр помех у него лучше, чем у сигнала с выравниванием по фронту.
• Аппаратный вход аварийного отключения. Сигнал от драйвера или от датчика тока должен отключать выходы напрямую, без участия программы.
• Синхронизация с аналого-цифровым преобразователем. Измерение тока выполняется в заданной точке периода; без аппаратного запуска преобразования по событию таймера измерение попадает в момент коммутации и содержит помеху.
• Состояние выходов при сбросе и при зависании. Выходы должны переходить в безопасное состояние, при котором ключи закрыты.
• Число двигателей на один контроллер. Два независимых трёхфазных привода требуют двух независимых модулей с собственными таймерами, а не разделения каналов одного модуля.

Как считается разрешение на заданной частоте

Разрешение — это число ступеней, на которые делится период. Оно получается делением тактовой частоты таймера на частоту модуляции.

• Берётся требуемая частота модуляции. Для коллекторных двигателей и нагревателей это единицы килогерц, для бесколлекторных двигателей — 16–20 кГц и выше, чтобы уйти из слышимого диапазона, для преобразователей питания — десятки и сотни килогерц.
• Тактовая частота таймера делится на частоту модуляции. При тактовой частоте 170 МГц и частоте модуляции 20 кГц получается 8 500 ступеней, то есть разрешение около 13 разрядов. При симметричном счёте число ступеней за период делится на два.
• Проверяется, достаточно ли этого разрешения. Для управления скоростью достаточно 8–9 разрядов, для управления током в контуре — 10–12, для точного управления мощностью в преобразователе — больше.
• Проверяется, сколько ступеней уходит на мёртвое время. При частоте 100 кГц и мёртвом времени, сравнимом с несколькими процентами периода, полезный диапазон заполнения сокращается заметно.
• Если разрешения не хватает, выбирается микроконтроллер с таймером на повышенной тактовой частоте или с режимом высокого разрешения, в котором шаг меньше периода тактового сигнала.

Стабильность частоты модуляции определяется источником тактового сигнала: внутренний генератор даёт разброс, который для приводов обычно допустим, но для синхронной работы нескольких узлов ставится внешний резонатор. Позиции собраны в разделах кварцевые резонаторы и генераторы.

Что требуется под разные типы двигателей

Что ставится вместе с микроконтроллером

• Драйверы затворов. Микроконтроллер не управляет силовыми ключами напрямую: между ними ставится драйвер, согласующий уровни и обеспечивающий ток перезаряда затвора. Позиции собраны в разделе драйверы и ключи.
• Силовые ключи. Подбираются по напряжению, току и сопротивлению открытого канала — полевые транзисторы MOSFET.
• Измерение тока. Шунт с усилителем или датчик тока, сигнал которого согласован со входом преобразователя. Усилители собраны в разделе усилители и компараторы.
• Развязка сигналов. Там, где силовая часть и управление имеют разные потенциалы, в цепь управления и в цепь обратной связи ставятся развязывающие элементы — оптопары.
• Защита входов и цепей управления. Импульсные помехи от коммутации силовой части подавляются на входах — защитные диоды TVS и ESD.
• Фильтрация питания контроллера. Силовая часть создаёт помеху в цепи питания, поэтому цифровое питание развязывается — ферритовые фильтры и локальные конденсаторы у выводов.
• Питание узла. Понижающие преобразователи и стабилизаторы собраны в разделах модули питания и DC/DC преобразователи.

Что проверяется в описании

• Число таймеров, пригодных для управления двигателем, и сколько из них имеют согласованные пары с мёртвым временем. Общее число таймеров в описании не отвечает на этот вопрос.
• Диапазон задания мёртвого времени и шаг его изменения.
• Тактовая частота, подводимая к таймеру, — она не всегда равна частоте ядра.
• Наличие режима высокого разрешения и его ограничения по частоте.
• Число входов аварийного отключения и их поведение: отключение по фронту, по уровню, с автоматическим или ручным восстановлением.
• Возможность запуска преобразования по событию таймера и число точек запуска за период.
• Время преобразования аналого-цифрового преобразователя и число каналов с одновременной выборкой: для трёх фаз одновременная выборка предпочтительна.
• Состояние выводов при сбросе, при срабатывании сторожевого таймера и при отладке — выходы не должны открывать ключи.
• Температурный диапазон исполнения и наличие промышленного варианта.

Частые вопросы

Можно ли управлять приводом без аппаратного мёртвого времени? Технически можно, но прерывание или задержка в программе приводит к одновременному открытию ключей плеча и выходу их из строя. Для мостовых схем аппаратное мёртвое время считается обязательным требованием.

Нужен ли отдельный сигнальный процессор для векторного управления? Для одного-двух приводов современный микроконтроллер с аппаратным делителем и блоком вычислений с плавающей точкой справляется. Отдельный процессор нужен при высокой частоте контура, большом числе осей или сложных алгоритмах оценки положения без датчика.

Чем ограничена частота модуляции сверху? Потерями на переключение силовых ключей и возможностями драйвера, а не микроконтроллером. Поднимая частоту, проверяют нагрев ключей и фактическую форму сигнала на затворе.

Что делать, если каналов не хватает на два привода? Варианты: взять исполнение с двумя независимыми модулями, вынести один привод на внешний драйвер с импульсным входом, разделить задачи между двумя микроконтроллерами. Разделение каналов одного модуля между приводами ограничивает независимость частот и фаз.

Что прислать для подбора? Тип и число двигателей, напряжение и ток, требуемую частоту модуляции и разрешение, алгоритм управления, наличие датчиков положения и тока, требования к аварийному отключению, температурный диапазон и предпочтительный корпус.

Что мы делаем

Считаем достижимое разрешение на вашей частоте модуляции, подбираем микроконтроллер по числу согласованных пар, мёртвому времени и синхронизации с измерением тока, комплектуем узел драйверами, ключами, датчиками тока и элементами развязки, проверяем промышленное исполнение по температуре, предлагаем замену снятым с производства позициям. Позиции — в разделах микроконтроллеры, драйверы и ключи, полевые транзисторы MOSFET и микросхемы.

Пришлите тип двигателя, напряжение, ток и частоту модуляции на micro@tkasiatorg.ru — подберём микроконтроллер и обвязку силовой части, проверим разрешение по расчёту и назовём сроки поставки.