lunedì, Giugno 14, 2021
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Microcontrollori Microchip per il controllo dei motori elettrici

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Componenti a 32 bit della serie PIC32CM e PIC32MK.

Famiglia di microcontrollori PIC32CM, serie MC

L’ampio portafoglio di microcontrollori PIC a 32 bit è suddiviso in diverse famiglie, ciascuna si distingue da una serie di caratteristiche specifiche. La più recente è la famiglia PIC32CM “MC”, dove “MC” indica “motor control”.

Destinati al controllo del funzionamento dei motori, poiché sono dedicati a questo tipo di applicazioni. Questi componenti a 32-bit sono realizzati sfruttando l’architettura ARM Cortex- M0+.

Possono essere gestiti con un segnale di clock con frequenza fino a 48 MHz, dispongono di memoria Flash integrata (fino a 128 KB) e 16 KB di SRAM.

La tensione operativa varia nell’intervallo da 2,7V a 5,5V DC. Questo intervallo consente la loro applicazione in semplici circuiti alimentati a batteria, ad esempio, singole celle ai polimeri di litio (LiPo) o agli ioni di litio (Li-Ion). Inoltre, in questo modo sono stati preliminarmente protetti contro le fluttuazioni di tensione che accompagnano l’alimentazione dei motori elettrici. Sono stati progettati anche per assicurare la resistenza alle interferenze elettromagnetiche (EMC).

Nei circuiti della serie PIC32CM “MC” troveremo una serie di soluzioni per facilitare il controllo dei motori. Il primo è il circuito PDEC (Positional Decoder) integrato, ossia un circuito attraverso il quale il microcontrollore ottiene informazioni sulla posizione attuale del rotore. Ciò consente un controllo preciso ed ergonomico dell’azionamento: l’alimentazione dei successivi avvolgimenti del motore avviene all’angolo di rotazione ottimale del commutatore. Il progettista ottiene così il pieno controllo del funzionamento del motore, anche in presenza di carichi pesanti, quando la gestione solo tramite segnale PWM potrebbe non essere sufficiente.

Controllo del funzionamento dei motori mediante microcontrollori PIC32CM

Il programma di controllo dell’azionamento si basa il più delle volte su istruzioni condizionali. La direzione e la velocità di rotazione del motore dipendono dai dati sullo stato del dispositivo.

Il microcontroller può ottenere queste informazioni utilizzando semplici segnali binari, provenienti ad esempio dai finecorsa.

Tuttavia sempre più frequentemente ci troviamo a dover affrontare situazioni in cui i dati provengono da accelerometri, sensori ottici o sensori di campo magnetico, ecc. La comunicazione con questi circuiti richiede in genere l’implementazione nel programma almeno di un protocollo (ad esempio, SPI o I2C).

Con l’aumentare del numero di periferiche, nonché della complessità dell’intero circuito, i progettisti spesso si trovano a dover fare i conti con risorse hardware limitate del microcontroller. Ad esempio, i suoi timer (contatori) possono essere utilizzati per generare interrupt, così come essere utilizzati da varie librerie per gestire protocolli di comunicazione, mentre sono necessari per controllare i motori.

A volte capita che persino i soli processi di acquisizione, elaborazione e trasmissione dei dati influiscano sul numero massimo di dispositivi controllati e impongano l’uso di multiplexer e driver esterni aggiuntivi.

I microcontrollori della famiglia PIC32CM “MC” dispongono di una serie di soluzioni che semplificano la progettazione di sistemi di controllo complessi, riducendo al minimo il numero di componenti esterni.

Il controllo dei motori in questi circuiti sistemi viene effettuato tramite timer e contatori (TTC) dedicati e integrati. Questi funzionano indipendentemente dalle altre periferiche del microcontroller, in modo che i segnali di controllo siano precisi e non disturbati dalle attività collaterali realizzate dal programma.

I sistemi PIC32 MC inoltre dispongono di quattro moduli di comunicazione seriale hardware (SERCOM), che possono essere configurati per la trasmissione dei dati tramite interfacce USART, SPI, I2C, RS485 o LIN, ossia gli standard più comuni utilizzati nei sistemi embedded industriali.

Il bus dati a 12-bit dedicato, dotato di modulo CRC (che consente di ridurre al minimo gli errori di comunicazione), consente lo scambio di dati tra la memoria del microcontroller e le periferiche, bypassandone il core, grazie al meccanismo di accesso diretto alla memoria (DMA, Direct Memory Access). Questa soluzione non causa ritardi nell’esecuzione del programma.

Programmazione dei microcontroller mediante i software MPLAB X e Harmony

La programmazione di applicazioni per i microcontrollori PIC32 avviene nell’ambiente MPLAB X. Sin tratta di una soluzione integrata, che consente di sfruttare appieno le possibilità dei circuiti Microchip.

Come soluzione proprietaria del produttore, il software MPLAB X consente l’utilizzo dello stesso codice su diverse piattaforme hardware di questo produttore (purché abbiano funzionalità compatibili), per una facile migrazione tra diverse famiglie di microcontroller in ogni fase della progettazione dell’applicazione.

L’interfaccia intuitiva offre agli sviluppatori accesso a tutte le informazioni sul microcontroller programmato e sulle operazioni che questo esegue. La overlay MPLAB Harmony contiene oltre 1.000 programmi esemplificativi gratuiti, nonché numerose librerie che assicurano un’eccellente base per l’apprendimento, oltre ad un aiuto nello sviluppo del progetto. Maggiori dettagli sul contenuto e sulle funzionalità dell’ambiente MPLAB X / Harmony saranno presentati di seguito, nel contesto della famiglia PIC32MK.

Microcontroller della famiglia PIC32MK GPG e MCM

Nei progetti più impegnativi in cui la gestione del motore è solo una delle tante funzioni eseguite dal microcontroller, i sistemi PIC32MK più avanzati possono essere la soluzione appropriata.

Questi ultimi comprendono ad esempio, le serie “GPG” e “MCM”. Si tratta di prodotti strettamente correlati, che condividono la maggior parte delle caratteristiche.

Le differenze non sono grandi, ma in alcune applicazioni possono rivelarsi cruciali. Nella serie “MCM” la memoria Flash ha un volume massimo di 1 MB (512kb per la serie “GPG”), in questi controller è stato previsto un ciclo di sincronizzazione di fase aggiuntivo per l’interfaccia USB, il numero di ingressi analogici è stato aumentato a 42 e sono stati utilizzati 6 (invece di 2) moduli di comunicazione SPI/I2C. Poiché le caratteristiche delle due serie non sono così diverse, di seguito daremo un’occhiata all’intera famiglia PIC32MK.

I microcontrollori PIC32MK delle serie “GPG” e “MCM” sono costruiti sfruttando l’architettura MIPS32 e sono equipaggiati con un impressionante set di funzionalità.

I sistemi consentono il controllo di motori DC con l’utilizzo di segnali PWM (in 9 o 12 coppie), ma anche il funzionamento con azionamenti brushless in corrente continua (BLDC) e persino la loro variante in corrente alternata, ossia PMSM (a volte chiamati BLAC), con l’utilizzo di algoritmi che non sfruttano sensori di posizione esterni.

I circuiti assicurano il supporto hardware per l’elaborazione a virgola mobile (coprocessore matematico), offrono sette convertitori ADC a 12-bit con una frequenza di campionamento di 3,75 Msps multiplexati su 30 o 42 canali e dispongono di otto canali con accesso diretto alla memoria DMA.

A bordo dei microcontroller sono stati inserite dozzine di periferiche degne di nota, tra cui: orologio in tempo reale (RTC), fino a otto timer/contatori con una risoluzione di 32 bit, tre convertitori D/A (DAC) a 12 bit, 4 amplificatori operativi e 5 comparatori.

PIC32MK GPG
PIC32MK GPG

PIC32MK MCM
PIC32MK MCM

Display e interfaccia utente tattile della serie PIC32

Utilizzando i microcontroller del marchio Microchip, il progettista ottiene una vasta gamma di funzionalità dell’interfaccia utente: i controller sono dotati di una porta parallela (PMP) per supportare display a cristalli liquidi (LCD), nonché di un convertitore CVD integrato, grazie al quale i microcontrollori possono fungere da controller per tastiera touch a matrice, realizzata nella tecnologia capacitiva.

Nel progetto del controller è stato previsto il supporto di un massimo di sei canali I2S, ossia del protocollo che realizza la trasmissione ai trasduttori di suono senza la perdita di campioni PCM. Inoltre, tutti i pin I/O possono essere utilizzati per generare interrupt, rendendo in questo modo il controller PIC32MK ideale come unità di controllo anche nel caso di sistemi complessi.

Vale la pena notare qui che cinque uscite possono essere programmate per triggerare un interrupt in caso di superamento di una determinata tensione, che facilita ad esempio l’integrazione del microcontroller all’interno di sensori analogici.

Sebbene il microcontroller sia alimentato con tensioni nell’intervallo da 2,3V a 3,6V DC, le porte GPIO tollerano tensioni fino a 5V DC.

Certificazione e librerie per dispositivi IoT sicuri

Come nel caso della serie descritta in precedenza, l’ambiente di programmazione dei circuiti PIC32MK è MPLAB X con overlay Harmony.

Le librerie messe a disposizione dal produttore offrono una vasta gamma di possibilità. A seconda delle esigenze, l’utente può usufruire del supporto dello stack TCP/IP, comunicazione USB e della tecnologia mTouch (creazione di pulsanti touch, barre di scorrimento e così via).

Ai progettisti di dispositivi di consumo viene offerta l’opportunità di creare applicazioni audio basate sullo standard Bluetooth all’intero di sistemi operativi Android o MFi (Apple).

Tra i programmi dimostrativi messi a disposizione dal produttore, vi è anche un esempio di utilizzo della libreria wolfSSL.

Si tratta di una delle soluzioni più popolari in termini di sicurezza delle comunicazioni per i dispositivi IoT: consente la trasmissione di dati crittografati tramite protocolli SSL e TLS 1.3. Sarà particolarmente importante per i progettisti che costruiscono dispositivi mobili a banda larga basati su PIC32MK.

Volendo rimanere in tema di elettronica di consumo e sicurezza, deve essere affrontato anche il problema della biblioteca Class-B Safety.

Si tratta di una serie di procedure di basso livello sviluppate dal produttore, che consente ai dispositivi basati su microcontroller PIC32 di soddisfare gli standard di sicurezza IEC 60335 e IEC 607030.

Questi requisiti si applicano non solo ai dispositivi di consumo, ma anche agli accessori utilizzati dai professionisti. La certificazione IEC 60730 è diventata obbligatoria per ogni prodotto venduto in Europa. Tuttavia questa non costituirà un ostacolo per i produttori che utilizzano soluzioni del marchio Microchip. Poiché la libreria Class-B Safety è stata testata su tutte le piattaforme del fornitore, le applicazioni create sfruttando questa soluzione non devono essere sottoposte a test aggiuntivi, ciò riduce significativamente il tempo di introduzione sul mercato. Inoltre l’azienda Microchip offre supporto professionale a tutti gli ingegneri interessati ad utilizzare la libreria Class-B Safety nei propri progetti.

Vale anche la pena ricordare che i microcontroller PIC32MK supportano la tecnologia microMIPS. In base ai presupposti di questa soluzione, la maggior parte delle funzioni del processore a 32 bit sono disponibili dal livello delle istruzioni a 16-bit; ciò consente la compressione del codice, riducendone il volume fino al 25%.

Prototipazione con microcontrollori PIC32CM e PIC32MK

Nell’offerta della TME sono stati inseriti anche i kit di sviluppo PIC32. Per ogni progettista queste saranno eccellenti piattaforme per l’esecuzione di test, lo sviluppo e il miglioramento dei dispositivi. Consentono l’accesso a tutte le funzioni dei microcontroller in questione, nonché aiutano a pianificare la progettazione del dispositivo di destinazione.

Innanzitutto, diamo un’occhiata alle soluzioni con l’impiego dei controller PIC32CM.

Scheda Curiosity Nano – come iniziare il ad utilizzare il microcontroller PIC32?

Questo piccolo kit di sviluppo compatto che entra in una mano, consente l’accesso alla maggior parte delle funzionalità del PIC32CM. E allo stesso tempo presenta un prezzo competitivo e non necessita di dispositivi aggiuntivi per la sua programmazione (poiché dispone di un programmatore/debugger integrato). Certamente questo prodotto dovrebbe essere interessare tutti coloro che stanno iniziando ad utilizzare i circuiti PIC32 e desiderano ampliare le proprie conoscenze nel campo dei microcontroller all’avanguardia.

La scheda con simbolo EV10N93A è dotata di un circuito PIC32CM1216MC00032, i cui pin GPIO sono stati installati su scheda PCB (per la saldatura di connettori goldpin, o per il montaggio su scheda come componente saldato su PCB a causa della presenza di connettori slot), di una presa Micro USB per l’alimentazione e la programmazione del circuito, un pulsante singolo e LED che segnala lo stato del dispositivo. Il kit è completamente supportato nell’ambiente MPLAB X.

Kit PIC32CM Curiosity Pro (EV15N46A)

Un altro kit è dotato di microcontroller PIC32CM1216MC00048. Presenta tutte le caratteristiche del kit Nano, tuttavia nel caso dell’EV15N46A, l’utente riceve pulsanti aggiuntivi e l’uscita di tutti i pin del microcontroller su diversi connettori goldpin (separatamente per GPIO, segnali di comando, così come per i convertitori A/D e D/A), una porta separata per il programmatore/debugger con interfaccia SWD, oscillatore esterno per l’orologio RTC e punto di misurazione della corrente per poter misurare e ottimizzare con precisione il consumo energetico del microcontroller e dei motori controllati da quest’ultimo.

Modulo PIC32CM Motor Control Plug-In e kit MCHV-2 e MCHV-3

Il modulo con simbolo EV94F66A ossia PIC32CM Motor Control Plug-In, dispone di un microcontroller PIC32CM1216MC0048 con i componenti base necessari per il suo funzionamento. Sul modulo inoltre è presente una porta per programmatore ISP e un connettore a 100 pin, necessario per l’installazione del modulo sulla scheda di prototipazione o su un kit di sviluppo.

I kit di sviluppo dedicati sono costituiti dai modelli MCHV-2 e MCHV-3, strumenti per lo sviluppo di progetti destinati al controllo di motori ad alto assorbimento di corrente, utilizzati ad esempio, negli elettrodomestici.

Il modulo PIM, assieme al kit di sviluppo, accelera il processo di progettazione, in quanto dispone di tutti i componenti di alimentazione e di comando. Il progettista pertanto può concentrarsi sulla progettazione della funzionalità del controller e sull’ottimizzazione del codice del programma, avendo a disposizione un prototipo pienamente funzionante.

I kit MCHV sono alimentati con corrente alternata da 85V a 260V AC. L’alimentatore del kit può assicurare una corrente di 6,5A e funzionare con carichi trifase con potenza fino a 2kVA (come ad esempio, un motore inverter per lavatrice, ma anche un dispositivo complesso del segmento dell’automazione industriale).

Le schede di sviluppo sono progettate in modo che i componenti posizionati su di esse possano assumere le funzioni di alcuni componenti posizionati all’interno del microcontroller, ad esempio, amplificatori operazionali non adatti a carichi pesanti.

Modulo con microcontroller PIC32MK

Il vantaggio del connettore a 100 pin utilizzato nelle schede MCHV, è la sua versatilità. Nello slot è possibile installare sia moduli PIC32MC, che moduli dotati di microcontroller PIC32MK. Tuttavia, i prodotti di questo gruppo, grazie alla loro ampia funzionalità, possono costituire il cuore di un dispositivo indipendente e integrato, non solo per la supervisione del funzionamento dei motori, ma anche dotato di un’interfaccia utente, modulo di comunicazione di rete e molte altre funzionalità. Lo sviluppo di un tale progetto è complicato, ma l’impiego del modulo pronto con microcontroller PIC32MK1024MCM accelererà i lavori di sviluppo.

Mentre le schede MCHV semplificano il lavoro su un progetto nella sua fase iniziale, il modulo MA320211 (PIC32MK MCM Motor Control Plug-In Module) può essere riutilizzato durante i test del prototipo di dispositivo/controller, per lavori di sviluppo su altri elementi del progetto (comunicazione HMI Human Machine Interface, trasmissione dati, ecc.).

Per informazioni clicca qui

Testo redatto dalla Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.

The original source of text: https://www.tme.eu/it/news/library-articles/page/43066/Microcontrollori-del-marchio-Microchip-per-il-controllo-dei-motori-elettrici/

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