Делаем новый контроллер сервоприводов

Каждый год мы приступаем к созданию нового контроллера взамен какого-либо старого. Пришла очередь контроллера сервопривода. Нужно больше универсальности, технологичности, удобства эксплуатации и инсталляции, больше новых программных технологий и готовность к ИИ.

Проект первого контроллера сервоприводов опубликован здесь ^[1]. Он был сделан на микроконтроллерах Kinetis ^[2]. Использовался фреймворк на RTOS MQX 4.2. Контроллер хорошо вписался в качестве автоматического доводчика дверей и калиток, где необходима дружественная среда для людей с ограниченными возможностями.

Для чего предназначен наш сервопривод

Для управления BLDC/PMSM моторами и приводами на их основе, с датчиками Холла или квадратурными энкодерами или без них. Контроллером можно управлять раздвижными и распашными дверями , калитками, шлагбаумами, рольставнями, маркизами, навесами, автоматическими жалюзи. Можно приспособить для самокатов и велосипедов, использовать в манипуляторах и различных моделях техники.

Для чего НЕ предназначен наш сервопривод

Контроллер не управляет шаговыми двигателями и асинхронными высоковольтными двигателями, низко индуктивными авиамодельными BLDC и гибридными моторами.

Возможности контроллера

Выходной 3-фазный драйвер контроллера рассчитан на средний ток оценочно 20А (с типичными условиями конвекции), пиковый ток до 100 А и напряжение 12-30 В. При напряжении 24 В это даёт возможность управлять моторами мощностью до 500 Вт методом векторной модуляции или методом 6-шаговой аппаратной коммутации.

Контроллер имеет интерфейсы полевых шин CAN и RS485. Для локальной связи с компьютером предусмотрен интерфейс USB-C. Диагностика, настройка и индикация режимов выводится на съёмный RGB дисплей 240x240 пикселей. Управлять устройством пользователь может с помощью ручного энкодера с подсветкой, установленного на плате.

Диагностику и логи контроллер накапливает на SD карте. Она же используется для перепрошивки устройства и размещения аудиовизуального контента для вывода на дисплей и динамик.

Сервопривод в качестве сенсора может использовать переменный резистор или квадратурный энкодер.

Часто места установки устройства не предусматривают подводки к нему никаких кабелей кроме питания, иногда остаётся только автономное питание. Поэтому контроллер снабжён универсальным радиотрансивером на отдельном SoC. Это позволяет управлять контроллером дистанционно с брелков, и организовывать контроллеры в сети без необходимости в дополнительных кабелях. Антенна может использоваться либо встроенная, установленная на плате , либо внешняя.

Выбор элементной базы

Главный SoC выбран из экосистемы Synergy. Скажем сразу, что Synergy - семейство не из лёгких. Производятся фирмой Renesas, которая издавна отличается самобытностью в подходе к архитектуре периферии, документированию и поддержке. Демонстрационные примеры нельзя так просто скачать и запустить, их после скачивания надо регенерировать в среде разработки, что часто заканчивается конфликтами версий и ревизий тулсов и сорсов. Тут резкий контраст с экосистемами типа STM32. Розничная цена на чипы Synergy выше средней. Но возможно поэтому данное семейство всегда присутствовало на складах дистрибуторов, даже в разгар кризиса полупроводников. Такая стабильность привлекает при всех прочих сложностях.

SoC Synergy способны выполнять аппаратно 6-шаговую коммутацию для BLDC моторов использую штатную периферию таймеров.

Несмотря на то что Synergy содержат только два независимых АЦП, они могут одновременно сэмплировать 6 разных аналоговых сигналов, благодаря специальному входному модулю сэмплирования. Таким образом снимается проблема корректировки данных для учёта фазовых задержек при работе с 3-фазными сигналами.

Не последнюю роль играет 640 Кбайт внутренней RAM у чипа. Это серьёзно облегчает развёртывание коммуникационных стеков и разнообразных движков ИИ.

Программная экосистема Synergy базируется на Azure RTOS и снабжена пакетом конфигурирования системы наподобие STM32 CubeMX и автогенерации сорсов. Также есть некий слой абстаракции периферии типа HAL и много специфичных драйверов. Предоставляется IDE на базе Eclipse под названием E2Studio с интегрированными тулсами конфигурирования, автогенерации сорсов и отладки

Радиотрансивер выполнен на чипе EFR32MG24A021F1024IM40. Трансиверы серии EFR32MG24 ^[3] отличаются уникальной гибкостью распиновки. Нужную альтернативную функцию там можно вывести почти на любой пин. Это сокращает время на освоение чипа, не нужно тщательно планировать и перепроверять подсоединения интерфейсов. Всегда позже можно исправить неточности подключения, программно перенастроив альтернативные функции пинов. Радиотрасивер способен работать по протоколам:

• Matter

• OpenThread

• Zigbee

• BLE

• Bluetooth mesh

• Proprietary 2.4 GHz

• Несколько перечисленных выше работающие вместе. Например OpenThread и BLE могут работать одновременно.

Программная экосистема EFR32MG24 также имеет развитый конфигуратор внутри IDE Simplicity Studio, автогенератор сорсов, отладчик, компилятор и множество готовых примеров. Эта IDE даже более удобна чем E2Studio, но к сожалению Silicon Labs не делает чипов подобных Synergy.

Непосредственно силовыми транзисторами управляем микросхема TMC6200-TA. Она очень близка по параметрам микросхеме DRV8305NPHPR, использованной в предыдущей разработке ^[1]. Поэтому все расчёты проведённые там валидны и здесь.

Схемотехника

Схемотехника практически стандартная. Некоторая избыточность резисторов присутствует при подключении управляющих сигналов к микросхеме управления 3-фазным драйвером. Это нужно только лишь потому чтобы обеспечить некую свободу тюнинга при дальнейшей наладке и появлении ошибок подключения.

Плата способна измерять собственное потребление и внутренние напряжения для выявления аномальных состояний. Есть три аналоговых входа для подключения датчиков температуры мотора и потенциометров сервопривода.

Печатная плата

Размер платы 80 на 50 мм. Максимальная высота не более 30 мм при наличии ручного энкодера. Без него и дисплея высота 14 мм без учёта ответных частей разъёмов.

Распределение слоёв платы выглядит так:

Толщина меди выбрана исходя из минимальной величины зазоров, которая равна 0.15 мм. Внутренние слои максимально приближены к верхним для обеспечения лучшей экранировки и минимальных электромагнитных излучений.

По ходу запуска устройства и исправления ошибок планируется проект выложить в открытый доступ вместе с программным обеспечением.

Все схемы, изображения и параметры даны для справки и могут с течением времени сильно варьироваться.