【導(dǎo)讀】移動(dòng)機(jī)器人的卓越性能、平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)和可靠運(yùn)行離不開高效精確的電機(jī)控制。機(jī)器人的自主性和復(fù)雜性不斷提高，非常需要能夠處理復(fù)雜電機(jī)控制和其他任務(wù)的高級(jí)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(shè)，可幫助開發(fā)人員優(yōu)化移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中的電機(jī)控制。
移動(dòng)機(jī)器人的卓越性能、平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)和可靠運(yùn)行離不開高效精確的電機(jī)控制。機(jī)器人的自主性和復(fù)雜性不斷提高，非常需要能夠處理復(fù)雜電機(jī)控制和其他任務(wù)的高級(jí)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(shè)，可幫助開發(fā)人員優(yōu)化移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中的電機(jī)控制。
FlexPWM模塊
MCX A和N系列具有通用、高配置的增強(qiáng)型Flex脈寬調(diào)制器(eFlexPWM)模塊，可實(shí)現(xiàn)精確的電機(jī)控制，并提供廣泛的功能集，滿足移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用的各種需求。除了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高級(jí)控制外，eFlexPWM模塊還可用于構(gòu)建開關(guān)式電源。
eFlexPWM模塊的一個(gè)主要功能是支持中心對(duì)齊、邊沿對(duì)齊和非對(duì)稱脈寬調(diào)制(PWM)。
中心對(duì)齊PWM可保持相位對(duì)齊，并將無刷直流(BLDC)電機(jī)的電流波紋降至最低，這種電機(jī)因其高效率和扭矩密度而常用于移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域。開發(fā)人員采用中心對(duì)齊PWM，可以實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)的電機(jī)運(yùn)行，減少電磁干擾(EMI)，并延長(zhǎng)電機(jī)繞組的使用壽命。
中心對(duì)齊PWM信號(hào)
邊沿對(duì)齊PWM可簡(jiǎn)化占空比計(jì)算，并更輕松地控制H橋電路，在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可用于雙向電機(jī)控制、精確定位和速度調(diào)節(jié)。FlexPWM模塊簡(jiǎn)化了H橋電路必要控制信號(hào)的生成，降低了軟件復(fù)雜性，并提高了固件響應(yīng)速度。
邊沿對(duì)齊PWM信號(hào)
FlexPWM模塊還提供相移PWM，這對(duì)于涉及多相逆變器的移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用來說是一個(gè)有價(jià)值的功能。開發(fā)人員對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行移相，可同時(shí)優(yōu)化多臺(tái)電機(jī)的供電，確保多自由度的系統(tǒng)(如機(jī)械臂或多輪平臺(tái))實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)。
FlexPWM模塊還具備強(qiáng)大的故障保護(hù)和自動(dòng)故障清除機(jī)制，確保系統(tǒng)安全可靠。一旦檢測(cè)到故障，該模塊會(huì)立即切斷PWM輸出，防止對(duì)電機(jī)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(fù)正常運(yùn)行，最大限度地減少停機(jī)時(shí)間，增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)健性。
有關(guān)MCX N系列功能和外設(shè)的更多信息，閱讀白皮書了解詳情。
正交解碼器(QDC)
移動(dòng)機(jī)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(tǒng)。MCX微控制器具有正交解碼器(QDC)模塊，這是一種專用外設(shè)，可簡(jiǎn)化正交編碼器信號(hào)的解碼過程，并提供可靠的位置和速度測(cè)量。
QEI
正交編碼器生成兩個(gè)正交信號(hào)，即A相和B相，它們的相位相差90度。QDC模塊通過分析信號(hào)的順序和頻率確定電機(jī)軸的位置和旋轉(zhuǎn)方向。該模塊的高級(jí)功能，如干擾濾波和邊緣檢測(cè)，可確保解碼位置和速度數(shù)據(jù)的完整性與可靠性，即使在存在電氣噪聲或信號(hào)干擾的情況下也能保障。
QDC模塊在計(jì)數(shù)器初始化方面具有靈活性，支持開發(fā)人員根據(jù)特定事件或情況調(diào)整計(jì)數(shù)器的位置。例如，計(jì)數(shù)器可根據(jù)編碼器每轉(zhuǎn)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(duì)定位的實(shí)施。此外，QDC模塊還支持根據(jù)外部傳感器或開關(guān)觸發(fā)的歸位信號(hào)進(jìn)行初始化，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的精確控制和校準(zhǔn)。
QDC模塊提供多種速度測(cè)量方法，可滿足不同的應(yīng)用需求。開發(fā)人員可以通過監(jiān)測(cè)固定時(shí)間間隔內(nèi)的位置變化、平衡分辨率和響應(yīng)時(shí)間來計(jì)算電機(jī)速度。此外，該模塊還可以測(cè)量連續(xù)正交邊沿之間的累計(jì)時(shí)間，提供高分辨率速度測(cè)量，適合需要快速響應(yīng)和精細(xì)控制的應(yīng)用。
AND/OR INVERT (AOI)模塊
在優(yōu)化電機(jī)控制方面，MCX A系列中的AOI模塊與FlexPWM和QDC模塊相輔相成。AOI模塊支持開發(fā)人員創(chuàng)建可編程組合布爾邏輯，根據(jù)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(gòu)成了事件生成器(EVTG)模塊。
AOI模塊為電機(jī)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(cè)和觸發(fā)器生成任務(wù)，從而減少固件開銷并提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。通過配置AOI模塊來監(jiān)測(cè)位置、速度或故障狀態(tài)等各種輸入信號(hào)，開發(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(jī)控制操作，而無需持續(xù)的軟件干預(yù)。
例如，AOI模塊能夠被設(shè)定，在滿足特定條件組合時(shí)生成觸發(fā)信號(hào)，例如當(dāng)電機(jī)位置達(dá)到預(yù)定閾值且速度在一定范圍內(nèi)時(shí)。然后，此觸發(fā)信號(hào)可用于自動(dòng)調(diào)整PWM占空比、更改電機(jī)換向序列或執(zhí)行任何其他所需的電機(jī)控制操作。
開發(fā)人員可以利用AOI模塊的可編程邏輯，實(shí)施復(fù)雜的控制策略，對(duì)實(shí)時(shí)事件做出快速反應(yīng)，提高整體性能和效率。AOI模塊非常靈活，支持根據(jù)每個(gè)應(yīng)用的具體要求創(chuàng)建自定義觸發(fā)條件，使開發(fā)人員能夠根據(jù)其機(jī)器人平臺(tái)的獨(dú)有特點(diǎn)優(yōu)化電機(jī)控制。
FRDM-MC-LVPMSM擴(kuò)展板
FRDM-MC-LVPMSM擴(kuò)展板
恩智浦提供的FRDM-MC-LVPMSM擴(kuò)展板有助于電機(jī)控制應(yīng)用的開發(fā)和原型設(shè)計(jì)。FRDM板結(jié)合了軟硬件資源，可加速設(shè)計(jì)過程。它采用shield擴(kuò)展板外形設(shè)計(jì)，可與恩智浦的Freedom開發(fā)板平臺(tái)無縫集成。
FRDM-MC-LVPMSM擴(kuò)展板與恩智浦永磁電機(jī)控制參考軟件相結(jié)合，可提供完整的電機(jī)控制參考設(shè)計(jì)。該軟件套件包括一系列預(yù)配置電機(jī)控制算法、庫和示例項(xiàng)目，使開發(fā)人員能夠針對(duì)其特定的移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用快速實(shí)施和優(yōu)化電機(jī)控制系統(tǒng)。
此擴(kuò)展板采用低壓三相永磁同步電機(jī)(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(jī)器人領(lǐng)域。此外，該板還包括功率模塊、電流檢測(cè)電路和編碼器接口等基本組件，為電機(jī)控制開發(fā)提供了完整的平臺(tái)。
開發(fā)人員利用FRDM-MC-LVPMSM擴(kuò)展板和相關(guān)參考軟件，可以顯著減少設(shè)計(jì)和驗(yàn)證移動(dòng)機(jī)器人電機(jī)控制系統(tǒng)所需的時(shí)間和精力。該板與FRDM-MCX開發(fā)平臺(tái)兼容，可實(shí)現(xiàn)無縫集成，使開發(fā)人員能夠根據(jù)其特定應(yīng)用要求選擇合適的微控制器。
MCUXpresso Developer Experience (MCUXpresso開發(fā)人員體驗(yàn))
恩智浦提供了低成本的FRDM開發(fā)平臺(tái)，可使用MCX快速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。FRDM開發(fā)板具有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和接頭，便于連接MCU的輸入/輸出端口，并內(nèi)置了MCU-Link調(diào)試器，帶有USB-C線纜。
恩智浦的GitHub 還允許訪問應(yīng)用示例，可以使用應(yīng)用代碼中心門戶 (ACH)訪問這些示例。MCUXpresso IDE和MCUXpresso for VS Code內(nèi)置了ACH瀏覽功能，開發(fā)人員可以輕松搜索可用的演示和示例，并在直接加載項(xiàng)目使用之前按設(shè)備、應(yīng)用技術(shù)或外設(shè)/功能進(jìn)行篩選。
擴(kuò)展板中心 (EBH)是NXP SDK Builder網(wǎng)站的擴(kuò)展，開發(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(kuò)展所選評(píng)估板的功能。 該中心提供直觀的篩選功能，可快速查找板卡和可用的支持軟件。開發(fā)人員可以將他們的板與不同類型的擴(kuò)展板配對(duì)，以評(píng)估特定用例或應(yīng)用程序并進(jìn)行快速原型設(shè)計(jì)。
恩智浦全面的移動(dòng)機(jī)器人電機(jī)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(jī)控制技術(shù)的重大進(jìn)步，提供了一整套外設(shè)，專用于優(yōu)化移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用中的電機(jī)控制。FlexPWM模塊具有較高的靈活性和可靠性，支持精確電機(jī)控制，而正交解碼器(QDC)模塊則提供閉環(huán)控制系統(tǒng)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(cè)功能。
（來源：恩智浦半導(dǎo)體，作者：Altaf Hussain，恩智浦半導(dǎo)體運(yùn)輸與移動(dòng)細(xì)分市場(chǎng)市場(chǎng)總監(jiān)）
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