Mikrocontroller von Microchip zur Steuerung von Elektromotoren

Microchip_PIC32

• Mikrocontroller-Familie PIC32CM, Serie MC 1.Steuerung des Motorbetriebs mit Mikrocontrollern PIC32CM 2.Programmieren von Mikrocontrollern mit MPLAB X und Harmony
• Mikrocontroller-Familie PIC32MK GPG und MCM 1.Displays und Touch-Schnittstelle mit PIC32 2.Zertifizierung und Bibliotheken für sichere IoT-Geräte
• Prototyping mit Mikrocontrollern PIC32CM- und PIC32MK 1.Board Curiosity Nano - wie fange ich an, mit PIC32 zu arbeiten? 2.Sets PIC32CM Curiosity Pro (EV15N46A) 3.Modul PIC32CM Motor Control Plug-In und Sets MCHV-2 und MCHV-3 4.Modul mit einem Mikrocontroller PIC32MK

Mikrocontroller-Familie PIC32CM, Serie MC Das breite Portfolio an 32-Bit- Mikrocontrollern PIC® ist in mehrere Familien mit jeweils spezifischen Funktionen unterteilt. Die neueste davon ist die Familie PIC32CM "MC", wobei "MC" für "Motor Control" steht. Es geht darum, den Betrieb von Motoren zu steuern, da diese hauptsächlich dieser Aufgabe gewidmet sind. Diese 32-Bit-Komponenten basieren auf der Architektur ARM® Cortex®-M0+. Sie können mit einer Signalfrequenz von bis zu 48 MHz getaktet werden, verfügen über einen integrierten Flash-Speicher (bis zu 128 KB) und einen SRAM-Speicher von 16 KB. Die Betriebsspannung reicht von 2,7 V bis 5,5 V DC. Dieser Bereich macht sie für einfache Schaltkreise geeignet, die mit Batterien betrieben werden z. B. einzelne Lithium-Polymer-(LiPo) oder Lithium-Ionen-(Li-Ion) Zellen. Dazu wurden sie auf diese Weise zunächst immun gegen Spannungsschwankungen, die mit der Versorgung von Elektromotoren einhergingen. Sie sind auch so ausgelegt, dass die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) vorhanden ist. In den Systemen der Serie PIC32CM "MC" finden wir eine Reihe von Lösungen, die die Motorsteuerung erleichtern. Die erste ist der eingebaute PDEC (Positional Decoder) - eine Schaltung, über die der Mikrocontroller Informationen über die aktuelle Position des Rotors gewinnt. Dies ermöglicht eine präzise und ergonomische Steuerung des Antriebs - die Versorgung der nachfolgenden Motorwicklungen erfolgt im optimalen Drehwinkel des Kommutators. Auf diese Weise erhält der Konstrukteur die volle Kontrolle über den Motorbetrieb - auch bei hohen Lasten, wenn eine Steuerung nur über ein PWM-Signal möglicherweise nicht ausreicht. Steuerung des Motorbetriebs mit Mikrocontrollern PIC32CM Das Antriebssteuerungsprogramm basiert meistens auf bedingten Anweisungen. Die Richtung und Geschwindigkeit der Motordrehung hängen von den Daten zum Zustand des Geräts ab. Der Mikrocontroller kann diese Information mittels einfacher binärer Signale gewinnen, z.B. von Endschaltern. Immer häufiger treten jedoch Situationen auf, in denen Daten von Beschleunigungsmessern, optischen Sensoren oder Magnetfeldsensoren usw. erfasst werden. Die Kommunikation mit diesen Systemen erfordert normalerweise die Implementierung mindestens eines Protokolls im Programm (z.B. SPI oder I2C). Mit zunehmender Anzahl von Peripheriegeräten sowie der Komplexität der gesamten Schaltung sind Entwickler häufig mit begrenzten Hardwareressourcen des Mikrocontrollers konfrontiert. Zum Beispiel können seine Zeitgeber (Timer) verwendet werden, um Interrupts zu erzeugen, sowie von verschiedenen Bibliotheken verwendet werden, um Kommunikationsprotokolle zu handhaben - während sie zur Steuerung von Motoren erforderlich sind. Es kommt vor, dass die bloße Erfassung, Verarbeitung und Übertragung von Daten sich auf die maximale Anzahl gesteuerter Geräte niederschlägt und die Verwendung zusätzlicher externer Multiplexer und Treiber erzwingt. Mikrocontroller der Familie PIC32CM "MC" bieten eine Reihe von Lösungen, die den Entwurf komplexer Steuerungssysteme erleichtern und gleichzeitig die Anzahl externer Komponenten auf ein Minimum reduzieren. Die Steuerung der Motoren in den besprochenen Systemen erfolgt mittels dedizierter, eingebauter Zeitgeber und Zähler (TTC). Sie arbeiten unabhängig von den anderen Peripheriesystemen des Mikrocontrollers, wodurch die Steuersignale präzise sind und nicht durch vom Programm ausgeführte Nebenaufgaben gestört werden. Die Systeme PIC32 MC verfügen außerdem über vier integrierte serielle Hardware-Kommunikationsmodule (SERCOM), die für die Datenübertragung über USART, , SPI, I2C, RS485- oder LIN-Schnittstellen konfiguriert werden können – die beliebtesten Standards, die in industriellen eingebetteten Systemen verwendet werden. Ein dedizierter 12-Bit-Datenbus mit einem CRC-Modul(Minimierung von Kommunikationsfehlern) ermöglicht den Datenaustausch zwischen dem Speicher des Mikrocontrollers und den Peripheriegeräten. Sein Kern wird dabei dank des Mechanismus des direkten Speicherzugriffs (DMA, Direct Memory Access) umgangen. Diese Lösung verursacht keine Verzögerungen bei der Programmausführung. Programmieren von Mikrocontrollern mit MPLAB X und Harmony Das Schreiben von Anwendungen für Mikrocontroller PIC32 erfolgt in der Umgebung MPLAB® X. Es handelt sich um eine integrierte Lösung, mit der die Funktionen der Systeme von Microchip voll genutzt werden können. Als proprietäre Lösung des Herstellers ermöglicht MPLAB X die Verwendung des gleichen Codes auf verschiedenen Hardwareplattformen dieses Herstellers (sofern diese über kompatible Funktionen verfügen), was eineeinfache Migration zwischen verschiedenen Familien von Mikrocontrollern in jeder Phase der Anwendungsentwicklung ermöglicht. Über die benutzerfreundliche Oberfläche können Programmierer auf alle Informationen über den programmierten Mikrocontroller und die von ihm ausgeführten Vorgänge zugreifen. Das Overlay MPLAB® Harmony enthält über 1.000 kostenlose Beispielprogramme sowie viele Bibliotheken, die eine hervorragende Grundlage für das Lernen und die Unterstützung bei der Projektentwicklung darstellen. Weitere Details zu Inhalt und Funktionalität der Umgebung MPLAB® X /Harmony werden im Folgenden im Zusammenhang mit der Familie PIC32MK erläutert. Mikrocontroller aus der Familie PIC32MK GPG und MCM In anspruchsvolleren Projekten, in denen die Motorüberwachung nur eine der zahlreichen Funktionen des Mikrocontrollers ist, können die komplexeren Systeme PIC32MK eine geeignete Lösung sein. Dazu gehören unter anderem die Serien "GPG" und "MCM". Diese eng verwandten Produkte weisen viele gemeinsame Merkmale auf. Die Unterschiede sind nicht groß, aber in einigen Anwendungen können sie entscheidend sein. Bei der Serie "MCM" hat der Flash-Speicher eine maximale Kapazität von 1 MB (512 kB für "GPG"), in diesen Systemen wurde eine zusätzliche Phasensynchronisationsschleife für die USB-Schnittstelle platziert. Die Anzahl der Analogeingänge wurde auf 42 erhöht und es wurden 6 (statt 2) Kommunikationsmodule SPI/I2C verwendet. Da die Eigenschaften der beiden Serien nicht so unterschiedlich sind, konzentrieren wir uns auf die gesamte PIC32MK-Familie unten. Die Mikrocontroller PIC32MK "GPG" und "MCM" basieren auf der Architektur MIPS32 und bieten beeindruckende Funktionen. Mit den Systemen kann man Gleichstrommotoren mit PWM-Signalen (in 9 oder 12 Paaren) steuern, aber auch mit bürstenlosen Gleichstromantrieben (BLDC) und sogar deren Wechselstromvariante, d.h. PMSM (manchmal auch als BLAC bezeichnet) - mit Algorithmen ohne externe Positionssensoren. Die Systeme bieten Hardware-Unterstützung für Gleitkommarechnungen (mathematischer Coprozessor), bieten sieben 12-Bit-ADC-Wandler mit einer Abtastrate von 3,75 Msps, die auf 30 oder 42 Kanälen gemultiplext sind, und acht Kanäle mit direktem Zugriff auf den DMA-Speicher. An Bord der Mikrocontroller befinden sich dutzende bemerkenswerter Peripheriegeräte: Echtzeituhr (RTC), bis zu acht Timer/Zähler mit 32-Bit-Auflösung, drei 12-Bit-DAC-Wandler, 4 Operationsverstärker und 5 Komparatoren. 32MK0512GPG048IY8X 32MK1024MCM064-IMR Displays und Touch-Bentutzerschnittstelle mit PIC32 In Zusammenarbeit mit Mikrocontrollern von Microchip erhält der Entwickler eine Vielzahl an Designoptionen für Benutzeroberflächen: Die Systeme sind mit einem parallelen Anschluss (PMP) zur Unterstützung von Flüssigkristallanzeigen (LCD) sowie einem eingebauten CVD-Wandler ausgestattet, für die die Mikrocontroller als Matrix-Controller, fungieren können, sowie eine in kapazitiver Technologie hergestellte Touch-Tastatur. Das Design des Systems sieht die Unterstützung von bis zu sechs I2S-Kanälen vor, d.h. ein Protokoll für die verlustfreie Übertragung von PCM-Samples an Tonkonverter. Darüber hinaus können alle Ein-/Ausgangspins zur Erzeugung von Interrupts verwendet werden, wodurch das PIC32MK-System auch bei komplexen Systemen perfekt als Steuereinheit funktioniert. Es ist anzumerken, dass fünf Pins so programmiert werden können, dass sie einen Interrupt auslösen, wenn eine bestimmte Spannung überschritten wird, was unter anderem die Integration des Mikrocontrollers mit Analogsensoren erleichtert.Obwohl der Mikrocontroller mit Spannungen im Bereich von 2,3 V bis 3,6 V DC versorgt wird, vertragen die GPIO-Ports Spannungen bis zu 5 V DC. Zertifizierung und Bibliotheken für sichere IoT-Geräte Wie bei den zuvor beschriebenen Serien ist die Programmierumgebung für PIC32MK-Systeme die MPLAB X mit dem Overlay Harmony. Die vom Hersteller zur Verfügung gestellten Bibliotheken bieten vielfältige Möglichkeiten. Je nach Bedarf kann der Benutzer die TCP/IP-Stack-Unterstützung, die USB-Kommunikation sowie die Technologie mTouch® (Erstellen von Touch-Schaltflächen, Schiebereglern usw.) verwenden. Entwickler von Verbrauchergeräten haben die Möglichkeit, eine Audioanwendung zu erstellen, die auf Bluetooth-Standards in Android- oder MFi (Apple) basiert. Unter den vom Hersteller bereitgestellten Demonstrationsprogrammen gibt es auch ein Beispiel für die Verwendung der Bibliothek wolfSSL. Es ist eine der beliebtesten Lösungen im Bereich der Kommunikationssicherheit für IoT-Geräte - es ermöglicht die verschlüsselte Datenübertragung mit den Protokollen SSL und TLS 1.3. Dies ist besonders wichtig für Designer, die mobile Geräte bauen, die mit einer Breitbandverbindung auf Basis von PIC32MK ausgestattet sind. Bei der Erwähnung von Konsumgütern und Sicherheit sollte auch das Thema der Bibliothek Class-B Safety erwähnt werden. Es handelt sich um eine Reihe von vom Hersteller entwickelten Low-Level-Prozeduren, die garantieren, dass Geräte, die auf PIC32-Mikrocontrollern basieren, die Sicherheitsstandards IEC 60335 und IEC 607030 erfüllen. Diese Anforderungen gelten nicht nur für Verbrauchergeräte, sondern auch für Zubehör, das von Fachleuten verwendet wird. Die Zertifizierung nach IEC 60730 ist für jedes in Europa verkaufte Produkt obligatorisch geworden. Dies ist jedoch kein Hindernis für Hersteller, die Lösungen von Microchip verwenden. Da die Bibliothek Class-B Safety auf allen Plattformen des Anbieters getestet wurde, müssen die auf dieser Basis erstellten Anwendungen keinen zusätzlichen Tests unterzogen werden, was die Zeit für die Produkteinführung erheblich verkürzt. Darüber hinaus bietet Microchip professionelle Unterstützung allen Ingenieuren, die an der Verwendung von Class-B Safety in ihren Projekten interessiert sind. Erwähnenswert ist auch, dass Mikrocontroller PIC32MK die Technologie microMIPS unterstützen. Gemäß ihren Annahmen sind die meisten Funktionen des 32-Bit-Prozessors auf der Ebene von 16-Bit-Befehlen verfügbar, was eine Codekomprimierung ermöglicht und seine Größe um bis zu 25% reduziert. Prototyping mit Mikrocontrollern PIC32CM und PIC32MK Das Angebot von TME umfasst auch PIC32-Entwicklungskits. Für jeden Designer sind dies die perfekten Plattformen zum Testen, Entwickeln und Verbessern von Geräten. Sie ermöglichen den Zugriff auf alle Funktionen der besprochenen Mikrocontroller und helfen bei der Planung des Aufbaus des Zielgeräts.Schauen wir uns zunächst die PIC32CM-Lösungen an. Die Platine Curiosity Nano – wie fange ich an, mit PIC32 zu arbeiten? Mit diesem kleinen Entwicklungskit, der die Größe einer Hand hat, wird Zugriff auf die meisten Funktionen des PIC32CM gewährt. Es ist auch preislich attraktiv und erfordert für seine Programmierung keine zusätzlichen Geräte (da es einen integrierten Programmierer/Debugger hat). Natürlich sollten alle, die gerade erst mit PIC32-Systemen arbeiten und ihr Wissen auf dem Gebiet der modernsten Mikrocontroller erweitern möchten, auf dieses Produkt besonders aufmerksam werden. Die Platine mit dem Symbol EV10N93A ist mit einem System PIC32CM1216MC00032 ausgestattet, dessen GPIO-Pins zu PCB-Pads (zum Löten der Goldpin-Anschlüsse oder zur Montage der Platine als auf PCB eingelötete Komponente dank der Kantenanschlüsse), eine Micro-USB-Buchse zur Stromversorgung und Programmierung des Systems, eine einzige Taste sowie LEDs, die den Betriebsstatus des Geräts anzeigen. Das Kit wird in der Umgebung MPLAB® X vollständig unterstützt. Set PIC32CM Curiosity Pro (EV15N46A) Ein weiteres Set ist mit einem Mikrocontroller PIC32CM1216MC00048 ausgestattet. Es verfügt über alle Funktionen des Sets Nano, aber beim EV15N46A erhält der Benutzer zusätzliche Tasten und Pins des Mikrocontrollers an mehreren Goldpin-Anschlüssen (separat für GPIO, Steuersignale sowie C/A und C/A-Konverter), einen separaten Port für den Programmierer/Debugger mit SWD-Schnittstelle, einen externen Oszillator für die RTC-Uhr sowie einen Strommesspunkt, mit dem man den Energieverbrauch des Mikrocontrollers und der von ihm gesteuerten Motoren genau untersuchen und optimieren kann. Modul PIC32CM Motor Control Plug-In und Kits MCHV-2 i MCHV-3 Das Modul mit dem Symbol EV94F66A, d.h. PIC32CM Motor Control Plug-In, verfügt über einen Mikrocontroller PIC32CM1216MC0048 mit den für seinen Betrieb erforderlichen Basiskomponenten. Das Modul verfügt außerdem über einen ISP-Programmier-Port und einen 100-poligen Anschluss, der zur Installation des Moduls auf einer Prototypkarte oder in einem Entwicklungskit erforderlich ist. Spezielle Entwicklungskits sind Produkte MCHV-2 und MCHV-3 die Werkzeuge für die Entwicklung von Projekten zur Steuerung von Hochstrommotoren sind, die beispielsweise im Haushaltsgeräten eingesetzt werden. Das Modul PIM mit dem Entwicklungskit beschleunigt den Entwurfsprozess, da alle Stromversorgungs- und Steuerungskomponenten für den Antrieb vorhanden sind. Der Designer kann sich daher darauf konzentrieren, die Funktionalität des Treibers zu entwerfen und den Programmcode zu optimieren, wobei ihm ein voll funktionsfähiger Prototyp zur Verfügung steht. MCHV-Sets werden mit Wechselstrom mit einer Spannung zwischen 85 V und 260 V AC betrieben. Das Netzteil kann 6,5 A liefern und mit dreiphasigen Lasten mit einer Leistung von bis zu 2 kVA arbeiten (es kann sich um einen Motor einer Wechselrichter-Waschmaschine handeln, aber auch ein komplexes Gerät aus dem Bereich der industriellen Automatisierung). Die Entwicklungsplatinen sind so konzipiert, dass die darauf platzierten Komponenten die Funktionen einiger Komponenten im Mikrocontroller übernehmen können - beispielsweise Operationsverstärker, die nicht für hohe Lasten ausgelegt sind. Modul mit einem Mikrocontroller PIC32MK Der Vorteil des 100-Pin-Steckverbinders für MCHV-Karten liegt in seiner Vielseitigkeit. Die Buchse kann sowohl PIC32MC-Module als auch solche mit einem PIC32MK-Mikrocontroller aufnehmen. Produkte dieser Gruppe können jedoch aufgrund ihrer breiten Funktionalität das Herzstück eines unabhängigen, integrierten Geräts sein - sie überwachen nicht nur den Betrieb von Motoren, sondern sind auch mit einer Benutzeroberfläche, einem Netzwerkkommunikationsmodul und vielen anderen Funktionen ausgestattet. Die Entwicklung eines solchen Projekts ist kompliziert, aber die Verwendung eines vorgefertigten Moduls mit einem PIC32MK1024MCM-Mikrocontroller beschleunigt die Entwicklungsarbeit. Während die MCHV-Karten die Projektarbeit in der frühen Phase erleichtern, kann das Modul MA320211 (PIC32MK MCM Motor Control Plug-In Module) beim Testen eines Geräte-/Treiberprototyps für Entwicklungsarbeiten an anderen Komponentenprojekten (Kommunikation HMI Human Machine Interface Datenübertragung usw.) verwendet werden. Der Text wurde von Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o. verfasst. The original source of text: www.tme.eu/de