小白福音：電機(jī)開發(fā)利器——ADI TMC4671套件評(píng)測(cè)

當(dāng)今，人工智能（AI）作為最前沿的科技之一，正以前所未有的速度快速發(fā)展，市場(chǎng)關(guān)注熱度也不斷攀升。從Atlas人形機(jī)器人到擎天柱（Optimus），各類AI機(jī)器人的表現(xiàn)讓人驚嘆。然而，在所有機(jī)器人項(xiàng)目中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以說是核心，也是一門深厚的學(xué)問。

技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健邀請(qǐng)到了21IC資深工程師TopGun*為大家評(píng)測(cè)ADI Trinamic的無刷電機(jī)控制開發(fā)板，帶你入門電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

*TopGun從事機(jī)器人領(lǐng)域，具有7年研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)于ADI Trinamic

ADI Trinamic是嵌入式電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，擁有二十多年經(jīng)驗(yàn)，在半導(dǎo)體行業(yè)被稱作是一個(gè)神話，主要致力于運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與研發(fā)（包括步進(jìn)和直流無刷和伺服系統(tǒng)）。其主要產(chǎn)品包括芯片、模塊和系統(tǒng)。產(chǎn)品具有體積小、集成度高、性能強(qiáng)等主要特點(diǎn)，可謂電機(jī)領(lǐng)域的“卷”王。ADI Trinamic將傳統(tǒng)軟件算法通過硬件來實(shí)現(xiàn)，可極大減輕生產(chǎn)研發(fā)的工作量。例如，集成S曲線加減速算法，可以讓運(yùn)動(dòng)性能得到極大地提升，集成FOC算法可以讓無刷電機(jī)開發(fā)變得輕而易舉等等。

TMC4671硬件解剖

?拆包

拿到套件，外包裝是用可回收的紙箱，側(cè)面貼有套件的信息。

包裝做成了抽屜型，很有特色且很環(huán)保。抽出包裝后可以看到，里面有減震泡棉保護(hù)里面的板子。

把包裝里面東西都拆出來后，可以看到用靜電包裝著的板子，還有一根TYPE-C數(shù)據(jù)線。

拆開每個(gè)靜電包裝就可以看到每塊板子的真容了，套件清單如下：

? Landungsbruecke x 1

?TMC4671-EVAL x 1

?TMC6200-EVAL x 1

?MOTOR CONTROL x 2

?TYPE-C數(shù)據(jù)線 x 1

?Landungsbruecke介紹

Landungsbruecke主板正面很清爽，很多元器件都是NC。背面沒有元器件很清爽，上面有板子的說明、網(wǎng)址等信息。

板子用的主控是NXP的MK20DX系列（飛思卡爾已被NXP收購）。Landungsbruecke主板的主要功能是配合TMCL-IDE上位機(jī)，讓開發(fā)者快速配置開發(fā)板，快速配置及調(diào)試電機(jī)。

?TMC4671-EVAL介紹

板子正面四周設(shè)計(jì)了排針排母，方便用戶擴(kuò)展接口；左右兩邊的排母主要用于官方板卡的擴(kuò)展級(jí)聯(lián)，有數(shù)字霍爾、增量編碼器接口，以及模擬量編碼器接口；背面主要是一些電容電阻和緩沖器。板載的芯片型號(hào)為TMC4671-LA，為QFN76封裝，不復(fù)雜的硬件能極大地提高生產(chǎn)的可靠性，同時(shí)降低維修難度。

ADI TMC4671是一款完全集成的伺服控制器，可為BLDC/PMSM和兩相步進(jìn)電機(jī)以及直流電機(jī)和音圈提供磁場(chǎng)定向控制(FOC)。所有控制功能都在硬件中實(shí)現(xiàn)。集成 ADC、位置傳感器接口、位置插值器，為廣泛的伺服應(yīng)用提供功能齊全的伺服控制器。

TMC4671是本套件的核心所在，其硬件集成的電機(jī)控制算法及三環(huán)控制算法使得開發(fā)電機(jī)不需要編寫一行代碼即可完成，簡(jiǎn)單配置幾個(gè)寄存器就可以輕松完成項(xiàng)目開發(fā)。

?TMC6200-EVAL介紹

TMC6200-EVAL為高壓柵極控制器主板。正面主芯片為TMC6200-TA,，TQFP48封裝。6顆黑色芯片為英飛凌的mos管，型號(hào)為BSC026N08NS5ATMA1，具有6顆采樣電阻。配有供電接線端子，以及三相電機(jī)的接線端子。板子背面同樣沒有任何元器件，只有關(guān)于板子的介紹；通信接口為SPI，供電電壓范圍為8~55V，最大峰值電流為10A。

?Motor Control介紹

這里就不多介紹了，這個(gè)板子比較簡(jiǎn)單，主要作用就是連接兩塊板子，用于板子級(jí)聯(lián)。

套件級(jí)聯(lián)后的效果如上圖，通過Motor Control連接板實(shí)現(xiàn)套件的級(jí)聯(lián)。

小試牛刀，快速配置

工程師本人手上有個(gè)帶霍爾傳感器的無刷電機(jī)，剛好可以用來測(cè)試這個(gè)TMC4671套件。接好電源、電機(jī)三相線及霍爾接線，再用type-c線連接套件和電腦。

打開TMCL-IDE后，可以看到已經(jīng)可以識(shí)別到Landungsbruecke主板，固件版本也能正常獲取為V3.08。

在右邊的配置面板可以自己選擇板子的型號(hào)，也可以點(diǎn)擊“Scan”自動(dòng)掃描板子。

選擇TMC4671-EVAL板子配置，點(diǎn)擊“Wizard Pool”按鈕進(jìn)行配置向?qū)б徊讲綄?duì)TMC4671進(jìn)行配置。

第一步，配置一下套件的功能，因?yàn)闇y(cè)試電機(jī)沒有ABZ編碼器，所以這幾項(xiàng)得取消了。

接下來需要進(jìn)行通用配置，此套件功率板用的是TMC6200-EVAL，電機(jī)類型選擇3-Three phase BLDC，電機(jī)的極對(duì)數(shù)選擇8，其他配置默認(rèn)即可。

繼續(xù)配置開環(huán)參數(shù)，點(diǎn)擊“Set defaults”按鈕，拖動(dòng)UD_EXT的滑動(dòng)條，然后點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，電機(jī)就會(huì)開始慢速轉(zhuǎn)動(dòng)起來，左右兩邊的箭頭為控制轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，快進(jìn)鍵為電機(jī)點(diǎn)動(dòng)。

再下一個(gè)頁面是對(duì)ADC進(jìn)行配置。此頁面只要能正?？吹接蠥DC正弦波形即可，主要看ADC采集是否正常。

接下來對(duì)ADC進(jìn)行偏移校準(zhǔn)，兩路ADC軟件都通過實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)自動(dòng)算好偏移值了，直接點(diǎn)一下“Set”按鈕就行了。

將頁面往下拉，需要確保三相的電壓和ADC采集的數(shù)據(jù)曲線重合，否則需要調(diào)整0x0A寄存器里面ADC的選擇配置，直到曲線基本重合。

接下來對(duì)霍爾傳感器進(jìn)行配置，根據(jù)向?qū)б尰魻?a target="_blank">信號(hào)與電信號(hào)交叉，因?yàn)闇y(cè)試電子自帶霍爾，所以不需要進(jìn)行額外的校準(zhǔn)，已經(jīng)可以直接使用了。

配置好霍爾傳感器進(jìn)入測(cè)試步驟，首先點(diǎn)一下“Set defaults and start”按鈕，輸入目標(biāo)電流點(diǎn)擊運(yùn)行，觀測(cè)電機(jī)到電機(jī)能正常跑起來了，說明霍爾接口配置正常。到這里，配置向?qū)Щ就瓿?，已?jīng)對(duì)套件完成初始化配置了。

電機(jī)性能測(cè)試

初始化向?qū)Ш?，就可以?duì)套件進(jìn)一步調(diào)試了。首先，打開“Selectors”對(duì)電角度輸入源，速度反饋源位置反饋源進(jìn)行配置，這里都設(shè)為霍爾傳感器作為反饋。

PID參數(shù)調(diào)節(jié)是電機(jī)控制的痛點(diǎn)，TMC上位機(jī)這邊提供了參數(shù)擬定的工具，選擇“Torque/Flux”，點(diǎn)擊“Start”開始后，就會(huì)自動(dòng)對(duì)電機(jī)電流環(huán)進(jìn)行參數(shù)擬定，擬定后的參數(shù)會(huì)自動(dòng)同步到“PI control”中。

速度環(huán)的PI參數(shù)擬定也是同樣的邏輯。設(shè)定好目標(biāo)速度后，選擇“Velecity”，點(diǎn)擊開始后，即可對(duì)速度環(huán)進(jìn)行參數(shù)擬定。

PID參數(shù)擬定完畢，我們就可以來測(cè)測(cè)實(shí)際的運(yùn)行性能了。首先，對(duì)電流環(huán)進(jìn)行測(cè)試，設(shè)定目標(biāo)電流后，利用左右箭頭兩種按鈕切換電機(jī)運(yùn)行方向，通過換向來驗(yàn)證階躍響應(yīng)，也可自行微調(diào)PI參數(shù)達(dá)到更理想的運(yùn)行效果。

接著，來測(cè)試速度環(huán)的性能。切換到速度模式，跟測(cè)試電流環(huán)一樣，手動(dòng)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)換向測(cè)試響應(yīng)和跟隨性，可以看到目標(biāo)速度和實(shí)際反饋速度基本重合，說明跟隨性很不錯(cuò)。

接著測(cè)試位置環(huán)，切換到位置環(huán)模式，設(shè)置目標(biāo)位置，電機(jī)能很快運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置并收斂在目標(biāo)位置。測(cè)試電機(jī)位置環(huán)，通過人為擰動(dòng)電機(jī)，電機(jī)會(huì)很快就收斂到目標(biāo)位置。不過，要想進(jìn)一步提升位置環(huán)的性能，單純用霍爾傳感器是不夠的，一般位置環(huán)的應(yīng)用一般需要增量編碼器或者絕對(duì)式編碼器。

總結(jié)

ADI Trinamic推出的TMC4671真是電機(jī)控制領(lǐng)域的福音，由于算法直接集成到了芯片內(nèi)部，電機(jī)小白可以不用研究晦澀難懂的clarke、park、反clarke、反park等FOC控制理論知識(shí)，只需要配置簡(jiǎn)單的寄存器，即可對(duì)電機(jī)進(jìn)行快速開發(fā)，極大地節(jié)省了開發(fā)成本，相信定是未來一大趨勢(shì)，未來可期。