Solutions matérielles et logicielles pour un contrôle moteur efficace

Avec le développement rapide de l'automatisation industrielle, de l'électrification des véhicules et des technologies de la maison intelligente, la technologie de commande de moteurs efficace est devenue une partie indispensable de l'ingénierie moderne. En tant que dispositif central pour la conversion d'énergie et la conduite de puissance, l'efficacité, la fiabilité et l'intelligence des moteurs influencent directement les performances globales du système. Par conséquent, concevoir une solution matérielle et logicielle complète pour une commande de moteur efficace peut non seulement réduire la consommation d'énergie, mais aussi permettre un contrôle précis pour répondre aux besoins diversifiés des applications. Cet article présentera les tendances de développement dans la technologie de commande de moteurs, ainsi que les avantages et solutions de NXP et Arrow dans ce domaine.

Les entraînements de moteurs sont souvent nécessaires dans les applications industrielles et IoT, où la demande d'efficacité énergétique stimule la croissance des valeurs énergétiques électriques et des pompes à chaleur, ce qui entraîne un besoin accru de systèmes basse consommation. Cela nécessite des entraînements à très basse tension et des systèmes à base de batteries pour répondre à la tendance du développement durable. De plus, la demande pour des moteurs d'entraînement efficaces a également augmenté, nécessitant divers types de moteurs émergents et des algorithmes de contrôle efficaces. En termes de contrôle synchrone, la demande croissante pour les réseaux industriels et le contrôle de mouvement multi-axes stimulera la recherche de l'efficacité des entraînements.

D'autre part, avec la demande croissante en matière de sécurité et de sûreté, les systèmes mettent davantage l'accent sur la sécurité fonctionnelle et la cybersécurité, en cherchant à atteindre robustesse, maintenance prédictive et conformité aux normes industrielles pour améliorer la fiabilité des systèmes.

Cependant, le contrôle moteur est également confronté à de nombreux défis du marché, tels que la fragmentation du marché, une grande variété de cas d'utilisation, et la demande croissante du marché des appareils électroménagers pour une réduction des coûts du BOM ou de conception. En outre, il existe des défis liés aux exigences de sécurité fonctionnelle industrielle, aux niveaux variés d'expertise parmi les clients en contrôle moteur, à l'émergence de nombreux outils et logiciels de contrôle moteur distincts, ainsi qu'aux solutions au niveau système au stade de la puissance, qui posent tous des défis pour les applications de contrôle moteur.

Il existe de nombreux types de contrôle moteur, notamment les moteurs à courant continu à balais, les moteurs pas à pas, les moteurs à courant continu sans balais (BLDC), les moteurs synchrones à aimant permanent (PMSM) et les moteurs à induction à courant alternatif (ACIM), couvrant divers marchés verticaux. Les principales tendances stimulant la croissance de ces marchés incluent la recherche d'efficacité énergétique, le besoin de pompes à chaleur et d'entraînements moteurs à très basse tension, ainsi que la tendance à l'automatisation, qui accroît la demande pour les servodrives, les robots mobiles et les outils électriques. De plus, il existe des marchés clés en croissance qui favorisent la différenciation technologique, incluant des technologies de contrôle moteur similaires couvrant plusieurs marchés verticaux, évoluant vers des applications à basse vitesse et couple élevé ainsi que des charges variables. Actuellement, les principales tendances des marchés en croissance indiquent que l'accent des types de moteurs se déplace vers les moteurs BLDC et PMSM.

Les produits de contrôle de moteur de NXP adoptent une approche « coup double » qui intègre le matériel et le logiciel. La gamme de produits va du portefeuille MCX d'entrée de gamme et grand public, prenant en charge des vitesses aussi basses que 48 MHz, aux microcontrôleurs croisés i.MX RT atteignant jusqu'à 1 GHz. De plus, les processeurs d'applications i.MX, conçus pour le contrôle de moteur combiné au contrôle de mouvement, intègrent des cœurs Cortex-A + Cortex-M. Son sous-système de contrôle de moteur comprend un ADC haute vitesse synchronisé matériellement, un PWM de contrôle de moteur, des amplificateurs opérationnels/amplificateurs à gain programmable (PGA), et des interfaces d'encodeur. Ce sous-système permet un traitement évolutif pour simplifier l'expérience de développement du contrôle de moteur.

Par rapport aux concurrents, NXP dispose d'un avantage différencié. Par exemple, les microcontrôleurs croisés i.MX RT fonctionnent à une fréquence pouvant atteindre 1 GHz, permettant un contrôle moteur à haute dynamique. Le processeur i.MX 94 comprend un cœur temps réel pour le contrôle moteur intégré au mouvement, capable d'un traitement ultra-efficace. De plus, NXP propose un sous-système de contrôle moteur unifié avec une propriété intellectuelle exclusive de NXP spécifiquement conçue pour le contrôle moteur, pouvant être étendu à ses portefeuilles de produits MCU et MPU.

Les solutions de contrôle moteur de NXP optimisent les coûts des applications grâce à des PGA intégrés sur puce et des décodeurs de position. Les i.MX RT crossover MCUs offrent également le plus haut DMIPs par dollar et proposent des capacités d'intégration orientées cas d'utilisation, comme le réseau industriel gigabit pour les servomoteurs d'usine connectés et les fonctionnalités eIQ® AI/ML pour la maintenance prédictive des moteurs et la détection d'anomalies. De plus, ces solutions permettent un prototypage rapide grâce à l'identification et au réglage des moteurs, soutenus par des exemples SDK faciles à démarrer, contribuant ainsi à accélérer le délai de mise sur le marché.

NXP fournit des produits de solutions en couches. Dans le cadre de la preuve de concept, il aide les clients à démontrer un concept ou une idée, à vérifier la disponibilité limitée du matériel, à effectuer des tests de base et à travailler sur le firmware. Les clients reçoivent des exemples de firmware/schémas pour démarrer leurs projets et renforcer leur confiance dans la compatibilité des dispositifs.

Pour les conceptions de référence, NXP propose des solutions de référence optimisées adaptées à des cas d'utilisation spécifiques des clients, incluant du matériel disponible via tous les canaux, des certifications réglementaires, ainsi que de la formation et un support pour les logiciels testés et maintenus. Les clients bénéficient d'exemples de matériel/schémas pour les projets de développement, renforçant la confiance dans l'implémentation et les tests, ainsi que d'exemples complets de logiciels/micrologiciels pour accélérer la mise sur le marché.

La plateforme de développement FRDM de NXP propose des cartes extensibles à faible coût, qui sont des solutions évolutives faciles à concevoir et accessibles via divers canaux et partenaires. Elle fournit des formations, un support et des logiciels de référence, permettant aux clients de s'adapter facilement à différents cas d'utilisation. Les produits permettent une mise sur le marché rapide, bénéficient d'un support étendu sur le marché et offrent de multiples exemples.

Le i.MX RT1180 de NXP est un MCU crossover haut de gamme doté d'un cœur Arm® Cortex®-M7 haute performance avec une vitesse d'horloge allant jusqu'à 800 MHz et d'un cœur Cortex®-M33 écoénergétique avec une fréquence allant jusqu'à 240 MHz. Le i.MX RT1180 offre une fonctionnalité de passerelle industrielle, prend en charge les protocoles industriels en temps réel (Profinet, EtherCAT, EtherNet/IP, etc.) et implémente le dernier protocole Time Sensitive Networking (TSN) gigabit grâce à un sous-système de commutateur Ethernet avancé et à une RAM embarquée de 1,5 MB avec protection ECC. Le i.MX RT1180 intègre également des modules de gestion d'alimentation avancés, notamment des régulateurs DC DC et LDO, réduisant la complexité des alimentations externes et simplifiant la séquence d'alimentation. Il dispose également d'un grand sous-système capable de prendre en charge plusieurs applications, y compris des interfaces de stockage et des interfaces de connectivité (CAN-FD, LPUART, LPSPI, LPI2C, FlexIO, etc.).

Le i.MX RT1180 de NXP est un microcontrôleur (MCU) temps réel à double cœur de crossover avec un commutateur TSN et une sécurité EdgeLock®, utilisant des cœurs Arm® Cortex®-M7 et Arm® Cortex®-M33 pour des performances élevées et des capacités de contrôle en temps réel. Le i.MX RT1180 intègre des commutateurs TSN et des contrôleurs EtherCAT SubDevice, ce qui le rend idéal pour les applications de communication industrielles et automobiles.

Le i.MX RT1180 CM7 fonctionne à une fréquence allant jusqu'à 800 MHz, et le CM33 fonctionne à une fréquence allant jusqu'à 240 MHz, avec 1,5 Mo de RAM intégrée. Cette famille prend en charge plusieurs protocoles, permettant une passerelle de communication entre l'Ethernet en temps réel et les systèmes de l'Industrie 4.0. Le i.MX RT1180 offre également une sécurité avancée de l'information, intégrant l'EdgeLock® Secure Enclave de NXP. La famille i.MX RT1180 est prise en charge par l'expérience développeur MCUXpresso, qui inclut SDK, options IDE, programmation et provisionnement sécurisés, ainsi que des outils de configuration pour un développement rapide.

NXP peut assister les développeurs de contrôle moteur dans une série de processus, en commençant par la configuration du système, suivie de la modélisation du moteur, qui peut être ajustée via l'application de réglage de contrôle moteur FreeMASTER (MCAT). La troisième étape implique l'ajustement du moteur, qui peut être débogué en temps réel à l'aide de FreeMASTER avec MCAT. Ensuite, la livraison du logiciel peut être effectuée en utilisant les exemples de code de contrôle moteur dans le MCUXpresso SDK, conduisant au lancement du produit final.

FreeMASTER est un outil de surveillance en temps réel, de débogage et de visualisation de données pour le développement d'applications et la gestion de l'information. Il comprend des oscilloscopes, un stockage en temps réel et des capacités de contrôle de tableau de bord, offrant une utilisation facile tout en étant hautement évolutif. Il prend en charge le contrôle et la visualisation de base sans modifications de code, un middleware pour des implémentations plus puissantes, une prise en charge complète des tableaux de bord et scripts personnalisés en HTML/JavaScript, des échanges de données avec d'autres applications, et diverses options d'interface, y compris UART, CAN, BDM/PD-BDM et SWD ou des interfaces personnalisées. Il peut fonctionner sur toute plateforme disposant d'une interface série disponible. FreeMASTER Lite prend en charge les tableaux de bord de contrôle à distance sur des plateformes non-Windows.

MCAT est un outil plugin pour FreeMASTER qui fonctionne avec FreeMASTER pour permettre la surveillance en temps réel, l'ajustement et la mise à jour des paramètres de contrôle dans les applications de commande de moteur. MCAT peut ajuster les paramètres de contrôle pour le moteur/application cible, ajuster dynamiquement et mettre à jour les paramètres de contrôle, et générer des fichiers d'en-tête avec des configurations de paramètres statiques ajustées. Il est indépendant du MCU et de l'arithmétique (16-bit/32-bit, Fix/Flt).

Pour accélérer la vitesse de développement des produits des clients, le kit de développement SEED-RT118X, développé par Arrow Electronics, est une trousse à outils de développement pour le contrôle moteur intelligent TSN/EtherCAT. Le MCU intégré i.MX RT1180 crossover est doté d'une enclave sécurisée avancée EdgeLock et repose sur une architecture double cœur Cortex-M7 à 800 MHz et Cortex-M33 à 240 MHz pour offrir une flexibilité de conception. Cette série comprend un commutateur TSN, prenant en charge une intégration réseau riche en temps réel et permettant de gérer la communication en temps réel et industrielle sensible au temps. Le i.MX RT1180 prend en charge plusieurs protocoles, facilitant la communication entre Ethernet temps réel et les systèmes Industrie 4.0. Le SEED-RT118X intègre les fonctionnalités Ethernet, EtherCAT, CAN, USB, SD, ainsi que quatre connecteurs pouvant prendre en charge indépendamment des cartes de contrôle moteur supplémentaires.

La carte Ethernet SEED-RT118X possède au total 5 ports Ethernet, où ETH0 et ETH4 sont des ports à 100 Mbps, et les trois autres sont des ports gigabit. ETH0 - ETH3, ces quatre ports, se connectent à un commutateur TSN à 4 ports à l'intérieur du RT 118X. ETH4 se connecte à un TSN GMAC à l'intérieur du RT 118X. Les ports Ethernet ETH0 et ETH4 de la carte EtherCAT SEED-RT118X peuvent être configurés comme interfaces EtherCAT ECAT0 et ECAT1. En modifiant les résistances de la carte, l'interface PHY peut être sélectionnée comme RMII ou MII. EtherCAT offre une vitesse de communication élevée, de bonnes performances de synchronisation, une structure de topologie flexible, une excellente performance en temps réel, une fiabilité et une stabilité élevées.

La carte d'interface de contrôle moteur SEED-RT118X inclut également quatre interfaces de contrôle moteur avec les mêmes définitions de broches. Associée à des cartes de pilote spécifiques, cette solution basée sur le NXP i.MX RT1189 peut être utilisée pour le contrôle de moteurs servo DC 24V-48V, BLDC et pas à pas.

Le SEED-RT118X TSN peut effectuer la synchronisation d'horloge GPTP, tester les paramètres de synchronisation d'horloge GPTP RT118X et gérer la transmission et la réception de données SEED-RT118X TSN. Il peut envoyer des données horodatées pour tester le délai de traitement et le délai de transmission de la pile réseau RT118X. Le commutateur SEED-RT118X TSN peut configurer les fonctions VLAN, table de transfert et planification du trafic du commutateur RT118X TSN. Lors des tests, l'erreur maximale des paramètres de synchronisation d'horloge GPTP SEED-RT118X est de ±39,98 ns, l'erreur moyenne est de 2,556 ns, et le délai total de traitement et de transmission de la pile réseau SEED-RT118X est d'environ 36 µs.

Le contrôle efficace des moteurs n'est pas seulement une direction pour l'innovation technologique, mais également un facteur clé pour favoriser la conservation de l'énergie, la réduction des émissions et les applications intelligentes. Grâce à la conception collaborative du matériel et des logiciels, les ingénieurs peuvent obtenir un fonctionnement des moteurs plus efficace et fiable, répondant aux exigences de performance croissantes dans divers secteurs. Parallèlement, avec les avancées continues des algorithmes de contrôle, des performances des processeurs et des outils de développement, la barrière à la conception de systèmes de contrôle moteur efficaces diminue progressivement, offrant des opportunités innovantes pour davantage de scénarios d'application. Les solutions de contrôle moteur de NXP et Arrow présentées dans cet article joueront un rôle irremplaçable dans la concurrence technologique mondiale et le développement durable, contribuant à créer une vie technologique meilleure.