Renesas步进电机带旋转变压器评估系统使用指南

一、引言

在电机控制领域，准确的位置控制和高效的开发工具至关重要。Renesas的步进电机带旋转变压器评估系统（RTK0EMX270S01020BJ）为工程师提供了一个强大的平台，用于评估步进电机的控制性能。本文将详细介绍该评估系统的使用方法、规格参数以及相关注意事项，帮助工程师更好地利用这一工具。

文件下载：RTK0EMX270S01020BJ.pdf

二、安全注意事项

（一）使用人员要求

该产品仅应由对电气和机械部件及系统有深入了解，熟悉操作风险，并接受过逆变器电机控制和电机处理培训的人员使用。在使用前，务必仔细阅读手册中的注意事项。

（二）危险操作提示

• 产品无保护外壳，包含运动部件和高温组件，供电时切勿触摸评估板或电缆。
• 仔细检查电路板、连接器和电缆上是否有导电材料或灰尘附着。
• 供电时，切勿触摸电机，确保电机绝缘并放置在稳定位置，且不要连接负载，以免引发火灾、烧伤或受伤。

（三）警告操作提示

• 确保插头、连接器和电缆牢固插入，否则可能导致火灾、烧伤、电击或故障。
• 使用手册中指定的电源设备，避免因使用不当引发危险。
• 长时间不使用或移动产品时，停止供电并拔掉所有电缆，防止过热、火灾等问题。
• 操作电源开关应在可触及范围内，以便在异常时能迅速切断电源。
• 若发现异常气味、烟雾、异常声音或过热，应立即停止供电，避免继续使用导致危险。
• 切勿拆卸、修改或修理产品，以免造成安全隐患。
• 该产品仅用于测试室或实验室的电机控制初始评估，不得用于其他目的，也不要在通电时插拔电缆或连接器。

（四）注意操作提示

• 电机工作时会发热，触摸可能导致高温烧伤。
• 按照手册规定的程序开启或关闭系统电源，避免设备过热或故障。
• 使用产品前，佩戴防静电腕带，防止静电对设备造成损坏。
• 在连接产品和稳压电源的电缆上安装铁氧体磁芯，避免干扰其他设备或导致设备故障。

三、法规相关信息

该产品符合欧盟的相关指令，包括电磁兼容性（EMC）指令2014/30/EU（EN61326 - 1: 2013 Class A）和废弃电气电子设备（WEEE）指令2012/19/EU。需要注意的是，作为Class A产品，在住宅区使用时可能会产生射频噪声，用户可能需要采取相应的对策。

四、产品概述

（一）产品功能

该评估系统是一个电机控制评估套件，配备了Renesas的旋转变压器/数字转换器IC，可与带旋转变压器的电机配合实现高分辨率的位置控制。同时，产品具备多种外部设备接口，可通过连接通用电机控制设备立即开始评估。此外，它还支持Renesas的电机控制开发支持工具Renesas Motor Workbench，可实时显示微控制器的内部变量波形，并自动提取矢量控制参数，提高软件开发效率。

（二）主要器件

• 微控制器：R5F524TEADFP
• 旋转变压器/数字转换器：RAA3064002GFP
• 栅极驱动器：HIP4082IBZ
• RS - 485驱动器：ISL3156EIUZ
• CAN驱动器：R2A25416SP
• MOSFET：RJK1054DPB
• 稳压器：ISL9001AIRNZ、ISL9005AIRNZ

（三）相关文档

包括电路原理图、零件清单、PCB版图等，为工程师提供了详细的设计参考。

五、产品使用

（一）快速启动1：连接和板卡操作

1. 准备工作：准备稳压电源（输出电压24 VDC或更高，输出电流1 A或更高）和两根能通过1 A以上电流的电源线。
2. 连接电机和板卡：将电机电缆和旋转变压器电缆连接到电机，再将电机电缆连接到逆变器板，旋转变压器电缆连接到CPU卡。
3. 检查开关和可变电阻：确保SW1关闭，可变电阻VR1处于中心位置，如有需要，使用防静电一字螺丝刀进行调整。
4. 连接稳压电源和板卡：通过端子块或DC插孔将稳压电源连接到板卡。
5. 供电：将稳压电源输出电压设置为24 V，限流设置为1 A，开始输出。
6. 执行校准：按下并释放SW2，等待30 - 40秒，电机将在20 - 30秒后开始旋转，校准完成后停止。
7. 启动电机旋转：打开拨动开关SW1。
8. 检查电机速度变化：转动可变电阻VR1，观察电机速度变化。
9. 停止电机旋转：关闭拨动开关SW1。
10. 停止供电：确认电机停止旋转后，停止稳压电源输出。

（二）快速启动2：GUI操作

1. 连接PC和产品：使用USB电缆将PC与逆变器板上的USB连接器CN4连接，然后按照快速启动1的步骤（4）开启板卡电源。
2. 连接Renesas Motor Workbench：启动Renesas Motor Workbench，检查相关COM号是否显示。
3. 加载配置文件：下载示例代码“Vector Control of Two - Phase Stepping Motor with Resolver(Evaluation System for Stepping Motor with Resolver, structure update version)”(R01AN6239)，并在Renesas Motor Workbench上加载配置文件“RX24T_MRSSK_STM_RSLV_FOC_CSP_RVxxx.rmt”。
4. 切换到分析仪工具：在主窗口中点击分析仪按钮，显示相关窗口。
5. 更改用户界面：点击“GUI mode”用户按钮，将界面从板卡上的开关和可变电阻切换到Renesas Motor Workbench。
6. 执行偏移校准：点击“Offset Calibration”用户按钮。
7. 执行增益和相位校准：点击“Gain/Phase Calibration”用户按钮。
8. 执行角度误差校准：点击“Angle error Calibration”用户按钮，电机将在20 - 30秒后开始旋转，校准完成后停止。
9. 设置位置控制命令值：在“Position Control”用户按钮中设置命令值。
10. 在位置控制模式下操作电机：点击“Position Control”用户按钮，电机将旋转并停在设置的位置。
11. 关闭伺服：点击“Stop”用户按钮。
12. 发送速度命令：点击“Speed Control”用户按钮，电机将以速度控制模式旋转，并在Scope窗口中显示波形。
13. 停止旋转：点击“Stop”用户按钮。
14. 停止供电：确认电机停止旋转后，停止稳压电源输出。

（三）初始软件规格

• 控制方法：旋转变压器矢量控制
• VR1：顺时针旋转使电机逆时针旋转，逆时针旋转使电机顺时针旋转。
• SW1：打开时电机可旋转，关闭时电机停止旋转。
• SW2：出现错误时取消错误状态；电机旋转时无作用；电机停止时进行校准。
• LED1：SW1打开且正常运行时亮起，SW1关闭或出现错误时熄灭。
• LED2：出现错误时亮起，正常运行时熄灭。
• Renesas Motor Workbench：可用

（四）写入闪存

产品具有板载仿真器电路（闪存编程电路），可通过连接USB电缆到CPU卡上的CN17（USB mini - B连接器）和PC的USB连接器，使用Renesas Flash Programmer或e2studio等应用程序写入数据。

（五）故障排除

• 连接器未安装：CN2、CN 4、CN 6、CN 7、CN 9、CN 11、CN 12、CN 13和CN 14未安装在CPU卡上，需安装所需连接器。
• 电缆未连接或连接不足：正常情况下，应连接四根电机电缆和五根旋转变压器电缆。
• 配件缺失：检查配件清单，如有缺失，联系供应商或Renesas支持。
• 电机不运行：检查电源供应和电缆连接。
• 旋转速度不稳定：按照快速启动2的说明执行自动校准。
• 电机停止（出现错误状态）：检查电源输出电流限制，确保设置为1 A或更高。同时，可参考相关章节进行错误恢复和状态检查。
• 无法与Renesas Motor Workbench连接（COM未识别）：检查Renesas Motor Workbench版本是否为2.0或更高，若显示多个COM号，尝试使用其他COM号连接。
• 无法与Renesas Motor Workbench连接（MCU未识别）：检查CPU卡是否正确安装在逆变器板上，以及逆变器板是否供电。
• 无法将软件写入MCU：检查写入设置是否正确。
• 将产品重置为出厂设置：从产品网站下载并写入工厂设置的软件。

六、套件规格

（一）规格列表

• MCU：型号为R5F524TEADFP，工作时钟为20 - MHz晶体振荡器（PLL倍频内部频率：80 MHz）。
• 电源：输入电压为24 VDC（ - 5%）至48 VDC（ + 5%），提供端子块和DC插孔作为连接器。
• 电机：步进电机，尺寸为42 mm方形，额定电流为2 Apeak/相，保持转矩为0.51 N m。
• 逆变器电路：最大输出功率为100 W，开关频率为20 kHz或更低，死区时间为0.5 μs或更长，PWM逻辑为上下臂正逻辑，采用分流电阻进行电流检测。
• 传感器：支持旋转变压器（单相励磁两相输出，励磁频率为20 kHz）和编码器（开集电极输出，200 kp/s适用），还具备电压检测功能。
• 保护电路：过流检测阈值为5 A，熔断器额定电流为8 A，具备反向电流防止二极管。
• 外部设备接口：包括Renesas Motor Workbench通信电路、RS - 485通信电路、CAN通信电路、脉冲序列命令输入电路和通用输入/输出电路。
• 用户接口：输入包括一个拨动开关、一个按钮开关和一个可变电阻，显示包括逆变器控制电路电源LED、CPU卡电源LED和三个LED。

（二）步进电机带旋转变压器

详细列出了步进电机的各项参数，如额定电流、绕组电阻、保持转矩、电感、转子惯量和定位转矩等。

（三）电源

产品需要外部施加24至48 VDC电压，提供端子块和DC插孔作为连接器。在逆变器板上生成12 V用于栅极驱动器和5 V用于MCU及其他IC的电压。同时，提供了框架接地连接选项，并具备过流检测、过流保护熔断器和反向电流防止二极管等保护电路。

（四）逆变器电路

包括电机连接连接器、逆变器和栅极驱动器、电流检测和电压检测等部分。详细介绍了各部分的电路配置、连接关系以及相关参数的计算方法。

（五）传感器接口

• 旋转变压器：配备旋转变压器/数字转换器IC，可将旋转变压器输出的模拟信号转换为相位调制的数字信号。提供了旋转变压器连接器的位置和连接信息。
• 编码器：支持编码器A/B/Z信号输入，信号通过5 - V上拉电阻、RC滤波器和缓冲IC输入到MCU。连接器未在工厂安装，使用时需安装2.54 mm间距的连接器。
• 原点/限位传感器：支持光电传感器信号输入，用于原点/限位检测。板上有上拉电阻支持NPN传感器，输入信号通过缓冲IC连接到MCU。连接器未在工厂安装，使用时需安装2.5 mm间距的连接器。

（六）外部设备接口

• Renesas Motor Workbench通信电路：配备USB连接接口，支持Renesas Motor Workbench，可实时显示目标微控制器的内部变量波形，并进行读写和参数提取。
• RS - 485通信：支持异步串行通信，最大速率为5 Mbps，采用UART功能和ISL3156E收发器。连接器未在工厂安装，使用时需安装2.54 mm间距的连接器。
• CAN通信：支持最大1 Mbps的通信，使用RSCAN功能。连接器未在工厂安装，使用时需安装2.54 mm间距的连接器。
• 脉冲序列命令：支持最大200 kp/r的脉冲序列命令输入，输入信号通过缓冲IC连接到MCU。连接器未在工厂安装，使用时需安装2.54 mm间距的连接器。
• 通用输出：具备通用输出接口，采用开集电极缓冲输出，耐压30 V，适用于24 V控制设备。输出信号通过缓冲IC连接到连接器。连接器未在工厂安装，使用时需安装2.54 mm间距的连接器。
• 通用输入：具备通用输入接口，有上拉电路，假设输入开集电极信号。输入信号通过缓冲IC连接到MCU，连接器也用于模拟输入。连接器未在工厂安装，使用时需安装2.54 mm间距的连接器。
• 模拟输入：具备模拟输入电路，用于输入外部设备的模拟命令或通用模拟信号。输入端开路时，MCU输入电压为AVCC / 2 = 2.5 V。连接器未在工厂安装，使用时需安装2.54 mm间距的连接器。

（七）用户接口

• LED：逆变器板上有四个LED，CPU卡上有三个LED，部分LED连接到相同的MCU引脚。详细介绍了各LED的点亮条件和连接信息。
• 开关：包括MCU复位开关和两个与MCU引脚功能连接的开关，介绍了各开关的类型、输入电平及连接信息。
• 可变电阻：输出电压范围为0至AVCC，连接到CPU卡的特定引脚。

（八）引脚分配

详细列出了MCU引脚功能分配和板对板连接器引脚功能分配，为工程师进行电路设计和调试提供了重要参考。

七、如何对MCU进行闪存编程

使用e2studio将示例程序写入MCU闪存的步骤如下：

1. 连接CPU卡到PC：使用USB电缆将CPU卡上的CN17（USB mini - B连接器）连接到PC的USB连接器。
2. 启动e2studio并导入示例项目：将示例项目导入e2studio。
3. 配置工具链：点击项目属性，根据环境配置工具链。
4. 构建项目：对项目进行构建。
5. 将程序写入CPU卡：执行闪存编程操作。
6. 断开CPU卡与PC的连接：点击断开连接并拔掉USB电缆。

八、网站和支持

Renesas Electronics的官方网站为http://japan.renesas.com/，如有疑问可通过http://japan.renesas.com/contact/进行咨询。

通过以上详细介绍，相信工程师们对Renesas步进电机带旋转变压器评估系统有了更全面的了解。在实际使用过程中，务必严格遵守安全注意事项，按照操作步骤进行操作，以确保系统的正常运行和自身安全。你在使用该评估系统时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。