La necesidad de un control de movimiento preciso está creciendo en aplicaciones como robótica, drones, dispositivos médicos y sistemas industriales. Sin escobillas Motores de corriente continua (BLDC) y los motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) accionados por CA pueden ofrecer la precisión requerida y, al mismo tiempo, satisfacer la necesidad de alta eficiencia en un factor de forma compacto. Sin embargo, a diferencia de los motores de CC con escobillas y los motores de inducción de CA, que son fáciles de conectar y utilizar, los BLDC y PMSM son mucho más complejos.
Por ejemplo, técnicas como el control vectorial sin sensor (también llamado control orientado al campo, o FOC), en particular, ofrecen una excelente eficiencia junto con la ventaja de eliminar la sensor hardware, reduciendo así los costes y mejorando la fiabilidad. El problema para los diseñadores es que el control vectorial sin sensores es complicado de implementar, por lo que su uso puede extender los tiempos de desarrollo, agregar costos y posiblemente perder ventanas de tiempo de comercialización.
Para resolver este dilema, los diseñadores pueden recurrir a plataformas de desarrollo y placas de evaluación que ya tienen instalado el software de control vectorial sin sensores, lo que les permite centrarse en los problemas de diseño del sistema y no atascarse en los matices de la codificación del software de control. Además, estos entornos de desarrollo incluyen todo el controlador de motor y el hardware de administración de energía integrados en un sistema completo, lo que acelera el tiempo de comercialización.
Este artículo describe brevemente algunas de las necesidades de control de movimiento de precisión y revisa las diferencias entre CC con escobillas, inducción de CA, BLDC y PMSM. Luego resume los conceptos básicos del control vectorial antes de presentar varias plataformas y placas de evaluación de Texas Instruments, Infineon Technologies y Renesas Electronics, junto con una guía de diseño que facilita el desarrollo de sistemas de control de movimiento de precisión.
Ejemplos de aplicaciones de control de movimiento de precisión
Los drones son sistemas complejos de control de movimiento y normalmente emplean cuatro o más motores. Se necesita un control de movimiento preciso y coordinado para permitir que un dron flote, ascienda o descienda.
Figura 1: Los drones suelen utilizar cuatro o más motores, normalmente BLDC o PMSM, que giran a 12,000 XNUMX revoluciones por minuto (RPM) o más, y son impulsados por un controlador electrónico de velocidad (ESC). Este ejemplo muestra un ESC módulo en un dron utilizando un motor sin escobillas con control sin sensores. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)
Para flotar, el empuje neto de los rotores que empujan el dron hacia arriba debe estar equilibrado y exactamente igual a la fuerza gravitacional que lo empuja hacia abajo. Al aumentar igualmente el empuje (velocidad) de los rotores, el dron puede subir hacia arriba. Por el contrario, disminuir el empuje del rotor hace que el dron descienda. Además, hay guiñada (hacer girar el dron), cabeceo (volar el dron hacia adelante o hacia atrás) y rodar (volar el dron hacia la izquierda o hacia la derecha).
El movimiento preciso y repetitivo es una de las características de muchas aplicaciones robóticas. Un robot industrial estacionario de varios ejes tiene que aplicar diferentes cantidades de fuerza en tres dimensiones para mover objetos de diferentes pesos (Figura 2). Los motores dentro del robot suministran velocidad y par (fuerza de rotación) variables en puntos precisos, que el controlador del robot usa para coordinar el movimiento a lo largo de diferentes ejes para lograr una velocidad y un posicionamiento exactos.
En el caso de los robots móviles con ruedas, se puede utilizar un sistema de accionamiento diferencial preciso para controlar tanto la velocidad como la dirección del movimiento. Se utilizan dos motores para proporcionar movimiento junto con una o dos ruedas giratorias para equilibrar la carga. Los dos motores se impulsan a diferentes velocidades para lograr la rotación y los cambios de dirección, mientras que la misma velocidad para ambos motores da como resultado un movimiento en línea recta, ya sea hacia adelante o hacia atrás. Si bien los controladores de motor son más complejos en comparación con un sistema de dirección convencional, este enfoque es más preciso, mecánicamente más simple y, por lo tanto, más confiable.
Opciones de motor
Los motores de CC básicos y los motores de inducción de CA son relativamente económicos y fáciles de manejar. Se utilizan ampliamente en una amplia gama de aplicaciones, desde aspiradoras hasta maquinaria industrial, grúas y ascensores. Sin embargo, si bien son económicos y fáciles de conducir, no pueden proporcionar la operación de precisión requerida por aplicaciones como robótica, drones, dispositivos médicos y equipos industriales de precisión.
Un motor de CC con escobillas simple genera par al cambiar mecánicamente la dirección de la corriente en coordinación con la rotación mediante un conmutador y escobillas. Las deficiencias de los motores de CC con escobillas incluyen la necesidad de mantenimiento debido al desgaste de las escobillas y la generación de ruido eléctrico y mecánico. Se puede usar una unidad de modulación de ancho de pulso (PWM) para controlar la velocidad de rotación, pero el control de precisión y la alta eficiencia son difíciles debido a la naturaleza inherentemente mecánica de los motores de CC con escobillas.
Un BLDC elimina el conmutador y las escobillas de los motores de CC con escobillas y, dependiendo de cómo estén enrollados los estatores, también puede ser un PMSM. Las bobinas del estator están enrolladas de manera trapezoidal en un motor BLDC, y la fuerza electromotriz inversa (EMF) producida tiene una forma de onda trapezoidal, mientras que los estatores PMSM están enrollados de manera sinusoidal y producen una EMF inversa sinusoidal (Ebemf).
El par en motores BLDC y PMSM es una función de la EMF actual y trasera. Los motores BLDC funcionan con corriente de onda cuadrada, mientras que los motores PMSM funcionan con corriente sinusoidal.
Características del motor BLDC:
- Más fácil de controlar con corrientes de CC de onda cuadrada de seis pasos
- Produce una ondulación de par significativa
- Son de menor costo y rendimiento que los PMSM
- Se puede implementar con sensores de efecto Hall o con control sin sensores
Características de PMSM:
- Control más complejo usando Tres fases PWM sinusoidal
- Sin ondulación de par
- Mayor eficiencia, torque y costo que BLDC
- Se puede implementar con codificador de eje o con control sin sensor
¿Qué es el control de vectores?
El control vectorial es un método de control de accionamiento de motor de frecuencia variable en el que las corrientes del estator de un motor eléctrico trifásico se identifican como dos componentes ortogonales que se pueden visualizar con un vector. Un componente define el flujo magnético del motor, el otro el par. En el núcleo del algoritmo de control vectorial hay dos transformadas matemáticas: la transformada de Clarke modifica un sistema trifásico a un sistema de dos coordenadas, mientras que la transformada Park convierte los vectores del sistema estacionario de dos fases en vectores del sistema rotatorio y su inverso.
El uso de las transformadas de Clarke y Park lleva las corrientes del estator que se pueden controlar al dominio del rotor. Hacer esto permite que un sistema de control de motor determine los voltajes que se deben suministrar al estator para maximizar el par bajo cargas que cambian dinámicamente.
El control de velocidad y / o posición de alto rendimiento requiere un conocimiento preciso y en tiempo real de la posición y velocidad del eje del rotor para sincronizar los pulsos de excitación de fase con la posición del rotor. Esta información ha sido proporcionada típicamente por sensores como codificadores absolutos y resolutores magnéticos conectados al eje del motor. Estos sensores tienen varias desventajas del sistema: menor confiabilidad, susceptibilidad al ruido, más costo y peso, y mayor complejidad. El control vectorial sin sensores elimina la necesidad de sensores de velocidad / posición.
Los microprocesadores de alto rendimiento y los procesadores de señales digitales (DSP) permiten incorporar una teoría de control moderna y eficiente en el modelado de sistemas avanzados, lo que garantiza una potencia óptima y una eficiencia de control para cualquier sistema de motor en tiempo real. Se espera que, como resultado del aumento de la potencia computacional y la disminución de los costos de los microprocesadores y los DSP, el control sin sensores desplazará casi universalmente el control vectorial con sensores, así como los voltios escalares por hertz de una sola variable de rendimiento simple pero inferior (V / f ) control.
Accionamiento de motores trifásicos PMSM y BLDC para robótica industrial y de consumo
Para sortear la complejidad del control de vectores, los diseñadores pueden utilizar tableros de evaluación ya preparados. Por ejemplo, el DRV8301-69M-KIT de Texas Instruments es un módulo de evaluación de placa base basado en controlCARD DIMM100 que los diseñadores pueden utilizar para desarrollar soluciones de accionamiento de motor PMSM/BLDC trifásico (Figura 4). Incluye el controlador de puerta trifásico DRV8301 con amplificadores de derivación de corriente dual y un reductor. organismo reguladory una placa de microcontrolador (MCU) Piccolo TMS320F28069M habilitada para InstaSPIN.
El DRV8301-69M-KIT es un InstaSPIN-FOC e InstaSPIN-MOTION de Texas Instruments la tecnologíaKit de evaluación de control de motor basado en para motores giratorios trifásicos PMSM y BLDC. Con InstaSPIN, el DRV8301-69M-KIT permite a los desarrolladores identificar, ajustar automáticamente y controlar rápidamente un motor trifásico, proporcionando un sistema de control de motor funcional y estable "instantáneamente".
Junto con la tecnología InstaSPIN, el DRV8301-69M-KIT proporciona una plataforma FOC de alto rendimiento, eficiente en el consumo de energía, rentable sin sensores o con sensor de codificador habilitado que acelera el desarrollo para un tiempo de comercialización más rápido. Las aplicaciones incluyen motores síncronos de menos de 60 voltios y 40 amperios (A) para impulsar bombas, puertas, ascensores y ventiladores, así como robótica y automatización industrial y de consumo.
Características del hardware DRV8301-69M-KIT:
- Un zócalo inversor trifásico con interfaz para aceptar tarjetas de control DIMM100
- Un módulo de potencia integrado con inversor trifásico DRV8301 (con convertidor reductor integrado de 1.5 A) que admite hasta 60 voltios y 40 A continuos
- Las tarjetas TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC e InstaSPIN-MOTION
- La capacidad de trabajar con TMDXCNCD28054MISO compatible con MotorWare (se vende por separado) y TMDSCNCD28027F + Emulador externo (se vende por separado)
Accionamientos de motor PMSM y BLDC de alto rendimiento y alta eficiencia
El EVAL-IMM101T de Infineon Technologies es un kit de inicio con todas las funciones que incluye un IMM101T Smart IPM (módulo de alimentación integrado) que proporciona un alto rendimiento, llave en mano y completamente integrado.voltaje Solución de accionamiento de motor que los diseñadores pueden utilizar con motores PMSM / BLDC de alto rendimiento y alta eficiencia (Figura 5). El EVAL-IMM101T también incluye otros circuitos necesarios para la evaluación "lista para usar" de los IPM inteligentes IMM101T, como un rectificador y una etapa de filtro EMI, así como una sección de depuración aislada con conexión USB a una PC.
El EVAL-IMM101T fue desarrollado para ayudar a los diseñadores durante sus primeros pasos en el desarrollo de aplicaciones con un IPM inteligente IMM101T. La placa de evaluación está equipada con todos los grupos de montaje para FOC sin sensores. Contiene un conector AC monofásico, filtro EMI, rectificador y salida trifásica para conectar el motor. La etapa de potencia también contiene derivación de la fuente para la detección de corriente y un divisor de voltaje para la medición del voltaje del enlace de CC.
El IMM101T de Infineon ofrece diferentes opciones de configuración de control para sistemas de accionamiento PMSM / BLDC en un paquete compacto de montaje en superficie de 12 x 12 milímetros (mm), lo que minimiza el recuento de componentes externos y el área de la placa de circuito impreso (placa de circuito impreso). El paquete está mejorado térmicamente de modo que pueda funcionar bien con o sin disipador de calor. El paquete presenta una distancia de fuga de 1.3 mm entre las almohadillas de alto voltaje debajo del paquete para facilitar el montaje en superficie y aumentar la robustez del sistema.
La serie IMM100 integra un FredFET de 500 voltios o un CoolMOS de 650 voltios mosfet. Dependiendo de la potencia mosfets empleada en el paquete, la serie IMM100 cubre aplicaciones con una potencia de salida nominal de 25 vatios (W) a 80 W con voltaje de CC máximo de 500 voltios / 600 voltios. En las versiones de 600 voltios, la tecnología Power MOS tiene una potencia de 650 voltios, mientras que el controlador de puerta tiene una potencia de 600 voltios, lo que determina el voltaje de CC máximo permitido del sistema.
Sistema de evaluación de control de motor de 24 voltios
Los diseñadores de variadores de frecuencia de motor PMSM / BLDC de 24 voltios pueden recurrir al sistema de evaluación de control de motor RTK0EM0006S01212BJ de Renesas para los microcontroladores RX23T (Figura 6). Los dispositivos RX23T son microcontroladores de 32 bits adecuados para el control de un solo inversor con una unidad de punto flotante (FPU) incorporada que les permite ser utilizados para procesar complejos algoritmos de control de inversores. Esto ayuda a reducir en gran medida las horas de trabajo necesarias para el desarrollo y el mantenimiento de software.
Además, gracias al núcleo, la corriente consumida en el modo de espera del software (con retención de RAM) es de sólo 0.45 microamperios (μA). Los microcontroladores RX23T funcionan en el rango de 2.7 a 5.5 voltios y son altamente compatibles con la línea RX62T a nivel de software y disposición de pines. El kit incluye:
- Tablero inversor de 24 voltios
- Función de control PMSM
- Función de detección de corriente de tres derivaciones
- Función de protección contra sobrecorriente
- Tarjeta CPU para microcontrolador RX23T
- Cable USB mini B
- PMSM
Conclusión
Los BLDC y PMSM se pueden utilizar para ofrecer soluciones de control de movimiento de precisión que son compactas y altamente eficientes. El uso del control vectorial sin sensor con motores BLDC y PMS agrega la ventaja de eliminar el hardware del sensor, reduciendo así los costos y mejorando la confiabilidad. Sin embargo, el control vectorial sin sensores en estas aplicaciones puede ser un proceso complejo y que requiere mucho tiempo.
Como se muestra, los diseñadores pueden recurrir a plataformas de desarrollo y placas de evaluación que vienen con software de control de vectores sin sensores. Además, estos entornos de desarrollo incluyen todo el controlador de motor y el hardware de administración de energía integrados en un sistema completo, lo que acelera el tiempo de comercialización.