Os motores elétricos moldaram o mundo e continuam a moldá-lo, em todos os níveis. Desde pequenos motores que podem ser encontrados em casa até motores industriais pesados. Com a crescente consciência do custo da energia, tanto em termos ambientais como financeiros, há necessidade de alcançar maior eficiência nos sistemas de acionamento motorizado e de reduzir os custos de operação e produção.
A solução de acionamento de motor de baixa tensão da Renesas atende aos principais requisitos dos eletrodomésticos devido à sua segurança, fator de forma menor, custo otimizado e barramento de link CC unificado compartilhado com outros circuitos eletrônicos, e traz as seguintes vantagens:
- Margens de segurança mais altas – Isolar os motores, bombas e ventiladores do nível de tensão da rede elétrica torna os sistemas mais seguros para projetistas e equipe de manutenção.
- Tamanho e custo reduzidos - Alta voltagem IGBT, MOSFET, ou Módulos de Potência Integrados (IPMs) geralmente precisam de um circuito isolado de 12 Vcc ~ 15 Vcc ou de um circuito de bootstrap externo para ligar os portões, o que aumenta o número de componentes e o custo de produção dessas placas de acionamento. Pelo contrário, as soluções de baixa tensão reduzem significativamente o tamanho e o custo da PCB usando bootstrap interno e desfrutando juntos de menores requisitos de fuga e folga.
- Maior eficiência do acionamento do motor – Em aplicações de baixa tensão e baixa potência, MOSFETs com um pequeno RDSon e a carga de porta alcançam perdas muito baixas que podem não exigir componentes extras de dissipação de calor, contribuindo mais para a redução geral dos custos do sistema.
Para melhorar o desempenho do controle do motor e alcançar a mais alta eficiência, mantendo ao mesmo tempo o custo de produção e desenvolvimento o mais baixo possível, a escolha do microcontrolador certo é o principal fator de decisão. Os MCUs Renesas são projetados especificamente para aplicações de controle de motores para oferecer um design de hardware mais simples, integrando periféricos analógicos e digitais e desenvolvimento de software mais rápido por meio de kits de desenvolvimento de software (SDKs) de última geração. Explicaremos detalhadamente os recursos exclusivos desses MCUs e como eles levarão aos melhores projetos de sistemas de acionamento de motores de baixa tensão.
Tendências e principais desafios de controle de motores de baixa tensão
Um microcontrolador que executa o algoritmo de controle do motor depende de diversas medições de feedback, filtragem e cálculos matemáticos para fornecer com eficiência o torque e a velocidade necessários; portanto, vários circuitos eletrônicos analógicos são necessários para converter as saídas dos sensores em um nível de tensão adequado para o MCU e permitir uma proteção confiável. Os ricos periféricos analógicos e digitais integrados dos MCUs RA6T2, RX13T, RX26T e RX72T combinados com um núcleo proprietário da Renesas e um poderoso braço® Córtex®Os núcleos -M, bem como o filtro IIR exclusivo da Renesas e os aceleradores de função trigonométrica (IIRFA e TFU), tornam esses MCUs a escolha perfeita para enfrentar os desafios de design mais comuns.
Medição Atual
A maneira mais comum de medir a corrente em inversores de baixa tensão é detectar a queda de tensão através de um shunt ou resistor de detecção de corrente. A seleção de um resistor muito pequeno produz menores perdas de potência, mas reduz substancialmente a magnitude da tensão de detecção e torna impossível para um ADC ler o valor. Para resolver esse problema comum, a Renesas apresenta ADCs de 12 ou 16 bits com sample and hold e um amplificador de ganho programável (PGA) integrado para amplificar com precisão o sinal de entrada e injetar deslocamento DC estável antes de convertê-lo em um valor digital. O uso do PGA interno erradica os componentes externos e reduz o tamanho e o custo da PCB, ao mesmo tempo que oferece baixo ruído e operação estável de tensão de referência com a capacidade de compensar variações de temperatura.
Proteção contra sobrecorrente
É imperativo proteger o sistema de acionamento e o motor em caso de altas correntes de partida o mais rápido possível, o que geralmente é implementado por comparadores analógicos externos para desligar os acionamentos do portão. No entanto, a família RA6T de MCUs de 32 bits oferece um comparador analógico de alta velocidade integrado (ACMPHS) para comparar a saída PGA com o nível máximo e desligar os sinais PWM com um atraso de menos de 50 nanossegundos.
Ruído de medição
A ondulação de comutação de alta frequência induzida pelo inversor e o ruído branco ambiental prejudicam a qualidade da tensão e das correntes medidas; portanto, é necessário filtrar os sinais. Em vez de filtros passa-baixo analógicos externos volumosos e instáveis, o MCU RA6Tx da Renesas oferece um acelerador de filtro IIR biquad implementado em hardware (IIRFA) para reduzir os ciclos de processamento no controle de velocidade e cálculos de loop de corrente em cerca de 40% em comparação com outros MCUs.
Figura 1. Aplicação de periféricos analógicos integrados ricos RA6Tx da Renesas para um inversor BLDC trifásico
(Inclui apenas a Fase A)
Método eficiente para controlar BLDC
Juntamente com o hardware misto analógico-digital necessário para o inversor BLDC, o algoritmo de controle deve fornecer eficiência máxima para reduzir os custos de produção e operação para fabricantes e usuários finais. Existem vários métodos de controle diferentes empregados para motores BLDC, cada um com seu próprio conjunto de princípios e aplicações. Os métodos mais comumente usados incluem controle trapezoidal, controle senoidal, controle orientado a campo (FOC) e controle vetorial.
Controle trapezoidal
O controle trapezoidal é a forma mais simples de controle de motor BLDC que opera aplicando tensão aos enrolamentos do motor em um padrão de comutação de seis etapas baseado no feedback do sensor Hall. Este método oferece implementação de baixo custo e ao mesmo tempo proporciona bom desempenho em aplicações de alta velocidade, como ventiladores ou bombas. A principal desvantagem deste método é a sua incapacidade de produzir uma saída de torque suave, devido à comutação de seis etapas, resultando em aumento de ruído audível e vibração durante a operação.
Controle Senoidal
Ao controlar a forma de onda senoidal da corrente de fase por meio de técnicas PWM baseadas em dados de sensores de posição do rotor ou algoritmos de estimativa de back-EMF, um melhor desempenho pode ser alcançado, em comparação com o método trapezoidal, em uma faixa mais ampla de velocidades, resultando em uma operação mais suave em velocidades mais baixas. velocidades adequadas para motores/compressores de alta potência. No entanto, este método não garante o uso ideal das capacidades eletromagnéticas do motor e não oferece eficiência máxima.
Controle Orientado a Campo
O controle orientado a campo (FOC) é uma técnica mais avançada que desacopla o componente produtor de torque do componente magnetizante dentro do espaço vetorial de fluxo do motor. Ao alinhar o fluxo magnético do rotor com o fluxo magnético do estator, níveis mais elevados de controlabilidade podem ser alcançados, levando a uma melhor resposta dinâmica e capacidades de alto torque, tornando-o um método ideal para aplicações exigentes em uma ampla faixa de velocidade, desde parado até nominal. Modelar o motor em um plano complexo permite o controle preciso dos componentes de torque e fluxo, manipulando a magnitude e o ângulo de fase dos vetores de corrente em um sistema de coordenadas rotativas conhecido como referencial dq. Ao manipular a magnitude e a fase desses vetores, o controle vetorial consegue uma regulação precisa dos componentes de torque e fluxo, levando a um desempenho superior em termos de eficiência, resposta dinâmica e torque de saída suave.
Controle de vetores
O controle vetorial (VC) é um refinamento adicional do FOC, onde o modelo do motor é representado em um plano complexo. Ele permite o controle preciso dos componentes de torque e fluxo, manipulando a magnitude e o ângulo de fase dos vetores de corrente em um sistema de coordenadas rotativas conhecido como referencial dq. Ao manipular a magnitude e a fase desses vetores, o controle vetorial consegue uma regulação precisa dos componentes de torque e fluxo, levando a um desempenho superior em termos de eficiência, resposta dinâmica e torque de saída suave.
Torque Máximo por Ampere
Tanto os motores de corrente contínua sem escovas (BLDC) quanto os motores síncronos de ímã permanente (PMSM) podem se beneficiar do conceito de torque máximo por ampere (MTPA) para otimizar a operação do motor ajustando os níveis de corrente para alcançar a máxima eficiência eletromagnética. Ao operar no ponto de potência de pico ou próximo dele na curva característica torque-velocidade do motor, a estratégia MTPA baseada em controle vetorial permite uma melhor conversão de energia e, ao mesmo tempo, redução de perdas.
O algoritmo MTPA e as transformações de quadro dq exigem que funções trigonométricas complexas sejam calculadas em cada tempo de amostragem de controle. O acelerador de hardware de unidade de função trigonométrica (TFU) líder do setor desenvolvido pela Renesas leva a um tempo de processamento 20% menor e a um tamanho de ROM menor em comparação com a tabela de pesquisa na memória Flash.
Figura 2. Trajetória máxima de torque por ampere [Cortesia de “Modern Power Electronics and AC Drives”, B. Bose, Prentice Hall, 2001]
Figura 3. Comparação de métodos de controle BLDC
Acelere seu projeto de inversor BLDC de baixa tensão com Renesas
O desenvolvimento de sistemas embarcados baseados em motores pode ser bastante desafiador, especialmente no que se refere à otimização do controle dos acionamentos do motor para atingir o desempenho e a eficiência necessários. No entanto, as ferramentas certas de design de software e hardware podem ajudar a acelerar o tempo de desenvolvimento. A Renesas oferece uma ampla gama de dispositivos de controle de motor baseados nas famílias RL78, RX e RA MCU e projetos de referência relacionados e kits iniciais para acelerar seus projetos de controle de motor. Aqui, gostaríamos de compartilhar um dos exemplos de nosso portfólio RA MCU, o Renesas Solution Starter Kit (RSSK) para sistema de avaliação de controle de motor baseado em RA e RX, oferecendo uma plataforma de solução abrangente. Ele fornece uma solução de inversor BLDC de baixa tensão que facilita a avaliação do controle do motor com vários códigos de amostra e notas de aplicação para ajudar a reduzir o tempo de lançamento no mercado. Além disso, a Renesas fornece o Motor Workbench, que é um ambiente de desenvolvimento completo, incluindo uma ferramenta de depuração com a função Analyzer que pode ler e escrever variáveis dentro do MCU e exibir a forma de onda das variáveis dentro de uma GUI intuitiva.
Figura 4. Sistema de avaliação de controle motor Renesas para família RA6T de MCUs
A indústria de eletrodomésticos e outras aplicações relacionadas com motores de baixa tensão estão mudando rapidamente para o uso de motores BLDC altamente eficientes e sistemas de acionamento associados, em vez de motores CA universais obsoletos acionados por linha. A redução do consumo de energia, do tamanho físico e do custo geral do projeto continua sendo alguns dos principais desafios nesta indústria em rápida evolução. Portanto, a seleção do melhor microcontrolador e componentes de potência é de extrema importância para garantir a implantação de um produto final competitivo. A Renesas, líder de mercado neste domínio, oferece uma ampla gama de MCUs, especificamente adaptados para aplicações de acionamento de motor com periféricos analógicos altamente integrados e poderosa capacidade de processamento para ajudar os desenvolvedores embarcados a obter a implementação de controle mais eficaz. O uso das plataformas de desenvolvimento BLDC de última geração da Renesas, juntamente com o ambiente de trabalho IDE integrado disponível gratuitamente e exemplos de software, permite que os designers acelerem a entrega de seus produtos finais sem qualquer compromisso.
Fonte: https://www.slw-ele.com/low-voltage-motor-control-with-enhanced-operation.html