A necessidade de controle preciso de movimento está crescendo em aplicações como robótica, drones, dispositivos médicos e sistemas industriais. Sem escova Motores DC (BLDCs) e motores síncronos de ímã permanente acionados por CA (PMSMs) podem fornecer a precisão necessária, ao mesmo tempo que atendem à necessidade de alta eficiência em um formato compacto. No entanto, ao contrário dos motores CC com escovas e dos motores de indução CA, que são fáceis de conectar e operar, os BLDCs e PMSMs são muito mais complexos.
Por exemplo, técnicas como o controle vetorial sem sensores (também chamado de controle orientado para o campo, ou FOC), em particular, oferecem excelente eficiência juntamente com a vantagem de eliminar o sensor hardware, reduzindo custos e melhorando a confiabilidade. O problema para os projetistas é que o controle vetorial sem sensores é complicado de implementar, portanto, seu uso pode estender os tempos de desenvolvimento, adicionando custos e possivelmente perdendo janelas de tempo de colocação no mercado.
Para resolver esse dilema, os designers podem recorrer a plataformas de desenvolvimento e placas de avaliação que já possuem o software de controle vetorial sem sensores incorporado, permitindo que se concentrem em problemas de design de sistema e não se atolem nas nuances de codificação do software de controle. Além disso, esses ambientes de desenvolvimento incluem todo o controlador do motor e hardware de gerenciamento de energia integrado em um sistema completo, acelerando o tempo de lançamento no mercado.
Este artigo descreve brevemente algumas das necessidades de controle de movimento de precisão e analisa as diferenças entre DC escovado, indução AC, BLDC e PMSMs. Em seguida, ele resume os fundamentos do controle vetorial antes de apresentar várias plataformas e placas de avaliação da Texas Instruments, Infineon Technologies e Renesas Electronics, juntamente com orientações de design que facilitam o desenvolvimento de sistemas de controle de movimento de precisão.
Exemplos de aplicações de controle de movimento de precisão
Drones são sistemas complexos de controle de movimento e normalmente empregam quatro ou mais motores. É necessário um controle de movimento preciso e coordenado para permitir que um drone paire, suba ou desça.
Figura 1: Os drones normalmente usam quatro ou mais motores, normalmente BLDCs ou PMSMs, girando a 12,000 rotações por minuto (RPM) ou mais, e são acionados por um controlador eletrônico de velocidade (ESC). Este exemplo mostra um ESC módulo em um drone usando um motor sem escova com controle sem sensor. (Fonte da imagem: Texas Instruments)
Para pairar, o impulso líquido dos rotores empurrando o drone para cima deve ser equilibrado e exatamente igual à força gravitacional que o puxa para baixo. Aumentando igualmente o empuxo (velocidade) dos rotores, o drone pode subir diretamente. Por outro lado, diminuir o impulso do rotor faz com que o drone desça. Além disso, há guinada (girando o drone), pitch (voando o drone para frente ou para trás) e roll (voando o drone para a esquerda ou direita).
O movimento preciso e repetitivo é uma das características de muitas aplicações de robótica. Um robô industrial estacionário com vários eixos deve fornecer diferentes quantidades de força em três dimensões para mover objetos de pesos variados (Figura 2). Os motores dentro do robô fornecem velocidade e torque variáveis (força rotacional) em pontos precisos, que o controlador do robô usa para coordenar o movimento ao longo de diferentes eixos para velocidade e posicionamento exatos.
No caso de robôs móveis com rodas, um sistema de acionamento diferencial preciso pode ser usado para controlar a velocidade e a direção do movimento. Dois motores são usados para fornecer movimento junto com uma ou duas rodas giratórias para equilibrar a carga. Os dois motores são acionados em velocidades diferentes para atingir a rotação e mudanças de direção, enquanto a mesma velocidade para ambos os motores resulta em movimento em linha reta, para frente ou para trás. Embora os controladores de motor sejam mais complexos quando comparados com um sistema de direção convencional, essa abordagem é mais precisa, mecanicamente mais simples e, portanto, mais confiável.
Escolhas motoras
Motores CC básicos e motores de indução CA são relativamente baratos e simples de dirigir. Eles são amplamente usados em uma ampla gama de aplicações, desde aspiradores de pó a máquinas industriais, guindastes e elevadores. No entanto, embora sejam baratos e fáceis de dirigir, eles não podem fornecer a operação de precisão exigida por aplicações como robótica, drones, dispositivos médicos e equipamentos industriais de precisão.
Um motor DC simples com escova gera torque ao mudar mecanicamente a direção da corrente em coordenação com a rotação usando um comutador e escovas. As deficiências dos motores DC com escovas incluem a necessidade de manutenção devido ao desgaste das escovas e a geração de ruído elétrico e mecânico. Uma unidade de modulação por largura de pulso (PWM) pode ser usada para controlar a velocidade de rotação, mas o controle de precisão e alta eficiência são difíceis devido à natureza inerentemente mecânica dos motores DC com escova.
Um BLDC elimina o comutador e as escovas dos motores CC com escovas e, dependendo de como os estatores são enrolados, também pode ser um PMSM. As bobinas do estator são enroladas trapezoidalmente em um motor BLDC, e a força eletromotriz traseira (EMF) produzida tem uma forma de onda trapezoidal, enquanto os estatores PMSM são enrolados sinusoidalmente e produzem um EMF traseiro senoidal (Ebemf).
O torque nos motores BLDC e PMSM é uma função da corrente e do EMF traseiro. Os motores BLDC são acionados com corrente de onda quadrada, enquanto os motores PMSM são acionados com corrente senoidal.
Características do motor BLDC:
- Mais fácil de controlar com correntes CC de onda quadrada de seis etapas
- Produz ondulação de torque significativa
- Têm custo e desempenho mais baixos que os PMSMs
- Pode ser implementado com sensores de efeito Hall ou com controle sem sensores
Recursos do PMSM:
- Controle mais complexo usando Trifásico PWM sinusoidal
- Sem ondulação de torque
- Maior eficiência, torque e custo do que BLDC
- Pode ser implementado com codificador de eixo ou com controle sem sensor
O que é controle de vetor?
O controle vetorial é um método de controle de acionamento de motor de frequência variável no qual as correntes do estator de um motor elétrico trifásico são identificadas como dois componentes ortogonais que podem ser visualizados com um vetor. Um componente define o fluxo magnético do motor, o outro o torque. No núcleo do algoritmo de controle vetorial estão duas transformações matemáticas: a transformada de Clarke modifica um sistema trifásico para um sistema de duas coordenadas, enquanto a transformada de Park converte vetores de sistema estacionários de duas fases em vetores de sistema rotativos e seus inversos.
O uso das transformadas Clarke e Park trazem as correntes do estator que podem ser controladas para o domínio do rotor. Isso permite que um sistema de controle do motor determine as tensões que devem ser fornecidas ao estator para maximizar o torque sob cargas que mudam dinamicamente.
O controle de velocidade e / ou posição de alto desempenho requer conhecimento em tempo real e preciso da posição e velocidade do eixo do rotor para sincronizar os pulsos de excitação de fase com a posição do rotor. Essas informações normalmente são fornecidas por sensores como codificadores absolutos e resolvedores magnéticos presos ao eixo do motor. Esses sensores têm várias desvantagens de sistema: menor confiabilidade, suscetibilidade a ruídos, maior custo e peso e maior complexidade. O controle vetorial sem sensor elimina a necessidade de sensores de velocidade / posição.
Microprocessadores de alto desempenho e processadores de sinais digitais (DSPs) permitem que a teoria de controle moderna e eficiente seja incorporada na modelagem de sistema avançada, garantindo potência ideal e eficiência de controle para qualquer sistema de motor em tempo real. Espera-se que, como resultado do aumento do poder computacional e dos custos decrescentes de microprocessadores e DSPs, o controle sem sensores irá quase que universalmente deslocar o controle vetorial sensoriado, bem como simples, mas de desempenho inferior, volts-per-hertz escalar de variável única (V / f ) ao controle.
Condução de motores trifásicos PMSM e BLDC para robótica industrial e de consumo
Para contornar a complexidade do controle vetorial, os projetistas podem usar quadros de avaliação prontos. Por exemplo, o DRV8301-69M-KIT da Texas Instruments é um módulo de avaliação de placa-mãe baseado em DIMM100 controlCARD que os projetistas podem usar para desenvolver soluções de acionamento de motor PMSM/BLDC trifásico (Figura 4). Inclui o driver de porta trifásico DRV8301 com amplificadores shunt de corrente dupla e um buck reguladore uma placa microcontroladora (MCU) Piccolo TMS320F28069M habilitada para InstaSPIN.
O DRV8301-69M-KIT é um InstaSPIN-FOC e InstaSPIN-MOTION Texas Instruments tecnologiaKit de avaliação de controle de motor baseado em motor para girar motores trifásicos PMSM e BLDC. Com InstaSPIN, o DRV8301-69M-KIT permite que os desenvolvedores identifiquem, ajustem e controlem automaticamente um motor trifásico, fornecendo um sistema de controle de motor “instantaneamente” estável e funcional.
Junto com a tecnologia InstaSPIN, o DRV8301-69M-KIT fornece uma plataforma FOC de alto desempenho, eficiente em termos de energia e econômica, sem sensor ou com sensor de codificador habilitado que acelera o desenvolvimento para um tempo de lançamento mais rápido no mercado. As aplicações incluem motores síncronos sub 60 volts e 40 amperes (A) para bombas de acionamento, portões, elevadores e ventiladores, bem como robótica industrial e de consumo e automação.
Os recursos de hardware DRV8301-69M-KIT:
- Uma placa de base do inversor trifásico com interface para aceitar cartões de controle DIMM100
- Um módulo de potência integrado com inversor trifásico DRV8301 (com conversor de buck integrado de 1.5 A) com suporte para até 60 volts e 40 A contínuos
- Os cartões TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC e InstaSPIN-MOTION
- A capacidade de trabalhar com MotorWare é compatível com TMDXCNCD28054MISO (vendido separadamente) e TMDSCNCD28027F + Emulador externo (vendido separadamente)
Unidades de motor PMSM e BLDC de alto desempenho e alta eficiência
O EVAL-IMM101T da Infineon Technologies é um kit inicial completo que inclui um IMM101T Smart IPM (módulo de energia integrado) que fornece um sistema totalmente integrado, pronto para uso e altoVoltagem solução de acionamento de motor que os projetistas podem usar com motores PMSM / BLDC de alto desempenho e alta eficiência (Figura 5). O EVAL-IMM101T também inclui outros circuitos necessários exigidos para avaliação "out-of-the-box" de IMM101T Smart IPMs, como um retificador e estágio de filtro EMI, bem como uma seção de depurador isolada com conexão USB a um PC.
O EVAL-IMM101T foi desenvolvido para apoiar designers durante as primeiras etapas de desenvolvimento de aplicativos com um IPM inteligente IMM101T. A placa de avaliação está equipada com todos os grupos de montagem para FOC sem sensores. Ele contém um conector CA monofásico, filtro EMI, retificador e saída trifásica para conectar o motor. O estágio de alimentação também contém derivação de fonte para detecção de corrente e um divisor de tensão para medição de tensão do barramento CC.
O IMM101T da Infineon oferece diferentes opções de configuração de controle para sistemas de acionamento PMSM / BLDC em um pacote compacto de montagem em superfície de 12 x 12 mm (mm), minimizando a contagem de componentes externos e a área da placa de circuito impresso (placa do pc). O pacote é termicamente aprimorado para que possa funcionar bem com ou sem um dissipador de calor. O pacote apresenta uma distância de fuga de 1.3 mm entre as almofadas de alta tensão abaixo do pacote para facilitar a montagem em superfície e aumentar a robustez do sistema.
A série IMM100 integra um FredFET de 500 volts ou um CoolMOS de 650 volts mosfet. Dependendo do poder mosfet empregada no pacote, a série IMM100 cobre aplicações com uma potência de saída nominal de 25 watts (W) a 80 W com tensão CC máxima de 500 volts / 600 volts. Nas versões de 600 volts, a tecnologia Power MOS é avaliada em 650 volts, enquanto o driver do gate é avaliado em 600 volts, o que determina a tensão DC máxima permitida do sistema.
Sistema de avaliação de controle de motor de 24 volts
Os projetistas de drives de motor PMSM / BLDC de 24 volts podem recorrer ao sistema de avaliação de controle de motor RTK0EM0006S01212BJ da Renesas para os microcontroladores RX23T (Figura 6). Os dispositivos RX23T são microcontroladores de 32 bits adequados para o controle de um único inversor com uma unidade de ponto flutuante (FPU) integrada que permite que sejam usados para processar algoritmos complexos de controle de inversor. Isso ajuda a reduzir significativamente as horas de trabalho necessárias para o desenvolvimento e manutenção de software.
Além disso, devido ao núcleo, a corrente consumida no modo standby do software (com retenção de RAM) é de apenas 0.45 microamperes (μA). Os microcontroladores RX23T operam na faixa de 2.7 a 5.5 volts e são altamente compatíveis com a linha RX62T no arranjo de pinos e no nível de software. O kit inclui:
- Placa do inversor de 24 volts
- Função de controle PMSM
- Função de detecção de corrente de três derivações
- Função de proteção de sobrecorrente
- Placa CPU para microcontrolador RX23T
- Cabo USB mini B
- PMSM
Conclusão
BLDC e PMSMs podem ser usados para fornecer soluções de controle de movimento de precisão que são compactas e altamente eficientes. O uso de controle vetorial sem sensor com motores BLDC e PMS adiciona a vantagem de eliminar o hardware do sensor, reduzindo custos e melhorando a confiabilidade. No entanto, o controle vetorial sem sensores nessas aplicações pode ser um processo complexo e demorado.
Conforme mostrado, os designers podem recorrer a plataformas de desenvolvimento e placas de avaliação que vêm com software de controle vetorial sem sensores. Além disso, esses ambientes de desenvolvimento incluem todo o controlador do motor e hardware de gerenciamento de energia integrado em um sistema completo, acelerando o tempo de lançamento no mercado.