Control de motor basado en microprocesador: finalmente, ¿existe una solución universal?

Si bien todavía quedan eficiencia que ganar en los motores y en los semiconductores que los controlan, el área con mayor beneficio de eficiencia potencial es la forma en que los motores son impulsados. Sin embargo, este es un área particularmente desafiante, por lo que los diseñadores buscan cada vez más soluciones 'disponibles' que abordan el mayor número posible de requisitos.

En las fábricas los motores se utilizan en varias aplicaciones tales como actuadores rotatorios, sistemas de transporte, servos, bombas de fluido y sistemas de refrigeración (incluyendo ventiladores). A medida que se automatizan más funciones básicas, estamos viendo el uso creciente de motores en otros aspectos de nuestra vida cotidiana, incluyendo en nuestras oficinas, hogares y automóviles.

La Agencia Internacional de la Energía ha estimado que los motores eléctricos representan casi la mitad (46%) de la demanda mundial de electricidad, lo que los convierte en un foco de iniciativas de eficiencia energética. El ahorro energético en esta área es tan importante que, en 2009, la Unión Europea publicó su Directiva sobre productos relacionados con la energía (ErP) 2009/125 / CE. Si bien la Directiva se centraba en muchos dispositivos consumidores de energía, la norma 640/2009 se refiere específicamente a los motores eléctricos, ya sean vendidos como dispositivos independientes o como parte de equipamiento más grande.

Es evidente que los fabricantes y usuarios de motores se enfrentan a desafíos legales y comerciales estrictos. Si sus productos no cumplen con la Directiva, no se venderán. Si bien el propio motor es un elemento fundamental de un sistema de control de movimiento, el método de accionamiento del motor tiene un gran impacto en la eficiencia general del sistema.

Figura 1: Diagrama de bloques de un sistema de control FOC típico.

En comparación con los tradicionales motores CA y CC con escobillas (brushed), los motores CC sin escobillas (BLDC) ofrecen una serie de ventajas significativas, incluyendo una mayor fiabilidad y menores costes. A diferencia de los motores tradicionales, los motores BLDC no tienen conmutador, lo que significa que requieren una electrónica más compleja para lograr el control de par que es requerido por las aplicaciones modernas.

El control de velocidad para motores BLDC minimiza la corriente en los devanados del estator para mantener la velocidad seleccionada. Esto garantiza que todo el esfuerzo se dirige hacia el giro del motor, proporcionando una eficiencia y fiabilidad óptimas. Uno de los desafíos de este enfoque es detectar la corriente para permitir la comparación con el par deseado.

En el control del motor trapezoidal, las corrientes del estator se controlan para que sean iguales en los devanados a cada lado del rotor, mientras que el tercer devanado no está alimentado. A medida que el rotor gira, la corriente de cada fase se cicla a través de positivo, cero y negativo. Esto crea una corriente trapezoidal que se aproxima a una forma de onda sinusoidal. Sin embargo, el control trapezoidal puede conducir a un control impreciso y ruido audible, especialmente a bajas velocidades.

El control sinusoidal utiliza formas de onda sinusoidales de corriente de fase desplazada para producir un par más suave que el enfoque trapezoidal. Esto requiere una información más precisa de la posición del rotor y los valores de la corriente deben calcularse rápidamente. A velocidades más altas, cualquier retraso en este cálculo conducirá a la ineficiencia.

Figura 2: Diagrama de bloques del microcontrolador de motor vectorial TMPM37x.

El control orientado al campo o FOC (Field Oriented Control), a veces conocido como Vector Control, es un enfoque matemático para el control de los motores BLDC que supera la precisión de baja velocidad del control trapezoidal, a la vez que aborda la ineficiencia de alta velocidad del control sinusoidal. FOC es una técnica sin sensor, por lo que el espacio, el peso y, lo más importante, la energía consumida por un encoder rotatorio se ahorra con este enfoque.

FOC mantiene un campo de estator constante en cuadratura con el campo del rotor, manipulando las corrientes y tensiones del motor con referencia a los ejes directo y de cuadratura del rotor. Las corrientes del estator detectadas se convierten en componentes directos (D) y en cuadratura (Q). Estos componentes se comparan entonces con el par requerido y cero para crear una señal de error. Estas señales de error se procesan en una función Proporcional-Integral (PI) basada en software para crear señales de accionamiento PWM para el motor.

FOC es eficiente en todas las velocidades del motor y no se ve afectado por el ancho de banda de la función PI. Sin embargo, FOC en tiempo real requiere la ejecución rápida de las funciones, para transformar las señales de corriente de estator detectadas, en las señales de control de tensión para el puente de salida. El FOC basado en software requiere una porción significativa del rendimiento de la CPU disponible para completar los cálculos de manera oportuna, especialmente a velocidades rápidas de rotor. En algunos casos, la capacidad de procesamiento del sistema puede ser la principal limitación de las velocidades de rotación alcanzables.

Con el fin de eliminar la dependencia del rendimiento del procesador principal, se han desarrollado plataformas de hardware dedicadas para el control motor basado en FOC. El Vector Engine (VE) original de Toshiba, por ejemplo, gestionó las complejas ecuaciones de control vectorial en un motor de hardware dedicado con un firmware personalizable. También se incluyó en la solución integrada un bloque de unidad de motor programable PMD (Programmable Motor Drive) para generar las formas de onda PWM y realizar otras funciones necesarias, tales como control de tiempo muerto.

Al reducir el contenido del software, el VE asegura una ejecución estable y predecible del código, que no se ve afectada por las interrupciones o la calidad del software. Como software estándar se proporciona como parte del entorno de desarrollo, los diseñadores pueden centrarse en sus competencias básicas y lanzar los productos al mercado mucho más rápido.

Además, como el hardware dedicado puede ejecutar hasta un 70% más rápido que una solución basada en software, se pueden conseguir velocidades de rotor más altas. Por otra parte, el enfoque de hardware VE libera recursos de la CPU principal hacia características de alto nivel del producto. En muchos casos, cuando se implementa un VE de hardware, una CPU principal de menor rendimiento, puede proporcionar fácilmente la funcionalidad de nivel de aplicación requerida, ahorrando así espacio, coste y energía.

Sin embargo, muchas soluciones de control de motor basadas en hardware no son flexibles y no son adecuadas para desplegar una solución de núcleo único a través de una gama de aplicaciones diferentes. Esto puede significar que algunos diseñadores siguen utilizando las soluciones de software más complejas y consumen mucho tiempo. Lo que se necesita, por lo tanto, es una plataforma que permita a los ingenieros migrar sus algoritmos FOC existentes desde un entorno de software puro.

Figura 3: Comparación de implementaciones FOC basadas en software y hardware.

Algunos de los últimos desarrollos de microcontroladores están ayudando a hacer frente a este desafío. Por ejemplo, el TMPM37A de Toshiba. Capaz de funcionar a velocidades de hasta 40 MHz, este micro representa la última incorporación a la serie TX03 de dispositivos ARM Cortex-M3 de la compañía, y combina algunos de los niveles más altos de integración en el mercado, con una de las huellas más pequeñas. De hecho, alojado en un encapsulado VQFN32 de sólo 5mm x 5mm, la nueva solución es el microcontrolador más pequeño del mundo en incorporar el Vector Engine Plus (VE +) de Toshiba, así como un pre-driver.

Al integrar un pre-driver, el TMPM37x puede conducir directamente MOSFETs con una salida trifásica complementaria con una unidad mínima de 25ns. Ahora es posible el accionamiento directo del microcontrolador y el control de pequeños motores como los que se encuentran en electrodomésticos, ventiladores de servidor, pequeños ventiladores de refrigeración, sopladores, bombas, compresores y juguetes.

El dispositivo es particularmente popular en aplicaciones de electrodomésticos, ya que incluye la detección de frecuencia de oscilador basada en hardware (OFD) que permite cumplir con la norma de seguridad IEC 60730 para productos de Clase B.

Además, la serie TMPM37x sólo necesita un único suministro de 5V, con conversión integrada de 3,3 V y 1,5 V. También se incluyen hasta dos ADC de 12 bits integrados con más de una docena de canales de entrada analógica. Los ADC ofrecen un modo de conversión constante y completan conversiones dentro de 2µS, cuando se utiliza un reloj de conversión de 40MHz. Algunos productos incorporan un amplificador operacional de 4 canales para detección de corriente de resistencia de uno o tres shunt, así como un comparador para detección de sobre-corriente. La interconexión externa es extensa con hasta 74 pines I / O.

El TMP37x de función completa, incluye hasta dos canales del circuito de entrada del encoder ENC (Encoder Input Circuit) que corresponde a los encoders incrementales (AB/ABZ). Al permitir la entrada trifásica, el ENC es capaz de detectar la dirección de rotación e incluye un comparador para la detección de posición, así como un contador para la detección de posición absoluta.

Otras características integradas en el TMP37x avanzado incluyen un temporizador de vigilancia (watchdog), reinicio de encendido, detección de voltaje y una interfaz serie de propósito general (SIO/UART).

Aunque el control vectorial está basado en hardware, el VE permite soluciones muy diferentes que se implementan a través de software. Esto aporta flexibilidad y rendimiento basado en hardware en una sola solución. Esta flexibilidad se mejora aún más, a través de una arquitectura, que permite a los desarrolladores la flexibilidad de elegir si utilizar su propia IP o aprovechar la aceleración de hardware mediante IP de Toshiba, o combinar ambas.

El TMP37x es sólo una parte de una cada vez mayor oferta de microcontroladores de Toshiba. La serie estrechamente relacionada TMP47x se basa en un procesador ARM Cortex-M4F y ofrece funcionamiento a velocidades de hasta 120MHz.

El recientemente anunciado grupo M4K es una solución de un solo chip con un bajo número de pines para controlar múltiples motores, especialmente en aplicaciones de electrodomésticos y HVAC. Los nuevos productos soportan la interfaz RAMScope que puede confirmar parámetros en tiempo real sin afectar el funcionamiento del motor.

El software de Toshiba MotorMind PC permite un rápido desarrollo sin código.

Junto con una serie de tablas de diseño de referencia específica y ejemplos de código, el software MotorMind de Toshiba proporciona un punto de partida para configurar e inicializar fácilmente un motor. El software permite a los diseñadores introducir los parámetros básicos del motor sin necesidad de escribir ningún código.

MotorMind ofrece una interfaz gráfica avanzada para mostrar los parámetros reales del motor, incluyendo velocidad y par. El paquete también incluye un µDSO integrado (osciloscopio de almacenamiento digital) para visualizar los registros desde el interior del Vector Engine basado en puntos de activación opcionales y configurables.