Los motores de CC sin escobillas (BLDC) son una parte integral de la planta de fabricación industrial y se utilizan en aplicaciones de servo, accionamiento, posicionamiento y velocidad variable. En estas aplicaciones, el control de movimiento preciso y el funcionamiento estable son fundamentales. Dado que los BLDC funcionan según el principio de un campo magnético en movimiento para generar el par del motor, el principal desafío de control al diseñar un sistema BLDC industrial es medir con precisión el par y la velocidad del motor.
Para capturar el par de un motor BLDC, dos de las tres corrientes de fase inducidas deben medirse simultáneamente mediante un convertidor analógico-a-digital (ADC) de muestreo síncrono multicanal. Un microcontrolador con los algoritmos adecuados calcula la tercera corriente de fase instantánea. Este proceso proporciona un registro preciso e instantáneo de la condición del motor, lo cual es un paso crítico en el desarrollo de un sistema de control de torque del motor robusto y altamente preciso.
En este artículo se analizarán brevemente los problemas asociados con el logro de un control de par preciso, incluido un método rentable-para conseguir la resistencia de derivación necesaria. Luego, presentará el amplificador diferencial de precisión AD8479 de Analog Devices y el ADC de registro de muestra-aproximación-sucesiva-aproximación{7}}de canal dual AD7380 (SAR-ADC) y mostrará cómo se pueden utilizar para obtener mediciones de fase precisas para un diseño de sistema confiable.
Principio de funcionamiento del motor BLDC
Los motores BLDC son motores síncronos de imanes permanentes con una forma de onda de fuerza contraelectromotriz (EMF). La fuerza contraelectromotriz terminal observada no es constante; varía con el par y la velocidad del rotor. Aunque una fuente de voltaje de CC no puede accionar directamente un motor BLDC, el principio básico de funcionamiento de un BLDC es similar al de un motor de CC.
Un motor BLDC consta de un rotor con imanes permanentes y un estator con devanados de inducción. Este motor es esencialmente un motor de CC invertido en el que se eliminan las escobillas y el conmutador y luego los devanados se conectan directamente a la electrónica de control. La electrónica de control asume la función del conmutador y energiza los devanados en la secuencia correcta para obtener el movimiento deseado. Los devanados energizados giran alrededor del estator en un patrón sincronizado y equilibrado. Los devanados del estator energizados guían los imanes del rotor y conmutan cuando el rotor está alineado con el estator.
Los sistemas de motor BLDC requieren un controlador de motor BLDC trifásico sin sensor que genere corriente en los tres devanados del motor (Figura 1). El circuito está alimentado por una etapa de corrección del factor de potencia (PFC) digital con control de irrupción para proporcionar energía estable al controlador trifásico sin sensor.
Figura 1: El sistema de control del motor incluye un PFC para estabilizar la fuente de alimentación, un controlador trifásico sin sensor para los devanados del motor BLDC, resistencias en derivación y amplificadores de detección de corriente-, un amplificador síncrono ADC y un microcontrolador.
Tres corrientes de excitación impulsan el motor BLDC, cada una de las cuales excita y genera una fase diferente en el devanado, estas fases suman un total de 360 grados. Los diferentes valores de fase son importantes: dado que la excitación total de las tres ramas se mantiene en 360 grados, se compensan uniformemente para mantener los 360 grados, por ejemplo, . 90 grados + 150 grados + 120 grados.
Aunque se deben conocer en todo momento las corrientes en los tres devanados del sistema, para ello en un sistema equilibrado sólo es necesario medir las corrientes en dos de los tres devanados y calcular el tercer devanado mediante el microcontrolador. Estos dos devanados se pueden detectar simultáneamente utilizando una resistencia en derivación y un amplificador de detección de corriente.
Se requiere un ADC de muestreo síncrono de dos-canales al final de la ruta de la señal para enviar las mediciones digitales al microcontrolador. La amplitud, fase y sincronización de cada corriente de excitación proporciona la información de velocidad y par del motor necesaria para un control preciso.
Detección de corriente con resistencias de cobre de placa de PC
Si bien hay mucho de qué preocuparse en este diseño preciso de medición y adquisición de datos, el proceso comienza desde el principio con la necesidad de desarrollar una forma efectiva y de bajo costo-de detectar la señal de fase de los devanados del motor BLDC. Esto se puede lograr colocando una resistencia de placa de PC en línea de pequeño valor (RSHUNT) y usando un amplificador de detección de corriente-para detectar la caída de voltaje a través de esta pequeña resistencia (Figura 2). Suponiendo que el valor de la resistencia es lo suficientemente bajo, la caída de voltaje también es baja y la estrategia de medición tiene un efecto mínimo en los circuitos del motor.
Figura 2: Un sistema de detección de fase del motor utiliza una resistencia de derivación de corriente (RSHUNT) con un amplificador de alta-precisión (p. ej., AD8479 de Analog Devices) y un ADC de alta-resolución (AD7380) para medir la fase instantánea del motor.
En la Figura 2, el amplificador de detección de corriente-captura la caída de voltaje instantánea de IPHASE x RSHUNT. Luego, el SAR-ADC digitaliza esta señal. El valor de selección de la resistencia de derivación implica la interacción entre RSHUNT, VSHUNT, ISHUNT y el error de entrada del amplificador.
Un aumento de RSHUNT dará como resultado un aumento de VSHUNT. La buena noticia es que esto mitigará la importancia del error de compensación de voltaje (VOS) y del error de corriente de compensación de entrada (IOS) del amplificador. Sin embargo, la pérdida de energía ISHUNT x RSHUNT de un RSHUNT más grande reduce la eficiencia energética del sistema. De manera similar, la clasificación de potencia de RSHUNT puede afectar la confiabilidad del sistema porque la disipación de energía de ISHUNT x RSHUNT crea un estado de autocalentamiento, que puede hacer que cambie la resistencia nominal de RSHUNT.
Para RSHUNT, las resistencias-especiales se pueden obtener de varios proveedores. Sin embargo, existe una alternativa de bajo costo-a la fabricación de resistencias de cables impresos en placas de PC para RSHUNT utilizando técnicas de diseño cuidadosas (Figura 3).
Figura 3: Las técnicas meticulosas de diseño de la placa de PC proporcionan una manera rentable-de crear valores RSHUNT apropiados.
Cálculo de la resistencia del cable impreso de la placa de PC para RSHUNT
Debido a las temperaturas extremas que pueden ocurrir en aplicaciones industriales, es importante considerar los factores de temperatura en el diseño de resistencias en derivación de placas de circuito. En la Figura 3, el coeficiente de temperatura (20) de una resistencia en derivación de cable impreso de una placa de PC de cobre es aproximadamente +0.39%/grado a 20 grados (este coeficiente varía con la temperatura). La longitud (L), el espesor (t), el ancho (W) y la resistividad (rñ) determinan la resistencia del cable impreso de la placa de PC.
Si la placa de PC tiene 1 onza (oz) de cobre (Cu), el espesor (t) es igual a 1,37 pulgadas por mil y la resistividad (r) es igual a 0,6787 microohmios (μW) por pulgada. El área del cable impreso de la placa de PC se mide en cajas de cables impresos ( ) o área L/W. Por ejemplo, una línea de impresión de 2 pulgadas (pulg.) con un ancho de 0,25 pulgadas corresponde a 8 estructuras.
Usando las variables anteriores, calcule la resistencia del cable impreso R para 1 onza de cobre en una placa de PC a temperatura ambiente mediante (Ecuación 1):
Fórmula 1
donde T=temperatura de la resistencia.
Por ejemplo, comenzando con una corriente máxima de 1 amperio (A) por rama del motor BLDC en una placa de PC de cobre de 1 onza, una longitud RSENSE (L) de 1 pulgada y un ancho de cable impreso de 50 mils (0,05 pulgadas), las ecuaciones 2 y 3 se pueden usar para calcular RSHUNT a 20 grados:
Fórmula 2
Fórmula 3
Calcule la disipación de potencia de esta resistencia con una corriente en derivación de 1 A usando la Ecuación 4:
Fórmula 4
Conversión ADC de muestreo síncrono
El ADC de la Figura 2 convierte el voltaje en un punto del ciclo de fase en una representación digital. El punto clave es que esta medición debe incluir los voltajes de fase sincronizados de los tres devanados. Este es un sistema balanceado, por lo que, como se mencionó anteriormente, solo es necesario medir dos de los tres devanados; un microcontrolador externo calculará el voltaje de fase del tercer devanado.
El ADC para este sistema de control de motor es el SAR-ADC de muestreo síncrono de doble-canal AD7380 (Figura 4).
Figura 4: Un SAR-ADC de muestreo síncrono de canal dual-rápido, de bajo-ruido y de doble-canal (p. ej., AD7380) captura el estado instantáneo de dos devanados del motor.
En la Figura 4, el AD8479 es un amplificador diferencial de precisión con un rango de voltaje de modo común-de entrada muy amplio (±600 voltios) para soportar amplias compensaciones del variador de corriente del motor de variadores trifásicos-sin sensores. Las características del AD8479 le permiten reemplazar costosos amplificadores de aislamiento en aplicaciones donde no se requiere aislamiento de corriente.
Las características clave del AD8479 también incluyen voltaje de compensación bajo, deriva de voltaje de compensación baja, deriva de ganancia baja, deriva de rechazo de modo común-baja y excelente relación de rechazo de modo común-(CMRR) para adaptarse a variaciones rápidas del motor. Los AD7380/AD7381 son ADC SAR- de muestreo síncrono- de 16-bit/14-bit, alta-velocidad, baja-potencia, doble-canal-, respectivamente, con tasas de rendimiento de hasta 4 millones de muestras por segundo. Las entradas analógicas diferenciales aceptan una amplia gama de voltajes de entrada de modo común y tienen una fuente de voltaje de referencia amortiguada (REF) incorporada de 2,5 voltios.
Para un control preciso del par y la velocidad, la arquitectura SAR-ADC de muestreo síncrono de doble-canal captura la salida del-amplificador de detección de corriente-sobre la marcha. Para ello, el AD7380/AD7381 incorpora dos ADC idénticos con relojes síncronos, y cada uno tiene una etapa de entrada capacitiva con una red de redistribución de carga capacitiva (Figura 5).
Figura 5: Muestra la etapa de conversión de ADC para uno de los dos canales del AD7380. La adquisición de señales comienza cuando SW3 está abierto y SW1 y SW2 están cerrados. En este punto, el voltaje a través de CS varía con AINx+ y AINx-, lo que hace que las entradas del comparador se desequilibren.
En la Figura 5, VREF y tierra son los voltajes iniciales a través del capacitor de muestra CS. Si se abre SW3 y se cierran SW1 y SW2, se inicia la adquisición de señal. Cuando SW1 y SW2 están cerrados, el voltaje a través del capacitor de muestra CS varía con el voltaje en AINx+ y AINx-, lo que hace que las entradas del comparador pierdan el equilibrio. Luego se abren SW1 y SW2 y se captura el voltaje en CS.
El proceso de captura de voltaje de CS implica un convertidor digital{0}}a-analógico (DAC), que suma y resta una cantidad fija de carga de CS para restablecer el equilibrio del comparador. En este punto, la conversión está completa, abriendo SW1 y SW2 y cerrando SW3 para eliminar la carga residual y prepararse para el siguiente ciclo de muestreo.
Durante la conversión del DAC, la lógica de control genera el código de salida del ADC y accede a los datos del dispositivo a través de la interfaz serie.
Resumen
Para medir con precisión el par y la velocidad del motor BLDC, primero se necesitan resistencias de derivación precisas y de bajo coste. Como se mencionó anteriormente, esta resistencia se puede implementar-de manera rentable utilizando cables impresos en una placa de PC.
Al agregar este dispositivo a la combinación del amplificador de detección de corriente-AD8479 y el ADC-SAR-de muestreo síncrono-AD7380, los diseñadores pueden crear un front-end-de medición de sistema de control de velocidad y par robusto y de alta-precisión para aplicaciones de control de motores en entornos hostiles.