Ponga en funcionamiento un motor BLDC en menos de una hora con una combinación de hardware y software.

Hay muchas aplicaciones en las industrias robótica, industrial y de defensa que requieren un sistema integrado para usar un motor de CC sin escobillas (BLDC). Si bien hacer girar un motor puede parecer una tarea insignificante, es un asunto complejo que puede ralentizar un proyecto a medida que el desarrollador avanza sobre el impulsor de motor, el par de torsión, las características eléctricas y las propiedades electromagnéticas, así como las mediciones de retroalimentación de corriente.

Esto supone que ya hayan seleccionado el hardware apropiado sobre el cual ejecutar el algoritmo que impulsará el motor con un control suave sobre el rango completo de movimiento de la aplicación, con una cantidad mínima de componentes.

Lo que se necesita es un atajo en forma de un paquete de hardware y software todo en uno que pueda generar una gran reducción en el tiempo de desarrollo y permitir que los desarrolladores se centren en la aplicación final, sin profundizar demasiado en el arte del control de motores.

Este artículo presentará uno de estos paquetes de Texas Instruments que combina el hardware de su microcontrolador y kit de desarrollo con las herramientas y el software de control de motor orientado al campo InstaSPIN™. A continuación muestra cómo un desarrollador nuevo en el campo puede utilizar la combinación para determinar fácilmente los parámetros del motor y hacer que un motor BLDC complejo gire en menos de una hora.

¿Qué es InstaSPIN-FOC? ¿Es realmente tan fácil de usar?

Lo que hace única a la solución InstaSPIN de Texas Instruments es que un desarrollador puede pasar del punto inicial a hacer girar un motor en menos de una hora si está comenzando de cero. De hecho, un desarrollador que haya utilizado la solución tan solo una vez podría poner un motor en funcionamiento en menos de diez minutos. Además, debido a que el kit utiliza un control orientado al campo (FOC) en lugar de un codificador, los desarrolladores solo necesitan conectar la alimentación y la toma a tierra a su motor y luego conectar cada fase de accionamiento. En ese punto, están listos desde una perspectiva eléctrica. No se necesitan codificadores ni otros componentes electrónicos complejos.

Por supuesto, existen otros mecanismos de control además del FOC que no usan sensores ni codificadores, como la temporización de cruce por cero de la fuerza contraelectromotriz (EMF). Sin embargo, InstaSPIN controla el flujo del motor para determinar cuándo conmutar el motor. El desarrollador puede ver la señal de flujo en una ventana de trazado y establecer el control deslizante "umbral de flujo" para que especifique a qué nivel de flujo se debería conmutar el motor. La conmutación óptima se puede verificar observando el voltaje de fase y las formas de onda de la corriente, que también se muestran.

Hay cuatro piezas principales en la solución InstaSPIN-FOC:

• Una placa de microcontrolador
• Una placa de impulsor de motor
• Interfaz gráfica de usuario (GUI) InstaSPIN-FOC
• Un motor BLDC

La placa del microcontrolador proporciona la inteligencia para ejecutar los algoritmos FOC e indicarle al impulsor de motor cuándo activar y desactivar las diferentes fases del motor, junto con el manejo de la comunicación a la GUI donde el desarrollador puede ver los niveles de flujo y otros parámetros. El impulsor del motor proporciona la interfaz para impulsar el motor real. Ahí se encuentran los circuitos eléctricos que protegen al microcontrolador de voltajes altos, realizan mediciones y también detectan fallas del motor.

La GUI InstaSPIN-FOC es una GUI universal que se encuentra en la galería de desarrollo en línea de Texas Instruments. Los desarrolladores pueden ejecutar la GUI directamente desde un navegador web o pueden descargar una versión ejecutable localmente a su computadora.

Finalmente, está el motor BLDC de imán permanente trifásico real.

Examinemos cada una de estas áreas en detalle y exploremos una posible solución de hardware para poner en funcionamiento un motor BLDC.

Impulsores y microcontroladores de motor BLDC

Los desarrolladores pueden elegir entre varias soluciones diferentes para impulsar su motor BLDC, por lo que los diseñadores no tienen que buscar demasiado lejos: El InstaSPIN-FOC y el SDK de MotorControl de TI están acoplados con su tarjeta de evaluación LAUNCHXL-F280049C TMS320F280049C LaunchPad (Figura 1) y el BOOSTXL-DRV8323RS LaunchPad Booster Pack. La TMS320F28049C LaunchPad es una placa de desarrollo de bajo costo que incluye un depurador XDS110 integrado, cabeceras de expansión y el microcontrolador Piccolo™ F280049CPMS TMS320F280049C.

Figura 1: La TMS320F280049C LaunchPad contiene una sonda de depuración USB XDS110 aislada, un microcontrolador Piccolo F280049C y componentes electrónicos para alimentar dos paquetes de refuerzo que se pueden usar para el hardware específico de la aplicación. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El microcontrolador TMS320F280049C utiliza un núcleo de microcontrolador C2000 e incluye 256 kB de flash, 100 kB de RAM y funciona a 100 megahercios (MHz). El TMS320F280049C también incluye los algoritmos de control de motor FOC de TI integrados en la ROM para que los desarrolladores no tengan que desperdiciar un valioso espacio de código.

La TMS320F280049C LaunchPad no es la única forma en que los desarrolladores pueden aprovechar el microcontrolador TMS320F280049C. También está la tarjeta de control TMDSCNCD280049C para el microcontrolador TMS320F280049C (Figura 2). Esta tarjeta se puede usar en la fase de creación de prototipos o para desarrolladores que desean la flexibilidad de cambiar el microcontrolador que están utilizando en su aplicación o desean una mayor capacidad de expansión. La tarjeta de control se puede colocar en una estación de acoplamiento que proporciona a los desarrolladores acceso a las E/S del microcontrolador.

Figura 2: La tarjeta de control TMS320F280049C proporciona capacidades de control del motor en un pequeño paquete de módulos que se puede usar con una estación de acoplamiento para acceder a las E/S del microcontrolador. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El DRV8323RS LaunchPad Booster Pack es una placa de expansión que se encuentra encima de la TMS320F280049C LaunchPad y agrega el hardware adicional necesario para impulsar un motor BLDC (Figura 3).

Figura 3: El DRV8323RS LaunchPad Booster Pack contiene el controlador de impulsor del motor, los FET y circuitos adicionales para impulsar un motor BLDC. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

La placa DRV8232RS puede ubicarse en el área de expansión del sitio 1 o del sitio 2, pero la ubicación del sitio 1 es donde los ejemplos del SDK de MotorControl asumen que está ubicada. Los desarrolladores pueden conectar su motor BLDC a la placa a través de tres conectores de estilo de terminal y luego proporcionar a la placa energía externa para impulsar el motor. El DRV8232RS LaunchPad Booster Pack también proporciona energía a la placa TMS320F280049C. La placa contiene luces LED para indicar que la energía está encendida, junto con un LED de detección de fallas.

En el corazón del DRV8232RS LaunchPad Booster Pack se encuentra el controlador de puerta inteligente trifásico DRV8230. El controlador de compuerta proporciona detección de corriente del lado bajo e impulso directo para MOSFET que están clasificados para operar hasta 60 voltios.

Con la TMS320F280049C LaunchPad y el DRV8232RS LaunchPad Booster Pack, los desarrolladores pueden impulsar una amplia gama de motores BLDC. Un motor excelente para comenzar es el QBL4208-41-04-006 de Trinamic (Figura 4).

El motor de Trinamic funciona con un suministro de 24 voltios, gira a hasta 4000 revoluciones por minuto (RPM) y proporciona 62.5 milinewtons por metro (mNm) de par de torsión.

Figura 4: El motor BLDC QBL4208-41-04-006 de 4000 RPM de Trinamic funciona con un suministro de 24 voltios y produce 62.5 mNm de par de torsión. (Fuente de la imagen: Trinamic Motion Control GmbH).

Después de haber establecido lo mínimo que necesita un desarrollador para comenzar con el control del motor BLDC, el siguiente paso es analizar cómo identificar los parámetros del motor utilizando la GUI InstaSPIN-FOC.

Identificación de los parámetros del motor BLDC y funcionamiento del motor

Antes de que la GUI InstaSPIN-FOC pueda impulsar un motor, necesita comprender las características del motor para que pueda realizar el control FOC para velocidad o par de torsión. Para hacerlo, el algoritmo necesita conocer características como las siguientes:

• Resistencia
• Inductancia
• Flujo del motor
• Corriente de magnetización

Estas características se pueden determinar automáticamente a través de la GUI InstaSPIN-FOC en el transcurso de unos pocos minutos. La GUI se puede ejecutar desde un navegador y, de forma predeterminada, cargará el Lab 5 del SDK de MotorControl diseñado para ejecutarse con la TMS320F280049C y la placa de expansión DRV8232. El Lab 5 demuestra cómo un desarrollador puede identificar un motor y obtener sus parámetros. Puede encontrar los detalles completos en la guía de inicio rápido de la GUI y en el manual de Lab.

Primero, el desarrollador debe abrir la GUI InstaSPIN-FOC a través del sitio de desarrolladores de TI. A continuación, encontrará que dentro del entorno de la GUI hay un botón de ejecución como en cualquier entorno completo de desarrollo integrado (IDE). Al hacer clic en este botón, se descargará el código de identificación del motor en su LaunchPad y se intentará ejecutarla.

Al principio, no pasa nada interesante porque el desarrollador debe habilitar el software. Esto se puede hacer marcando la casilla de verificación "Enable System" ("Habilitar sistema") dentro de la GUI. En este punto, el código de identificación del motor aún no se ejecutará, ya que la casilla de verificación "Run" ("Ejecutar") también debe estar marcada. Una vez que "Ejecutar" esté habilitada, el código comenzará a ejecutar una secuencia diseñada para identificar el motor. Realizará las mediciones necesarias para obtener los parámetros necesarios para hacer funcionar el motor. Todo el proceso de identificación lleva varios minutos, durante los cuales el motor se acelerará y luego se desacelerará y funcionará a una velocidad lenta durante unos minutos.

Una vez que se haya completado este proceso, la GUI del desarrollador puede verse como se muestra en la Figura 5.

Figura 5: La GUI InstaSPIN-FOC poco después de identificar un motor. (Fuente de la imagen: Jacob Beningo)

Observe que en la Figura 5 hay varios valores que se han llenado en la esquina superior derecha de la GUI. Estos son los parámetros del motor que deben registrarse para que luego puedan usarse para impulsar el motor en modo par de torsión o velocidad. También notará en el lado izquierdo que el indicador "Motor Identified" ("Motor identificado") ha cambiado de gris a verde. En este punto, puede controlar la velocidad del motor directamente a través de la GUI.

La velocidad del motor se controla simplemente cambiando la casilla "speedRef(Hz)" en la GUI. Tenga en cuenta que la aceleración del motor a través de este control de referencia es muy rápida. La desaceleración, por otro lado, requiere ingresar múltiples puntos de ajuste que están a una "speedRef" cada vez menor. El motor puede detenerse por completo en un instante al desmarcar la casilla de verificación "Run" ("Ejecutar").

Consejos y trucos para usar un motor BLDC con InstaSPIN-FOC de TI

A continuación, se presentan varias prácticas recomendadas que los desarrolladores deben tener en cuenta al trabajar con motores BLDC y la solución InstaSPIN-FOC de TI:

• Seleccione un microcontrolador que tenga los algoritmos del motor integrados en su flash interna. Esto disminuye el espacio de código utilizado por los algoritmos del motor y también puede proporcionar una mejora del rendimiento en su ejecución.
• En la F280049C LaunchPad, use el sitio 1 como el sitio predeterminado para el DRV8323RS Launchpad Booster pack. El uso del sitio 2 requerirá realizar actualizaciones en el software.
• Dedique tiempo a recorrer los 13 Labs de ejemplo que se proporcionan como parte del SDK de MotorControl de TI. Estos Labs cubren todo, desde la identificación de los parámetros del motor hasta el control de un motor a través del control de velocidad y par de torsión.
• Use el ejemplo del Lab 5 para encontrar sus propios parámetros de motor. Si está utilizando un MOTOR_TYPE_PM, asegúrese de agregar también la siguiente definición para compilar correctamente el Lab y luego use el valor ajustado:

  define #define USER_MOTOR_INERTIA_Kgm2           (7.06154e-06)

• Inicie la prueba del BLDC utilizando la GUI InstaSPIN-FOC en línea.

Conclusión:

Impulsar un motor BLDC para control de par de torsión o velocidad puede ser un problema complejo que puede fácilmente ir más allá del conocimiento de un ingeniero de software incorporado, lo que ralentizaría el desarrollo del proyecto. Como se muestra, los desarrolladores que trabajan con el InstaSPIN y SDK de MotorControl de Texas Instruments y el hardware asociado pueden poner en funcionamiento un motor BLDC de manera rápida y fácil con un conocimiento muy limitado de ingeniería de controles.