Cómo controlar con precisión el par de torsión y la velocidad de un motor BLDC en aplicaciones industriales

Los motores BLDC (de CC sin escobillas) son una parte integral de los pisos de producción industrial, principalmente para su uso en aplicaciones de servo, actuador, posicionamiento y velocidad variable. En estas aplicaciones, el control preciso del movimiento y el funcionamiento estable son fundamentales. Como los BLDC operan sobre la base de un campo magnético en movimiento para producir el par de torsión del motor, al diseñar un sistema BLDC industrial el desafío principal de control es medir con precisión el par de torsión y la velocidad del motor.

Para capturar el par de torsión del motor BLDC, dos de las tres corrientes de fase inductivas deben medirse simultáneamente con un ADC multicanal de muestreo simultáneo. Un microcontrolador con algoritmos adecuados calcula la tercera corriente de fase instantánea. Este proceso toma una imagen precisa e instantánea de la condición del motor, un paso clave en el desarrollo de un sistema de control de par de torsión de motor robusto y de alta precisión.

Este artículo discutirá brevemente los problemas asociados con el logro de un control de par de torsión preciso, incluido un medio rentable de implementar una resistencia de derivación requerida. Luego presentará el amplificador de diferencia de precisión AD8479 y el registro de aproximación sucesiva de muestreo dual AD7380 (SAR-ADC), ambos de Analog Devices, y mostrará cómo se pueden usar para obtener mediciones de fase precisas para un diseño de sistema robusto.

Cómo funcionan los motores BLDC

Un motor BLDC es un motor síncrono de imán permanente con una forma de onda de EMF (fuerza electromotriz) posterior. El terminal observado EMF posterior no es constante; cambia tanto con el par de torsión como con la velocidad del rotor. Si bien una fuente de voltaje de CC no acciona directamente el motor BLDC, el principio básico de funcionamiento del BLDC es similar a un motor de CC.

El motor BLDC tiene un rotor con imanes permanentes y un estator con bobinados inductivos. Este tipo de motor es esencialmente un motor de CC que se ha invertido al eliminar los cepillos y el conmutador, y luego conectar los bobinados directamente a la electrónica de control. La electrónica de control reemplaza la función del conmutador y activa los bobinados en la secuencia correcta para el movimiento requerido. Los bobinados energizados giran en un patrón sincronizado y equilibrado alrededor del estator. El bobinado motorizado del estator conduce el imán del rotor y cambia justo cuando el rotor se alinea con el estator.

El sistema de motor BLDC requiere un impulsor de motor BLDC trifásico sin sensor que genera las corrientes en los tres bobinados del motor (Figura 1). El circuito se suministra a través de una etapa de corrección del PFC (factor de potencia digital) con control de corriente de irrupción que proporciona una potencia estable para el controlador trifásico sin sensor.

Figura 1: El sistema de control del motor comprende un PFC para estabilizar la potencia, un impulsor trifásico sin sensor para los bobinados del motor BLDC, resistencias de derivación y amplificadores de detección de corriente, un ADC de amplificador simultáneo y un microcontrolador. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Tres corrientes de excitación impulsan el motor BLDC, cada una energizando y creando las fases en los bobinados, cada una con diferentes fases que suman 360°. La diferencia de los valores de fase es significativa: Como la excitación de las tres patas mantiene un total de 360°, se equilibran uniformemente a 360°, por ejemplo, 90° + 150° + 120°.

Si bien la corriente en los tres bobinados de un sistema debe conocerse en un momento dado, para lograr esto en un sistema equilibrado, las corrientes de solo dos de los tres bobinados deben medirse. El tercer bobinado se calcula utilizando un microcontrolador. Los dos bobinados se detectan simultáneamente utilizando resistencias de derivación y amplificadores de detección de corriente.

El final de la ruta de la señal requiere un ADC de muestreo dual simultáneo que envía los datos de medición digital al microcontrolador. La magnitud, la fase y la sincronización de cada corriente de excitación proporcionan la información de par de torsión y velocidad del motor requerida para un control preciso.

Detección de corriente mediante resistencias de cobre de placa de CI

Si bien hay mucho de qué preocuparse en un diseño de medición y adquisición de datos tan preciso, el proceso comienza en el front end con el desarrollo de una forma efectiva y de bajo costo para detectar la señal de fase de bobinado del motor BLDC. Esto se puede hacer colocando una resistencia de placa de CI en línea de pequeño valor (R _SHUNT) 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 será baja y la estrategia de medición tendrá un efecto mínimo en el circuito del motor.

Figura 2: Sistema de detección de fase del motor que utiliza una resistencia de derivación de corriente (R _SHUNT) para medir la fase instantánea del motor con un amplificador de alta precisión, como el AD8479 de Analog Devices y un ADC de alta resolución (AD7380). (Fuente de la imagen: DigiKey)

En la Figura 2, el amplificador de detección de corriente captura la caída de voltaje instantánea de I_PHASE x R_SHUNT. El SAR-ADC luego digitaliza esta señal. El valor de selección de resistencia de derivación actual implica interacciones entre R_SHUNT, V_SHUNT, I_SHUNT y errores de entrada del amplificador.

Un aumento en R_SHUNT provoca un aumento en V_SHUNT. La buena noticia es que esto disminuye la importancia de los errores de compensación de voltaje del amplificador (V_OS) y de la desviación de entrada de corriente de polarización (I_OS). Sin embargo, la pérdida de potencia de I_SHUNT x R_SHUNT con una gran R_SHUNT reduce la eficiencia energética del sistema. Además, la potencia de salida de R_SHUNT afecta la confiabilidad del sistema, ya que la disipación de potencia de I_SHUNT x R_SHUNT puede producir una condición de autocalentamiento que puede conducir a un cambio en la resistencia nominal de R_SHUNT.

Para R_SHUNT, varios proveedores ofrecen resistencias especiales. Sin embargo, una alternativa de bajo costo es utilizar técnicas de diseño cuidadosas para la fabricación de una resistencia de rastreo de placa de CI para R_SHUNT (Figura 3).

Figura 3: Las técnicas cuidadosas de diseño de la placa de CI son una forma rentable de crear el valor de R_SHUNT apropiado. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Cálculo de la traza de la placa de CI para R_SHUNT

Como las temperaturas pueden ser extremas en aplicaciones industriales, es importante tener en cuenta la temperatura en un diseño de resistencia de derivación de placa. En la Figura 3, el coeficiente de temperatura (α₂₀) de una resistencia de derivación de traza de placa de CI de cobre a 20 °C es aproximadamente + 0.39%/°C (el coeficiente varía según la temperatura). La longitud (L), el grosor (t), el ancho (W) y la resistividad (rñ) determinan la resistencia de rastreo de la placa de CI.

Si una placa de CI tiene 1 onza (oz) de cobre (Cu), el grosor (t) es igual a 1.37 milésimas de pulgada, y la resistividad (r) es igual a 0.6787 microohmios (µW) por pulgada. El área de rastreo de la placa de CI se mide en términos de cuadrado de rastreo (•), que es un área de L/W. Por ejemplo, una traza de 2 pulgadas (in) con un ancho de 0.25 in es una estructura de 8.

Con las variables anteriores, la resistencia de traza de la placa de PC de 1 oz Cu, R_•, a temperatura ambiente, se calcula utilizando (Ecuación 1):

 Ecuación 1

Donde T = temperatura en la resistencia.

Por ejemplo, comenzando con una corriente de 1 amperio (A) (máximo) por rama del motor BLDC en 1 oz. Placa de CI Cu, una longitud (L) R_SENSE de 1 in y un ancho de traza de 50 mil (0.05 in), R_SHUNT a 20 °C se puede calcular usando las Ecuaciones 2 y 3:

Ecuación 2

Ecuación 3

La disipación de potencia de esta resistencia con una corriente de derivación de 1 A se calcula utilizando la Ecuación 4:

Ecuación 4

Conversión de ADC de muestreo simultáneo

El ADC en la Figura 2 convierte el voltaje en un punto del ciclo de fase en una representación digital. Es fundamental que el voltaje de fase simultáneo de los tres bobinados sea parte de esta medición. Este es un sistema equilibrado, por lo que, como se mencionó anteriormente, solo dos de los tres bobinados deben medirse; un microcontrolador externo calcula el voltaje de fase del tercer bobinado.

Un ADC apropiado para este sistema de control de motor es el SAR-ADC AD7380 de muestreo simultáneo dual (Figura 4).

Figura 4: Un SAR-ADC de muestreo simultáneo dual rápido y silencioso como el AD7380 puede capturar una imagen instantánea de dos de los bobinados del motor. (Fuente de la imagen: DigiKey)

En la Figura 4, el AD8479 es un amplificador de diferencia de precisión con un rango de voltaje de modo común de entrada muy alto (± 600 voltios) para sobrevivir a las amplias excursiones de conducción de corriente del motor desde el controlador trifásico sin sensor. Las características del AD8479 son tales que puede substituir amplificadores de aislamiento costoso en aplicaciones que no requieren aislamiento galvánico.

Las características claves del AD8479 también incluyen un bajo voltaje de compensación, baja desviación de voltaje de compensación, baja desviación de ganancia, baja desviación de rechazo al modo común y un excelente ratio de CMRR (rechazo al modo común) para acomodar cambios rápidos de motor.

Los modelos AD7380/AD7381 de 16 bits/14 bits respectivamente son SAR-ADC de muestreo dual simultáneo, alta velocidad y baja potencia que presentan tasas de rendimiento de hasta 4 muestras/s. La entrada analógica diferencial acepta un voltaje de entrada de modo común amplio. Se incluye una referencia (REF) interna en búfer de 2.5 V.

Para lograr un control preciso del par de torsión y la velocidad, la estructura del SAR-ADC de muestreo simultáneo dual realiza una captura instantánea de la salida del amplificador de detección de corriente. Para esto, el AD7380/AD7381 tiene dos ADC internos idénticos que se sincronizan simultáneamente. Cada uno también tiene una etapa de entrada capacitiva con una red de redistribución de carga capacitiva (Figura 5).

Figura 5: Se muestra la etapa de conversión de ADC para uno de los dos canales del AD7380. La adquisición de la señal comienza cuando S_W3 se abre y S_W1 y S_W2 se cierran. En ese punto, el voltaje a través de C_S cambia a A_INx+ y A_INx-, haciendo que las entradas del comparador se desequilibren. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

En la Figura 5, V_REF y tierra son los voltajes iniciales a través de los condensadores de muestreo, C_S. Al abrir S_W3 y al cerrar S_W1 y S_W2 se inicia la adquisición de la señal. Cuando S_W1 y S_W2 se cierran, el voltaje a través de los condensadores de muestreo, C_S, cambia según el voltaje en A_INx+ y A_INx-, haciendo que las entradas del comparador se desequilibren. SW1 y SW2 se abren y se captura el voltaje a través de C_S.

El proceso de captura de voltaje C_S involucra los DAC (convertidores de digital a analógico). Los DAC suman y restan cantidades fijas de carga de C_S para que el comparador vuelva a una condición equilibrada. En este punto, la conversión se completa, S_W1 y S_W2 se abren, y S_W3 se cierra para eliminar la carga residual y prepararse para el próximo ciclo de muestreo.

Durante el tiempo de conversión DAC, la lógica de control genera el código de salida del ADC y se accede a los datos desde el dispositivo a través de una interfaz en serie.

Conclusión

La medición precisa del par de torsión y la velocidad del motor BLDC comienza con una resistencia de derivación precisa y de bajo costo. Como se muestra, esto se puede implementar de manera rentable utilizando un seguimiento de placa de CI.

Al añadir esto a la combinación de un amplificador de detección de corriente AD8479 y un SAR-ADC de muestreo simultáneo AD7380, un diseñador puede crear un front-end de medición de sistema de control de par y velocidad de alta precisión robusto para aplicaciones de control de motores hostiles para el medio ambiente.