Protección para los MCU e interfaces de sensores contra los peligros de cambiar rápidamente las cargas y condiciones del motor

Los motores que se utilizan en las máquinas varían en tamaño de más pequeño que un dedo a más grande que un camión. Ya sea posicionar un indicador en un medidor o conducir una locomotora, estas cargas inductivas pueden provocar estragos en el circuito de control que debe poder cambiar voltajes y corrientes altos con bastante rapidez.

Lo mismo ocurre con la detección del estado del motor. Los sensores de corriente en línea, por ejemplo, pueden estar sujetos a grandes picos y sobrevoltajes debido al retroceso electromotriz, ya que la forma de onda de conducción cambia las polaridades y cargas. Además, estos datos de detección del motor deben ser confiables en tiempo real para que sea posible realizar aplicaciones más precisas, como bombas de infusión de uso médico y sistemas de suministro de medicamentos.

Este artículo analiza algunas técnicas que pueden utilizarse para aislar a los motores (y grandes cargas inductivas) del conductor y el circuito del sensor. Esto ayuda a proteger los front ends análogos generalmente sensibles que pueden dañarse fácilmente cuando se ven sobrecargados con voltajes más altos.

Todas las piezas, las hojas de datos, los tutoriales y los kits de desarrollo mencionados aquí se pueden encontrar en el sitio web de DigiKey.

Un vacío temporal

La técnica de aislamiento más simple es en realidad una solución semiaislada. Se basa en el hecho de que cuando los relés o los contactores están abiertos, hay un entrehierro en serie con el bucle de corriente que proporciona resistencia casi infinita. Es una forma muy buena de aislamiento.

Sin embargo, cuando un relé o contactor se pasa a la posición de encendido, el aislamiento galvánico se pierde. Si el tablero de control hace referencia a la misma tierra que la administración de alimentación, entonces cualquier efecto de sonido también hará referencia a la misma tierra. Esto no solo permite que las energías del suelo interfieran con los circuitos de control, sino que también ayuda a negar cualquier técnica de filtración de sonido en modo común que se utilice en la etapa del sensor.

Las soluciones de detección pueden utilizar técnicas de filtrado, atenuación, ganancia y abrazaderas para no permanecer aisladas galvánicamente pero mantenerse protegidas. Pero los sensores de corriente en línea, por ejemplo, pueden estar sujetos a grandes picos y sobrevoltajes debido al retroceso electromotriz, ya que la forma de onda de conducción cambia las polaridades y cargas.

Se necesita aislamiento en un sentido bidireccional. Eso significa que el motor, los sensores y los conductores pueden flotar con efectividad entre sí. En realidad, los sistemas utilizarán y harán referencia a una tierra principal en algún momento, como la conexión a tierra. Sin embargo, para un análisis práctico, están aislados.

Opciones de aislamiento

Existen varias tecnologías y técnicas buenas que pueden ayudarnos a proteger nuestros circuitos de dirección y detección. Una técnica simple que puede utilizarse en la etapa de diseño es asegurarse de que existan histéresis en su diseño (Figura 1). Esta ventana protege contra las oscilaciones de estado cuando se utiliza un umbral absoluto.

Figura 1: La histéresis diseñada en un bucle de control del motor es una forma simple pero efectiva para ayudar a eliminar algunas de las vibraciones al encender y apagar, en la medida en que se alcanzan los umbrales de detección.

Una tecnología común que ha demostrado ser eficaz es el aislamiento fotovoltáico, también conocido como optoaislamiento. Los dispositivos de único chip integrados proporcionan buenos niveles de rendimiento y pueden incorporarse en cascada para controlar niveles de energía muy altos a través de señales lógicas de nivel bajo.

Además, varias etapas de salida útiles se integran en los dispositivos aislados, incluidas las salidas digitales, el colector abierto, Darlington, el drenaje abierto, los controladores de compuerta e incluso tiristores bidireccionales y SCR.

Junto con los varistores, los supresores de sobrevoltaje y los supresores de transitorios, el optoaislamiento es una buena técnica para hasta 50 000 voltios con piezas como la TT Electronics OPI150, que utiliza una construcción axial tubular para tratar los niveles de voltaje muy altos (Figura 2). Tenga en cuenta que en algún momento, los voltajes pueden ser lo suficientemente altos como para girar por las clavijas de dispositivos monolíticos, especialmente en los paquetes pequeños con paso fino.

Figura 2: A fin de mantener el aislamiento de 50,000 voltios, estos aisladores acoplados ópticamente necesitan alrededor de 3 pulgadas de separación. Los paquetes monolíticos de montaje en superficie girarán en niveles de voltaje muy altos.

Otro punto es que varios aisladores dentro de un único paquete resultan ser soluciones eficaces para el control individual de los motores trifásicos. Tenga en cuenta que todos los controladores de led deben estar del mismo lado que los rieles de potencia aislados. Por ejemplo, no utilice tres controladores de una pieza cuadrilateral para controlar las bobinas de un motor trifásico ni utilice la cuarta como tacómetro hacia al controlador. Utilice un optoaislador por separado para el tacómetro.

Los relés de estado sólido también aprovechan el optoaislamiento e integran varias características como salidas de CA con versiones de cruce cero y resistencia controlada.

Además, los rangos de corriente de 20 mA a 160 A pueden ser conducidos directamente mediante la lógica. Tomemos, por ejemplo, el contactor de relé de estado sólido Crydom HDC200D160. Diseñado para entradas de 4 a 32 V, los niveles de corriente de salida de hasta 160 A en una configuración SPST pueden cambiarse en una configuración de encendido, apagado o según PWM mediante un optoaislador interno de 2.5 KV. Tenga en cuenta que incluso con la baja resistencia activada de 4 miliohmios a corriente plena esta pieza debe disipar 100 vatios.

Toma de decisiones

Si bien resulta útil para la dirección y el control aislados, el aislamiento fotovoltaico también puede emplearse para aislar los sistemas de sensores que controlan y envían datos sobre la velocidad del motor, la aceleración, la corriente, el ángulo de fase y más. Esto se torna un poco más complicado de aislar debido a que se pasan señales analógicas en lugar de solo controles de encendido/apagado digitales.

Una técnica que puede utilizarse con efectividad es el voltaje a frecuencia. Una vez normalizado y linearizado, el valor de un sensor puede alimentar a un oscilador controlado por voltaje que a su vez controla a un optoaislador que regresa a la placa controladora. El controlador acumula un conteo cerrado para recuperar el valor.

De un modo similar, la Modulación de ancho de pulsos también puede utilizarse en los casos en que el ancho de pulsos se corresponde con el valor dentro de un rango normalizado. La ventaja del PWM es que cada muestra puede representar una lectura. Con el enfoque VCO, el acumulador cerrado puede tener un tiempo de respuesta más lento, pero tiene la ventaja de promediar el ruido de impulso ya que una lectura corrupta tendrá un error de uno o dos bit.

Los optoaisladores lineales no son tan comunes como los digitales, pero existen. Piense, por ejemplo, en el optoaislador lineal Vishay IL300-F-X007. Esta pieza utiliza dos diodos de detector, uno en la etapa de salida y uno que puede utilizarse en el circuito de retroalimentación de la etapa del controlador. Esto permite que se utilice un amplificador operacional para la polarización de la pieza emisora del optoaislador de forma lineal (Figura 3). A medida que la señal de entrada aumenta, también lo hace la corriente de salida mientras que se mantiene aislada.

Figura 3: Al utilizar dos fotodetectores que se adaptan y están iluminados por el mismo fotoemisor, uno puede utilizarse en el circuito de retroalimentación del controlador lineal. El otro informa sobre la misma condición mientras se mantiene eléctricamente aislado.

Las barreras reforzadas también están demostrando ser una opción exitosa para brindar aislación de alto voltaje a los fines de la detección. Los moduladores delta-sigma de alta precisión, reforzados y aislados AMC1305x de Texas Instruments son un ejemplo excelente de un sistema con sensor integrado diseñado para proporcionar aislamiento monolítico de niveles analógicos de resolución relativamente altos (Figura 4). Utilizan una barrera capacitiva de aislamiento doble para separar las etapas de entrada y salida y alcanzan un pico de 7000 V y un rango de sobrecorriente de 10,000 V que cumple con varias normas de VDE, UL y CSA.

Figura 4: Se utiliza una técnica de aislamiento capacitivo de barrera doble en esta interfaz y controlador de sensor aislados de único chip. Un filtro digital puede extraer una resolución de 16 bits en 78,000 muestras/segundo con protección de hasta 7000 V. Tenga en cuenta el suministro de energía flotante que permite que la parte de detección flote con la carga.

Al utilizar un resistor de derivación en la ruta conductora de la fase del motor, puede adquirir una señal de bajo nivel que alimenta a un modulador delta-sigma. La salida del modulador se pasa al control micro que puede utilizar algoritmos de filtración digitales para extraer una resolución de 16 bits en 70,000 muestras/seg.

IT cita el filtro sigma-delta en su procesador Delfino de doble núcleo como un principal candidato para implementar el algoritmo de detección de corriente del motor aislado y ofrece el kit de evaluación TMDXDOCK28377D para asistir a los ingenieros de diseño.

Resumen

Con tan amplia cantidad de usos del motor, cada diseño se convierte en una historia por sí mismo, pero la necesidad en común es proteger a los microcontroladores y las interfaces de los sensores contra los peligros de cambiar rápidamente las cargas y condiciones del motor. Como se destacó en este artículo, existen varias tecnologías buenas de aislamiento para ayudar a resolver cualquier situación a la que se enfrente.

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