Motoarele vin în numeroase forme. Gama lor este bogată, începând de la motoare pas cu pas, adesea utilizate în aplicații de poziționare de precizie, până la motoare mari de curent alternativ cu inducție (ACI) oferind un cuplu ridicat pentru amestecare și procesare în mediul industrial.
Adeseori, alegerea motorului nu este determinată numai de aplicație, ci și de mediu. În cadrul industriei auto, de exemplu, abilitatea de a opera cu alimentare de la o baterie de joasă tensiune și nu de la AC, este importantă. Acest lucru favorizează utilizarea motoarelor de curent continuu cu perii (BDC), fără perii (BLDC) și a motoarelor sincrone cu magneți permanenți (PMS – Permanent Magnet Synchronous).
Echipamentele cu alimentare de la rețea, precum mașini de spălat și mașini industriale implică un design bazat pe motoare ACI, care pot rula direct de la o sursă de tensiune de 110V, 220V sau mai mare. Cu toate acestea, chiar și cu acces la surse trifazate de tensiune mai ridicată, utilizatorii industriali ar putea favoriza motoarele BLDC de înaltă tensiune sau PMS, pentru că ele, în mod nativ, oferă cuplu ridicat la viteze mai mici decât motoarele ACI. Ca rezultat, alegerea unui motor și obiectivele aplicației influențează puternic strategia de control și, prin urmare, platforma electronică utilizată pentru a o implementa.
Cel mai simplu control de motor este nimic mai mult decât un comutator sau un regulator de tensiune. În cazul motoarelor ACI, o strategie uzuală pentru un design simplu este volți-per-hertz. Totuși, această metodă conduce la un moment redus atunci când motorul se rotește încet, ceea ce este inacceptabil în numeroase aplicații.
Prin trecerea la strategii de control mai complexe, proiectanții pot depăși multe dintre slăbiciunile unui tip de motor particular. Chiar dacă motorul pas cu pas este făcut să se miște în pași ficși, tehnicile de control avansat, cunoscute ca “micro-pășire”, pot atinge rezoluții ridicare de poziționare și o mișcare fluidă.
Strategiile de control orientat în câmp (FOC – Field-Oriented Control) de înaltă performanță utilizează modele matematice ale fluxului din interiorul motorului pentru a determina precis când să se aplice tensiunea de alimentare pe oricare dintre fazele motorului. FOC rezolvă numeroase probleme de control al motoarelor, care afectau strategiile mai puțin sofisticate, precum volți-per-hertz. FOC poate garanta un cuplu ridicat pe o gamă largă de viteze și are avantajul de a asigura suport pentru precizii de poziționare fără necesitatea unor senzori scumpi – măsurarea curentului de la bobina motorului oferă modelului matematic informația necesară pentru a determina poziția rotorului relativ la înfășurările de pe stator.
Producătorii încep să adopte motoare PMASR și IPM în aparatele electrocasnice.
Roboții multi-axă și mașinile cu comandă numerică (CNC) reprezintă zona de înaltă clasă a cerințelor de precizie, utilizând de multe ori o combinație de diferite tipuri de motoare. Datorită cerințelor de înaltă performanță, proiectanții utilizează adesea DSP-uri de înaltă viteză sau chiar FPGA-uri. Aceste controlere sunt capabile de a coordona activitatea a câtorva motoare deodată, pentru a mișca brațele de robot, sau mașina unealtă, după trasee precise, utilizând traductoare de rotație pentru a avea ca reacție informația de poziție.
Motoarele de înaltă tensiune beneficiază de pe urma controlului FOC de înalt randament.
Printre numeroșii factori care influențează proiectele de control motoare, există o tendință pe termen lung: o direcție către eficiență energetică, în special pentru sisteme care trebuie să funcționeze continuu sau pentru perioade lungi de timp. La fel și în cazul utilizării de metode bazate pe FOC pentru îmbunătățirea randamentului intern al motorului, algoritmii avansați asigură un randament mai ridicat prin reglarea nivelelor de putere de ieșire în timp real, în loc să comande motorul la o viteză fixă. Suplimentar, siguranța în funcționare și costul sunt criterii importante, care ajută la determinarea tipului motorului. Aceste considerente influențează atât selectarea microcontrolerelor, cât și a motoarelor în sine.
Echipele de proiectare încep acum să adopte motoare PMASR (Permanent Magnet-Assisted Synchronous Reluctance – sincrone cu reluctanță asistată de magneți permanenți) și IPM (Interior-Permanent Magnet – magnet permanent interior) în aplicații cu electrocasnice și în industria auto, în mod particular pentru sisteme de aer condiționat și compresoare pentru frigidere. Cu toate că aceste motoare sunt mai scumpe decât sistemele PMS convenționale, ele oferă un randament energetic mai ridicat. Trecerea către motoarele bazate pe IPM a condus la o cerință de software de control suplimentar pentru a îmbunătăți operarea algoritmilor FOC de bază. Elementele cheie sunt algoritmul cuplu maxim pe amper (MTPA – Maximum Torque Per Ampere) și utilizarea unui estimator AT-PLL (Angle-Track Phase-Locked Loop – buclă cu blocare de fază cu urmărire unghi).
Cu toate că proiectele de motoare sunt bazate pe metode diferite, fiecare necesitând un set diferit de algoritmi de control, adesea, pentru interfațare la înfășurările motorului sunt utilizate aceleași periferice hardware. Microcontrolerele (MCU) și controlerele de semnal digital (DSC) optimizate pentru controlul motoarelor vor include adesea o combinație de periferice inteligente care se păstrează pe o varietate de arhitecturi de procesoare. Microcontrolerele pentru controlul motoarelor trebuie să ofere suport hardware pentru modulare cu lățimea pulsului (PWM – Pulse Width Modulation) și pentru înserare de timp mort. Această funcție gestionează numeroase evenimente de comutație necesare pentru a furniza un control precis de putere pentru fiecare înfășurare a motorului, fără o intervenție directă a software-ului. Acest lucru reduce numărul de întreruperi de care are nevoie nucleul pe rotație.
O altă necesitate în numeroase sisteme este un convertor precis A/D pe 10- sau 12-biți. Acesta este utilizat pentru a măsura reacția de tensiune pe fazele motorului și pentru detectarea situațiilor de supra- sau sub-tensiune. Unele proiecte necesită utilizarea unor amplificatoare operaționale pentru a condiționa reacția de curent pe fazele motorului înainte de a-l trimite către convertorul A/D.
Placă de dezvoltare pentru controlul motoarelor de joasă tensiune pentru aplicații BLDC și PMSM.
Microcontrolerele, cu amplificatoare operaționale integrate și comparatoare pentru detectarea unor praguri analogice, vor putea menține un număr redus de componente necesare pe PCB. Integrările care combină drivere de putere MOSFET cu MCU/DSC într-o singură capsulă, reduc suprafața PCB necesară, ceea ce poate fi important în particular pentru industria auto și pentru producătorii de unelte de putere.
Un microcontroler pe 8-biți, înzestrat cu controlere PWM va fi capabil de a satisface numeroase aplicații de control al motorului de tip “low-end”. Dar dacă este necesară o capabilitate de calcul mai puternică, trebuie trecut la un produs similar cu o arhitectură pe 16-biți. De exemplu, dacă un program de control în buclă închisă are nevoie să proceseze reacția de tensiune și alte semnale eșantionate de convertorul A/D, necesitatea de a sparge operațiile aritmetice în segmente pe 8-biți poate diminua performanțele.
Pentru aceste situații, este avantajoasă o trecere către DSC-uri sau microcontrolere pe 16-biți, cu DSC oferind performanțe mai ridicate pentru algoritmi de control mai sofisticați.
Pentru strategii inovative de control al motorului, care utilizează modele matematice pentru a calcula traiectorii și profiluri de mișcare, o altă opțiune este oferită de trecerea la arhitecturi pe 32-biți bazate pe arhitecturi precum Arm Cortex-M. Nuclee precum Cortex-M4 suportă aritmetică în virgulă mobilă, facilitate care permite conversia rapidă a codului dezvoltat cu unelte de nivel ridicat, precum Matlab.
Microchip a lansat software pentru a simplifica adoptarea de algoritmi FOC. Suita motorBench Development (mB) oferă unelte pentru a extrage parametrii electrici și mecanici ai motoarelor BLDC sau PMS și le aplică într-un algoritm FOC, unde utilizatorul poate trece la reglarea celor trei bucle de control utilizate pentru a gestiona motorul. Odată ce parametrii buclelor de control și ai altor algoritmi au fost definiți, unealta furnizează un fișier de proiect software gata de compilat utilizând mediul de dezvoltare integrat MPLAB X. Recenta lansare a mB 2.0 a adăugat suport pentru motoarele de tensiune ridicată, de până la 600 volți, pe lângă capabilitățile existente de reglare a motoarelor de joasă tensiune.
Cu toate că perifericele necesare pentru controlul motoarelor au tendința să rămână consistente pe o gamă largă de aplicații, sunt necesare multiple variante de microcontrolere și DSC-uri pentru a gestiona complexitatea în creștere a proiectelor de sisteme.
Suportul de rețea este acum o cerință cheie pentru sistemele auto, de automatizare a caselor și de control industrial. Abilitatea nu numai de a trimite date de utilizare și date de eroare către sistemele de management, ci și de a permite controlul sistemelor de la distanță, este acum un punct major pentru numeroase sisteme.
Fiecare sector are propriile protocoale de rețea care, în schimb, influențează alegerile perifericelor. În mod tipic, subsistemele auto, necesită interfețe precum LIN sau CAN-FD. Sistemele industriale pot utiliza Ethernet sau EtherCAT, unde wireless-ul devine o opțiune uzuală pentru integrarea în medii IoT. Suportul de rețea poate adesea crește semnificativ necesitatea de linii de program ce trebuie stocate, ridicând memoria Flash de pe cip la 256KB sau 512KB. Cerințele de memorie RAM sunt, de asemenea, mai mari pentru a asigura suport stivelor de comunicație. Aplicațiile de control motoare de sine stătătoare necesitau în mod tradițional 32KB de memorie Flash sau mai puțin.
Piețe precum ‘control industrial’ și ‘auto’ au, de asemenea, cerințe stringente pentru siguranță funcțională. Proiectanții de sisteme trebuie să se conformeze standardelor precum IEC 60137 Clasă B și ISO 26262. Includerea de controlere de memorie cu abilități de detecție și corecție de erori, precum și de temporizatoare de tip watchdog și deadman* și circuite de monitorizare a puterii și ceasului, asigură că microcontrolerele pot suporta aceste standarde. Proiectanții pot beneficia de arhitecturile avansate ale DSC-urilor pentru a îmbunătăți mai mult siguranța în funcționare și siguranța personalului.
Dacă sistemul utilizează două nuclee de procesor, software-ul care rulează pe fiecare nucleu poate observa comportamentul celuilalt, putând avertiza asupra problemelor sau putând declanșa o reinițializare dacă executarea are probleme dintr-un motiv necunoscut.
Capabilitatea “dual-core” oferă beneficii în mai multe moduri. Prin împărțirea sarcinii de lucru pe două procesoare independente, echipele de proiectare pot simplifica integrarea de software de control al motorului în timp real cu alte funcții, precum conectarea în rețea a proiectelor orientate IoT. Asemenea utilizări sunt suportate de familia de controlere de semnal digital pentru control al motorului – dsPIC33CH, cu nucleu dublu. Aceste dispozitive au două nuclee dsPIC pe aceeași pastilă de siliciu. Unul este un nucleu master, iar celălalt, nucleul slave. De sine stătător, nucleul slave are o lățime de bandă de procesor suficientă pentru a controla două motoare trifazate. Nucleul master poate controla independent încă un motor trifazat și poate gestiona funcții de management, rețea și altele, precum gestionarea corecției factorului de putere (PFC – Power Factor Correction) în aplicații de putere ridicată.
După cum tehnologia motoarelor continuă să evolueze, iar cerințele aplicațiilor se schimbă, vă puteți aștepta la noi inovații în proiectarea cu MCU și DSC, iar îmbunătățirile în performanțe nu se vor limita doar la strategii de control cu complexitate crescută, ci și la funcții de management de sistem și de comunicații.
Microchip Technology | https://www.microchip.com
* Resurse adiționale:
Watchdog timer – este un temporizator care monitorizează și resetează microcontrolerul, împiedicând aplicația să cedeze sau să se închidă.
Deadman Timer (DMT) – modul proiectat să permită utilizatorilor să monitorizeze starea de funcționare a software-ului de aplicație, solicitând întreruperi de temporizare periodice într-o fereastră de temporizare specifică utilizatorului.