El control orientado al campo de pequeños motores de CC permite el "despegue" de los drones

Los motores de CC sin escobillas (BLDC) se utilizan ampliamente en los diseños de equipos electrónicos como los discos duros, los ventiladores de enfriamiento y los reproductores de DVD porque tienen ciclos de vida largos, funcionan con una fuente de alimentación CC y son relativamente económicos. Generalmente, los MCU que emplean las técnicas escalares controlan la velocidad y el par de torsión de los BLDC.  

Una nueva clase de aplicaciones está surgiendo que está caracterizada por el dron quadrotor que se volvió popular entre los aficionados. Los drones también se tienen en cuenta para numerosas aplicaciones comerciales como la vigilancia. La respuesta dinámica de los controladores y su capacidad de controlar los BLDS sin sensores y de manera estable a velocidades bajas son particularmente importantes para estas aplicaciones.

Las técnicas escalares no son lo suficientemente precisas para las aplicaciones con cargas que cambian dinámicamente. La precisión se puede mejorar significativamente al usar las técnicas de control orientado al campo (FOC), que se emplean habitualmente para controlar los equipos de CA industriales de alta gama. Al implementar el FOC, los BLDC pueden proporcionar control de precisión para las aeronaves no tripuladas y otras aplicaciones de alto rendimiento como los robots médicos, los sistemas cardán y los vehículos autónomos a un costo razonable.

Diseñar esta clase de productos en el pasado no fue fácil. Implica un entendimiento del FOC o alguna otra técnica de control de motores sofisticada y avanzada como el control directo del par de torsión (DTC), así como un conocimiento operativo de los sistemas de desarrollo de software especializados. Cuando la aplicación también es sensible a los costos, por ejemplo un dron con una cámara de vigilancia que se puede utilizar para el cumplimiento de la ley, caracterizar a los motores BLDC económicos también presentó un desafío.

Control orientado al campo (FOC)

La técnica escalar convencional para controlar los motores BLDC se conoce como el control de seis pasos (o trapezoidal). El estator se controla en un proceso de seis pasos que genera oscilaciones en el par de torsión producido. Cada par de bobinados se energiza hasta que el rotor alcanza la siguiente posición en un punto tal que el motor se conmuta al siguiente paso. Para aplicaciones sin sensores, el campo electromagnético (EMF) posterior generado en el bobinado del estator generalmente se utiliza para determinar la posición del rotor.

La respuesta dinámica del control escalar es incapaz de manejar las aplicaciones con una carga dinámica que cambia rápidamente. Como resultado, el control del vector se ha vuelto más popular para una amplia gama de aplicaciones desde los artículos del hogar impulsados por un motor de CA, como los lavarropas, hasta los productos con alimentación a baterías.

El FOC es uno de los métodos generalmente más utilizados para el control de vectores. Funciona mediante el manejo de los bobinados del estator para mantener el flujo producido por los imanes permanentes de un rotor ortogonales al campo del estator.

El FOC se desarrolló originalmente para controlar los motores de CA trifásicos. Dado que la fuente de alimentación de los BLDC utilizados en un dron pequeño es una batería de 21 V (polímero de litio de cinco celdas), los componentes electrónicos deben incluir un sistema inversor trifásico de bajo voltaje. Otros componentes principales son un impulsor de motor, un MCU y quizás, lo más importante, un software que ejecute los algoritmos del FOC.

El procesamiento del FOC se realiza en un dominio de cuadratura directa (d-q) que es un marco de referencia giratorio. Los componentes directos y de cuadratura son la descomposición del vector de estado del enlace de flujos en dos componentes: los componentes que producen el flujo, (d) y el par de torsión(q). Esta relación se indica gráficamente en la Figura 1. En los bobinados del estator del motor, la corriente se controla para mantener el flujo producido por los imanes permanentes del motor ortogonal (90°) al campo del estator. Además de producir un control de motor preciso, también proporciona un control del par de torsión excepcionalmente preciso, lo que es la ventaja real de operar en el marco de referencia d-q.

Figura 1: componentes de fuerza de cuadratura directa (d-q).

El FOC implica tres transformaciones de dominio: (1) Las corrientes de fase medidas en los estatores se transforman del marco de referencia trifásico estático a una referencia bifásica estática (α, β); (2) El marco de referencia bifásico estático se transforma en un sistema de referencia bifásico giratorio; y (3) Para impulsar el motor, los componentes d-q se vuelven a transformar al marco de referencia del estator y se utilizan para la modulación por ancho de pulso en el espacio vectorial (Space-Vector Pulse-Width Modulation, SVPWM). Este proceso se muestra en la Figura 2.

Figura 2: Transformaciones de dominio requeridas para el control FOC.

Se requiere la información detallada de la posición del rotor para alinear el marco de referencia d-q con el rotor. Las técnicas de estimación de la posición del rotor varían desde las relativamente simples, detección de cruce cero de EMF posterior para observadores de modo deslizante complejos y filtros de Kalman extendidos.

Control del motor

Las transformaciones desde el marco de referencia trifásico estático en el marco de referencia bifásico d-q dan como resultado los componentes directos y de cuadratura mencionados anteriormente. El componente directo (d) no brinda un par de torsión útil y, de hecho, tiende a aumentar el desgaste de los cojinetes del motor. Un objetivo es minimizar este componente. El componente de cuadratura (q) produce un par de torsión del motor real y está determinado por la aplicación.

Los componentes d-q se aplican a dos controladores PI (proporcional-integral) con referencia a cero y la configuración del par de torsión de la aplicación respectivamente para producir una salida del vector. La salida de dos controladores PI son los componentes (nuevos) directos y de cuadratura del vector espacial de voltaje del estator requerido. Como se mencionó anteriormente, el último paso es volver a transformar los componentes d-q al marco de referencia del estator para accionar realmente el motor.

El proceso descrito es solo un resumen del funcionamiento del FOC. La implementación requiere numerosos pasos temporales que son bastante sofisticados y van más allá del alcance de este artículo. Puede encontrar una discusión más completa del FOC que está específica y directamente relacionada con un dron pequeño en “High Performance Motor Control”, una tesis de Patrick Fisher de la Central Queensland University, Australia.¹

Entre los pasos temporales requeridos, se incluyen los siguientes:

• Determinar las características del motor (los motores BLDC raramente proporcionen más información de la placa de identificación que el número de polos, el voltaje y las corrientes nominales).
• Estimar la posición del motor (información fundamental para implementar el control del FOC)
• Diseñar un esquema de control de alimentación adecuado
• Diseñar los controladores de velocidad y el par de torsión

Diseñar un sistema de control de motores funcional y completo basado en el FOC desde el principio es una tarea tan desalentadora que las empresas de semiconductores, incluidas Texas Instruments, Atmel, y NXP Semiconductors crearon herramientas de desarrollo que eliminan casi toda la complejidad del diseño de la implementación de FOC más simple. En general, los proveedores de CI también eligieron proteger su propiedad intelectual al almacenar sus bibliotecas de software utilizadas por las herramientas de desarrollo en ROM y ponerlas a disposición solo MCU selectos.

Texas Instruments, por ejemplo, puso a disposición su solución InstaSPIN-FOC en tres variantes de la serie de MCU de 32 bits TI C2000 Piccolo: el F2806x, F2805x, y F2802x. Para aplicaciones de aeronaves no tripuladas pequeñas que son extremadamente sensibles a los costos, los MCU más apropiados son miembros de la serie F2802x de MCU y el dispositivo específico más popular es el TMS320F28027FPTT.

Como se mencionó anteriormente, el control preciso del motor depende de la creación exacta del modelo del motor. El FOC de InstaSPIN incluye un algoritmo de software patentado conocido como un "observador" que estima el flujo, el ángulo, la velocidad y el par de torsión del rotor (FAST). El FOC de InstaSPIN también ofrece una identificación del parámetro del motor para extraer los parámetros de rendimiento necesarios sin conexión durante el desarrollo y para realizar un seguimiento de los parámetros en línea durante el funcionamiento.

La información del parámetro del motor se utiliza para sintonizar el ancho de banda del control de corriente. A diferencia de otras técnicas, el observador FAST de TI se sintoniza de forma totalmente automática y no requiere ajustes para funcionar adecuadamente. TI sostiene que es la única solución de FOC sin sensores sólida e instantáneamente operacional del mercado.

Como resultado, los diseñadores pueden tener un observador sin sensores completamente sintonizado y un sistema de control del par de torsión estable del FOC a minutos de iniciar el desarrollo. En una aplicación como un control de propulsor, la única tarea que le queda al diseñador es probar y sintonizar un circuito de control de velocidad PI para el rendimiento y funcionamiento deseados.

En la Figura 3 se muestra una versión simplificada del sistema de impulsión básico. La salida del controlador de velocidad PI se conecta como la señal de referencia de salida para el controlador de corriente PI. Si la velocidad es demasiado baja, la corriente del motor se aumenta para producir más pares de torsión para acelerarla. Por el contrario, si el motor va muy rápido, el par de torsión del motor se disminuye para ralentizar el motor. Juntos, esto dos controladores PI forman un circuito de control en cascada, que significa un sistema de control que consta de un circuito externo con uno o más circuitos internos. (Las variables Kd, Kd, Ka y Kb en la figura son coeficientes generados por el software de control del motor).

Figura 3: Controlador de velocidad en cascada con un controlador de corriente. (Cortesía de Texas Instruments)

Componentes principales

Además del MCU, es importante mencionar otros componentes. Se requiere un impulsor trifásico y un sistema inversor. Las aplicaciones de baja corriente como los drones pequeños de par de torsión pueden utilizar una parte de la familia DRV83x2 de impulsores de motores trifásicos integrados de TI (como el DRV8332DKDR). La serie DRV83x2 contiene circuitos de protección avanzada diseñados para facilitar la integración del sistema y el uso, así como para proteger al dispositivo de fallas permanentes debido a una amplia gama de condiciones de fallas como los circuitos cortos, la sobre corriente, la sobretemperatura y el subvoltaje.

Los sistemas de alta corriente que pueden utilizarse en una aplicación comercial requieren un preimpulsor independiente como el DRV8301DCAR y un FET individuales en una configuración de inversor trifásico. Un ejemplo sería el MOSFET de potencia NexFET CSD18533Q5A de TI.

El desarrollo del software es fundamental para lograr el éxito con las aplicaciones de control de motores basadas en el FOC. TI desarrolló un conjunto de aplicaciones que incluye el software de desarrollo de impulsores de motores en el BoosterPack BOOSTXL-DRV8301. Generalmente es la mejor opción a 6 a 24 V y hasta 10 A continuo. Esto requiere una placa de control como la tarjeta de evaluación TMS320F28027F C2000 Piccolo con FOC de InstaSPIN como el LAUNCHXL-F28027F. Para motores continuos de menos de 3,5 A, el DRV8312-69M-KIT generalmente es una mejor opción.

Las ofertas de productos de TI parecen estar más en sintonía con las aplicaciones de pares de torsión bajos y de bajo voltaje que las de otros proveedores pero algunos también ofrecen kits de desarrollo de control de motores. NXP Semiconductors ofrece un desarrollo de control de motores para BLDC. El kit de control de motores OM13068 LPC1549 LPCXpresso se utiliza con el MCU LPC1549JBD48QL de la empresa. Esta plataforma se puede utilizar para controlar motores BLDC, BLAC, paso a paso y de CC de dos escobillas .

El diseño que utiliza estos componentes puede compararse en términos de rendimiento con los controladores de motores disponibles comercialmente para motores BLCD pequeños. La diferencia más significativa entre el controlador de FOC personalizado y los controladores comerciales como el Plush 40 es su capacidad de conmutarse a velocidades muy bajas. El controlador de FOC puede controlar los cuatro motores a velocidades de aproximadamente 100 RPM Además, al utilizar la velocidad de circuito de InstaSPIN, los motores desarrollan un par de torsión significativo a esas RPM bajas.

La placa de FOC personalizada también puede lograr una velocidad de motor superior más rápida que la de los controladores comerciales. En promedio, el controlador de FOC personalizado es un 35 por ciento más rápido en provocar la transición de un motor desde cero a velocidad completa. Además, la velocidad descargada de cada motor bajo el control de FOC es más rápida que la de cualquier controlador comercial probado.¹

Conclusiones

Está surgiendo una nueva clase de aplicaciones de control de motores que requiere una respuesta dinámica superior de los motores BLDC pequeños. Las aplicaciones incluyen robots médicos, sistemas cardán, vehículos autónomos y aeronaves no tripuladas pequeñas. A pesar de que las técnicas de control de motores se han utilizado por décadas en los motores de artículos del hogar e industriales de CA, no se aplicaron a motores pequeños alimentados a paquetes de batería porque las técnicas son sofisticadas y requieren un MCU de alto rendimiento. Durante los últimos años, sin embargo, surgieron nuevos productos que hacen que esta posibilidad sea una realidad.

Para obtener más información acerca de las partes discutidas en este artículo, utilice los vínculos proporcionados para acceder a las páginas de productos en el sitio web de Digi-Key.

1. “High Performance Motor Control”, una tesis de Patrick Fisher de la Central Queensland University, Australia.