Seleccione e implemente el diseño de control de motores adecuado para cumplir con los requisitos de la Industria 4.0.

La era de la Industria 4.0, o el Internet Industrial de las Cosas (IIoT), está haciendo que los sistemas sean más inteligentes al proporcionar inteligencia localizada y conectividad entre máquinas y computadoras, y con Internet. Una de las razones de esta conectividad es que los sistemas y subsistemas de producción pueden ser supervisados y controlados con vistas a una mayor eficiencia, fiabilidad y estabilidad. Esta era tiene implicaciones para los motores industriales, que constituyen gran parte de los recursos energéticos de una instalación automatizada, y cuyo fallo puede paralizar toda una línea de producción.

Por lo tanto, es fundamental controlar los motores de forma eficaz, sobre todo en lo que respecta a la velocidad y el par, que en conjunto tienen un gran impacto en el rango dinámico de un motor. El control de estos dos parámetros de forma eficaz requiere un alto grado de precisión en la retroalimentación. Para lograr esta precisión, los diseñadores deben elegir cuidadosamente entre la detección de corriente en el lado de baja, en el lado de alta o en la línea, y luego implementar de manera óptima el circuito apropiado.

En este artículo se analizan brevemente estas tres opciones de detección de corriente antes de mostrar cómo el amplificador ideal de un sensor de corriente de motor en línea proporciona información real sobre la fase de la corriente. A continuación, se muestra cómo utilizar un amplificador de detección de corriente (CSA) bidireccional de Maxim Integrated con rechazo de la modulación de ancho de pulso (PWM) para configurar un sistema de motor trifásico que permita un funcionamiento más eficiente.

¿Detección de corriente por el lado bajo, por el lado alto o en línea?

Las tres opciones de detección -lado bajo, lado alto y en línea- varían ampliamente en su implementación (Figura 1). El diseño del sensor de corriente del motor del lado bajo utiliza una resistencia de detección y un amplificador cerca de tierra (abajo a la izquierda).

Figura 1: Las opciones de circuito de lado bajo, lado alto y en línea para la detección de la velocidad y el par del motor. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

De las tres opciones, un circuito de detección de corriente en el lado bajo es la más intuitiva y directa. Es adecuado para aplicaciones de consumo en las que la rentabilidad suele ser uno de los principales requisitos de diseño.

El circuito de detección del lado bajo tiene el amplificador cerca de tierra, capturando la corriente de cada pata sucesivamente. El circuito tiene amplificadores operacionales (op-amps) de propósito general y bajo costo en la parte inferior de las pilas de FET de accionamiento de puerta y una resistencia de detección (R_S) con el voltaje de modo común cerca de tierra (Figura 2). Para una corriente de carga tan alta como 100 amperios (A), la pequeña resistencia de detección (R_S) suele ser una resistencia de trazado de la placa de circuito impreso.

Figura 2: Este circuito de detección de corriente en el lado bajo del motor de CA utiliza un amplificador CMOS en el que la tensión en modo común alcanza la alimentación negativa del amplificador. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker)

En la figura 2, la corriente de carga indica la conducción a través de una pila de FET del motor de CA. Este circuito necesita que el rango de entrada en modo común del amplificador se extienda a tierra. El circuito amplificador gana la tensión a través de R_S, lo que proporciona una lectura de tensión de la magnitud de la corriente de carga (I_L). Este voltaje se alimenta a la entrada no inversora de un amplificador con una ganancia igual a (1 +R_F / R_G), o ~50 voltios/voltios.

El AD8691 de Analog Devices puede utilizarse como amplificador. Se trata de un amplificador óptico genérico de bajo costo con un ancho de banda de 10 megahercios (MHz). Sus transistores de entrada CMOS proporcionan una corriente de polarización de entrada típica de 0.2 picoamperios (pA) y un rango de modo común de -0.3 voltios por debajo de la tensión de alimentación negativa.

La salida del amplificador se envía a un convertidor analógico-digital (ADC). Un microcontrolador u otro procesador puede utilizar la señal digitalizada para determinar el estado del motor.

Requisitos de la placa de circuito impreso

La simplicidad del diseño del circuito de detección de corriente del lado bajo puede ser engañosa. Utilizando la placa de PC para crear _RS, es fácil generar errores de medición al añadir involuntariamente al valor de la resistencia de detección. Para garantizar la exactitud del valor de la R_S, debe haber una conexión directa desde el terminal superior o positivo de la R_S al terminal no inversor del amplificador óptico. Además, el terminal inferior (negativo) de R_S debe tener una conexión directa a tierra. Este segundo requisito de diseño de la tarjeta de PC asegura una conexión directa con el terminal negativo de la resistencia de detección y la parte inferior de la resistencia de ganancia (R_G) del amplificador.

Tenga en cuenta que la corriente fluye a través del plano de tierra de la placa de circuito impreso, creando una diferencia de tensión a través de él. En circunstancias normales, esto no es un problema. Con el circuito del sensor de lado bajo, el uso de la baja resistencia R_S hace que el circuito sea extremadamente sensible a las caídas de tensión a tierra a través de la placa de circuito impreso.

El coeficiente de temperatura de la resistencia del cobre es de aproximadamente 0.4%/°C, lo que permite que el valor de R_s varíe ampliamente con la temperatura. La resistencia de la placa de circuito impreso crea un error dependiente de la temperatura en los sistemas que tienen grandes variaciones de temperatura, introduciendo un grado de inestabilidad. Es prudente evitar los trazos largos para minimizar los errores de R_S. Además, el uso de una resistencia de detección en el diseño del sensor del lado bajo añade caídas de tensión dinámicas no deseadas, lo que provoca problemas de ruido de interferencia electromagnética (EMI).

Detección de corriente de lado alto

El sensor de corriente del motor del lado alto minimiza el impacto de la tensión de CA dinámica de la resistencia con una EMI mínima. Sin embargo, este diseño requiere un amplificador resistente para manejar altos voltajes.

El circuito del sensor de corriente del lado bajo utiliza tres amplificadores operacionales simples para detectar las corrientes de cada pata del motor de CA. El enfoque es susceptible de errores debidos a las resistencias parásitas de la placa de circuito impreso, así como al error de medición cerca de la tierra, también llamado error de tierra de la tensión R_S.

Los circuitos de sensores de corriente de lado alto utilizan un amplificador diferencial con la tensión de modo común cerca de la alimentación. Para contrastar algunas de las limitaciones del circuito sensor de corriente del lado bajo, esta configuración no es susceptible a las perturbaciones de tierra y es capaz de detectar un cortocircuito en la carga (Figura 3).

Figura 3: Un circuito de detección de corriente en el lado alto de un motor de CA utiliza un amplificador con dos etapas de entrada PNP en las que la tensión en modo común supera la alimentación positiva y negativa del amplificador. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker)

El amplificador operacional debe tener una entrada de carril a carril y una gran tensión de modo común en los terminales R_S que sea igual o superior a V_SUPPLY. Esto es un reto porque el amplificador de detección necesitará fuentes de tensión extendidas al menos iguales a V_SUPPLY. Por lo tanto, en una configuración de detección de lado alto, el modo común de entrada del amplificador debe ser tan alto como la tensión de alimentación, V_SUPPLY.

Para esta aplicación, los diseñadores pueden recurrir al ADA4099-1 de Analog Devices. Se trata de un único y resistente amplificador óptico de precisión de entrada/salida de carril con entradas que operan de V- a V+ y más allá. Esta última característica se denomina en la hoja de datos Over-The-Top (superior).

El dispositivo presenta una tensión de compensación de <40 microvoltios (μV), una corriente de polarización de entrada (IB) de <10 nanoamperios (nA) y un funcionamiento con alimentación simple o dividida que va de 3.15 a 50 voltios. El ADA4099-1 consume 1.5 miliamperios (mA) de corriente de reposo por canal.

Adaptación de resistencias

Con el circuito de detección de corriente de lado alto de la figura 3, la precisión de las resistencias externas (R₁,R₂, R₃ y R₄) determina directamente la precisión de la medición. La ecuación 1 se utiliza para calcular la ganancia diferencial de la figura 3:

Ecuación 1

La ecuación 2 se utiliza para calcular el error de ganancia en modo común de la figura 3:

Ecuación 2

La ecuación 3 se utiliza para calcular la tensión de salida de la figura 3:

Ecuación 3

Si R₁ a R₄ son resistencias del 1%, la tolerancia del peor caso de los errores globales es superior al 5%. Este error del 5% hace necesario el uso de resistencias caras y de menor tolerancia. El principal inconveniente de este enfoque es el coste añadido debido a la necesidad de contar con resistencias de precisión con una tolerancia ajustada para los valores de relación de R₄/R₃ yR₂/R₁ para superar la sensibilidad al error debido a las tensiones de modo común más elevadas.

Detección de corriente en línea

Aunque las otras soluciones funcionan, el enfoque preferido es el sensor de corriente del motor en línea (o de bobinado directo). Este enfoque proporciona la verdadera información de la fase de la corriente, lo que permite tiempos de asentamiento rápidos y un mayor rechazo de los transitorios de modo común. El amplificador ideal para las mediciones en línea es un CSA bidireccional con rechazo PWM para abordar estos desafíos. Este amplificador tiene un tiempo de asentamiento rápido, un gran ancho de banda y rechaza los transitorios de modo común.

Para lograr un funcionamiento eficaz del motor, el procesador del sistema dispone de los datos de corriente de las tres fases del motor en cualquier momento (Figura 4).

Figura 4: En la detección de corriente en línea para el control del motor, el procesador dispone de los datos de corriente de las tres fases del motor en cualquier momento. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

En la Figura 4, la MCU muestrea simultáneamente las tres patas del motor con el CSA bidireccional MAX40056 de Analog Devices, preservando las relaciones de fase entre la excitación de cada pata. Un amplificador en línea ideal gana la señal diferencial de cada pata del motor mientras rechaza los transitorios de modo común de PWM. El fuerte rechazo del PWM facilita el tiempo de asentamiento más rápido, una mayor precisión y permite al diseñador minimizar el ciclo de trabajo del PWM, manteniéndolo cerca del 0%.

El MAX40056 es un CSA bidireccional de alta precisión de una sola fuente con un alto rango de entrada en modo común que se extiende desde -0.1 voltios hasta +65 voltios. La etapa de entrada proporciona protección contra los picos de tensión y los retrocesos inductivos desde -5 voltios hasta +70 voltios. La tensión de compensación de entrada de ±5 μV (típica) y el error de ganancia del 0.05% (típico) contribuyen a garantizar los bajos errores del sistema (Figura 5).

Figura 5: La capacidad del CSA MAX40056 de suprimir las perturbaciones gracias a los circuitos de rechazo de PWM rápidos lo hace muy adecuado para la monitorización de la corriente en fase de las cargas inductivas, como los devanados de los motores. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

En la Figura 5, la etapa de entrada está diseñada específicamente para suprimir las perturbaciones de las señales PWM rápidas, que son comunes en las aplicaciones de control de motores. El MAX40056 es, por tanto, muy adecuado para la monitorización de la corriente en fase de cargas inductivas, como los devanados de los motores y los solenoides que son accionados por señales PWM. El MAX40056 funciona en todo el rango de temperatura de -40 °C a +125 °C y con una tensión de alimentación de +2.7 voltios a +5.5 voltios.

El MAX40056 tiene una recuperación del borde PWM de 500 nanosegundos (ns) desde 500 voltios/microsegundo (µs) y bordes PWM más rápidos. Los datos de banco del MAX40056 y de la competencia ilustran una diferencia significativa en la inmunidad al modo común PWM (Figura 6).

Figura 6: Una comparación competitiva utilizando un rechazo de borde PWM de un ciclo PWM de 50 voltios muestra que el MAX40056 tiene una clara ventaja con respecto a la inmunidad transitoria de modo común PWM. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

En la Figura 6, la salida analógica del CSA MAX40056 muestra un pequeño bache y se recupera en 500 ns, mientras que el dispositivo de la competencia necesita aproximadamente 2 µs para recuperarse. La entrada de rechazo PWM patentada por CSA suprime los transitorios y proporciona una medición de señal diferencial limpia.

Conclusión:

Tanto la Industria 4.0 como la IIoT hacen hincapié en niveles más altos de eficiencia y fiabilidad de la producción que deben llegar hasta el nivel de los motores individuales. Encontrar diseños de circuitos adecuados para construir un sistema de accionamiento de motores de CA para la velocidad y el par que garanticen la estabilidad, la fiabilidad y la eficiencia energética puede ser complicado.

Como se muestra, un enfoque de sensor de corriente del motor en línea con un amplificador ideal proporciona información real de la fase de la corriente. Con este enfoque -y utilizando el CSA bidireccional MAX40056 con rechazo PWM- los diseñadores pueden configurar un sistema de motor trifásico que mida con precisión el par y la velocidad en un sistema de motor de CA trifásico, garantizando la eficiencia, fiabilidad y estabilidad del motor.