Primeros pasos con el control orientado al campo de motores BLDC sin sensores e Infineon

Hay motores eléctricos en todas partes; en nuestros hogares, lugares de trabajo y vehículos. Si consideramos, por ejemplo, un automóvil moderno típico, puede encontrarse un promedio de alrededor de 35 motores distribuidos en todo el vehículo. Tanto los motores de CC estándares como los motores de CC sin escobillas (BLDC) se utilizan para aplicaciones que van desde bombas de combustible hasta elevadores de ventanas (Figura 1).

Figura 1. Aplicaciones típicas para motores de CC y de CC sin escobillas (BLDC). (Fuente de la imagen: Infineon)

Con el crecimiento de los vehículos eléctricos e híbridos, la tendencia se dirige a cantidades aún más elevadas de motores por vehículo. Además de utilizarse en la industria automotriz, los motores de CC y BLDC se utilizan ampliamente en numerosas aplicaciones industriales de automatización, de control y de robótica.

Los motores BLDC generalmente se utilizan en aplicaciones más exigentes debido a las ventajas de su rendimiento, en comparación con los motores de CC con escobillas. Los motores BLDC proporcionan más eficiencia, una vida útil más prolongada y un par de torsión más elevado que los motores de CC. Entre las desventajas de BLDC, se incluyen su costo más elevado y el requisito de circuitos de controladores adicionales.

A título personal, recientemente actualicé mi taladro a baterías y mi controlador de impacto desde la tecnología de motores de CC con escobillas a los que no tienen escobillas. La mejora del par de torsión y de la vida útil de la batería fue excepcional, y valió con creces el costo adicional.

Motores BLDC

Los motores BLDC son una variación de un motor de CC estándar tradicional. La diferencia básica reside en que el motor BLDC requiere que la conmutación se realice a través de medios electrónicos, en lugar de mediante escobillas mecánicas. El rotor de un motor BLDC consta de imanes permanentes y el estátor está bobinado con un conjunto de polos paralelos. Un circuito de controles se utiliza para energizar los bobinados y generar un campo giratorio. Se generan movimiento y par de torsión a medida que los imanes del rotor intentan alinearse con el campo giratorio del estátor.

Control orientado al campo (FOC) sin sensores

El control orientado al campo (FOC) sin sensores es uno de los métodos utilizados para controlar la velocidad y el par de torsión de un motor BLDC. El control orientado al campo (también conocido como control de vectores) es una técnica que se utiliza para generar una modulación sinusoidal de tres fases, que luego puede controlarse con respecto a la frecuencia y la amplitud. Se realizan cálculos para transformar las señales de tres fases en dos fases, que son más fáciles de controlar e implementar en el circuito de control de motores. El control sin sensores elimina los sensores de posición y, en su lugar, mide nuevamente la fuerza electromotriz para determinar la posición del rotor (EMF).

Implementación del FOC sin sensores en un microcontrolador

La implementación del FOC sin sensores requiere la toma de medidas de señales y la realización de cálculos matemáticos. Un microcontrolador que tenga el rendimiento necesario y un conjunto periférico es una buena opción para implementar esta funcionalidad. El TLE9879QXA40 de Infineon es un sistema en chip (SoC) de impulsor de motor de tres fases y chip único que integra un núcleo Arm® Cortex®-M3 (Figura 2).

Figura 2. Diagrama del bloque de aplicaciones TLE9879x. (Fuente de la imagen: Infineon)

Este incluye seis controladores NFET completamente integrados y optimizados para impulsar un motor de tres fases a través de NFET, una bomba de carga que permite un funcionamiento de bajo voltaje y una corriente programable junto con el control de pendiente de corriente para el comportamiento de EMC optimizado. Su conjunto periférico incluye un sensor de corriente, un convertidor analógico a digital (ADC) de aproximación sucesiva sincronizado con la unidad de captura y comparación para el control de modulación por ancho de pulsos (PWM), y temporizadores de 16 bits. Un transceptor LIN también está integrado para permitir una comunicación hacia el dispositivo junto con varias E/S de propósito general. Este incluye un regulador de voltaje lineal en chip para suministrar cargas externas.

El TLE9879QXA40 de Infineon es una buena solución para la implementación de motores BLDC de control orientado al campo. Tiene el rendimiento y el conjunto de características para implementar un impulsor de motor BLDC rentable y de alto rendimiento en un espacio de placa mínimo. La detallada nota de aplicación “Control orientado al campo sin sensores con SoC” explica la teoría del FOC y cómo puede implementarse el algoritmo.

Primeros pasos

La placa de evaluación de bajo costo BLDC_SHIELD_TLE9879 de Infineon es una manera fácil de comenzar con el FOC sin sensores. Está basada en el sistema TLE9879QXA40 y se ha diseñado para impulsar motores BLDC en combinación con un rodapié Arduino compatible. Al combinarla con un Arduino Uno y un motor BLDC compatible, podrá activarla y accionar el motor en menos de una hora (Figura 3).

Figura 3. BLDC_SHIELD_TLE9879 instalada en un rodapié Arduino Uno. (Fuente de la imagen: Infineon)

Se encuentran disponibles esquemas, la biblioteca de Arduino y documentación completa sobre BLDC_SHIELD_TLE9879 en https://github.com/Infineon/TLE9879-BLDC-Shield. Mientras consultaba este blog, me dispuse a trabajar con Uno y el escudo para familiarizarme con la manera en que se impulsa un motor BLDC. En mi proyecto Cómo impulsar un motor BLDC con el escudo impulsor de motor de tres fases TLE9879Qx de Infineon, que se encuentra publicado en TechForum de DigiKey, se incluyen pasos de configuración, el código de pruebas y referencias de documentación.

Desarrollo de aplicaciones

Para quienes estén interesados en ahondar en el diseño y el desarrollo basado en TLE9879Qx, Infineon brinda recursos adicionales. Como punto de partida, se encuentra disponible un código de fuente para el firmware con flash en el escudo BLDC en forma de archivos del proyecto Keil uVision. Los archivos del proyecto están incluidos en la descarga de software “Escudo BLDC para Arduino con TLE9879QXA40” de Infineon en el enlace BLDC_SHIELD_TLE9879, en la página del proyecto del escudo. Asimismo, además del escudo BLDC, se encuentran disponibles el diseño de referencia de la bomba REF_WATERPUMP100W y el diseño de referencia del ventilador REF_ENGCOOLFAN1KW de DigiKey.

Conclusión

La placa de evaluación BLDC_SHIELD_TLE9879 de Infineon brinda una manera rápida y de bajo costo para comenzar a utilizar el FOC sin sensores con el fin de impulsar motores BLDC. La placa es también un buen recurso para usuarios más avanzados que estén interesados en evaluar el TLE9879QXA40 y comenzar con el código de fuente provisto.

Referencias externas

1 – Infineon. “Manual sobre motores”.

https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-motorcontrol_handbook-AdditionalTechnicalInformation-v01_00-EN.pdf