Ingeniería Control de Motores
Control de Motores de Bajo Costo y de Múltiples Funciones para Artefactos Eléctricos

por Jorge Zambada, ingeniero en aplicaciones de campo, Freescale Semiconductor Inc.

El mercado de los artefactos eléctricos requiere soluciones de bajo costo para el control de motores así como también el mantenimiento de las funciones avanzadas para el funcionamiento eficiente del motor. Es posible cumplir con estos dos requisitos principales mediante un sistema de accionamiento de motor basado en microcontroladores que ayude a los fabricantes de equipos originales a reducir los costos del sistema y a brindar funciones avanzadas para las aplicaciones de control del motor.

Antecedentes

Las soluciones de bajo costo basadas en microcontroladores (MCU), que utilizan relés electromecánicos o control de ángulo de desfasamiento con tiristores, fueron utilizadas de manera exitosa por los fabricantes de equipos originales para los controles de motor de velocidad variable. Estas soluciones son adecuadas para determinados tipos de motores y aplicaciones que necesitan control mínimo de velocidad o en los casos donde el rendimiento del motor y las fluctuaciones torsionales no son los requerimientos principales.

Figura 1. Inserción de tiempo muerto. CLICK.

Las regulaciones de consumo de energía actuales y futuras demandan artefactos con mayor ahorro energético. Con el fin de cumplir con los requisitos energéticos, se utilizan nuevas tecnologías de motores y topologías de control alternativas. Una topología de control comúnmente utilizada es el inversor, que consiste en extraer voltaje de la línea de corriente alterna (CA) y luego rectificarla para generar un voltaje de corriente continua (CC). Finalmente, se generan voltajes de determinadas amplitudes y frecuencias mediante el uso de una técnica de modulación especial, denominada Modulación de la Magnitud del Impulso (PWM). Los voltajes de salida del inversor se generan a través de transistores de energía por conmutación, normalmente Transistores Bipolares de Compuerta Aislada (IGBT). Gracias a la topología del inversor, es posible implementar nuevos algoritmos de control para distintos tipos de motores, es decir, control de motores de inducción voltio por hertz o control de velocidad de motores de corriente continua sin escobilla (BLDC).

La solución planteada para las aplicaciones de control de motor apunta a motores de velocidad variable que requieren electrónica de energía por conmutación, tales como los inversores. Los fabricantes de equipos originales que busquen mejor rendimiento y funcionalidad del motor, además de mantener el bajo costo, deberían tener en cuenta esta solución basada en microcontroladores (MCU) con módulos especiales para controlar el motor, tales como módulos PWM y conversores analógicos a digitales (ADC).

Un sistema de bajo costo

Figura 2. Aplicación de control de motor BLDC. CLICK.

Con el objetivo de lograr la funcionalidad del motor en arquitecturas MCU, hoy en día algunas operaciones que llevan demasiado tiempo se realizan mediante el hardware interno MCU con módulos integrados especiales. Integrar un módulo PWM en un MCU reduce considerablemente el número de componentes externos, reduciendo de esta manera el costo del sistema. Analizaremos algunas ventajas de los módulos PWM integrados para tratar de explicar cómo el costo total del sistema se mantiene bajo mediante la eliminación de circuitos externos.

Por lo general, los voltajes de salida MCU están en el rango de 3,3 y 5 voltios, mientras que los IGBT necesitan entre 10 y 20 voltios de compuerta a fuente para encenderse. Se necesita un circuito especial llamado impulsor de compuerta que actúa como interfaz entre el MCU y los IGBT, suministrando los voltajes necesarios para accionar los IGBT. En las topologías de inversores, los impulsores de compuerta laterales superiores e inferiores operan los IGBT superiores e inferiores, respectivamente (véase Figura 1). En algunos casos, es conveniente controlar estos dispositivos de manera complementaria, por ejemplo cuando un IGBT está encendido y el otro apagado, y viceversa. Se debe tener sumo cuidado cuando se aplica energía a través de los IGBT para evitar que ambos IGBT se enciendan al mismo tiempo. En este modo complementario, no alcanza con solamente invertir la señal IGBT PWM inferior en comparación con la IGBT PWM superior, sino que es necesario incluir un tiempo muerto entre la desconexión de un IGBT y la conexión del otro. La mayor ventaja del módulo PWM para el control del motor es que este tiempo muerto se inserta automáticamente a través del MCU, eliminando de esta manera la necesidad de circuitos de sincronización externos en el impulsor de la compuerta.

Los módulos PWM cuentan con varios canales para accionar las topologías del motor. Como muestra la Figura 2, se implementó una topología de inversor trifásico para accionar un motor de corriente continua sin escobilla. Como tiene la ventaja de generar seis salidas PWM junto con el módulo dedicado para dicho fin, el MCU se conecta directamente a cada impulsor de compuerta de hasta seis transistores de potencia, eliminando de esta manera cualquier componente externo que realice enmascaramiento y multiplexión.

Un requerimiento común para las aplicaciones de alta potencia es contar con una barrera de aislamiento entre la parte de control y los dispositivos electrónicos de energía. Por lo general, la solución consiste en tener aisladores ópticos en el circuito de accionamiento de compuerta, pero la parte del controlador del aislador óptico necesita una corriente para accionar los diodos emisores de luz (LED). Además, el módulo PWM ayuda a accionar los LED directamente desde las salidas del MCU, eliminando de esta manera cualquier transistor o circuito intermedio que realice la misma tarea.

Otro requerimiento para las aplicaciones de control del motor es la tolerancia a fallos del sistema. Estos fallos pueden ocurrir debido a sobrecorrientes y sobrevoltajes, que obligan al MCU a apagar todos los dispositivos de potencia para proteger el motor y los dispositivos de potencia. Las funciones de fallo se incluyen en el módulo PWM, donde el sistema se protege mediante el uso de clavijas de entrada especiales para condiciones de fallo. Esta capacidad reduce la complejidad del accionamiento de compuerta, ya que el impulsor de compuerta no necesita tener funcionalidad de desconexión para proteger el sistema contra los fallos.

Otras funciones del MCU como por ejemplo la tecnología Flash también representan una reducción de costos para algunas aplicaciones que requieren almacenamiento de datos no volátil, ya que se puede emular el flash interno como una memoria EEPROM para almacenar información.

Un sistema con múltiples funciones

Figura 3. Ejemplo de la aplicación de la lavadora. CLICK.

Con la utilización del módulo interno MCU para generar señales PWM de tolerancia a fallos sin consumir demasiados recursos de la CPU le permitirá al sistema incluir otras funciones en el producto final. Esta sección del artículo analiza este tipo de funciones.

Es posible utilizar los módulos de comunicación MCU como puertos seriales para monitorizar variables globales del sistema, por lo que el proceso de depuración es mucho más fácil. La capacidad de observar las variables mientras se controla el motor permite diseñar y validar algoritmos nuevos para mejorar el rendimiento del artefacto. Otra función es la implementación de controladores de circuito cerrado en el software, tales como los controles de velocidad Proporcional-Integral (PI). La Figura 3 muestra un ejemplo de una lavadora con un motor de corriente continua sin escobilla (BLDC). La figura muestra los módulos internos MCU, así como también algunos módulos de software para controlar la velocidad del motor. En este ejemplo, la velocidad de referencia del motor BLDC se toma de una tabla interna, lo que permite que diferentes perfiles de movimiento del agitador evalúen y validen nuevos ciclos de lavado. Por ejemplo, el requerimiento para un nuevo ciclo de lavado puede ser que se dañen menos prendas fabricadas con telas especiales.

La nueva tecnología Flash puede ofrecer varias funciones adicionales para los artefactos. Permite la programación en circuito del MCU una vez que se haya instalado la placa electrónica en el artefacto, haciendo que se pueda ampliar la capacidad del software y que el fabricante también pueda corregir fallos de software en el momento del testeo. A los artefactos basados en esta tecnología podrán introducirse mejoras y ampliaciones como un servicio de post-venta al cliente.

Figura 4. Panel de control de motor basado en MCU de 8 bits. CLICK.

Los diseñadores de los artefactos, que agregaron valor al sistema total, incluyendo indicadores LED, pantallas con caracteres y botones, utilizaron otros módulos MCU, tales como entradas y salidas (I/O) de uso general e interrupciones externas.

La solución final

La Figura 4, que abarca los requerimientos principales de costos y funciones, muestra un ejemplo de una solución basada en un MCU de 8 bits con un módulo PWM dedicado. La topología de potencia de este ejemplo es un inversor trifásico, siendo adecuado para motores BLDC y motores de inducción, que, por lo general, son los tipos de motores preferidos en aplicaciones tales como lavadoras, sistemas de refrigeración y aire acondicionado.