Necesidad de interoperabilidad periférica autónoma en aplicaciones BLDC sin sensores
Este artículo técnico describe esquemas de control optimizados para impulsar motores BLDC sin sensores y demuestra la importancia y los beneficios de la interoperabilidad periférica de microcontroladores en estas aplicaciones. También mostraremos algunos de los últimos microcontroladores disponibles para aplicaciones de control de motores BLDC sin sensores.
El uso de motores CC sin escobillas (BLDC) ha aumentado constantemente en los últimos años a medida que aumenta la demanda de mayor eficiencia y mayor confiabilidad. Las aplicaciones de motores de velocidad variable en industrias como electrodomésticos, automoción, refrigeración, aeroespacial, médica y automatización industrial ahora utilizan motores BLDC en favor de otros tipos de motores como los de inducción de CA y CC con escobillas. Debido a la electrónica de accionamiento más compleja en los motores BLDC, la industria de los semiconductores ha respondido a estas aplicaciones de una manera más rentable.
Los motores BLDC tienen varios métodos de control. El método que utilice depende de los requisitos de su aplicación. En las aplicaciones de control BLDC basadas en sensores, los elementos de efecto Hall se integran en el motor y se utilizan para detectar la posición del rotor para la sincronización del variador. Normalmente se utilizan tres sensores Hall. Cada sensor proporciona una señal alta para 180° de rotación eléctrica y una señal baja para los otros 180°. Los tres sensores están separados 120°, por lo que la rotación se divide en 6 fases (es decir, 6 pasos de conmutación). Un microcontrolador lee esta información de estos tres sensores para determinar la posición del rotor. En este esquema, el microcontrolador siempre conoce la posición del rotor, incluso cuando el motor está parado, y puede determinar fácilmente la secuencia de conmutación correcta requerida para el lazo de control. Sin embargo, este enfoque tiene el costo de los sensores de efecto Hall. Sin mencionar los pasos adicionales de ensamblaje y cableado necesarios para fabricar estos motores.
Por el contrario, un esquema de control sin sensor más rentable emplea la detección de la señal de EMF inversa generada (inducida) por los devanados de fase no energizados del motor BLDC. Esta información de la señal se utiliza para sincronizar la temporización del bucle de control. En la práctica, los sensores Hall podrían eliminarse, pero supongo que el rotor primero debe moverse (para generar el EMF posterior) antes de que haya información de posición disponible. Este problema en particular ciertamente limita los tipos de aplicaciones en las que se pueden usar los esquemas de control sin sensor, pero todavía hay muchos productos finales viables que pueden aprovechar su bajo costo. Los ventiladores y sopladores, por ejemplo, son excelentes candidatos para este tipo de esquema de control.
Hay muchos microcontroladores en el mercado hoy en día, que van desde simples dispositivos de 8 bits de bajo costo hasta dispositivos de alto rendimiento de 16 y 32 bits con un mínimo de periféricos necesarios para impulsar motores BLDC sin sensores. Un modulador de ancho de pulso de fase (PWM) para controlar la fase del motor, un ADC para detectar la fuerza contraelectromotriz y un comparador para protección contra sobrecorriente.
Sin embargo, la interoperabilidad de estos periféricos puede tener un impacto significativo en el rendimiento de la MCU en su aplicación, ya que el conjunto de periféricos integrados en la MCU es clave para orientar su aplicación. Términos como MIPS se vuelven aún más irrelevantes ya que los periféricos autónomos pueden brindar los servicios requeridos por la aplicación sin la intervención de la CPU.
Un buen ejemplo de esto es el reciente anuncio de Zilog de la familia Z16FMC de microcontroladores de 16 bits que ofrecen cuatro canales de DMA de lista enlazada, además de interoperabilidad automática entre ADC y temporizadores, y entre comparadores y salidas PWM.
El control sin sensores de los motores BLDC requiere un microcontrolador con una respuesta de interrupción rápida para manejar las actualizaciones de PWM en tiempo real. Las aplicaciones que requieren una funcionalidad adicional, como comunicación en serie de alta velocidad, demodulación PWM, interfaces de usuario complejas, control de pantalla, etc., requieren la capacidad del periférico de control del motor central para operar de forma autónoma.