Factores a considerar en diseños de control de motores CC sin escobillas trifásicos

Los motores CC sin escobillas (brushless DC motors, BLDC) están ganando cuota de mercado respecto a otras tecnologías de motores,  en especial dentro de los mercados del automóvil y la medicina, y esto ha conducido al desarrollo de nuevas técnicas para el diseño de control de motores. Ahora los diseñadores tienen que decidir qué técnica es la mejor para cada aplicación.

La solución tradicional consiste en desarrollar el circuito de control del motor a partir de componentes discretos, pero desarrollos más recientes ofrecen soluciones monochip basadas en un sistema en chip (System on Chip, SoC) o un producto estándar de aplicación específica (Application-Specific Standard Product, ASSP), o bien con dos chips.

Si bien todas las soluciones las soluciones recientes de uno y dos chips ofrecen una reducción del número de componentes y de la complejidad de diseño, cada opción presenta unas determinadas ventajas e inconvenientes. Es preciso que el diseñador las conozca para obtener el mejor compromiso posible entre flexibilidad e integración para ahorrar espacio.

Con independencia de la opción utilizada, un sistema de motor típico está formado por tres elementos principales: la sección de la fuente de alimentación, el accionamiento del motor y la unidad de control. Un circuito tradicional basado en componentes discretos, utiliza un sencillo procesador RISC con Flash integrada para controlar los accionamientos de la puerta que, a su vez, controlan los MOSFET externos. Un método alternativo consiste en accionar el motor directamente desde un procesador,  con MOSFET integrados y un regulador de tensión para alimentar el procesador y el accionamiento.

Todos estos elementos se suelen integrar en un accionamiento de motor SoC. Además, un SoC ofrece la ventaja de su programabilidad, que permite su utilización en diferentes aplicaciones. Al tratarse de una solución monochip, un SoC resulta indicado para aplicaciones con un espacio limitado en la placa.

El inconveniente que presenta el uso de un diseño basado en SoC es que su menor capacidad de proceso y memoria interna limitada hacen que no se puedan cumplir las exigencias por parte de aplicaciones que necesitan un control avanzado del motor. Otra desventaja es que, si se compara con los numerosos paquetes de herramientas de desarrollo que suministran los fabricantes de microcontroladores, el soporte es significativamente más reducido para el desarrollo de firmware en accionamientos de motores SoC.

La técnica monochip alternativa consiste en utilizar un accionamiento de motor basado en un ASSP especialmente diseñado para cada aplicación. La ventaja que conlleva el uso de un ASSP es que ocupa un mínimo espacio en la placa, por lo que es ideal para aplicaciones con un espacio limitado. Los ASSP también eliminan la necesidad de ajustar el software y ofrecen una excelente relación precio-prestaciones en aplicaciones de gran volumen,  así como unas prestaciones que pueden igualar a las de un microcontrolador de gama alta. Un accionamiento de motor con ASSP se puede utilizar, por ejemplo, para accionar un motor CC sin escobillas sin sensor y con algoritmos senoidales. Pese a estas ventajas, los ASSP carecen de la programabilidad que permitiría su adopción en accionamientos más potentes y de la flexibilidad de adaptación a futuros cambios en el mercado.

 Si bien las estrategias de diseño basadas en un SoC o un ASSP pueden ayudar a los diseñadores a atender la tendencia continua hacia la miniaturización, otras aplicaciones están utilizando la solución con dos chips, que combina un microcontrolador optimizado para circuitos analógicos inteligentes junto con un accionamiento externo. Esta solución ofrece al diseñador la posibilidad de escoger entre una amplia variedad de microcontroladores optimizados para conmutación con o sin sensor mediante técnicas de accionamiento trapezoidal o senoidal.

Al escoger el chip de accionamiento complementario para el microcontrolador, es fundamental que el accionamiento haga algo más que proporcionar los valores de potencia adecuados para el MOSFET o el motor CC sin escobillas. También debería integrar un regulador de tensión ajustable de alta eficiencia capaz de minimizar la disipación de potencia y de alimentar una amplia variedad de microcontroladores. Los bloques de supervisión y de gestión interna también son esenciales para asegurar el funcionamiento seguro del motor y para permitir la comunicación bidireccional entre el sistema principal y el accionamiento. Los parámetros seleccionables permitirán optimizar las prestaciones del accionamiento sin programación añadida.

Solución típica con dos chips.

Esta solución combina un accionamiento de motores trifásicos dotado de numerosas funciones, como el MCP8024 de Microchip y un controlador de señal digital (digital signal controller, DSC) dsPIC33EP MC de altas prestaciones con el fin de controlar seis MOSFET de canal N para control orientado a campo de un motor síncrono de imán permanente  (Permanent-Magnet Synchronous Motor, PMSM). Se puede utilizar un microcontrolador de menor coste y gama baja de 8 bit en lugar del DSC cuando se recurre a una arquitectura sencilla de control de seis pasos. El cambio de un DSC a un microcontrolador de 8 bit se puede implementar sin alterar el circuito de accionamiento si se emplea un motor CC sin escobillas con una potencia nominal de valor parecido.

La Tabla indica las ventajas relativas de los diseños de control de motores CC sin escobillas con un solo chip, basadas en SoC o ASSP, y la solución de dos chips que utiliza un microcontrolador o DSC y un accionamiento complementario. Se observa que, si bien un SoC o ASSP cubre las necesidades de las aplicaciones con un espacio limitado, su conjunto de funciones fijo, junto con las limitaciones de memoria y de potencia de proceso,  reducen significativamente la flexibilidad y escalabilidad del diseño.

La disponibilidad de soluciones con uno y dos chips para el control de motores CC sin escobillas permite a los diseñadores reducir el coste de los componentes y el espacio ocupado en la placa si se compara con los circuitos tradicionales basados en componentes discretos. Los diseños de referencia y bibliotecas de hardware y firmware,  suministrados por fabricantes como Microchip, también reducen significativamente el tiempo de desarrollo para comercializar los diseños de control avanzado de motores y sus accionamientos.