¿Qué tienen en común un sistema de inyección con dosificación, el motor de una motocicleta y un robot médico? Todos pueden contener un chip EBV para el control económico y de gran precisión de bobinas de actuador (solenoides). En este artículo se explica cómo este chip, llamado SolexDrive, fue diseñado y qué es lo que puede hacer.
Freescale ha desarrollado un chip para el control de alta precisión de bobinas de actuador en asociación con dos grandes compañías que trabajan en el campo de la tecnología del automóvil. Este producto está ya disponible en el mercado con el nombre SolexDrive de EBV Elektronik.
El objetivo que se planteaba al diseñar SolexDrive era crear el mejor circuito integrado posible para controlar las boquillas de inyección de motores de gasoil y gasolina con emisiones excepcionalmente bajas. Con esta aplicación para automoción, SolexDrive controla amplificadores MOSFET externos, que están a su vez conectados a los inyectores. Dichos inyectores son, en esencia, bobinas de actuador que funcionan con el mayor nivel de precisión.
Puede parecer extraño en un primer momento que este chip, que surgió a partir de una aplicación para automóvil tan especializada, forme ahora parte de la gama de chips de EBV; pero EBV Elektronik es consciente de la gran demanda existente en el mercado de conmutadores concebidos para el control de bobinas de actuador de alta precisión. Esto sucede no sólo en el campo del automóvil, sino también en diversidad de aplicaciones industriales. Después de todo, el principio básico de los chips EBV es abrir nuevos mercados y oportunidades no transitados anteriormente; y, eso es precisamente lo que EBV Elektronik ha conseguido una vez más con SolexDrive.
El campo de las bobinas de actuador industriales ofrece también oportunidades muy interesantes para SolexDrive. En este sector del mercado, el ahorro de energía no tiene aún el mismo peso que tiene en el sector de la automoción, lo que significa que la capacidad de ahorro de energía que se obtiene con SolexDrive, sumada a su mayor precisión, ofrece a los clientes de EBV un valor añadido real.
CONTROL CONTINUO: NO SÓLO ENCENDIDO O APAGADO
En muchas aplicaciones, a menudo sólo era posible configurar una válvula como ENCENDIDA o APAGADA (ON/OFF). La dosificación de precisión es muy difícil de conseguir con este sencillo tipo de controlador digital ENCENDIDO/APAGADO. En concreto, cuando los controladores digitales ENCENDIDO/APAGADO están apagados, es muy fácil que una pequeña cantidad de la sustancia dosificada (p.ej., agua o gas técnico) escape por la válvula. La consecuencia puede ser una dosificación inadecuada o un desgaste innecesario, lo que produciría costes adicionales o un uso excesivo de los recursos. Los controladores continuos permiten sin embargo una regulación más precisa.
Solía suceder que, a menudo, las bobinas sólo podían controlarse con una función de ENCENDIDO/APAGADO; pero con SolexDrive, la modulación por ancho de pulso de alta precisión permite un control preciso de la bobina. Dependiendo de la aplicación, ello puede suponer el control de una bobina lineal o el control de velocidad en motores de CC con escobillas. Al combinar el control preciso con controladores en configuraciones low-side o high-side, esta solución abre un amplio campo de posibilidades.
COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA MEJORADA, DOSIFICACIÓN MÁS PRECISA
Excepto en casos de emergencia, no suele ser necesario ajustar las válvulas a gran velocidad; pero es precisamente cuando sí hace falta dicha velocidad (como en el caso de los controladores digitales ENCENDIDO/APAGADO) que la bobina se expone a altas corrientes. Estas corrientes de entrada tan altas pueden generar problemas de conmutación: no sólo se trata de que los componentes de control (incluyendo sus circuitos de protección) deben estar adecuadamente dimensionados, sino que las corrientes altas producen problemas de compatibilidad electromagnética muy acusados. Lo que es más: estas corrientes de entrada altas generan un consumo de energía muy alto (e innecesario), que incluso necesita a veces ser compensado. Estas corrientes tan altas y corrientes contrarias/invertidas a las que se exponen las bobinas de actuador cuando se usa un controlador ENCENDIDO/APAGADO hacen que todos estos componentes estén sujetos a una enorme fatiga, que tiene como consecuencia el que sea necesario cambiarlos con cierta frecuencia durante su funcionamiento.
Sin embargo, con SolexDrive estos picos de corriente pueden evitarse gracias a un controlador PWM (modulación por ancho de pulsos). Con ello se reduce la fatiga relacionada con la compatibilidad electromagnética, al tiempo que se mejora la precisión y aumenta la vida útil de las bobinas del actuador significativamente, ya que se reducen los problemas producidos por chispas.
SolexDrive EN APLICACIONES INDUSTRIALES
Entre las aplicaciones habituales de SolexDrive se incluyen los robots provistos de varios actuadores, así como una gran diversidad de aplicaciones en las que es preciso control electrónico de las bobinas: desde estaciones de suministro a equipos médicos. Siempre que sea necesario emplear controladores para bobinas de servomotor, válvulas, actuadores de posición inductivos, reguladores de líquidos y gases, caudalímetros industriales, controladores distribuidos de ventilación, actuadores lineales, sistemas profesionales de riego por aspersión en agricultura, etc., SolexDrive puede ser justo el circuito integrado que necesita.
Aunque no todas las aplicaciones necesitan la diversidad y complejidad de funciones que este tipo de componente ofrece, no deja de ser de enorme utilidad, ya que ocupa menos espacio en las placas de circuitos y ofrece una enorme fiabilidad gracias a sus circuitos de protección y de diagnóstico.
Además de en el sector del automóvil, SolexDrive puede integrarse en una gran diversidad de aplicaciones de distinto tipo en que los motores necesiten un mayor nivel de eficiencia. Ejemplos claros serían las aplicaciones en navegación, tolvas, motos de nieve, vehículos comerciales, motocicletas y maquinaria agrícola y de construcción.
Es de sobra conocido que incluso los relés contienen bobinas que, por razones propias del sistema en que están integradas, sólo funcionan en dos estados: ENCENDIDO y APAGADO. Gracias a un precio atractivo, SolexDrive es un módulo adecuado incluso para relés de control en los que se necesita señal de realimentación o de diagnóstico con su circuito de protección correspondiente. En este tipo de aplicaciones, el chip EBV también reduce de manera significativa no sólo la fatiga eléctrica sobre el relé, sino también las corrientes de entrada. SolexDrive puede utilizarse para controlar simultáneamente hasta un total de siete relés en la siguiente configuración: cinco en configuración high-side y cuatro en configuración low-side.
EL CENTRO NERVIOSO. CUATRO MICRONÚCLEOS
SolexDrive funciona con dos canales independientes, cada uno de los cuales contiene dos micronúcleos (es decir, el chip incluye cuatro micronúcleos en total). Estos micronúcleos son microcontroladores básicos, pero pueden funcionar con total independencia unos de otros. Ello supondría, por ejemplo, la posibilidad de programar cuatro secuencias totalmente distintas e independientes para controlar los inyectores de un motor de cuatro o seis cilindros.
Los microcontroladores funcionan de manera independiente y controlan la corriente del modulador por ancho de pulso con 65.535 valores distintos. SolexDrive recibe el valor correspondiente en 16 bits mediante una interfaz SPI desde un microcontrolador estándar como los que suelen encontrarse en unidades de control de motores. A partir de esta señal, SolexDrive genera las secuencias de modulador por ancho de pulso para controlar los MOSFET.
El chip cuenta con dos canales, cada uno de los cuales con dos secuenciadores y dos micronúcleos. SolexDrive puede activar cinco controladores en configuración high-side con cinco cables de diagnóstico, y seis controladores en configuración low-side con seis cables de diagnóstico.
Los micronúcleos sólo son de tipo RAM, por lo que es necesario cargar el microcódigo en la RAM en la inicialización, aunque existe la posibilidad de cambiar los parámetros de forma dinámica.
UNA SOLUCIÓN INTELIGENTE
SolexDrive es una solución enormemente inteligente porque los micronúcleos integrados son los que realizan todas las tareas de control en tiempo real durante la totalidad del tiempo de funcionamiento: desde el APAGADO hasta la fase de aceleración, el ajuste en línea con el valor de pico y la caída de intensidad desde el pico. También mantiene alto el estado de retención dinámicamente hasta retener la caída y volver al estado APAGADO. En todas estas fases es posible definir valores máximos y mínimos diferentes. El micronúcleo se asegura del mantenimiento de dichos valores, comparando por ejemplo los valores reales con los valores de picos diana de activación/desactivación preprogramados individualmente, con los valores diana de activación/desactivación de la retención y con distintos parámetros de sincronización.
En consecuencia, los desarrolladores no deben preocuparse en absoluto por procedimientos tan complejos; lo único que deben hacer es asegurarse de que el microcontrolador suministre la corriente correspondiente y las especificaciones de sincronía a SolexDrive mediante la interfaz SPI. El chip EBV se ocupa del resto ajustando las corrientes de línea con el comportamiento de cada una de las bobinas de actuador.
El pulso de corriente PWM enviado al actuador se inicia en el flanco de subida de la señal de disparo del microcontrolador, y termina en el flanco de bajada de esta señal. SolexDrive mide la corriente que pasa por las bobinas, lo que significa que se dispone de realimentación precisa procedente del circuito de la bobina. El chip cuenta también con los circuitos de protección necesarios y con sus funciones de diagnóstico.
Un conmutador de malla integrado en el chip permite a los desarrolladores asignar cada canal a uno de los cuatro secuenciadores integrados, con lo que SolexDrive puede atender varios canales con un solo secuenciador. Existen cuatro secuenciadores digitales, siendo cada uno capaz de gestionar un canal distinto.
El chip incluye también un conversor CC/CC para permitir el control de los MOSFET en configuración high-side los cuales, como es de sobra conocido, requieren mayor tensión en la puerta que en la fuente. Como consecuencia, los MOSFET pueden entonces (con el correspondiente diodo de supresión) conectarse directamente con la salida del CI; los circuitos de protección necesarios están ya integrados en SolexDrive.
SolexDrive genera a la salida señales moduladas por ancho de pulso de hasta 100 kHz, por lo que controla MOSFET que necesiten una carga de 30 nC
(50 nC como máximo).
