Controlador muy integrado para varios tipos de motor

Diferentes aplicaciones – diferentes controladores
Los sistemas auxiliares y servocontroladores a bordo del vehículo se están separando del sistema de propulsión y operan con un motor eléctrico propio por razones de eficiencia y protección del medio ambiente (reducción de emisiones de CO2). Además, un creciente número de funciones de seguridad y comodidad se adecua a un controlador eléctrico. Los diversos tipos de motor ofrecen ventajas particulares en función de su uso. A continuación, se explican brevemente:

• Los motores DC con escobilla (brush-type) son fáciles de controlar y suministran un par de fuerzas que es proporcional a la corriente de armadura si el campo del estátor es constante. En otras palabras: la corriente de armadura se puede usar para deducir rápidamente el par de carga. Simultáneamente, la velocidad es prácticamente proporcional a la tensión de armadura. Debido a estos principios simples: los motores DC resultan sencillos de gestionar y regular. Un transistor controlado por PWM como fase de salida de potencia es suficiente para una operación unidireccional, mientras que un medio puente resulta ideal para la rotación de derecha / izquierda.

Así es posible reducir la complejidad de conmutación y cómputo de los controladores destinados a ajustar los asientos y los espejos, la bomba de agua de los limpiaparabrisas y otras aplicaciones similares con ciclos de servicio relativamente cortos. Sin embargo, el contacto de las bobinas de armadura a través del conmutador y las escobillas (de carbono) está sometido al uso y a la propensión a crear un polvillo conductor. Cualquier persona que haya tenido en sus manos un motor DC viejo de una aspiradora sabe a lo que me refiero. Además, la conmutación mecánica también genera interferencias electromagnéticas, que tienen que ser contenidas con las medidas apropiadas.

• Los motores BLDC (sin escobillas) ofrecen mayor duración (vida útil) y la conmutación se realiza electromecánicamente, ya que no hay escobillas ni colector que desgastar o sustituir. Por lo tanto, son ideales para uso en bombas, ventiladores y otros dispositivos que suelen operar con ciclos de servicio superiores. Se genera un campo giratorio en las bobinas del estátor del motor BLDC que, junto a los imanes permanentes en el rotor, provoca un par de fuerzas. La gestión es más compleja que con los motores DC estándares porque el controlador debe crear varios voltajes alternos (normalmente tres) cuya frecuencia y tensión se pueda ajustar y siempre tiene que estar correctamente en fase. Se necesitan corrientes de fase sinusoidales para garantizar que el motor BLDC gira de manera silenciosa y suave. Esto se logra, por ejemplo, a través de tensiones de fase moduladas por ancho de pulso con oscilación de onda sinusoidal, lo que también se conoce como conmutación sinusoidal.

Si, por otro lado, el motor se controla con oscilación de onda cuadrada, se denomina conmutación de bloque. Los motores BLDC se clasifican como máquinas sincrónicas: La velocidad del motor se basa en la frecuencia de las corrientes de fase y del número de polos. En la actualidad, se suele utilizar un control por campo orientado (fieldoriented control – FOC) a la hora de determinar y gestionar el par de fuerzas con cambios de carga dinámica. Esto es un modelo matemático que el usuario puede aplicar al acceder a un flujo calculado de estátor y corriente de armadura, similar al motor DC. Dicho modelo matemático requiere información acerca de la posición del rotor, las corrientes de base y un bit de capacidad de cómputo. La fase de salida de hardware del inversor con seis transistores de conmutación para un motor BLDC con tres fases conlleva más gasto que el medio puente del motor DC.
Como resultado, la implementación del hardware y la determinación de las variables de control son más complejas que con un motor DC comparable. A largo plazo, las ventajas del motor BLDC como, por ejemplo, mínimo desgaste y, por consiguiente, mayor duración, y menor formato y peso con mayor eficiencia, prevalecerán en el mercado y, con el tiempo, llevarán al motor DC a aplicaciones de nicho.

• Los motores de pasos son máquinas sincrónicas con, al me nos, dos fases que se controlan por PWM mediante medios puentes. El número de polos es elevado, lo que implica que cada revolución de rotor se puede dividir en un número discreto de pasos. El ángulo de rotor y la posición de la carga se pueden determinar a través de una rotación paso a paso con la ayuda de un punto de referencia. Los posibles campos de aplicación en un vehículo se encuentran, por ejemplo, en sistemas de auto-nivelación de faros, actuadores de faros adaptables y diversas unidades de control de flap. Se necesitan dos medios puentes para el control bipolar de un motor de pasos de dos fases.

Control de motor embebido Micronas, HVC4223F
El HVC4223F de Micronas es una solución monochip para todos los motores mencionados anteriormente con baja potencia de salida, a saber, corrientes fly-back totales de 1 A. En un pequeño encapsulado QFN (6 x 6 mm), este módulo muy integrado incluye un core de CPU de 32-bit (ARM® Cortex®-M3), un microcontrolador con memoria Flash de 32 kbyte, SRAM de 2 kbyte, un regulador de tensión de baja caída (low dropout – LDO) para conectar el dispositivo a una batería de 12 V, un transceptor LIN-2.x, temporizadores watchdog y transistores de salida para unir el dispositivo a todos los motores citados. Gracias a este elevado nivel de integración, se requiere mínimo espacio para la electrónica y, por consiguiente, el dispositivo resulta idóneo para la instalación directa en el motor. La capacidad de cálculo del core de CPU soporta los algoritmos complejos de gestión de motor, como el control por campo orientado de los motores BLDC con modulación por vector espacial (SVC), conmutación de bloque (modulación de seis pasos) con acople de sensor o control sin sensor y varias configuraciones para gestionar motores de pasos. Gracias a la patilla adicional, el transceptor LIN integrado es compatible con auto-addressing, también conocida como Micronas easyLin®.
La posibilidad de identificar automáticamente varias aplicaciones homogéneas con la ayuda del HVC4223F facilita la creación de clústeres LIN, los cuales se componen de numerosos nodos LIN idénticos que están conectados al mismo bus LIN, con la única diferencia de sus direcciones LIN. En resumen, el HVC4223F respalda la migración de motores DC tradicionales a modelos BLDC stateof- the-art. En muchos proyectos, las mejoras en flexibilidad y rendimiento se traducen en el uso de actuadores inteligentes que reducen las emisiones de CO2 y mejoran el confort.
Nivel de rendimiento
Los transistores de salida integrados se conectan a tres medios puentes o dos puentes de 6 pulsos. Esto, junto al temporizador PWM correspondiente, se traduce en una gran flexibilidad que garantiza la conexión y la operación de varios tipos de motor. Por lo tanto, el HVC4223F puede rendir en las siguientes configuraciones de motor: operación independiente de dos o tres motores DC, operación de un motor BLDC o PMSM u operación con un motor de pasos bipolar.
Conclusión
Cualquier persona que busque un controlador de motor universal para bajas capacidades de drive de hasta 25 W debería echar un vistazo al HVC4223F. El core de CPU estándar y los periféricos flexibles permiten beneficiarse de una solución monochip a la hora de dirigir los sistemas de control en un vehículo a motor. El HVC4223F facilita una migración paulatina de motores DC tradicionales a modelos BLDC stateof- the-art. En muchas áreas de aplicación, esta combinación de flexibilidad y elevadas prestaciones fomenta la llegada de actuadores inteligentes que reducen las emisiones de CO2 y mejoran el confort.