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Controle Sinusoidal de Motores Síncronos de Ímã Permanente Sem MCU

A principal diferença entre esses dois tipos de motores reside na construção dos enrolamentos do estator. Assim, o BLDC é idealmente comutado usando uma forma de onda trapezoidal que pode ser criada com relativa facilidade. Em contraste, o PMSM (como mostrado na Figura 1), requer uma forma de onda de comutação senoidal que é mais complicada de produzir.

Figura 1 – O PMSM é um motor DC sem escovas que requer uma forma de onda senoidal para comutação

Embora exija uma forma de onda mais complexa, o PMSM se beneficia de menor ondulação de torque e redução de ruído audível. Por esse motivo, é frequentemente o tipo de motor preferido em aplicações que exigem movimentos suaves e silenciosos, como eletrodomésticos de última geração, ferramentas elétricas e automação industrial.

Historicamente, a comutação em forma de onda senoidal tem sido realizada usando algoritmos implementados no firmware da unidade de microcontrolador (MCU) que exigem uma otimização extensa e ajustes finos para funcionar com o motor escolhido e atender aos requisitos da aplicação. Além disso, o desempenho da MCU deve ser adequado para executar o algoritmo de controle até a velocidade máxima requerida, enquanto também lida com o processamento em nível de aplicação.

DETECÇÃO DE POSIÇÃO E PARTIDA SUAVE

Ao contrário de um motor escovado, onde simplesmente aplicar energia garantirá que as bobinas corretas sejam acionadas para iniciar o motor satisfatoriamente, independentemente de onde o rotor parou pela última vez, iniciar e operar um motor BLDC requer conhecimento da posição atual do rotor. Isso é necessário para permitir que as bobinas apropriadas sejam excitadas e o rotor comece a girar na direção correta. Sensores são frequentemente instalados em motores sem escovas para detectar essa posição. Alternativamente, uma configuração sem sensor economiza despesas e os possíveis problemas de confiabilidade associados aos sensores (como dispositivos Hall).

Nesse caso, técnicas são necessárias para mover o rotor estacionário para uma posição inicial conhecida antes de energizar as bobinas. Sem precauções adequadas, o rotor e qualquer coisa a ele ligada podem retroceder na direção errada.

Quando as bobinas são energizadas, isso deve ser feito de forma a evitar que a comutação PWM gere ruído e vibração excessivas durante o tempo em que nenhum back-EMF utilizável está disponível para determinar o ângulo do rotor. Em essência, o algoritmo de controle do motor está operando o motor no escuro. Uma vez que o back-EMF suficiente esteja disponível, o controlador do motor pode alternar para o método de controle escolhido.

AJUSTE FINO DA UNIDADE

A capacidade de iniciar o motor e selecionar a velocidade, no entanto, são apenas um subconjunto das funções necessárias para operar corretamente. O projetista do acionamento do motor deve ter a flexibilidade de integrar o controlador com MOSFETs de uma voltagem e classificação de potência adequadas para a aplicação. Eles também precisam da capacidade de otimizar parâmetros (como aceleração, ângulo de avanço e frequência PWM) para garantir que o sistema responda conforme necessário às entradas do usuário e maximize a eficiência energética em todas as condições de operação.

ALCANÇANDO O CONTROLE SEM MCU

O pré-driver de onda senoidal TC78B011FTG da Toshiba elimina qualquer necessidade de um MCU. Este chip parametrizável para controle de motor brushless trifásico sem sensor é um choppper modulado por largura de pulso (PWM) que pode ser conectado a MOSFETs externos de canal N do lado inferior e do lado superior, permitindo uma implementação de inversor escalável para corresponder a uma variedade de motores diferentes.

Embora o dispositivo forneça controle de velocidade em malha aberta, o controle em malha fechada que mantém a velocidade alvo sem ser afetada por variações na fonte de alimentação ou carga, com uma curva de velocidade ajustável, é um requisito mais típico. Isso pode ser alcançado configurando o modo de operação preciso via interface I2C, com a opção de armazenar as configurações em uma memória não volátil (NVM). Assim, configurações adequadas podem ser programadas durante a fabricação para circuitos que não usam um microcontrolador ou processador.

Por outro lado, a velocidade do motor pode ser ajustada escrevendo em um registro através da interface I2C do dispositivo, e também pode ser determinada usando tanto uma entrada PWM quanto um sinal analógico. O freio e a direção também são controlados por meio de configurações de registro ou pinos externos. A corrente do motor e a velocidade de rotação podem ser lidas a partir de pinos externos enquanto o motor está em funcionamento.

POSICIONAMENTO MAIS PRECISO

Após ligar, o TC78B011FTG recupera a configuração do dispositivo armazenada em sua NVM (consulte a Figura 2). Neste ponto, uma sequência de frenagem pode ser aplicada, curto-circuitando as bobinas apropriadas através do inversor do motor para garantir que o rotor esteja estacionário antes de tentar iniciar a rotação. Uma vez que a sequência de inicialização esteja completa, após cerca de 3,5ms, o driver entra no modo de espera com todos os MOSFETs desligados e aguarda instruções adicionais do sistema hospedeiro.

Figura 2 – Fluxograma operacional mostrando a inicialização da configuração do NVM e partida do motor de comutação forçada

A velocidade necessária pode ser definida via I2C no registro de comando de velocidade (SPD) ou aplicada como um sinal PWM ou analógico ao pino SPD. Quando um desses sinais é recebido, a sequência de inicialização do motor é acionada. O processo começa com uma excitação DC das bobinas do motor que move o rotor para a posição inicial. Quando isso é concluído, a comutação forçada do motor é iniciada. Nesta fase, um campo elétrico aproximado é aplicado em 120° de comutação para gerar um backEMF inicial. Uma característica de inicialização suave configurável também está incluída (como ilustrado na Figura 3), que limita a corrente retirada ao girar o motor. Todo o controle de velocidade nesta fase é em malha aberta.

O sistema muda para controle sem sensor, com o limite de corrente configurado para operação normal, assim que o motor estiver girando rápido o suficiente para gerar um back-EMF utilizável para o algoritmo de controle. O controle de velocidade em malha fechada pode então ser ativado.

O rotor pode já estar girando antes que a energia seja aplicada, o que pode ser causado, por exemplo, pelo ar passando sobre as pás de uma ventoinha. Nesse caso, conhecido como marcha lenta ou ventilação, o driver do motor irá pular as etapas de excitação inicial e comutação forçada e prosseguir diretamente com a operação sem sensor. Em uma aplicação típica, a capacidade de medição de back-EMF pode ser excessivamente sensível nesse tipo de situação, fazendo com que o driver tente incorretamente pular as primeiras etapas de inicialização em malha aberta. O TC78B011FTG previne isso fornecendo um registro que permite ao projetista alterar a velocidade mínima do rotor considerada rápida o suficiente para pular o processo de inicialização. Alternativamente, para evitar os desafios associados à partida de um motor em marcha lenta, o controlador pode ser configurado para aplicar a sequência de frenagem sempre após sair do modo de espera ou após a alimentação, permitindo que o rotor sempre inicie a partir de um estado parado.

Figura 3 – Limite de corrente de saída durante a inicialização

MAIOR AJUSTABILIDADE

Para permitir controle flexível de velocidade em modo de malha fechada, o IC TC78B011FTG fornece registros para configurar a aceleração, especificando o tempo entre cada mudança de etapa na velocidade, e para determinar quão rapidamente as mudanças de velocidade podem ocorrer. As configurações de velocidade suportadas são configuráveis através do controle individual dos ciclos de trabalho de partida, parada e ciclos de trabalho máximos. As RPM associadas aos valores de início e máximo (conforme mostrado na Figura 4) também podem ser ajustadas, e até dois declives de velocidade entre o início e o RPM máximo podem ser definidos.

A frequência usada para a saída PWM pode ser fixa ou ajustada para aumentar automaticamente à medida que a velocidade do motor aumenta para obter uma ótima eficiência. A faixa de frequência disponível está entre 23,4kHz e 187,5kHz. Ajustar a frequência PWM também ajuda os projetistas a garantir a conformidade com os requisitos de compatibilidade eletromagnética (EMC) relevantes para a aplicação.

Também há um registro para ajustar o ângulo de avanço de acordo com as características do motor, o que ajuda a otimizar a eficiência energética e minimizar o ruído audível. Para uma operação o mais silenciosa possível, o ângulo de avanço pode ser ajustado de modo que o backEMF e a corrente do motor estejam em fase.

O IC contém três pré-drivers de meia ponte para MOSFETs externos de canal N. Eles podem fornecer uma tensão gate-source (VGSS) de até 8V acima da tensão de alimentação do motor e podem ser configurados para fornecer uma corrente gate-source (IGSS) de 10mA a 100mA para ambos os MOSFETs de lado alto e baixo, enquanto a faixa de corrente de descarga é de 20mA a 200mA. Aplicar a função de freio elétrico ou reverter a direção poderia causar um curto-circuito nos interruptores. Um registro ANTITHROUGH acoplado com uma configuração de DEADTIME evita isso com opções de tempo morto de 250ns a 1500ns.

A frequência de comutação mais alta utilizável pode ser limitada pela escolha do MOSFET e do motor utilizado. Como o back-EMF é medido para a detecção de posição durante o tempo de desligamento do PWM, escolher um motor altamente indutivo ou escolher MOSFETs com baixo desempenho de comutação pode fazer com que a detecção de posição falhe.

Para evitar isso, a frequência ótima de PWM pode ser determinada testando configurações adequadas em todas as condições de uso.

Figura 4 – É possível definir a velocidade mínima e máxima. E duas rampas de velocidade diferentes estão disponíveis

O dispositivo também possui recursos de segurança, incluindo prevenção de curto-circuito com tempo morto (deadtime) configurável. Um registro de status indica condições anormais, incluindo consumo excessivo de corrente, baixa voltagem da bomba de carga, desligamento térmico e falha de inicialização. Um pino de alerta é acionado quando qualquer uma dessas condições surge. Este pino também é usado para indicar subtensão e operação do motor fora das velocidades máximas e mínimas pré-definidas. O controlador pode ser programado para aguardar um sinal de uma fonte externa após a detecção de uma condição anormal ou tentar reiniciar o motor no modo de recuperação automática.

MAIOR ADAPTABILIDADE NA SELEÇÃO DE MOSFETs

Os três parâmetros a seguir devem ser considerados para selecionar um MOSFET adequado que corresponda ao estágio de saída do TC78B011. O primeiro é a tensão máxima do motor VM, que é limitada para o TC78B011 a uma tensão máxima de operação de 27V. Portanto, um MOSFET com uma tensão mínima VDDS de 30-40 poderia ser selecionado. O segundo parâmetro a ser considerado é a tensão mínima da bomba de carga VCP sobre o máximo VM, que é classificada com 7,5V sob condições mínimas para o TC78B011. A tensão mínima gate-source (VGS) para o MOSFET é 1,5V menor que a VCP mínima. Portanto, um MOSFET, que é razoavelmente condutivo em um VGS de 4,5V a 6V, pode ser usado. O terceiro parâmetro é a corrente alcançável pela bomba de carga, que é usada para carregar e descarregar o gate do MOSFET sob a frequência de PWM atual.

Tabela 1 – Parâmetro do Estágio de Saída do TC78B011

ItemMínimo TípicoMáximoUnidade
Tensão de alimentação do VM914.827V
Tensão da Bomba de Carga VCPVM+7.5 VM+8VM+8.5V
Fonte de Tensão GateVCP-1.5 VCP-0.3VCPV
Corrente de Acionamento160 200 240 mA

Considerando esses três parâmetros, a seguinte seleção de MOSFETs da Toshiba é adequada para diferentes capacidades de potência de saída:

DispositivoVDSIDRDS(ON)@4.5V
SSM6N67NU30V 4A39.1mΩ
SSM6K804R30V 12A 12mΩ
SSM6K513NU30V 15A8mΩ
TPN8R903NL30V 20A10.2mΩ

Outros MOSFETs pré-selecionados da Toshiba

CONCLUSÃO

Os projetistas podem aproveitar os motores BLDC e, em particular, o tipo PMSM suave e silencioso, sem embarcar em um projeto de desenvolvimento de MCU. Eles podem aproveitar controladores programáveis que são projetados para operação autônoma com controle em malha fechada e configuração de velocidade parametrizável. Uma placa MIKROE com o IC Toshiba TC78B011 e MOSFETs selecionados agora está disponível para fins de avaliação. Isso facilitará ainda mais o processo de desenvolvimento do sistema de motor.

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* Texto originalmente publicado no Newark eTECHJournal – Ediçao 8 e escrito por Toshiba Electronics Europe GmbH, Adaptado pela Equipe Embarcados.

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.
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