Los chips de control de motores y DSP simplifican el hardware de control de motores de CA basado en DSP

Los sistemas de control de motores de velocidad variable tienen una amplia gama de aplicaciones, desde la robótica industrial de alta gama hasta los electrodomésticos corrientes, como las lavadoras domésticas. Los lazos de control de estos sistemas se implementaron primero con componentes analógicos. Normalmente, se utilizaban amplificadores operacionales en los circuitos de compensación de retroalimentación, y comparadores para generar las señales de control del convertidor de potencia conmutado. Sin embargo, la llegada de los microordenadores de bajo coste ha hecho que se implementen cada vez más funciones de control e interfaz de usuario por medios digitales. La continua reducción del coste de la potencia de procesamiento ha permitido simplificar aún más el hardware del sistema implementando todas las funciones de control del motor en el mismo procesador.

El Grupo de Control de Movimiento de Analog Devices ha sido el principal proveedor de productos de conversión de resolución a digital para el mercado de servomotores de CA durante la última década. Dispositivos como los convertidores R/D AD2S80 y AD2S90 se utilizan para procesar las señales analógicas de retroalimentación para el control digital de la posición y la velocidad en los sistemas de servoaccionamiento de imanes permanentes. Las últimas ofertas del Grupo de Control de Movimiento, los coprocesadores de movimiento ADMC200 y ADMC201, llevan este concepto un paso más allá. Estos dispositivos multifunción combinan, en un solo chip, todas las funciones de interfaz y procesamiento de señales necesarias para proporcionar corriente controlada por retroalimentación para el control de motores de CA.

El ADMC201 proporciona el sistema de adquisición analógica para captar las señales de corriente o tensión del motor, las funciones de procesamiento vectorial que acondicionan estas señales y el modulador de anchura de pulso necesario para controlar el convertidor de potencia. El ADMC201, combinado con el procesador digital de señales ADSP-2105, funciona como un motor de control de alto rendimiento para sistemas de accionamiento de motores de CA. El siguiente ejemplo describe las principales características del dispositivo y su uso en una aplicación de control de motores.

Sistema de control de servomotores de CA: Un sistema de control de servomotores suele tener dos lazos de control en cascada, como se muestra en la figura 1. El sitio exterior el bucle de movimiento controla la posición y la velocidad del motor según las señales de retroalimentación de un sensor de posición o de velocidad. La salida de este bucle es una petición de aumento o disminución del par del motor, que se transmite a la unidad de control de velocidad interior bucle de corriente. El bucle de corriente genera señales para el convertidor de potencia que proporciona las corrientes de motor adecuadas para producir el par deseado. El flujo de potencia desde el raíl de alimentación de CC al motor se controla variando rápidamente los periodos de conducción de encendido y apagado de los interruptores semiconductores de potencia, como los IGBT o los MOSFET de potencia. Estas señales de control suelen ser formas de onda de frecuencia fija y ciclo de trabajo variable que pueden generarse digitalmente mediante circuitos de temporización.

En general, el diseño del bucle de movimiento es independiente del tipo de motor (CA o CC), sino que depende únicamente de las propiedades mecánicas del sistema, como la inercia, la fricción dinámica, etc. Sin embargo, el bucle de corriente varía mucho en sofisticación según el tipo de motor. En los motores de corriente continua, el par es directamente proporcional a la corriente continua en los devanados del inducido. Pero para controlar el par en los motores de CA, las corrientes deben estar sincronizadas con la posición del campo giratorio del rotor. Una forma de simplificar el control del par del motor es transformar las corrientes medidas del estator en un marco de referencia sincronizado con el campo del rotor. Este proceso (figura 2) da lugar a dos magnitudes equivalentes de la corriente del motor de corriente continua: una componente productora de par, I_qy un componente de control de campo, I_d. El sistema de control del motor de CA calcula las dos tensiones de cuadratura, V_d y V_qnecesario para forzar la I_q para controlar directamente la demanda de par y I_d la corriente se utiliza para mantener constante el campo del rotor. A continuación, se utiliza una transformación inversa para transformar el "motor de corriente continua" V_d y V_q en el marco de referencia del estator para obtener las tensiones de los devanados requeridas.

La figura 3 muestra una implementación totalmente digital de un esquema de control para un servomotor de imanes permanentes de CA. Un convertidor de resolución a digital (R/D) obtiene información digital de retroalimentación de posición angular a partir de las señales de salida de un resolvedor montado en un eje. El bucle exterior de posición y velocidad calcula la corriente de par del motor necesaria, I_q. La velocidad del motor se calcula a partir de las mediciones de posición mediante un algoritmo de estimación. El componente de reducción de campo, I_dsuele ser igual a cero para maximizar el par de salida del motor. Sin embargo, la función de debilitamiento del campo puede definir un valor no nulo de I_d para reducir eficazmente la intensidad del campo del rotor, aumentando así el rango de velocidad del motor.

Un convertidor A/D condiciona las medidas de la corriente del estator del motor, que se pasan como entrada a la transformación vectorial. La transformación inversa toma dos señales de corriente del estator y el ángulo eléctrico del rotor, ρ, y calcula los componentes de par y campo, I_q y yo_d. La tercera señal de corriente del estator se deduce, ya que la suma de las tres corrientes del estator es cero. Hay dos lazos de corriente, uno de par y otro de campo, con compensación proporcional e integral (PI). La respuesta de estos bucles puede mejorarse transmitiendo las caídas estimadas de la fuerza de retroceso y la impedancia del bobinado (de ahí la anotación "+"). La V_d y V_q las salidas del cálculo se transforman en el bloque de transformación vectorial en equivalentes digitales de las tensiones trifásicas del estator, V_a, V_b y V_cpara accionar el motor.

El bloque de temporización PWM convierte las entradas digitales en señales de temporización moduladas por ancho de pulso para el inversor trifásico. La tensión aplicada a los devanados del motor se controla mediante los tiempos de conducción de los interruptores del transistor de potencia en cada rama del inversor. En el ejemplo siguiente (Figura 4), cuando el transistor de potencia superior del inversor, Q_Aestá encendido, el devanado "a" está conectado al carril de alimentación del bus de +V, lo que hace que la corriente del devanado, i_apara aumentar. Cuando Q_A la corriente del devanado de rueda libre es cortada por el diodo inferior del inversor, D_APy conecta el devanado "a" a la vía de alimentación del bus -V. La tensión media del devanado del estator, V_Aes proporcional al periodo de conducción, t_Adel transistor de potencia, Q_Ay viene dada por :

Para las corrientes negativas del estator, la corriente del devanado pasa por el transistor inferior Q_AP y "en vacío" a través del diodo superior D_A. En este caso, la tensión del devanado es función del periodo de conducción del diodo D_A. Para que la tensión aplicada al estator sea independiente del sentido de la corriente del estator, el transistor de potencia, Q_APse enciende cuando Q_A está apagado. Sin embargo, para evitar la posibilidad de conducción simultánea de estos transistores de potencia, se introduce un breve "tiempo muerto" entre las señales de activación de los dispositivos superiores e inferiores. Las señales PWM bajas activas resultantes, mostradas en la Figura 4 (c), son formas de onda de temporización complementarias con un breve tiempo "muerto" entre las partes activas.

El servosistema de CA descrito anteriormente puede construirse utilizando tres componentes principales de control. El DSP ADSP-2105 implementa los lazos de control, el ADMC201 interactúa con el inversor trifásico y el AD2S90 con el sensor de posición del resolver. El DSP de punto fijo ADSP-2105 ha sido optimizado para aplicaciones de procesamiento de señales de alta velocidad. Es muy adecuado para el control de la corriente de los motores de CA debido a los cortos tiempos de ciclo del bucle de control, de unos 50-100µs. El convertidor de resolución a digital AD2S90 puede conectarse sencillamente al DSP mediante el puerto serie [If the ADSP-2115 is used, it makes available an additional serial port.]. Para excitar el resolvedor y detectar la pérdida de señal, se utiliza un CI oscilador complementario, el AD2S99.

El ADMC201 proporciona las funciones de interfaz necesarias entre un controlador DSP y el convertidor trifásico; puede utilizarse para controlar tanto motores de CA de imanes permanentes como motores de inducción de CA. A continuación se describe detalladamente el ADMC201 y la interfaz con el ADSP-2105.

La familia de coprocesadores de movimiento ADMC200: El coprocesador de movimiento ADMC200 tiene tres bloques funcionales principales: un sistema de conversión A/D de 4 canales y 11 bits de muestreo simultáneo, un bloque de temporizador PWM de 12 bits a cero centrado y un bloque de rotación vectorial. El ADMC201 también proporciona tres canales de entrada analógica adicionales y 6 bits de pines de E/S digitales programables. El dispositivo tiene 25 registros internos mapeados en memoria para almacenar los datos de entrada y salida del dispositivo. Un secuenciador de control incorporado descodifica la línea de selección de chip, las líneas de lectura y escritura y las 4 líneas de dirección y mapea estos registros de datos directamente en el espacio de direcciones de la memoria del DSP. Esto significa que todos los registros son directamente accesibles al DSP en todo momento. Un controlador de interrupción en el chip puede interrumpir el DSP al final de una secuencia de conversión A/D o al final de una transformación vectorial. La línea de inicio de conversión del convertidor A/D puede ser accionada por el bloque de temporizador PWM, para sincronizar el software de control y el muestreo de la señal a la frecuencia PWM.

El ADMC200, diseñado en un proceso CMOS, combina bajo coste y bajo consumo. El convertidor A/D, basado en una técnica de condensadores conmutados compatible con CMOS, es un dispositivo de aproximación sucesiva de 11 bits con un amplificador de seguimiento y retención de muestreo simultáneo de 4 canales como extremo delantero. Esto permite adquirir hasta cuatro señales de corriente o tensión del motor sin desviación en menos de 14,4µs. El ADMC201 tiene un multiplexor interno 4:1, que proporciona tres canales asíncronos adicionales para señales más lentas, como la temperatura o la tensión del bus de CC. Los valores convertidos están en un formato de complemento a dos para ajustarse al procesador DSP de punto fijo. El rango de entrada analógica es de 0 a 5V, con un equivalente digital del cero de 2,5V. La referencia incorporada tiene una precisión absoluta del 5% (a plena carga). La precisión global del convertidor analógico-digital es de 8LSB, mientras que la correspondencia entre canales es de ±2LSB. Un impulso de conversión de inicio alto adquiere los cuatro canales de entrada e inicia una secuencia de conversión para 2, 3 ó 4 canales, según la configuración del registro de control. El final de la conversión puede programarse para generar un impulso de interrupción para el DSP, que puede leer los registros de resultados en cualquier orden.

El bloque PWM de 12 bits produce tres pares de formas de onda de frecuencia constante y ciclo de trabajo variable para los interruptores del convertidor de potencia, con un rango de frecuencia de 1,5kHz a 25kHz. Las señales, descritas en la figura 5, son señales activas-bajas basadas en el centro, de modo que los periodos de activación (bajos) son simétricos en torno al punto medio entre los impulsos de sincronización. Esto facilita la sincronización del muestreo de corriente con las formas de onda PWM. Las formas de onda son complementarias, es decir, los dispositivos de potencia se conmutan por pares: un dispositivo está "encendido", el dispositivo complementario está "apagado". Para evitar la posibilidad de conducción simultánea en los dispositivos de potencia del inversor, las formas de onda PWM complementarias se ajustan en tiempo muerto (PWMDT). Un pulso PWMSYNC alto y activo, producido al principio de cada ciclo PWM, sincroniza el funcionamiento del inversor de potencia con el convertidor A/D.

Los bloques de hardware de rotación vectorial de 12 bits pueden realizar transformaciones de Park y Clarke hacia delante y hacia atrás entre los marcos de referencia del estator (corrientes y tensiones de CA) y del rotor (equivalente de la máquina de CC). La transformación inversa convierte las señales de corriente trifásica del estator, I_a, I_b y yo_ccon dos corrientes de referencia ortogonales en el rotor, I_d y yo_q. La transformación consta de tres pasos (Tabla 1), donde ρ es el ángulo del campo del rotor.

Tabla 1

La transformación directa convierte dos tensiones ortogonales referidas al rotor, V_d y V_qa las señales de tensión trifásica del estator, I_a, I_b y yo_c. La transformación consta de dos pasos (Tabla 2), donde ρ es el ángulo del campo del rotor.

Tabla 2

El bloque de E/S digital del ADMC201 tiene seis líneas digitales, que pueden configurarse como entradas o salidas. También pueden configurarse como fuentes de interrupción para las funciones de protección del sistema. Se accede al bloque de E/S a través de cuatro registros mapeados en memoria.

Software de control de servomotores de CA : El software necesario para controlar un servomotor de CA con el ADSP-2105 puede requerir menos de 500 líneas de código DSP. Las limitaciones de espacio impiden una descripción completa del software aquí, pero describiremos algunos de los algoritmos básicos y el código.

El algoritmo de control de corriente se sincroniza con la frecuencia PWM mediante una señal de interrupción. Las corrientes del motor se muestrean al principio del ciclo PWM conectando el pin PWMSYNC del ADMC201 (del bloque de temporización) al pin CONVST del ADC. La señal de interrupción (IRQ) del ADMC201, conectada al pin IRQ2 del ADSP-2105, interrumpe el DSP al final del ciclo de conversión A/D. Las señales de corriente capturadas representan el valor medio de la corriente del bobinado, ya que el muestreo se realiza en la mitad de la forma de onda de la corriente. Se presenta un conjunto de mediciones de corriente al DSP después del inicio de cada ciclo PWM; y se calcula un nuevo conjunto de valores de tensión del estator y de tiempo PWM antes del siguiente ciclo.

El diagrama de flujo de señales del bucle de corriente de la Figura 6 describe el flujo de información entre el DSP ADSP-2105 y el coprocesador ADMC201. El algoritmo se inicia cuando una interrupción en el convertidor A/D del ADMC201 indica que hay un nuevo conjunto de muestras de corriente. El DSP lee dos valores de corriente de fase de los registros V y W del ADMC201, los ajusta según el convertidor A/D y las compensaciones del sensor de corriente, y los escribe en el bloque de transformación vectorial PHIP2 y PHIP3 del ADMC201, junto con el ángulo del rotor, ρ. El ADMC201 inicia la rotación del vector inverso, mientras que el DSP puede realizar funciones de protección, como la detección de sobrecargas o el control de la tensión del bus. El final de la transformación se señala mediante una interrupción; a continuación, el DSP lee los registros ID e IQ e implementa el algoritmo de control del bucle actual. Los valores VD y VQ calculados se escriben en los registros VD y VQ del ADMC201, junto con el ángulo del rotor ρ. El ADMC201 inicia la rotación del vector de avance, mientras que el DSP puede realizar otras funciones de mantenimiento. El final de la transformación se señala con otra interrupción; el DSP lee los registros PHV1, PHV2 y PHV3 y escala estos valores según el periodo PWM y la tensión del bus. A continuación, el DSP escribe tres nuevos valores en los registros PWM: PWMCHA, PWMCHB y PWMCHC, para cerrar el bucle de control de corriente.

El algoritmo de control consiste en una serie de leyes de control y algunas lecturas y escrituras en los registros de datos del ADMC201. El DSP de punto fijo de ADI es especialmente adecuado para la implementación de leyes de control como los bucles P-I (control proporcional + integral) y los algoritmos de espacio de estado, de los que hay muchos ejemplos. La estructura mapeada en memoria del ADMC201 tiene la ventaja de que no se necesita una secuencia especial de lectura o escritura para acceder a los registros de datos. Los registros de lectura y escritura del ADMC201 se asignan a un bloque del espacio de direcciones DM externo del DSP a través de la línea de selección de chip del dispositivo. En la siguiente tabla se muestra un ejemplo de código de rutina de servicio de interrupción para una interrupción del convertidor A/D del ADMC201 para ilustrar este punto. La primera instrucción consiste en leer el registro de estado del sistema del ADMC201, mediante una instrucción de lectura de la memoria de datos. A continuación, el registro AR se carga con una constante cuyo bit de interrupción A/D en el ADMC201 está activado. Si la interrupción A/D no está activada, comprueba si hay otras fuentes de interrupción, como la interrupción del bloque PARK. Si el bit está activado, lee los registros A/D y ejecuta el algoritmo del bucle actual.

Conclusión:

Hemos seleccionado un ejemplo de esquema de control para un servomotor de imanes permanentes de CA implementado con un chipset ADSP-2105 (o ADSP-2115), ADMC201 y AD2S90. Estas opciones de hardware permiten la flexibilidad en la configuración del sistema. El ADSP-2115 puede actualizarse a un ADSP-2101 o ADSP-2181 si se necesita más "potencia" de procesamiento. El ADMC200, más económico, puede utilizarse si no se necesitan más canales analógicos ni E/S digitales. El ADSP-2105 y el ADMC201 también pueden utilizarse para controlar motores de inducción de CA, utilizando un codificador en lugar del resolver.

Existe un sistema de evaluación que utiliza el EZLAB ADSP-2101 y una placa ADMC201. Viene con un software que ilustra las principales características de los bloques de función del ADMC201. Este sistema puede utilizarse para construir los elementos de control de un sistema de control de motores trifásicos de demostración.