Potentes herramientas de diseño para aplicaciones de control de movimiento

Introducción

La necesidad de soluciones sofisticadas para el control de motores continúa aumentando en los mercados de consumo, electrodomésticos, industrial y automotriz. Se utiliza una amplia variedad de tipos de motores, según la aplicación; los más comunes incluyen el motor de inducción de CA, el motor síncrono de imanes permanentes, el motor de CC sin escobillas y diseños más nuevos como el motor de reluctancia conmutada. De hecho, muchas aplicaciones, que anteriormente estaban dominadas por motores de inducción alimentados por red y de velocidad constante, ahora requieren la sofisticación del control de velocidad variable. En algunas aplicaciones, como compresores, ventiladores y bombas, esta necesidad de mayor sofisticación está impulsada por la legislación y la demanda de los consumidores de mayores eficiencias operativas. En otros lugares, las aplicaciones de alto rendimiento en el control de procesos, la robótica y las máquinas herramienta exigen una velocidad variable y una mayor precisión, que solo se pueden lograr mediante el uso de algoritmos de control sofisticados.

La clave para la implementación en tiempo real de sofisticados algoritmos de control para estos sistemas de control de movimiento ha sido la llegada de potentes procesadores de señales digitales (DSP).* Incluso en aplicaciones menos exigentes, pero sensibles al costo, como los impulsores de compresores de refrigeradores domésticos. , el poder del DSP se puede aprovechar para implementar algoritmos de control sin sensores que reducen el costo del sistema y aumentan la solidez general de la unidad. En los servoaccionamientos de alto rendimiento, la poderosa capacidad computacional del DSP permite un control más preciso a través del control vectorial, la reducción del par de ondulación, las estructuras de control predictivo y la compensación del comportamiento no ideal del sistema.

Además del potente núcleo DSP, todos los sistemas de control de motores requieren una gran variedad de circuitos adicionales para un funcionamiento correcto, incluidas funciones como:

• Conversión de analógico a digital para retroalimentación de corriente o voltaje
• Bloques de modulación de ancho de pulso (PWM) para generar los comandos de conmutación del inversor
• Interfaces de sensor de posición para aplicaciones de mayor rendimiento
• Puertos serie para comunicaciones de host
• Puertos de entrada/salida digital de propósito general.

Analog Devices ahora ofrece una variedad de soluciones de control de motores basadas en DSP de un solo chip que integran estas funciones periféricas con un núcleo DSP de alto rendimiento y la memoria requerida. Aquí se describen dos dispositivos: el ADMC330†, diseñado para requisitos dinámicos de rendimiento bajo a medio, y el ADMC300†, que amplía la capacidad de un solo chip para controlar servoaccionamientos de alto rendimiento.

Controlador de motor basado en DSP de chip único ADMC330 (ver Figura 1): El ADMC330 integra un núcleo DSP de 20 MIPS, memoria RAM de programa de 2 Kpalabras, ROM de memoria de programa de 2 Kpalabras, memoria RAM de datos de 1 Kpalabra, 2 puertos serie y una variedad de periféricos de control de motor en un solo chip. El núcleo DSP es similar al utilizado en el ADSP-2171 de punto fijo de 16 bits. Los periféricos de control del motor incluyen 7 entradas analógicas con un subsistema ADC basado en un comparador que permite 4 conversiones por período de PWM. Además, un sofisticado sistema PWM trifásico de 12 bits permite que se generen todas las señales de conmutación del inversor necesarias, sincronizadas dentro de los 100 ns, con una sobrecarga mínima del procesador. El tiempo muerto de estas señales PWM se puede ajustar en el procesador para que no se requiera lógica externa. La unidad PWM incluye modos especiales para motores CC sin escobillas o motores conmutados electrónicamente, donde solo dos de las tres fases del motor conducen al mismo tiempo. Además, el ADMC330 incluye 8 líneas de E/S digitales, un temporizador de vigilancia, un temporizador de uso general de 16 bits y dos salidas PWM auxiliares.

Controlador de servomotor basado en DSP de chip único ADMC300 (Figura 2): Los servoaccionamientos de alto rendimiento, para robótica y máquinas herramienta, requieren ADC de alta resolución y una interfaz de sensor de posición para cumplir con los exigentes requisitos de rendimiento. El ADMC300 aborda estas necesidades en una solución basada en DSP de un solo chip para estas aplicaciones. La funcionalidad adicional del ADMC300 para aplicaciones más exigentes incluye un núcleo DSP mejorado para un rendimiento de 25 MIPS. Además, la memoria RAM del programa se ha duplicado a 4K palabras. La necesidad de ADC multicanal de alta resolución se satisface al incluir cinco ADC sigma-delta independientes que proporcionan 12 bits de resolución. La expansión de la señal analógica es posible gracias a la provisión de tres líneas de control de multiplexor externo. Además, el ADMC300 facilita la detección de posición a través de una interfaz de codificador que permite una fácil conexión a un codificador incremental.

Herramientas de desarrollo: Dado que el software es la clave para el uso de equipos digitales, la poderosa capacidad de procesamiento requiere un sistema de desarrollo igualmente poderoso para usar estos sofisticados controladores de motor en aplicaciones reales. Ambos procesadores vienen con una gama completa de herramientas de desarrollo de hardware y software que permiten el desarrollo rápido de prototipos y la evaluación real del sistema. Tanto en el ADMC300 como en el ADMC330, el bloque ROM de memoria de programa está preprogramado con una función de monitor/depurador que permite el acceso a los registros internos y la memoria de los procesadores. Para acelerar el desarrollo del programa, el código ROM también contiene una biblioteca de útiles utilidades matemáticas y de control de motores que se pueden llamar desde el código de usuario.

Hay disponible una placa de evaluación separada para el desarrollo de código para cada tipo. Estas placas de evaluación contienen interfaces sencillas para las muchas funciones periféricas de los procesadores, de modo que la placa se puede integrar fácilmente en un sistema de desarrollo objetivo final. Cada placa de evaluación contiene una interfaz UART que se puede usar para conectar el controlador DSP a un programa de depuración de control de movimiento basado en Windows. El programa de depuración permite al desarrollador descargar código al DSP y monitorear o modificar el contenido de la memoria del programa, la memoria de datos, los registros del DSP y los registros periféricos. Además, se puede seleccionar una selección de herramientas de depuración, incluidos puntos de interrupción, operación de un solo paso y ejecución continua, desde el menú de Windows. La pantalla de muestra del depurador ADMC330 que se muestra en la Figura 3 ilustra muchas de las funciones del depurador. También se incluyen herramientas de software adicionales, como el ensamblador, el enlazador y el programador PROM. Para el funcionamiento independiente, las placas de evaluación también pueden utilizar una memoria externa para cargar el programa de arranque.

Poder avanzadoYtren^™: Para desarrollar soluciones reales de control de motores, la potencia informática del DSP debe combinarse con un convertidor electrónico de potencia adecuado que produzca los voltajes necesarios para accionar el motor en respuesta a los comandos de control (y pueda proporcionar las corrientes necesarias) . El poder avanzadoYTrain Board representa un nuevo punto de partida en los sistemas de desarrollo para los sistemas de control de motores del mundo real. La placa integra los controladores de motor basados ​​en DSP de alto rendimiento de Analog Devices con un rectificador internacional adecuado [www.irf.com] PowYtren* módulo de potencia integrado; proporciona todos los circuitos necesarios para permitir el desarrollo de algoritmos de control de motores para una variedad de aplicaciones. Usando módulos de procesador intercambiables enchufables, el usuario puede elegir el nivel de control apropiado para la aplicación.

Con el módulo de procesador ADMC330, la placa se puede usar para desarrollar algoritmos de control sin sensores para motores de CC sin escobillas para aplicaciones como compresores y lavadoras. Además, se pueden programar estrategias simples de control vectorial para un motor de inducción de CA para aplicaciones de bombas o ventiladores. Si se requieren niveles de rendimiento más altos, se puede montar el módulo de procesador ADMC300 en su lugar, para implementar el control vectorial de bucle abierto y cerrado de los motores de inducción, para aplicaciones tales como variadores de velocidad de propósito general, máquinas de papel y textiles, y transportadores. Con el módulo de procesador ADMC300, el ADvanced PowYtrain es adecuado para desarrollar servocontroladores de alto rendimiento utilizando un motor de inducción, un motor de CC sin escobillas o un motor síncrono de imanes permanentes.

El poder avanzadoYtrain board integra las siguientes características:

• Un módulo de potencia integrado de International Rectifier. El poder avanzadoYEl tablero del tren incluye un módulo de potencia que es capaz de impulsar un motor trifásico de 1 hp. El módulo integra un puente de diodos trifásico que puede ser utilizado para rectificar una alimentación trifásica de 50/60 Hz. El módulo de potencia también incluye un inversor basado en IGBT trifásico que se puede conectar directamente a un motor trifásico.
• Módulos de procesador intercambiables de modo que se pueda utilizar el controlador de motor basado en DSP apropiado para su aplicación.
• Una interfaz UART al entorno de desarrollo de programas basado en Windows, Motion Control Debugger
• Todos los circuitos de accionamiento de compuerta requeridos. La placa toma las señales PWM generadas por el módulo del procesador y las alimenta directamente a un circuito de control de compuerta International Rectifier IR2132 que proporciona las señales de control adecuadas para los tres interruptores del lado bajo y del lado alto del inversor.
• Circuitos de protección. El poder avanzadoYtren proporciona el apagado automático de la etapa de potencia en caso de una condición de sobretensión, sobrecorriente, sobretemperatura o falla a tierra. La señal de falla, pasada al controlador basado en DSP, también puede usarse en una rutina de servicio de interrupción adecuada.
• Circuitos de sensores. El poder avanzadoYEl tablero del tren incluye todos los sensores de voltaje y corriente necesarios para implementar una amplia variedad de estructuras de control.

*PowYtren es una marca comercial de International Rectifier Corp.

¹Dispositivos analógicosYLos tableros de tren han sido descontinuados.