Potentes herramientas de diseño para aplicaciones de control de movimiento

Introducción

La necesidad de soluciones sofisticadas de control de motores sigue creciendo en los mercados de consumo, de electrodomésticos, industrial y de automoción. Se utiliza una gran variedad de tipos de motor, según la aplicación; los más comunes son el motor de inducción de CA, el motor síncrono de imanes permanentes, el motor de CC sin escobillas y los diseños más nuevos, como el motor de reluctancia conmutada. De hecho, muchas aplicaciones en las que antes predominaban los motores de inducción de velocidad constante alimentados por la red eléctrica requieren ahora la sofisticación del control de velocidad variable. En algunas aplicaciones, como los compresores, los ventiladores y las bombas, esta necesidad de mayor sofisticación está impulsada por la legislación y la demanda de los consumidores de una mayor eficiencia de funcionamiento. Por otra parte, las aplicaciones de alto rendimiento en el control de procesos, la robótica y las máquinas-herramienta requieren un aumento de la velocidad variable y de la precisión, lo que sólo puede lograrse mediante el uso de sofisticados algoritmos de control.

La clave para implementar sofisticados algoritmos de control en tiempo real para estos sistemas de control de movimiento ha sido la aparición de potentes procesadores digitales de señales (DSP).* Incluso en aplicaciones menos exigentes pero sensibles a los costes, como los accionamientos de compresores para frigoríficos domésticos, la potencia del DSP puede aprovecharse para implementar algoritmos de control sin sensores que reducen el coste del sistema y aumentan la robustez general del accionamiento. En los servomotores de alto rendimiento, la potente capacidad de cálculo del DSP permite un control más preciso mediante el 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 cantidad significativa de circuitos adicionales para su correcto funcionamiento, incluyendo funciones como

• Conversión analógico-digital para retroalimentación de corriente o tensión
• Bloques de modulación por ancho de pulsos (PWM) para generar las órdenes de conmutación del inversor
• Interfaces de sensores de posición para aplicaciones de mayor rendimiento
• Puertos seriales para las comunicaciones con el host
• Puertos de entrada/salida digitales de propósito general.

Analog Devices ofrece ahora una gama 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 necesaria. Aquí se describen dos dispositivos: el ADMC330†, diseñado para requisitos dinámicos de bajo a medio rendimiento, y el ADMC300†, que amplía las capacidades del chip único para controlar servomotores de alto rendimiento.

Controlador de motor de un solo chip basado en el DSP ADMC330 (véase la figura 1): El ADMC330 integra un núcleo DSP de 20 MIPS, una memoria de programa RAM de 2 palabras, una memoria de programa ROM de 2 palabras, una memoria de datos RAM de 1 palabra, 2 puertos serie y diversos periféricos de control de motores en un solo chip. El núcleo del 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 comparadores que permite 4 conversiones por periodo PWM. Además, se utiliza un sofisticado sistema PWM trifásico de 12 bits para generar todas las señales de conmutación del inversor necesarias con una precisión de 100 ns y una mínima sobrecarga del procesador. El tiempo muerto de estas señales PWM puede ajustarse en el procesador, de modo que no se requiere ninguna lógica externa. La unidad PWM incluye modos especiales para motores de corriente continua sin escobillas o motores conmutados electrónicamente, en los que sólo 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 maestro de 16 bits y dos salidas PWM auxiliares.

Controlador de servomotor de un solo chip basado en DSP ADMC300 (Figura 2): Los servomotores de alto rendimiento, para la robótica y las máquinas-herramienta, requieren ADC de alta resolución y una interfaz de sensor de posición para cumplir los requisitos de rendimiento. El ADMC300 responde a estas necesidades en una solución basada en un 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 de programa se ha duplicado a 4K palabras. La necesidad de ADC multicanal de alta resolución se satisface con la inclusión de cinco ADC sigma-delta independientes que proporcionan 12 bits de resolución. La ampliación de la señal analógica es posible gracias a la provisión de tres líneas de control del multiplexor externo. Además, el ADMC300 facilita la detección de la posición con una interfaz de codificador que permite una fácil conexión a un codificador incremental.

Herramientas de desarrollo: Dado que el software es la clave para utilizar los equipos digitales, una potente capacidad de procesamiento requiere un sistema de desarrollo igualmente potente para poder utilizar 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 rápido desarrollo de prototipos y la evaluación de sistemas reales. En los ADMC300 y ADMC330, el bloque ROM de la memoria de programa está preprogramado con una función de monitorización/depuración que permite acceder a los registros y a la memoria interna de los procesadores. Para acelerar el desarrollo del programa, el código de la ROM también contiene una biblioteca de utilidades matemáticas y de control del motor que se pueden llamar desde el código de usuario.

Para cada tipo hay una placa de evaluación independiente para el desarrollo del código. Estas placas de evaluación contienen interfaces fáciles de usar para las numerosas funciones periféricas de los procesadores, de modo que la placa puede integrarse fácilmente en un sistema de desarrollo final. Cada placa de evaluación contiene una interfaz UART que puede utilizarse para conectar el controlador DSP a un programa depurador de control de movimiento basado en Windows. El programa depurador permite al desarrollador descargar código en el DSP y controlar o modificar el contenido de la memoria de programa, la memoria de datos, los registros del DSP y los registros del dispositivo. Además, en el menú de Windows se puede seleccionar una selección de herramientas de depuración, como puntos de interrupción, funcionamiento en un solo paso y funcionamiento continuo. La pantalla de ejemplo 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 autónomo, las placas de evaluación también pueden utilizar una memoria externa para cargar el programa de arranque.

Potencia avanzadaIRtren^™para desarrollar verdaderas soluciones de control de motores, la potencia de cálculo del DSP debe combinarse con un convertidor electrónico de potencia adecuado que produzca las tensiones necesarias para accionar el motor en respuesta a las órdenes de control (y pueda suministrar las corrientes necesarias). La potencia avanzadaIRel tablero del tren representa un nuevo punto de partida en los sistemas de desarrollo de sistemas de control de motores del mundo real. La placa integra los controladores de motor de alto rendimiento basados en DSP de Analog Devices con un controlador de motor adecuado de International Rectifier [www.irf.com] PowIRel módulo de potencia integrado proporciona toda la circuitería necesaria para permitir el desarrollo de algoritmos de control de motores para diversas aplicaciones. Los módulos procesadores intercambiables enchufables permiten al usuario seleccionar el nivel de control adecuado para la aplicación.

Con el módulo procesador ADMC330, la placa puede utilizarse para desarrollar algoritmos de control sin sensores para motores de corriente continua sin escobillas para aplicaciones como compresores y lavadoras. Además, se pueden programar estrategias sencillas de control vectorial de un motor de inducción de CA para aplicaciones de bombas o ventiladores. Si se necesitan mayores prestaciones, se puede instalar en su lugar el módulo procesador ADMC300, para implementar el control vectorial en bucle abierto y cerrado de los motores de inducción, para aplicaciones como los variadores de velocidad de uso general, las máquinas papeleras y textiles, y las cintas transportadoras. Con el módulo procesador ADMC300, el ADvanced PowIRel tren es adecuado para el desarrollo de servoaccionamientos de alto rendimiento que utilicen un motor de inducción, un motor de corriente continua sin escobillas o un motor síncrono de imanes permanentes.

La potencia avanzadaIRel tablero del tren incorpora las siguientes características:

• Un módulo de potencia integrado de International Rectifier. El módulo de alimentación mejoradoIRla placa del tren incluye un módulo de alimentación capaz de accionar un motor trifásico de 1 CV. El módulo incorpora un puente de diodos trifásico que puede utilizarse para rectificar una alimentación trifásica de 50/60 Hz. El módulo de potencia también incluye un inversor trifásico basado en IGBT que puede conectarse directamente a un motor trifásico.
• Módulos de procesador intercambiables para poder utilizar el controlador de motor basado en DSP adecuado para tu aplicación.
• Una interfaz UART al entorno de desarrollo de programas basado en Windows, el depurador de control de movimiento
• Todos los circuitos de accionamiento de la puerta necesarios. La placa toma las señales PWM generadas por el módulo procesador y las envía directamente a un circuito controlador de puerta IR2132 de International Rectifier, que proporciona las señales de control adecuadas para los tres interruptores del lado bajo y los tres del lado alto del inversor.
• Circuitos de protección. La potencia avanzadaIRel tren proporciona una desconexión automática de la etapa de potencia en caso de sobretensión, sobrecorriente, sobretemperatura o fallo a tierra. La señal de fallo, transmitida al controlador basado en el DSP, también puede utilizarse en una rutina de servicio de interrupción adecuada.
• Circuitos de detección. La potencia avanzadaIRla placa del tren incluye todos los sensores de tensión y corriente necesarios para implementar una amplia variedad de estructuras de control.

*PowIRtrain es una marca registrada de International Rectifier Corp.

¹Polvo de Dispositivos AnalógicosIRlas tablas del tren fueron abandonadas.