Resolvendo desafios de projeto de controlador BLDC com o Qorvo PAC5556

controlador BLDC

Motores de corrente contínua sem escova (BLDC) ganham tração

Os motores de corrente contínua sem escova (Brushless DC - BLDC) tornaram-se a escolha padrão do motor para uma ampla variedade de equipamentos e aparelhos alimentados por bateria e corrente alternada (AC). Mais confiáveis ​​e exigindo significativamente menos manutenção do que seus equivalentes motores DC escovados, os motores DC sem escova também se beneficiaram de uma compreensão mais ampla da indústria de como controlá-los usando algoritmos simples de microcontrolador. Nas aplicações de controle complexas e sofisticadas de hoje, os motores escovados também criam muito ruído elétrico, o que significa que os projetistas precisam empregar técnicas substanciais de mitigação da imunidade eletromagnética. Agora, o ruído audível dos motores escovados também é considerado indesejável, principalmente para aparelhos portáteis alimentados por bateria, como aspiradores de pó e ferramentas elétricas pessoais, incluindo serras elétricos e brocas.

Os fabricantes constroem motores CC sem escova usando ímãs permanentes fixos no eixo de acionamento do rotor e uma série de enrolamentos de campo (normalmente três) no interior da carcaça do motor. Mudar a corrente pelos três enrolamentos de campo em sequência resulta na rotação do eixo de acionamento. O controle da largura do pulso e da frequência de comutação do inversor para cada bobina de campo fornece controle da velocidade do motor, aceleração e torque de saída. É necessário um loop de realimentação fechado da operação do rotor do algoritmo de controle de motor trifásico para monitorar e controlar de perto o estado atual da rotação do eixo de acionamento. Os dois métodos mais populares para fornecer esse feedback são:

  • Posicionamento de um disco codificador ou outra forma de sensor rotacional no eixo do rotor;
  • Detecção do campo eletromagnético traseiro induzido pelos ímãs permanentes do rotor dentro dos enrolamentos de campo. O controle orientado a campo (FOC - Field-oriented control) refere-se ao uso da tensão de campo induzida.

Um método sem sensor embarcado ajuda a melhorar a confiabilidade geral do motor, além de reduzir o custo da lista de materiais (BOM).

A arquitetura de um controlador de motor BLDC

Conforme discutido anteriormente, existem três funções distintas necessárias para um controlador de motor sem escova. Essas três funções são alcançadas através de:

  • Um microcontrolador que executa o algoritmo de controle do motor;
  • Circuito de modulação por largura de pulso (PWM) que fornece os sinais de comutação;
  • Um circuito de estágio de potência que aciona o motor.

Uma função analógico-digital converte os sinais do sensor rotacional do eixo no domínio digital para processamento no microcontrolador. Ao projetar um controlador de motor embarcado, há várias considerações de projeto. Os fatores iniciais que ajudam a determinar as características do projeto de um controlador de motor embarcado são:

  • A potência/torque necessário;
  • A fonte de alimentação;
  • A velocidade do eixo.

Atualmente, o foco acelerado de prototipagem para produção tende a dissuadir os engenheiros de projeto de desenvolver um controlador personalizado usando peças discretas. Portanto, a opção de projeto mais popular é usar um microcontrolador pronto, que execute o algoritmo de controle. A maioria dos microcontroladores incorpora diversas funções de conversão AD/DA, além de diferentes opções de interface periférica, relógios e cronômetros. Um microcontrolador adequadamente equipado pode fornecer a maioria das funções de circuito necessárias, mas muitos microcontroladores tendem a não ser otimizados para aplicações de controle de motor ou incorporar as funções necessárias de acionamento de motor de ponte "H" (meia ponte H ou ponte H completa) . Além disso, hoje, o gerenciamento de energia é uma função necessária da maioria das aplicações e é especialmente importante nas aplicações de controle de motores, onde a classificação de eficiência energética é geralmente um critério de seleção essencial para os clientes. Os CIs de gerenciamento de energia estão disponíveis, mas isso exige que a equipe de engenharia integre outro cricuito integrado ao projeto, aumentando os custos de listas de materiais e os requisitos de espaço na placa.

À medida que mais aparelhos industriais e com motor adotavam um design de motor CC sem escovas, a necessidade de um dispositivo que incluísse todas as funções necessárias levou a Qorvo a desenvolver um controlador de aplicativos de potência (PAC ™) com todos os recursos. O PAC5556 Power Application Controller® (PAC ™) da Qorvo integra todas as fontes de sinal analógicas, de gerenciamento de energia e de acionamento de porta necessárias em um único encapsulamento.

Introduzindo o Qorvo PAC5556

O Qorvo PAC5556 Power Application Controller® (PAC ™) é fornecido em um encapsulamento QFN-52, pode operar motores de até 600VDC e incorpora um conjunto abrangente de recursos e funções necessários para qualquer aplicação de energia inteligente ou BLDC (Figura 1). A arquitetura PAC altamente integrada torna o Qorvo PAC5556 especialmente adequado para aplicações em que a PCI deve ser bem compacta, como produtos de linha branca, compressores e ferramentas elétricas.

PAC5556 figura 1

Figura 1: A imagem fornece um diagrama de blocos funcional simplificado do PAC - Power Application Controller do Qorvo PAC5556. (Fonte: Qorvo)

Um núcleo de microcontrolador Arm® Cortex®-M4F de 150MHz e 32 bits com 128kB de memória FLASH programável pelo usuário está no centro do dispositivo. Um controlador de interrupção de vetor aninhado (NVIC), capaz de acomodar até 25 interrupções externas, fornece uma função de ativação para permitir que o dispositivo volte de diferentes modos de economia de energia (sleep mode). A ativação do relógio em tempo real de 24 bits permite operação com baixo consumo. A unidade de microcontrolador (MCU) também incorpora um ADC de 12 bits de alta velocidade. Configurado para pouca operação endian, o núcleo do microcontrolador Arm® Cortex®-M4F do PAC5556 inclui suporte de hardware para multiplicação e divisão, instruções DSP e uma unidade de ponto flutuante de precisão única (FPU) IEEE754. A FPU integrada suporta algoritmos complexos de controle de alta resolução, como os usados ​​com o FOC. Os recursos de alto desempenho deste MCU permitem que os engenheiros de projeto implementem facilmente algoritmos complexos em tempo real, software de segurança e diagnósticos em suas aplicações.

Um mecanismo de modulação por largura de pulso (PWM) fornece os sinais de acionamento para os drivers do gate do motor. Capaz de controle fino do motor, até 10ns, o mecanismo PWM consiste em quatro temporizadores de 16 bits e 14 canais.

O front-end analógico do PAC5556 é altamente configurável e oferece amplificadores de ganho programáveis ​​diferenciais, dez comparadores, DACs de 10 bits, proteção de sobrecorrente programável, amostragem VMC ADC integrada e entradas e saidas interconectáveis ​​e amostragem de sinal programável, amplificação de realimentação e monitoramento de sensores de múltiplos sinais de entrada analógicos. Esses recursos analógicos tornam o dispositivo adequado para uso em controle orientado a campo ou em aplicativos de controle BLDC baseados em sensor.

Outros atributos que se destacam do Qorvo PAC5556 incluem um gerenciador de energia configurável e drivers de energia específicos para a aplicação. O gerenciador de energia configurável contém um conversor de fonte de comutação multimodo que permite que o CI e os circuitos de acionamento do motor sejam alimentados usando uma topologia de conversor buck. Os reguladores lineares no chip fornece a fonte de alimentação para o CI, e as funções de gerenciamento de energia controlam os modos de suspensão e hibernação disponíveis. Os projetistas podem otimizar o gerenciador de energia para os modos de tempo de execução e espera. A corrente de espera muito pequena do PAC resulta em uma vida útil da bateria estendida, essencial para produtos movidos a bateria quando não estão em uso. Em equipamentos que estão sempre conectados a rede elétrica AC (como produtos de linha branca), o gerenciador de energia pode ajudar com as classificações do ENERGY STAR. O bloco do driver de energia fornece todos os drivers de gate lateral superior e inferior necessários para uso em uma variedade de configurações diferentes de acionamento de motor, incluindo meia ponte e ponte “H” completa.

Um diagrama simplificado do Qorvo PAC5556 usado para acionar um motor BLDC é ilustrado na Figura 2.

PAC5556 figura 2

Figura 2: A imagem fornece um diagrama simplificado de um Qorvo PAC5556 usado para controlar um motor BLDC. (Fonte: Qorvo)

Para ajudar no processo de criação de protótipos e desenvolvimento, está disponível um quadro de avaliação baseado no Qorvo PAC5556. O Qorvo PAC5556EVK1 é uma plataforma completa de avaliação e prototipagem completa para o PAC5556 (Figura 3). A placa de avaliação suporta acionamento por portão para até três inversores de meia ponte H com classificações de até 220VAC ou 450VDC. Uma conexão de porta COM virtual a um computador, juntamente com um conjunto de software baseado em GUI, permite a configuração e o controle de qualquer aplicativo em execução no PAC5556EVK1.

controlador BLDC

Figura 3: Placa de avaliação Qorvo PAC5556EVK1. (Fonte: Qorvo)

Conclusão

Os motores CC sem escova (brushless) tornaram-se uma opção popular para uso em uma ampla gama de aparelhos industriais e de consumo. Como os motores sem escova são incorporados a diversos tipos de aplicações, a capacidade de projetar, protótipar e testar rapidamente controladores de motores é essencial para acelerar o processo geral de projeto do produto. Como resultado, os engenheiros de projeto precisam de um dispositivo que integre todas as fontes de sinal analógicas, de gerenciamento de energia e de acionamento de porta necessárias em um encapsulamento. O Qorvo PAC5556 Power Application Controller atende à necessidade referente a uma solução compacta de controle de potência que reduz o consumo de energia, volume e ruído em aplicações de motores industriais e para consumidores. Esse design também atende a requisitos mais restritos de espaço na placa e mantém o custo de lista de materiais bem baixo.

Para artigos como esse, acesse o link.

Artigo escrito originalmente por Robert Huntley para Mouser Electronics: Solving BLDC Controller Design Challenges with the Qorvo PAC5556.

Traduzido por Equipe Embarcados.

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

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