Como ser mais rápido e eficiente em seus projetos de controle de motor BLDC

Nesse texto exploraremos as principais vantagens de sistemas que utilizam motores BLDC e uma solução inovadora da Power Integrations para um controle mais preciso e otimizado.

Nesse texto exploraremos as principais vantagens de sistemas que utilizam motores BLDC e uma solução inovadora da Power Integrations para um controle mais preciso e otimizado.

Motores Elétricos: Quais as vantagens de utilizar um motor BLDC 

Os motores elétricos são atualmente os maiores consumidores de eletricidade do mundo por uma larga margem. O Centro de Pesquisa Energética da Holanda (ECN) estima que 45% de toda a eletricidade gerada globalmente é consumida por motores elétricos.  Na Europa, uma legislação está sendo introduzida para aumentar a eficiência dos motores. Em julho de 2021, a UE implementará seu “Regulamento sobre motores elétricos e drivers de velocidade variável (UE) 2019/1781“, para aumentar o limite de eficiência em alguns motores e reduzir o cronograma para que outros tipos de motores atendam o padrão mínimo. A tendência em tais leis é óbvia – o padrão mínimo permitido continuará aumentando com o tempo e qualquer novo projeto de motor deve ser o mais eficiente possível para eliminar o risco da necessidade de substituição pelo não cumprimento da norma.

Uma ampla variedade de motores é coberta por essas leis, desde os grandes motores encontrados em projetos de infraestrutura até os pequenos motores que alimentam os ventiladores do computador. O tamanho não é a única consideração – o tipo de motor também é importante. Anteriormente, os motores DC com escovas eram amplamente usados, mas eram ineficientes e não confiáveis, pois as escovas se desgastavam com o tempo e precisavam ser substituídas. A necessidade de maior eficiência e confiabilidade em uma ampla variedade de velocidades de operação e cargas resultou nos motores DC sem escova (motor BLDC), tornando-o amplamente usado ​​em novos projetos.

Os motores BLDC eliminam a necessidade do contato físico entre a escova e o comutador, o que as versões com escova requerem para funcionar corretamente. Esta etapa elimina as perdas mecânicas causadas pelo atrito e torna os motores BLDC mais adequados para uso a longo prazo. Os motores BLDC podem operar em uma frequência mais alta, o que também aumenta a sua eficiência. O ganho em eficiência é ainda maior ao operar em condições de baixa carga ou sem carga. Como o rotor não precisa ser alimentado, as escovas e os anéis coletores são eliminados, junto com o conjunto do comutador, portanto os motores BLDC podem produzir mais torque por watt, em um formato muito mais compacto.

Os motores BLDC usam ímã permanente como rotor, que interage com os campos eletromagnéticos gerados pelas bobinas do estator. Essas bobinas são ligadas e desligadas em um padrão preciso para garantir que o rotor atue com eficiência. Esse padrão é determinado por um algoritmo executado em um microcontrolador (MCU), utilizando-se sensores no motor para fornecer feedback em tempo real proporcionando controle preciso. O microcontrolador envia sinais para chaves que controlam a corrente através das bobinas. Embora o MCU acrescente complexidade ao controle do motor, ele fornece maior grau de flexibilidade e precisão.

Como a legislação relativa à eficiência do motor visa a operação total do sistema, cada estágio deve operar da forma mais otimizada possível para minimizar as perdas gerais. Isso inclui o inversor usado para fornecer energia ao motor. O desempenho do inversor é limitado pelo calor e, além de reduzir sua vida útil operacional, o baixo desempenho térmico impede que o inversor forneça a corrente correta ao acionamento do motor se o CI do driver estiver superaquecido. A solução típica para problemas térmicos é usar um dissipador de calor ou um ventilador em alguns casos. Nenhuma das soluções é ideal já que ambos são volumosos, o que anula a vantagem de ter um motor menor, e levam a um projeto mais complexo e menos robusto mecanicamente.

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Figura 1. Diagrama de blocos de um sistema de controle de motor

BridgeSwitch: Drivers Integrados de Meia Ponte para controle de motores

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Figura 2: BridgeSwitch

A Power Integrations (PI) tem ampla experiência no desenvolvimento de CIs de alta tensão altamente integrados para conversão de energia off-line, e a empresa reconheceu o enorme potencial para uma solução de driver com eficiência energética que não requer um dissipador de calor. A PI então decidiu enfrentar o problema de duas formas diferentes. O primeiro foi projetar uma arquitetura eficiente que minimizasse a dissipação de calor. A segunda abordagem foi separar as conversões de fase em diferentes CIs. Dessa forma, o mesmo design de CI é escalável de monofásico a polifásico e a pequena quantidade de calor gerada a partir das perdas seria espalhada na área da PCB e não concentrada em um único ponto.

O resultado foi a família BridgeSwitch de drivers integrados de meia ponte (IHB – Integrated Half-Bridge) adequados para acionar motores síncronos (por exemplo, motor BLDC ou motor PMSM), bem como motores assíncronos (por exemplo, AC de indução). Os itens da família BridgeSwitch podem operar com eficiência de até 98,5% e são destinados a projetos de inversores que variam de 30 W a 400 W. Os CIs BridgeSwitch incorporam os drivers de low- e high-side, um controlador, um level shifter e dois MOSFETs canais N de 600V, de rápida recuperação (FREDFETs), com detecção de corrente integrada, proporcionando baixíssimas perdas. Os FREDFETs têm recuperação extremamente rápida do diodo intrínseco, tornando-os ideais para conduzir cargas indutivas. Eles oferecem uma redução significativa nas perdas de comutação, bem como uma característica suave de recuperação (soft recovery) para reduzir EMI.

Os CIs BridgeSwitch são autoalimentados, o que permite o uso de uma fonte de alimentação mais simples, como o LinkSwitch-TN2. Este controlador não isolado pode ser usado ao invés de uma solução flyback isolada de múltiplas saídas, usualmente empregadas em projetos convencionais, reduzindo ainda mais a complexidade do projeto e os requisitos de espaço em PCB. Os diagnósticos integrados do inversor reduzem o número de sensores necessários e possibilitam o uso de um MCU de menor capacidade. Os CIs BridgeSwitch incorporam, em hardware, muitas funções de proteção contra falhas e incluem monitoramento externo do sistema. Esta tecnologia não apenas fornece uma resposta mais rápida do que uma proteção em software, mas também torna muito mais fácil de se obter a aprovação UL / IEC 60730 devido à arquitetura com proteção de sobrecorrente integrada no low-side e high-side, ciclo a ciclo. A implementação em hardware desses recursos significa que os requisitos de software para atender UL / IEC 60730 são reduzidos da Classe B para a Classe A, sem a necessidade de recertificação para atualizações de software.

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Figura 3. Circuito típico de inversor trifásico utilizando 3 dispositivos BridgeSwitch

Nova ferramenta de SW da PI para uso com o BridgeSwitch

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Figura 4: Ferramenta de Software da Power Integrations para uso com o BridgeSwitch

A PI conta com uma nova ferramenta para controlar e ajustar com precisão os motores monofásicos. O Motor-Expert provê aplicação em código C, biblioteca e GUI de controle. E conta com exemplos de aplicação prontos para operação em velocidade e torque constantes, todos já atendendo o padrão IEC6730 Classe A. O software Motor-Expert simplifica o processo de design e reduz radicalmente o tempo de lançamento no mercado.

A ferramenta permite que os usuários visualizem a operação e os diagnósticos do sistema. O ajuste do motor é realizado com novos coeficientes de malha de controle sendo atualizados em tempo real sem a necessidade de recompilar o código. Outros destaques incluem:

• Funções precisas de loop de controle de velocidade e corrente

• Atende perfis de desempenho estático (MISRA) e dinâmico

• Requer apenas 14 kB de Flash e 5 kB SRAM

Kits de design de referência para Controle de motor BLDC

Para permitir que os projetos cheguem ao mercado ainda mais rapidamente, a PI também desenvolveu cinco kits de design de referência BLDC (RDKs) para a família BridgeSwitch. Os novos projetos de referência fornecem até 400 W de potência de saída sem a necessidade de um dissipador de calor e suportam aplicações com correntes RMS mais altas em ambientes termicamente desafiadores, como compressores, coifas de cozinha, ventiladores e bombas residenciais e comerciais.

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Figura 5. RDK-851 – Kit de Referência para controle de motor BLDC de 50W 

RDK-851 é um projeto de controle de motor BLDC de 50W, de alta tensão, para aplicações de ventilador usando o BridgeSwitch (BRD1260C). Este inversor trifásico com interface de entrada de controle oferece eficiência >93%. O design está disponível em um PCB de 88 mm de diâmetro.

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Figura 6. RDK-852 – Kit de Referência para controle de motor BLDC trifásico de até 200W

O segundo kit é o RDK-852, driver de motor BLDC trifásico para aplicações de bomba de até 200 W. O design vem em uma PCB de 65 x 50 mm e usa o BridgeSwitch (BRD1263C) em topologia sensorless field-oriented control (FOC). Esta solução possui 97% de eficiência e emprega um LinkSwitch-TN2 (LNK3204D) para fornecer a detecção de corrente e, opcionalmente, fornecer polarização externa para o dispositivo BridgeSwitch.

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Figura 7. RDK-853 – Kit de Referência para controle de motor BLDC trifásico de até 300W

Completando as soluções trifásicas está o RDK-853, projeto de compressor de 300W com mais de 98% de eficiência em toda a faixa de carga, desenhado em uma PCB de 95 x 75 mm. Esta solução usa os ICs BridgeSwitch (BRD1265C) e LinkSwitch-TN2 (LNK3204D) e suporta qualquer microcontrolador para implementar um controle FOC sensorless por meio de uma interface que provê saída de corrente de fase instantânea, e relatório de falha para cada dispositivo BridgeSwitch.

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Figura 8. RDK-872 – Kit de Referência para controle de motor BLDC monofásico de até 70W

A PI também oferece designs de referência de driver de motor BLDC monofásico. RDK-872 é uma implementação de 70 W, com 97% de eficiência. Este inversor monofásico é implementado usando dois CIs BridgeSwitch (BRD1261C) em um pequeno encapsulamento SMT com terminais expostos, que permitem a dissipação de calor através da própria PCB.

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Figura 9. RDK-873  – Kit de Referência para controle de motor BLDC compacto de até 30W

RDK-873 é um driver de motor BLDC compacto de 30 W com 95% de eficiência. O estágio do inversor é implementado usando dois CIs BridgeSwitch (BRD1260C) em uma configuração de inversor de onda completa.

Nenhuma das cinco placas requer dissipador de calor.

Este texto foi originalmente escrito por Cristian Ionescu-Catrina, Gerente de Produtos Senior, Power Integrations.

Para mais informações, visite http://motor-driver.power.com/bridgeswitch ou você pode obter suporte local através do representante BP&M.

(*) este post foi patrocinado pela Power Integrations. Acesse mais artigos publicados pela Power Integrations no link.

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