La eficiencia de los motores de accionamiento eléctrico en aplicaciones industriales es solo tan buena como la de los circuitos que los controlan. Para el control del motor es fundamental un bloque electrónico de potencia, y para el bloque electrónico de potencia son fundamentales los sensores que miden la corriente, la tensión y la posición. En este artículo de Analog Devices, explore cómo la retroalimentación de corriente y la medición de tensión del bus de CC pueden convertirse en parte del circuito de control de su motor eléctrico.
Los inversores de potencia y los bloques electrónicos de potencia son el corazón de cada motor. Estos proporcionan el elemento de potencia controlable que permite la modulación de la potencia al motor, de modo de poder controlar su velocidad y par con precisión. Por tanto, el control del inversor es fundamental para todo el funcionamiento del controlador.
Para cualquier sistema de control de bucle cerrado, generalmente se necesita un punto de ajuste (por ejemplo, el punto de funcionamiento deseado) y una variable medida (conocida como retroalimentación) con la cual compararlo, de modo que el bucle de control pueda responder a cualquier diferencia entre estos. En los controladores, las variables medidas clave suelen ser la corriente del motor y la posición del motor. Otras variables, como la tensión del bus de CC, son útiles para el funcionamiento del bucle de control. Examinemos la retroalimentación de corriente y la medición de la tensión del bus de CC a medida que se manifiestan dentro de la etapa del inversor, como se indica nuevamente en nuestro diagrama de arquitectura a continuación.
Figura 1: Diagrama de arquitectura del servoaccionamiento
Lo importante en la ruta de retroalimentación de corriente es que la medición esté sincronizada con el ciclo de modulación por ancho de pulsos (PWM) para que no se introduzca ninguna ondulación de corriente de conmutación de alta frecuencia en la ruta de retroalimentación. Esto requiere una sincronización precisa del muestreo actual, de modo que la muestra se tome en el punto medio de la forma de onda. En este punto de la forma de onda, la corriente instantánea es igual al promedio del ciclo de PWM, y la medición no incluirá ninguna corriente de ondulación de conmutación de PWM.
Esto se ilustra en la Figura 2 de manera simplificada, donde se muestra el punto de muestreo en la forma de onda de la corriente de fase, junto con su alineación relativa con la forma de onda de conmutación del lado alto de PWM y el período de conmutación Tsw. El pulso PWM_SYNC indica el punto en el que se debe activar el muestreo de la corriente en este escenario (esto también puede entenderse como el punto central del filtro digital en el caso en que se utilice muestreo tipo ADC sigma-delta que no sea una muestra de un solo punto; consulte [1]).
Figura 2: Muestreo del punto medio de la corriente del motor
También se requiere un muestreo simultáneo de al menos dos fases y, por lo general, una resolución de medición de 14 a 16 bits es suficiente, con una latencia de nivel de microsegundos para que el bucle de control pueda responder dentro del tiempo de ciclo de PWM (Tsw) o en la mitad del tiempo de ciclo para bucles de control de rendimiento más altos.
Hay algunas formas diferentes de implementar la medición de corriente, las cuales se muestran en la Figura 3 y se describen en la tabla a continuación, junto con algunos números de pieza de ejemplo para implementar el esquema para una aplicación de 20 A. La ubicación más precisa para medir la corriente del motor es en las fases reales del motor, es decir, las líneas de salida del inversor, pero esto normalmente requiere aislamiento galvánico, debido a la alta tensión presente en estos nodos. Las mediciones de corriente del motor se pueden inferir desde otras ubicaciones, como la pata del inversor y el riel positivo o negativo del bus de CC; sin embargo, estas ubicaciones de medición, si bien son potencialmente más económicas de implementar, tienen otras desventajas asociadas.
Figura 3: Opciones de retroalimentación de corriente
| Descripción | Comentarios | Piezas de ejemplo (20 A) | |
| 1 | Resistor de derivación en serie + amplificador operacional de tensión de modo común (CMV) alta + ADC de muestreo simultáneo (SSADC) | Generalmente se usa en aplicaciones < 100 V, ya que los amplificadores operacionales de CMV alta generalmente están clasificados para este rango. | CFN1206AFXR010 (Bourns) AD8410 (ADI) MAX11195(ADI) |
| 2 | Resistor de derivación en serie + ADC aislado | La mejor solución en cuanto a inmunidad al ruido, tamaño y rendimiento. Salida de flujo de bits: necesita filtro digital | CFN1206AFXR010 (Bourns) ADuM7701-8 |
| 3 | Sensor de corriente aislado + amplificador operacional + SSADC | Buena solución para niveles de corriente más altos donde los resistores de derivación se vuelven demasiado ineficientes. | HMSR 20-SMS (LEM) AD8515 (ADI) AD7380 (ADI) |
| 4 | Resistor de derivación de la pata + amplificador operacional + SSADC | La solución más económica, ya que no se necesita aislamiento si el controlador está conectado a tierra en el bus de CC. Menos preciso que la derivación en fase. | CFN1206AFXR010 (Bourns) MAX4477 (ADI) MAX11195 (ADI) |
La retroalimentación de corriente de alta fidelidad y precisión es importante para el circuito de control general del inversor. Tiene un gran impacto en el ancho de banda de control general y en la ondulación del par de torsión. El ancho de banda se traduce en un rendimiento transitorio más rápido del control del motor, lo que puede ser muy importante en aplicaciones como máquinas de recogida y colocación. La ondulación del par de torsión se traduce en efectos como la calidad del mecanizado y la tolerancia del acabado en aplicaciones como esmerilado, corte y pulido.
Si bien la retroalimentación de corriente es la variable de retroalimentación más importante del inversor al controlador, la tensión del bus de CC también puede ser valiosa como variable de proalimentación de control. No se usa como una cantidad controlada, pero debido a que la variación en la tensión del bus de CC afecta la dinámica del bucle de control de corriente, se puede usar como una variable de proalimentación, lo que mejora la dinámica del controlador de corriente general. El resultado final de esto es como se muestra en la Figura 4.
Figura 4: Diagrama de bloques del controlador de corriente
La señal de detección de tensión del bus de CC se puede derivar directamente de un divisor de tensión a través del bus de CC si la conexión a tierra del controlador está en el negativo del bus de CC, o bien mediante el uso de un amplificador aislado o ADC (como el ADuM7701 mencionado anteriormente) conectado a la salida del divisor de tensión.
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