Soluciones de hardware y software para el control eficiente de motores

Con el rápido desarrollo de la automatización industrial, la electrificación de vehículos y las tecnologías de hogares inteligentes, la tecnología de control de motores eficiente se ha convertido en una parte indispensable de la ingeniería moderna. Como dispositivo central para la conversión de energía y el impulso de potencia, la eficiencia, fiabilidad e inteligencia de los motores afectan directamente el rendimiento general del sistema. Por lo tanto, diseñar una solución integral de hardware y software para el control eficiente de motores no solo puede reducir el consumo de energía, sino también lograr un control preciso para satisfacer diversas necesidades de aplicación. Este artículo presentará las tendencias de desarrollo en la tecnología de control de motores, así como las ventajas y soluciones de NXP y Arrow en este campo.

Los accionamientos de motor se requieren a menudo en aplicaciones industriales e IoT, donde la demanda de eficiencia energética impulsa el crecimiento de las clasificaciones de energía eléctrica y bombas de calor, lo que lleva a una necesidad creciente de sistemas de baja potencia. Esto requiere accionamientos de voltaje ultrabajo y sistemas basados en baterías para cumplir con la tendencia de desarrollo de sostenibilidad. Además, la demanda de motores de accionamiento eficientes también ha aumentado, requiriendo varios tipos de motores emergentes y algoritmos de control eficientes. En términos de control síncrono, la creciente demanda de redes industriales y control de movimiento multi-eje impulsará la búsqueda de la eficiencia de los accionamientos.

Por otro lado, con la creciente demanda de seguridad y protección, los sistemas están poniendo más énfasis en la seguridad funcional y la ciberseguridad, esforzándose por la robustez, el mantenimiento predictivo y el cumplimiento de los estándares industriales para mejorar la fiabilidad del sistema.

Sin embargo, el control de motores también enfrenta numerosos desafíos del mercado, como la fragmentación del mercado, una amplia variedad de casos de uso y la creciente demanda en el mercado de electrodomésticos de reducir los costos de la lista de materiales o de diseño. Además, hay desafíos relacionados con los requisitos de seguridad funcional industrial, los diferentes niveles de experiencia entre los clientes de control de motores, la aparición de numerosas herramientas y software distintos de control de motores, así como soluciones a nivel de sistema en la etapa de potencia, todo lo cual presenta desafíos para las aplicaciones de control de motores.

Existen muchos tipos de control de motores, incluyendo motores de corriente continua con escobillas, motores paso a paso, motores de corriente continua sin escobillas (BLDC), motores síncronos de imán permanente (PMSM) y motores de inducción de corriente alterna (ACIM), que cubren varios mercados verticales. Las principales tendencias que impulsan el crecimiento en estos mercados incluyen la búsqueda de eficiencia energética, la necesidad de bombas de calor y controladores de motores de ultra baja tensión, y la tendencia hacia la automatización, lo que incrementa la demanda de servoaccionamientos, robots móviles y herramientas eléctricas. Además, existen mercados clave de crecimiento que impulsan la diferenciación tecnológica, incluyendo tecnologías de control de motores similares que abarcan múltiples mercados verticales, evolucionando hacia aplicaciones de baja velocidad y alto par, y carga variable. Actualmente, las principales tendencias en los mercados de crecimiento indican que el enfoque de los tipos de motores se está desplazando hacia BLDC y PMSM.

Los productos de control de motores de NXP adoptan un enfoque de "golpe uno-dos" que integra hardware y software. La gama de productos va desde el portafolio MCX de nivel de entrada y principal, que admite velocidades de hasta 48 MHz, hasta los MCUs i.MX RT crossover que alcanzan hasta 1 GHz. Además, los procesadores de aplicaciones i.MX, diseñados para el control de motores combinado con control de movimiento, presentan núcleos Cortex-A + Cortex-M. Su subsistema de control de motores incluye ADC de alta velocidad sincronizados por hardware, PWM de control de motores, amplificadores operacionales/amplificadores de ganancia programables (PGA) e interfaces de codificadores. Este subsistema permite un procesamiento escalable para optimizar la experiencia de desarrollo de control de motores.

En comparación con los competidores, NXP tiene una ventaja diferenciada. Por ejemplo, los MCUs i.MX RT crossover funcionan a una frecuencia de hasta 1 GHz, lo que permite un control de motor de alta dinámica. El MPU i.MX 94 cuenta con un núcleo en tiempo real para el control de motores integrado a movimiento, capaz de realizar un procesamiento ultraeficiente. Además, NXP ofrece un subsistema unificado de control de motores con propiedad intelectual de NXP específicamente diseñado para el control de motores, que puede ser escalable a lo largo de sus carteras de productos MCU y MPU.

Las soluciones de control de motores de NXP optimizan los costos de aplicación con PGA integrado y decodificadores de posición en chip. Los MCUs de cruce i.MX RT también ofrecen el mayor número de DMIPs por dólar y ofrecen capacidades de integración orientadas al caso de uso, como redes industriales gigabit para servoaccionamientos en fábricas conectadas y funciones eIQ® AI/ML para el mantenimiento predictivo del motor y la detección de anomalías. Además, estas soluciones permiten la creación rápida de prototipos mediante la identificación y ajuste del motor, respaldados por ejemplos de SDK fáciles de comenzar, ayudando a acelerar el tiempo de comercialización.

NXP ofrece productos de soluciones por capas. En la prueba de concepto, ayuda a los clientes a demostrar un concepto o idea, verificando la disponibilidad limitada de hardware, pruebas básicas y firmware. Los clientes reciben un ejemplo de firmware/esquemáticos para iniciar sus proyectos y aumentar la confianza en la compatibilidad del dispositivo.

Para los diseños de referencia, NXP proporciona soluciones de referencia optimizadas adaptadas a casos de uso específicos de los clientes, incluyendo hardware disponible a través de todos los canales, certificaciones regulatorias, y capacitación y soporte para software probado y mantenido. Los clientes obtienen ejemplos de hardware/esquemas para proyectos de desarrollo, aumentando la confianza en la implementación y las pruebas, junto con ejemplos completos de software/firmware para acelerar el tiempo de comercialización.

La plataforma de desarrollo FRDM de NXP ofrece placas expansibles de bajo costo, que son soluciones escalables fáciles de construir y accesibles a través de varios canales y socios. Proporciona capacitación, soporte y software de referencia, lo que permite a los clientes escalar fácilmente para diferentes casos de uso. Los productos permiten un rápido tiempo de salida al mercado, cuentan con un amplio soporte de mercado y ofrecen múltiples ejemplos.

El i.MX RT1180 de NXP es un MCU de alta gama con un núcleo Arm® Cortex®-M7 de alto rendimiento con una velocidad de reloj de hasta 800 MHz y un núcleo Cortex®-M33 de bajo consumo energético con una frecuencia de hasta 240 MHz. El i.MX RT1180 cuenta con funcionalidad de puerta de enlace industrial, soporta protocolos industriales en tiempo real (Profinet, EtherCAT, EtherNet/IP, etc.) e implementa el último protocolo de red de tiempo sensible gigabit (TSN) a través de un subsistema de conmutación Ethernet avanzado y 1.5 MB de RAM integrada con protección ECC. El i.MX RT1180 también integra módulos avanzados de gestión de energía, incluidos reguladores DC DC y LDO, reduciendo la complejidad de las fuentes de alimentación externas y simplificando la secuencia de potencia. Además, tiene un gran subsistema que puede soportar múltiples aplicaciones, incluyendo interfaces de almacenamiento e interfaces de conectividad (CAN-FD, LPUART, LPSPI, LPI2C, FlexIO, etc.).

i.MX RT1180 de NXP es un microcontrolador (MCU) de tiempo real de doble núcleo de cruce con un conmutador TSN y seguridad EdgeLock®, utilizando núcleos Arm® Cortex®-M7 y Arm® Cortex®-M33 para un alto rendimiento y capacidades de control en tiempo real. El i.MX RT1180 integra conmutadores TSN y controladores SubDevice EtherCAT, haciéndolo ideal para aplicaciones de comunicación industrial y automotriz.

El i.MX RT1180 CM7 opera a una frecuencia de hasta 800 MHz, y el CM33 opera a una frecuencia de hasta 240 MHz, con 1.5 MB de RAM incorporada. Esta familia admite múltiples protocolos, permitiendo el puente de comunicación entre Ethernet en tiempo real y sistemas de la Industria 4.0. El i.MX RT1180 también ofrece seguridad avanzada de la información, integrando EdgeLock® Secure Enclave de NXP. La familia i.MX RT1180 es compatible con la experiencia de desarrollo MCUXpresso, que incluye SDK, opciones de IDE, programación y aprovisionamiento seguros, y herramientas de configuración para un desarrollo rápido.

NXP puede asistir a los desarrolladores de control de motores en una serie de procesos, comenzando con la configuración del sistema, seguido del modelado del motor, que se puede ajustar a través de la aplicación de ajuste de control de motores FreeMASTER (MCAT). El tercer paso implica la sintonización del motor, que se puede depurar en tiempo de ejecución usando FreeMASTER con MCAT. Posteriormente, se puede realizar la entrega de software utilizando los ejemplos de código de control de motores en el MCUXpresso SDK, lo que lleva al lanzamiento del producto final.

FreeMASTER es una herramienta de monitoreo y visualización de datos en tiempo real para el desarrollo de aplicaciones y la gestión de información. Incluye osciloscopios, almacenamiento en tiempo real y capacidades de control de paneles, ofreciendo facilidad de uso y alta escalabilidad. Soporta control básico y visualización sin cambios en el código, middleware para implementaciones más poderosas, soporte completo para paneles y scripts personalizados en HTML/JavaScript, intercambio de datos con otras aplicaciones y varias opciones de interfaz, incluyendo UART, CAN, BDM/PD-BDM, y SWD o interfaces personalizadas. Puede ejecutarse en cualquier plataforma con una interfaz serial disponible. FreeMASTER Lite soporta paneles de control remoto en plataformas no Windows.

MCAT es una herramienta complemento para FreeMASTER que funciona con FreeMASTER para habilitar la supervisión en tiempo real, ajuste y actualización de parámetros de control en aplicaciones de control de motores. MCAT puede ajustar parámetros de control para el motor/aplicación objetivo, sintonizar dinámicamente y actualizar parámetros de control, y generar archivos de encabezado con configuraciones de parámetros estáticos ajustados. Es independiente del MCU y de la aritmética (16-bit/32-bit, Fix/Flt).

Para acelerar la velocidad de desarrollo de productos de los clientes, el kit de desarrollo SEED-RT118X, desarrollado por Arrow Electronics, es un kit de herramientas de desarrollo para el control inteligente de motores TSN/EtherCAT. El MCU integrado i.MX RT1180 viene con un avanzado enclave seguro EdgeLock y se basa en una arquitectura de doble núcleo Cortex-M7 de 800 MHz y Cortex-M33 de 240 MHz para lograr flexibilidad de diseño. Esta serie incluye un conmutador TSN, que soporta una rica integración de redes en tiempo real y manejo de comunicación industrial en tiempo real y sensible al tiempo. El i.MX RT1180 admite múltiples protocolos, puenteando la comunicación entre Ethernet en tiempo real y los sistemas de la Industria 4.0. El SEED-RT118X integra funcionalidades de Ethernet, EtherCAT, CAN, USB y SD, y cuenta con cuatro conectores que pueden soportar de manera independiente tarjetas adicionales de control de motores.

La placa SEED-RT118X Ethernet tiene un total de 5 puertos Ethernet, donde ETH0 y ETH4 son puertos de 100 Mbps, y los otros tres son puertos gigabit. ETH0 - ETH3, estos cuatro puertos, se conectan a un conmutador TSN de 4 puertos dentro del RT 118X. ETH4 se conecta a un GMAC TSN dentro del RT 118X. Los puertos Ethernet ETH0 y ETH4 de la placa SEED-RT118X EtherCAT pueden configurarse como interfaces EtherCAT ECAT0 y ECAT1. Al modificar los resistores de la placa, la interfaz PHY puede seleccionarse como RMII o MII. EtherCAT ofrece alta velocidad de comunicación, buen rendimiento de sincronización, estructura de topología flexible, alto rendimiento en tiempo real, alta fiabilidad y estabilidad.

La placa de interfaz de control de motor SEED-RT118X también reserva cuatro interfaces de control de motor con las mismas definiciones de pines. Cuando se combina con placas de controladores específicos, esta solución de aplicación basada en el NXP i.MX RT1189 puede utilizarse para el control de motores servos de CC de 24V-48V, BLDC y motores paso a paso.

The SEED-RT118X TSN can perform GPTP clock synchronization, test RT118X GPTP clock synchronization parameters, and handle SEED-RT118X TSN data transmission and reception. It can send timestamped data to test the RT118X network stack's processing delay and forwarding delay. The SEED-RT118X TSN switch can configure the VLAN, forwarding table, and traffic scheduling functions of the RT118X TSN switch. Through testing, the maximum error of SEED-RT118X GPTP clock synchronization parameters is ±39.98 ns, the average error is 2.556 ns, and the total processing delay and forwarding delay of the SEED-RT118X network stack are about 36 µs.

El control eficiente de motores no solo es una dirección para la innovación tecnológica, sino también un factor clave en la promoción de la conservación de energía, la reducción de emisiones y las aplicaciones inteligentes. A través del diseño colaborativo de hardware y software, los ingenieros pueden lograr una operación más eficiente y confiable de los motores, satisfaciendo las crecientes demandas de rendimiento en diversas industrias. Al mismo tiempo, con los continuos avances en algoritmos de control, rendimiento de procesadores y herramientas de desarrollo, la barrera para diseñar sistemas de control eficiente de motores se está reduciendo gradualmente, trayendo oportunidades innovadoras a más escenarios de aplicación. Las soluciones de control de motores de NXP y Arrow presentadas en este artículo desempeñarán un papel irremplazable en la competencia tecnológica global y el desarrollo sostenible, ayudando a crear una vida tecnológica mejor.