Projetando controles de motor para sistemas robóticos

Um manipulador robótico é programável em três ou mais eixos que especificam os movimentos de um robô, sejam os braços ou o corpo robótico. Esses manipuladores robóticos são controlados e reprogramáveis ​​automaticamente sem modificação física e são adaptáveis ​​a diferentes aplicações do sistema de controle. Originalmente projetado para lidar com aplicações em ambientes hostis ou inacessíveis, os sistemas industriais de hoje são cada vez mais complexos e integram a robótica que executava muitas operações manuais anteriores de maneira mais precisa e rápida do que um ser humano poderia fazer.

Um sistema robótico consiste principalmente em quatro subsistemas:mecânico, atuador, medição e controle. Um desafio importante é que os requisitos de baixa velocidade e alto torque para controle de movimento das articulações não permitem que as características mecânicas dos servomotores sejam alavancadas de forma eficaz, o que, ao contrário, produz alta velocidade e baixo torque em condições operacionais ideais.

Portanto, a função de uma unidade de acionamento é garantir que a velocidade e o torque dos motores e das cargas sejam compatíveis e possibilitar a transferência do torque mecânico de um para o outro. Os componentes da transmissão também permitem melhorar o desempenho estático e dinâmico, iluminando a estrutura mecânica por meio do posicionamento dos motores na base do robô.

O movimento das articulações é confiado a motores que permitem o movimento desejado da estrutura mecânica. Entre os três tipos principais - motores elétricos de ímã permanente, corrente contínua (com escova) e comutação eletrônica (sem escova) - o que melhor otimiza os requisitos de baixa inércia e alta precisão de posicionamento é o motor DC sem escova, ou BLDC.

Figura 1:Um diagrama de motor DC sem escova (Imagem:Portescap)

Os BLDCs não têm comutação mecânica em comparação com motores com escovas que usam comutação mecânica em que armaduras rotativas com escovas são usadas para fazer conexões elétricas.

A redução das partes móveis confere aos motores brushless uma vida longa, limitada apenas pelo desgaste dos rolamentos de esferas. Além disso, os enrolamentos melhoram a dissipação de calor e a capacidade de sobrecarga, oferecendo alta eficiência em comparação com outras soluções CC.

Devido à falta de escovas, um BLDC também exibe excelente durabilidade e características de baixo ruído. Existem dois tipos principais de estruturas:ímã permanente de superfície (SPM) e ímã permanente interno (IPM). Os motores SPM têm os ímãs fixados no exterior da superfície do rotor. Os motores IPM, em vez disso, têm o ímã permanente embutido no próprio rotor.

Motores DC e drivers

Os BLDCs oferecem alta eficiência, mas acima de tudo, excelentes valores de torque e velocidade que são usados ​​em muitas aplicações. Eles usam um ímã estacionário com uma armadura giratória que combina várias partes para fornecer comutação eletrônica.

O projeto de um BLDC visa otimizar o torque, que representa a quantidade de força rotacional de um motor, e está relacionado ao ímã e ao enrolamento da bobina. Quanto maior for o número de pares de pólos no ímã, maior será o torque do motor.

Um exemplo é a plataforma Ultra EC da Portescap, que consiste em três famílias - ECS, ECT e ECP. Essas famílias de minomotores sem escovas, dependendo dos requisitos de torque e velocidade, podem ser usadas em uma variedade de aplicações. A bobina U patenteada oferece perdas mínimas de ferro, o que proporciona boa eficiência e operação mais fria ( Figura 2 )

Figura 2:motor Ultra EC da Portescap (Imagem:Portescap)

Os motores sem escova EC-i da Maxon Motor AG estão disponíveis em pequenos diâmetros adequados para aplicações robóticas. Eles oferecem um diâmetro de 30 mm e são caracterizados por recursos de alta dinâmica e alto torque.

A família EC-i está disponível em vários tamanhos, cada um em uma versão padrão e uma versão de alto torque, com um torque nominal máximo de até 110 mNm a 75 W. Em todas as versões, os motores EC-i 30 podem ser expandidos com codificadores, caixas de engrenagens, servo controladores ou controladores de posicionamento ( Figura 3 )

Figura 3:motor EC-i da Maxon Motor (Imagem:Motor Maxon)

A STMicroelectronics, em conjunto com a Maxon, desenvolveu um novo kit para acelerar o design de aplicações robóticas e industriais. O kit EVALKIT-ROBOT-1 oferece posicionamento preciso em aplicações robóticas.

O kit contém o controlador trifásico inteligente STSPIN32F0A da ST e um estágio inversor completo, construído com transistores de potência ST prontos para conexão ao motor. O STSPIN32F0A contém circuitos de controle de motor críticos, incluindo um microcontrolador STM32F031C6 e um driver inversor trifásico em um pacote VFQFPN compacto de 7 × 7 mm ( Figura 4 )

O firmware de controle do motor permite que os projetistas liguem o motor e comecem a enviar comandos para otimizar facilmente seu projeto. O kit inclui um motor BLDC Maxon de 100 W (EC-i 40) com um codificador incremental de 1024 pulsos embutido. Também estão incluídos os sensores Hall para detecção da posição do rotor.

Figura 4:O kit de desenvolvimento ST EVALKIT-ROBOT-1 (Imagem:STMicroelectronics)

Um motor BLDC é bastante eficiente, mas a pressão para atender às demandas cada vez mais rigorosas exige que as empresas melhorem não apenas a construção do motor, mas também o acionador. Em particular, eles estão trabalhando para reduzir o consumo geral de energia e otimizar o gerenciamento térmico.

Em muitos casos, esses designs incorporam drivers integrados que minimizam o número de componentes externos necessários e soluções de sistema no chip que permitem um alto nível de integração. Os benefícios incluem economia de espaço e energia, maior confiabilidade geral do sistema e custos reduzidos.

Como o BLDC não possui uma estrutura para mudar a direção da corrente mecanicamente, isso deve ser feito eletronicamente. As formas de onda podem ser divididas em dois tipos principais:trapezoidal e sinusoidal. Devido às limitações de temperatura e custos, há casos em que a posição do rotor (ímã) é estimada a partir da corrente trifásica ou da tensão induzida sem a utilização dos sensores.

Os motoristas devem garantir o controle correto do motor para que possam controlar a velocidade e a direção de acordo com a aplicação. Microcontroladores modernos (MCUs) são perfeitos para fornecer o nível de desempenho e funcionalidade computacional necessários para desenvolver loops de controle de alta eficiência para motores elétricos CC (e CA).

Muitos MCUs suportam funções de processamento de sinal que permitem que algoritmos complexos sejam processados ​​em tempo real usando dados de posicionamento. Isso é importante porque cada vez mais aplicativos estão tentando eliminar sensores que fornecem dados de posicionamento. Existem muitos MCUs que possuem periféricos projetados especificamente para aplicações de controle de motores.

Por exemplo, os microcontroladores RL78 / G14 da Renesas Electronics equilibram o nível de consumo de corrente com baixos níveis de drenagem de corrente (66 μ / MHz quando a CPU está em operação e 240 nA em espera, ou modo STOP), oferecendo um desempenho de alto cálculo de 51,2 DMIPS (32 MHz). As funções de segurança integradas suportam o padrão de segurança IEC / UL 60730 para eletrodomésticos.

Nos motores BLDC, o acionamento também se torna mais complexo. A velocidade e o torque são controlados pela relação de duração liga / desliga dos transientes; normalmente, isso assume a forma de um sinal PWM usado para acionar os enrolamentos. Essa condição é ainda mais complicada pelo uso de motores monofásicos, bifásicos e trifásicos. Hoje, muitos dispositivos integrados são usados ​​como estágio de acionamento. Normalmente, eles incluem gate drivers para acionar MOSFETs de alimentação externa que são usados ​​para excitar até três fases de um motor.

O motor requer uma grande quantidade de corrente enquanto o circuito do controlador opera com sinais de baixa corrente. Portanto, a função dos drivers do motor é pegar um sinal de controle de baixa corrente e transformá-lo em um sinal de alta corrente que pode acionar um motor.

A Infineon Technologies AG oferece uma variedade de produtos integrados para controlar drives de velocidade variável. Os ICs iMOTION integram todas as funções de controle e interface analógica necessárias para o controle orientado a campo sem sensores (FOC). Além disso, eles apresentam o algoritmo de motor de controle de motor (MCE) comprovado da empresa que elimina a codificação de software do processo de desenvolvimento de protocolo de controle.

Outra economia de espaço são os drivers de porta inteligente da Texas Instruments Inc. (TI). Esses drivers integram componentes passivos para reduzir o tamanho da placa, a contagem de componentes, a complexidade e os custos de design. Eles também permitem que os projetistas otimizem o desempenho de comutação e interferência eletromagnética (EMI).

Em seu extenso portfólio de drivers, a TI oferece o DRV8313 com três drivers de meia ponte H controláveis ​​individualmente. O dispositivo é projetado para acionar um motor DC sem escova trifásico, embora também possa ser usado para acionar solenóides ou outras cargas. Um comparador integrado permite a construção de circuitos limitadores de corrente ou outras funções.

Outro exemplo é o IC do driver do motor trifásico sem escova TC78B025FTG com uma função de controle de velocidade de malha fechada da Toshiba Electronic Devices &Storage Corp. O dispositivo opera com uma fonte de alimentação na faixa de tensão de 4,5 V a 16 V e fornece uma unidade senoidal com comutação 150 °. A baixa resistência ON de 0,2 Ω (típico) reduz o autoaquecimento do IC durante a operação, estendendo assim o suporte para altas correntes de acionamento.

Isolamento elétrico

Em geral, os projetistas de motores elétricos sabem que devem cumprir os padrões internacionais de isolamento para evitar a interferência de uma fonte externa e para garantir a segurança elétrica dos usuários. O uso de isolamento digital oferece vários benefícios, incluindo resposta mais rápida, que permite a integração de proteção de sobrecorrente e redução do tempo de inatividade. Isso fornece uma variação mais progressiva nas tensões de saída, melhorando assim o controle de torque.

Como os fotoacopladores são baseados em tecnologia optoeletrônica, eles são um método extremamente robusto de garantir o isolamento elétrico sem nenhum contato físico. Isso oferece muitas vantagens em relação à abordagem tradicional baseada no uso de componentes eletromecânicos, como relés. Os principais benefícios incluem operação sem desgaste, custo relativamente baixo de componentes complementares, espaço mínimo na placa, imunidade a EMI, alta confiabilidade e longa vida útil.

Em aplicações de acionamento de motor, duas partes principais do circuito requerem isolamento:o acionamento de porta para o transistor bipolar de porta isolada ou IGBT (dispositivos com um coletor e emissor de um lado e acionados por uma porta do outro), em inversores de ponte e a detecção de fase atual no motor. A detecção de corrente de fase fornece proteção ao IGBT e feedback ao controlador para manter o controle sobre a corrente de malha fechada.

Aqui estão alguns exemplos de fotocacopladores que podem ser usados ​​em aplicações robóticas:

Os fotoacopladores RV1S92xxA e RV1S22xxA, com comprimento de embalagem de 2,5 mm, da Renesas Electronics Corp. permitem que a área do PCB seja reduzida em 35% em comparação com dispositivos semelhantes, ajudando os designers a reduzir o tamanho de seus sistemas robóticos. Graças ao seu isolamento reforçado, o RV1S92xxA e o RV1S22xxA permitem que os sistemas 200-V e 400-V excedam os padrões de segurança. Todos os dispositivos estão em conformidade com os rigorosos padrões de controle de motor UL61800-5-1 e UL61010-2-201, que se aplica a sistemas de controle como PLCs ( Figura 5 )

Figura 5:vista em seção transversal de RV1S92xxA e RV1S22xxA da Renesas Electronics (Imagem:Renesas)

O TLP5214 da Toshiba é um fotocacoplador de unidade de porta IGBT de corrente de saída 4-A altamente integrado alojado em um pacote SO16L. O TLP5214 possui recursos integrados avançados, como detecção de dessaturação de IGBT, feedback de status de falha isolado, desligamento de IGBT suave, bloqueio Miller ativo e bloqueio de subtensão (UVLO). É adequado para acionar IGBTs e MOSFETs de potência usados ​​em aplicações de inversores.

Conclusão

Quer o motor seja usado em ambientes operacionais industriais ou não industriais, o projeto de controles de movimento de última geração com recursos de posicionamento preciso é complexo e requer soluções de acionamento extremamente confiáveis ​​e construção mecânica ideal.

Nos anos mais recentes, os motores elétricos também foram associados a aplicações robóticas emergentes, como drones e Agriculture 4.0, que viram avanços acelerados graças a novos sistemas de manufatura, como prototipagem rápida, sistemas operacionais dedicados e sistemas de controle integrados.