Dispositivos de bandgap amplo aprimoram o projeto de controle do motor

Os sistemas de controle do motor consistem em componentes de software e hardware, incluindo IGBTs, semicondutores WBG e MCUs, que estão se tornando cada vez mais complexos.

O controle do motor desempenha um importante papel estratégico no desenvolvimento tecnológico da Indústria 4.0. Uma das principais preocupações no desenvolvimento industrial é o uso de energia. O consumo de eletricidade está crescendo significativamente devido em parte à demanda elétrica dos motores elétricos industriais. Como resultado dessas demandas crescentes, a busca por soluções eficientes na área de controle de motores é uma prioridade para desenvolvedores e fabricantes de componentes.

Junto com o consumo de energia, a complexidade do projeto está aumentando devido aos rígidos requisitos de controle que envolvem muitas tecnologias eletrônicas que exigem esforços significativos. Um exemplo é o uso de materiais wide-bandgap (WBG).

Do ponto de vista funcional, o controle motor consiste em vários níveis. Por exemplo, o controle de movimento requer a execução de algoritmos de controle muito sofisticados e computacionalmente intensivos. O controle do motor cobre uma ampla gama de aplicações, desde o simples controle de ventiladores e bombas até os problemas mais complexos de controle industrial, incluindo robótica e servomecanismos. Aqui, damos uma olhada nos principais componentes de um sistema de controle de motor.

Motores e drivers

Os motores DC são os mais comuns, pois são mais baratos e consistem em um estator (parte fixa) - ou seja, o ímã permanente - e uma parte móvel (o rotor), que abriga o enrolamento conectado ao comutador que fornece a corrente. O controle de velocidade do motor é obtido regulando a corrente contínua. Para este propósito e dependendo da natureza da aplicação, são usados ​​conversores de ponte completa, meia ponte ou abaixador para acionar o motor CC.

Um motor CA consiste basicamente em um transformador com a seção primária conectada à tensão CA e a seção secundária, que conduz a corrente secundária induzida. Eletrônica baseada em microprocessador, um inversor e condicionamento de sinal são usados ​​para controlar a velocidade deste motor.

O controlador é um dispositivo eletrônico que atua como um “cérebro” em um sistema de controle. O número de controladores usados ​​varia de acordo com a quantidade de processos individuais que precisam ser controlados. Para um sistema complexo, pode haver vários controladores. Cada um desses controladores pode enviar comandos aos motores e, ao mesmo tempo, receber instruções dos próprios atuadores.

Os sistemas robóticos usados ​​em aplicações industriais usam principalmente motores trifásicos alimentados por tensão alternada (CA). Como exemplo, Fig. 1 mostra o diagrama de blocos de um circuito de controle eletrônico no qual um microcontrolador dedicado (MCU) gera um sinal PWM. Como alternativa ao MCU, as soluções DSP ou FPGA são mais adequadas para a implementação de algoritmos de filtragem digital complexos.

Figura 1:Diagrama de blocos de um controle de motor de indução trifásico alimentado por CA (Fonte:Texas Instruments)

Um exemplo de controlador para motores DC é o TMCM-1637 5- A RMS da Trinamic e os módulos tipo slot TMCM-1638 7-A RMS com dois controladores / drivers orientados a campo que adicionam funcionalidade de codificador Hall e ABN para controle orientado a campo (ou vetor ao controle). Esses módulos suportam motores DC monofásicos, motores de passo bipolares bipolares e motores DC sem escova trifásicos (BLDC) ( Fig. 2 )

IGBTs

Os transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) incorporam uma inovação real na eletrônica de controle de energia elétrica. Como soluções de comutação, a inovação vem da alta frequência de comutação. Os IGBTs representam a funcionalidade básica dos dispositivos de controle de energia elétrica adequados para resolver problemas complexos de controle do motor.

As soluções mais recentes desenvolveram uma excelente relação entre velocidade de chaveamento e estabilidade de comportamento em condições de uso particularmente extremas, como no setor automotivo na implementação de inversores para acionamento de motores elétricos. Um exemplo é a série 1.200 V IGBT S da STMicroelectronics. Esses IGBTs são otimizados para uso em baixas frequências (até 8 kHz) e são caracterizados por uma baixa V _{ce (sat)} . A série IGBT S de 1.200 V é baseada na tecnologia de parada de campo de trincheira de terceira geração.

GaN e SiC

No entanto, os materiais WBG, nitreto de gálio e carboneto de silício, estão fazendo incursões em aplicações de controle de motores como um substituto para dispositivos baseados em silício. Na eletrônica de potência, as principais vantagens oferecidas pelos materiais WBG incluem menores perdas de energia, maior eficiência, maiores frequências de chaveamento, tamanho mais compacto, temperatura de operação mais alta (bem além do limite superior de 150 ° C alcançável pelo silício), maior confiabilidade em condições operacionais difíceis , e altas tensões de ruptura.

Por exemplo, a maior mobilidade de elétrons de um transistor de alta mobilidade de elétrons (HEMT) de GaN se traduz em uma maior velocidade de comutação, pois as cargas que normalmente se acumulam nas juntas podem ser dispersas mais rapidamente. Os tempos de subida mais rápidos, menor resistência de dreno para a fonte (R _{DS (on)} ), e portas reduzidas e capacitância de saída alcançáveis ​​com GaN, todos contribuem para suas baixas perdas de comutação e capacidade de operar em frequências de comutação até 10 × mais altas do que o silício.

A redução das perdas de energia traz benefícios adicionais, como distribuição de energia mais eficiente, menos dissipação de calor e sistemas de resfriamento mais simples. Muitas aplicações de controle de motor requerem um ventilador para fornecer resfriamento de ar forçado para operar dentro dos limites operacionais seguros do dispositivo. Usando GaN, a dissipação de energia pode ser reduzida e permitir a operação "sem ventoinha", o que é particularmente importante em aplicações de baixo peso, como drones eletrônicos.

Em aplicações de energia industrial, os projetistas eletrônicos podem obter benefícios usando também MOSFETs de SiC, que oferecem melhorias de eficiência significativas, tamanho de dissipador de calor menor e custo mais baixo do que as soluções tradicionais baseadas em Si, como IGBTs. A tecnologia SiC atinge um R _{DS (ligado)} muito baixo por unidade de área, altas frequências de comutação e perdas de energia insignificantes durante a fase de recuperação reversa que ocorre após o desligamento do diodo do corpo.

O uso de dispositivos SiC no controle de motores e aplicações de controle de energia elétrica é um verdadeiro avanço graças a recursos como economia de energia, redução de tamanho, maior integração e confiabilidade. Esses recursos os tornam adequados para setores de alta confiabilidade, como controle de automação automotiva e industrial.

Em acionamentos industriais, atenção especial deve ser dada às velocidades de comutação para ligar e desligar. Na verdade, SiC MOSFET dV / dt pode atingir níveis muito mais elevados do que IGBTs. Se não for tratada adequadamente, a alta comutação dV / dt aumenta os picos de tensão em cabos longos do motor e pode gerar correntes parasitas de modo comum e diferencial que, com o tempo, introduzem falhas no isolamento do enrolamento e nos rolamentos do motor. Embora a ativação / desativação mais rápida melhore a eficiência, o dV / dt típico em drives industriais costuma ser definido em 5 a 10 V / ns por motivos de confiabilidade.

Uma comparação conduzida pela STMicroelectronics em dois transistores de potência de 1,2 kV semelhantes - um SiC MOSFET e um IGBT baseado em Si - provou que o dispositivo SiC MOSFET pode garantir muito menos perda de energia para ligar e desligar, em comparação com o Si IGBT, mesmo sob as condições impostas de 5 V / ns ( Fig. 3 )

Figura 3:Unidade baseada em inversor trifásica de dois níveis (Fonte:STMicroelectronics)

O uso de dispositivos SiC no controle de motores e aplicações de controle de energia elétrica em geral é um verdadeiro avanço graças a recursos como economia de energia, redução de tamanho, oportunidades de integração e confiabilidade. Entre outras opções, agora é possível usar a frequência de chaveamento ideal no circuito do inversor para o motor conectado, o que leva a vantagens importantes no projeto do motor.

Por exemplo, os MOSFETs CoolSiC baseados em SiC da Infineon Technologies com tecnologia de interconexão .XT em um pacote SMD D²PAK-7 otimizado de 1.200 V permite o resfriamento passivo em segmentos de acionamento de motor crítico de densidade de potência como servo drives, apoiando assim a indústria de robótica e automação na implementação de inversores de motor sem manutenção e sem ventilador ( Fig. 4 )

Na automação, as soluções fanless possibilitam novas oportunidades de design, impulsionadas pelo fato de economizar custos e esforços com manutenção e materiais. A solução de chip MOSFET de trincheira CoolSiC da Infineon com a tecnologia de interconexão .XT oferece recursos térmicos atraentes em um formato pequeno, tornando-o adequado para integração de unidade em um braço robótico, por exemplo. Os dispositivos CoolSiC MOSFET SMD têm um tempo de resistência a curto-circuito de 3 µs e são classificados de 30 mΩ a 350 mΩ. Isso atende aos requisitos de servo motores.

Figura 4:Redução da perda de condução em todos os modos operacionais (Fonte:Infineon Technologies)

Microcontroladores

As soluções de controle de motor consistem em componentes de hardware e software. O componente de hardware são dispositivos de controle eletrônico, como IGBTs, MOSFETs de SiC e GaN, diodos de energia, etc., enquanto o componente de software aborda o controle do hardware, que está se tornando cada vez mais complexo e sofisticado. A disponibilidade de arquiteturas de computação que são otimizadas para o controle e gerenciamento de dispositivos de energia permite que os desenvolvedores obtenham um desempenho que de outra forma não seria possível no campo de controle.

Alguns exemplos vêm da NXP Semiconductors e da Renesas Electronics. A família MPC57xx da NXP de processadores de 32 bits é baseada na tecnologia Power Architecture para aplicações automotivas e industriais de trem de força, além de outras possibilidades de controle automotivo e gerenciamento funcional. Os processadores oferecem qualidade AEC-Q100, proteção de criptografia de segurança on-chip para proteção contra violação e suporte de segurança funcional ASIL-D e SIL-1 (ISO 26262 / IEC 61508). Eles fornecem Ethernet (FEC), FlexRay de canal duplo e até 6 SCI / 8 DSPI / 2 I ² C para diferentes protocolos de comunicação.

A Renesas oferece os MCUs RA6T1 de 32 bits baseados no núcleo Arm Cortex-M4 para operar a 120 MHz com uma coleção de periféricos otimizados para alto desempenho e controle de motor de precisão. Um único MCU RA6T1 pode controlar simultaneamente até dois motores BLDC. Além disso, a estrutura do Google TensorFlow Lite Micro para aplicativos TinyML adiciona detecção de falha aprimorada aos MCUs RA6T1, oferecendo aos clientes um sistema de motor sem sensores inteligente, fácil de usar e econômico para manutenção preditiva.

Os requisitos do motor variam dependendo da aplicação, que pode precisar ser otimizada e ajustada para um caso de uso específico. O mercado oferece várias soluções em termos de IGBTs, semicondutores WBG e MCUs para atender a esses requisitos. No entanto, é necessário desenvolver um novo hardware que libere tarefas críticas em tempo real do processador, enquanto permite mais diagnósticos, manutenção preditiva e IA e sistemas de segurança funcional.

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, Power Electronics News.

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