Engenharia de Controles de Motor Precisos para Sistemas Robóticos Avançados

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

Um sistema robótico consiste primariamente de quatro subsistemas: mecânico, atuador, medição e controle. Um desafio-chave é que os requisitos de baixa velocidade e alto torque para controle de movimento das juntas não permite que as características mecânicas dos servomotores sejam aproveitadas efetivamente, o que, contrariamente, produz alta velocidade e baixo torque sob condições ótimas de operação.

Portanto, a função de uma unidade de acionamento é garantir que a velocidade e o torque dos motores e das cargas sejam compatíveis e permitam a transferência de torque mecânico de um para o outro. Os componentes de transmissão também tornam possível melhorar desempenho estático e dinâmico aliviando a estrutura mecânica através do posicionamento dos motores na base do robô.

O movimento da junta é confiado a motores que permitem o movimento desejado da estrutura mecânica. Entre os três tipos-chave — ímã permanente, corrente contínua (escovado) e comutação eletrônica (brushless) — o que melhor otimiza os requisitos para baixa inércia e alta precisão de posicionamento é o motor DC brushless, ou BLDC.

Figura 1: Diagrama de motor DC brushless (Imagem: Portescap)

BLDCs não têm comutação mecânica comparado a motores escovados que usam comutação mecânica na qual armaduras rotativas com escovas são usadas para fazer conexões elétricas.

A redução de partes móveis dá aos motores brushless vida longa, limitada apenas pelo desgaste dos rolamentos de esferas. Adicionalmente, os enrolamentos melhoram dissipação de calor e capacidade de sobrecarga, oferecendo alta eficiência comparado a outras soluções DC.

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

Motores DC e drivers

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

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

Um exemplo é a plataforma Ultra EC da Portescap, consistindo de três famílias — ECS, ECT e ECP. Estas famílias de mini motores brushless, dependendo de requisitos de torque e velocidade, podem ser usadas em uma gama de aplicações. A patenteada bobina U oferece perdas de ferro mínimas, o que entrega boa eficiência e operação mais fria (Figura 2).

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

Motores brushless EC-i da Maxon Motor AG estão disponíveis em diâmetros pequenos adequados para aplicações robóticas. Oferecem 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 versão padrão e versão high-torque, com torque nominal máximo de até 110 mNm a 75 W. Em todas as versões, os motores EC-i 30 podem ser expandidos com encoders, redutores, controladores servo ou controladores de posicionamento (Figura 3).

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

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

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

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

Um motor BLDC é bastante eficiente, mas a pressão para atender demandas cada vez mais rigorosas requer que empresas melhorem não apenas a construção do motor mas também o driver. Em particular, trabalham para reduzir consumo total de energia e otimizar gerenciamento térmico.

Em muitos casos, estes designs incorporam drivers integrados que minimizam o número de componentes externos requeridos e soluções system-on-chip que permitem alto nível de integração. Benefícios incluem economia de espaço e energia, confiabilidade geral do sistema melhorada e custos reduzidos.

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

Drivers devem garantir controle correto do motor para que possam controlar velocidade e direção adequadamente na aplicação. Microcontroladores (MCUs) modernos são perfeitos para fornecer o nível de desempenho e funcionalidade computacional necessários para desenvolver loops de controle de alta eficiência para motores elétricos DC (e AC).

Muitos MCUs suportam funções de processamento de sinal que permitem algoritmos complexos serem processados em tempo real usando dados de posicionamento. Isso é importante porque cada vez mais aplicações tentam eliminar sensores que fornecem dados de posicionamento. Existem muitos MCUs que têm periféricos especificamente projetados para aplicações de controle de motor.

Por exemplo, microcontroladores RL78/G14 da Renesas Electronics balanceiam nível de consumo de corrente com baixos níveis de dreno de corrente (66 μA/MHz quando CPU em operação e 240 nA em standby, ou modo STOP), oferecendo alto desempenho de cálculo de 51,2 DMIPS (32 MHz). Funções de segurança integradas suportam o padrão de segurança IEC/UL 60730 para eletrodomésticos.

Em motores BLDC, o drive também se torna mais complexo. Velocidade e torque são controlados pela razão de duração on/off dos transientes; normalmente, isso toma a forma de um sinal PWM usado para acionar os enrolamentos. Esta condição é ainda mais complicada pelo uso de motores monofásicos, bifásicos e trifásicos. Hoje, muitos dispositivos integrados são usados como estágio de drive. Tipicamente, incluem gate drivers para acionar MOSFETs de potência externos que são usados para excitar até três fases de um motor.

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

A Infineon Technologies AG oferece variedade de produtos integrados para controle de drives de velocidade variável. Os ICs iMOTION integram todas as funções de controle e interface analógica requeridas para controle orientado a campo sensorless (FOC). Adicionalmente, apresentam o comprovado motor control engine (MCE) da empresa que elimina codificação de software do processo de desenvolvimento do protocolo de controle.

Outro economizador de espaço são os smart gate drivers da Texas Instruments Inc. (TI). Estes drivers integram componentes passivos para reduzir tamanho da placa, contagem de componentes, complexidade e custos de design. Também permitem que designers otimizem comutação e desempenho de interferência eletromagnética (EMI).

Em seu extenso portfólio de drivers, a TI oferece o DRV8313 com três drivers half-H-bridge individualmente controláveis. O dispositivo é projetado para acionar motor DC brushless trifásico, embora também possa ser usado para acionar solenoides ou outras cargas. Um comparador integrado permite a construção de circuitos de limitação de corrente ou outras funções.

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

Isolamento Elétrico

Em geral, designers de motores elétricos sabem que devem cumprir padrões internacionais de isolamento para prevenir interferência de fonte externa e garantir segurança elétrica dos usuários. O uso de isolamento digital oferece vários benefícios, incluindo resposta mais rápida, que permite integração de proteção contra sobrecorrente e tempo de inatividade reduzido. Isso proporciona variação mais progressiva em tensões de saída, melhorando controle de torque.

Como fotocopladores são baseados em tecnologia optoeletrônica, são um método extremamente robusto de garantir isolamento elétrico sem qualquer contato físico. Isso oferece muitas vantagens sobre a abordagem tradicional baseada no uso de componentes eletromecânicos como relés. Benefícios-chave incluem operação livre de desgaste, custo relativamente baixo de componentes complementares, espaço mínimo na placa, imunidade a EMI, alta confiabilidade e longa vida operacional.

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

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

Os fotocopladores RV1S92xxA e RV1S22xxA, com comprimento de pacote de 2,5 mm, da Renesas Electronics Corp. permitem redução de área de PCB em 35% comparado a dispositivos similares, ajudando designers a reduzir o tamanho de seus sistemas robóticos. Graças ao seu isolamento reforçado, o RV1S92xxA e RV1S22xxA permitem sistemas de 200 V e 400 V excederem padrões de segurança. Todos os dispositivos cumprem os rigorosos padrões UL61800-5-1 de controle de motor e UL61010-2-201, que se aplica a sistemas de controle como PLCs (Figura 5).

Figura 5: Vista de seção transversal dos RV1S92xxA e RV1S22xxA da Renesas Electronics (Imagem: Renesas)

O TLP5214 da Toshiba é um fotocoplador de gate drive IGBT de corrente de saída 4-A altamente integrado alojado em pacote SO16L. O TLP5214 tem recursos avançados embutidos como detecção de desaturação IGBT, feedback de status de falha isolado, desligamento suave IGBT, bloqueio ativo de Miller e bloqueio de sub-tensão (UVLO). É adequado para acionar IGBTs e power MOSFETs usados em aplicações de inversor.

Conclusão

Seja o motor usado em ambientes operacionais industriais ou não-industriais, o design de controles de movimento high-end com capacidades de posicionamento preciso é complexo e requer soluções de drive extremamente confiáveis e construção mecânica ótima.

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