Noticias

Rendimiento óptimo de los ventiladores industriales con las características avanzadas del Microcontrolador

Dylan Liu, Geehy Semiconductor
Nacho Facerías, Eurotronix 

Los ventiladores industriales requieren alta eficiencia, movimiento fluido y bajo nivel de ruido. Los algoritmos avanzados como el control orientado al campo (FOC) pueden lograr estos objetivos de manera efectiva, aunque a un costo computacional y económico significativo. Sin embargo, los microcontroladores dedicados al control de motores con FOC integrado mitigan los costos y los problemas de cálculo, y algunos diseños también pueden abordar otros problemas, como la detección de posición y el arranque bidireccional fluido.

En este artículo, examinaremos los microcontroladores de ventiladores industriales y los conceptos relativos al FOC, aparte de comentar los problemas que encaran los ingenieros al implementar el control de este tipo de motores. También exploraremos cómo el microcontrolador APM32F035 de Geehy Semiconductors aborda los desafíos específicos de los ventiladores industriales.

Controladores de Ventiladores Industriales

Un controlador de ventilador regula la velocidad del motor del ventilador, controlando el movimiento de aire producido. Sin embargo, ajustar la velocidad del ventilador supone otras ventajas: permite controlar el nivel de ruido y el consumo de energía.

La Figura 1 muestra un diagrama de bloques de un sistema de control para un motor de CC de imán permanente interior (IPM) trifásico sin escobillas. En este ejemplo, se utiliza la modulación de anchura de pulso de vector espacial (SVPWM) para modular el voltaje trifásico requerido por el motor.

Hay que destacar que los comparadores, amplificadores operacionales y ADC están integrados en este sistema, lo que proporciona una solución todo en uno para todo el sistema de control. Este alto grado de integración ayuda a mejorar el rendimiento del sistema y simplificar las tareas de implementación para los ingenieros.

Figura 1. Diagrama de bloques del Sistema de control de motor. Imagen cortesía de Geehy

Un aspecto vital de un controlador de motor es el algoritmo de control utilizado. El tipo de algoritmo puede basarse en el tipo de motor (por ejemplo, trapezoidal o sinusoidal), si se utilizan sensores de posición y cuáles son los requisitos de control de velocidad y corriente.

Cuestiones críticas para el rendimiento de los ventiladores industriales

A lo largo de los años, se han logrado muchos avances en los controladores para motores BLDC, especialmente con el aumento de la potencia de proceso de datos y el uso de MCU dedicados. Sin embargo, los ingenieros aún se enfrentan a desafíos cuando se trata del control de motores de ventiladores industriales, incluido el uso eficiente de la energía, el control del ruido y un rendimiento óptimo. FOC puede mitigar estos problemas, pero su implementación típica sigue siendo discutible, ya que requiere componentes adicionales, como sensores externos que aumentan el costo y generan una extensa lista de materiales (BOM).

Otro problema para el rendimiento de los ventiladores industriales es la detección de la posición inicial, que es esencial, ya que afecta al arranque inicial y al rendimiento del ventilador en marcha, junto con la posibilidad de cambios de sentido no deseados. La secuencia de arranque convencional de los motores estándar abarca tres etapas distintas: posicionamiento, aceleración y cierre del circuito. Durante la fase de posicionamiento, puede surgir la posibilidad de que se produzcan esos cambios de sentido no deseados.

Además, el arranque bidireccional de alta velocidad sigue siendo un desafío: si hay viento fuerte, es posible que el ventilador ya esté en movimiento antes de la activación. Se debe determinar si el motor ya está en movimiento antes de activar el funcionamiento del ventilador. Por ejemplo, debe producirse una desaceleración gradual cuando el motor está a punto de dar marcha atrás debido al viento en contra. Si bien existen soluciones, deben proporcionar el rendimiento que buscan los ingenieros.

Rendimiento óptimo del ventilador con las características especiales del MCU

Como hemos comentado hasta ahora, mejorar el rendimiento de los ventiladores industriales puede ser una tarea desafiante. La implementación de FOC y otras funciones puede resultar complicada para los diseñadores de sistemas. Afortunadamente, las CPU avanzadas de hoy en día ofrecen una tecnología sofisticada que satisface estas necesidades. Un ejemplo es el MCU APM32F035 de Geehy.

El chip es un MCU dedicado al control de motor FOC de 32 bits y se basa en el núcleo Arm Cortex-M0+ que funciona a 72 MHz. Un coprocesador M0CP que incluye una unidad de desplazamiento, divisor de 32 bits/32 bits, operación de multiplicación y suma, raíz cuadrada, funciones trigonométricas y SVPWM mejora aún más el rendimiento. El diagrama de bloques de la Figura 2 resume varias características del APM32F035.

Figura 2. Diagrama debloques del Geehy APM32F035. Imagen cortesía de Geehy

Este MCU también integra un PWM específico del motor para modos complementario y de freno vinculados con M0CP. La Figura 3 muestra la placa de evaluación de alto voltaje para control del motor. También está disponible la placa de evaluación de bajo voltaje.

Figura 3. Placa de evaluación de alto voltaje para control del motor para el APM32F035. Imagen cortesía de Geehy

FOC - Field-Oriented Control Integrado

El APM32F035 incluye una computadora vectorial integrada con aceleradores matemáticos dedicados que admiten de manera integral algoritmos de control FOC computacionalmente intensivos. Esta integración elimina la necesidad de sensores externos, mejora la eficiencia y proporciona un arranque eficaz en circuito abierto. También reduce los costos generales de diseño, y reduce la lista de materiales.

A medida que los microcontroladores han aumentado su capacidad, la industria del control de motores ha comenzado a buscar algoritmos de control más complejos y de alta gama, como FOC. El sistema de control de motores presentado en la Figura 1 utiliza FOC, también conocido como control vectorial. El control vectorial es para motores eléctricos de CA trifásicos, incluidos motores paso a paso bifásicos y motores de CC sin escobillas (BLDC) (el tipo utilizado en la Figura 1).

FOC tiene como objetivo lograr el par máximo a una velocidad determinada, y lo logra asegurando que el campo del rotor esté retrasado 90 grados con respecto al estator. Para lograr esto, el sistema de control debe: 

• Medir las corrientes del motor.
• Medir la posición del rotor (ya sea usando sensores de velocidad y posición o infiriéndola indirectamente)
• Transformar las corrientes del motor en un sistema de coordenadas que gira con el rotor.
• Calcular el ángulo de flujo del rotor.
• Controlar las corrientes en los devanados del estator para lograr el retraso del rotor de 90 grados.

FOC permite una aceleración y desaceleración suaves en todo el rango de velocidad y genera par completo al arrancar. Ha demostrado ser ideal cuando se necesita un control de alta precisión en aplicaciones de movimiento de alto rendimiento, incluidos los ventiladores industriales.

Detección de Posición Inicial

Los métodos de arranque convencionales tienen dificultades para obtener la detección de posición inicial (IPD) de manera efectiva, pero el APM32F035, con su innovadora función de detección de posición inicial, ayuda a superar esta limitación. Si bien la inductancia saturada o variable suele ser el estándar de la industria, el APM32F035 amplifica la corriente que vemos en el recuadro rojo, inyectando seis pulsos para lograr una señal precisa y discernible, como se ilustra en la Figura 4.

Figura 4. Implementation del IPD con GEEHY. Imagen cortesía de Geehy

Arranque bidireccional de alta velocidad

Para tratar los problemas de movimiento debido al viento fuerte, Geehy adopta la solución ilustrada en la Figura 5, que muestra la corriente de fase del motor. El APMF32F035 utiliza lógica de detección de viento hacia adelante/atrás para activar el proceso de arranque al detectar la operación del motor. El gráfico demuestra el arranque del viento hacia adelante.

Figure 5. Ilustración de la lógica de deteccion de viento. Imagen cortesía de Geehy

Resolución de problemas para sistemas de ventiladores industriales 

El APM32F035 resuelve problemas para varias aplicaciones de ventiladores industriales. Para extractores de gas potentes, admite un control de potencia constante, un control de protección perfecto y un algoritmo de arranque optimizado. Los ventiladores de alta velocidad se benefician del funcionamiento a ultraalta velocidad, el control de debilitamiento del campo y el arranque en contra/a favor del viento. Los extractores de aire industriales experimentan una tasa de arranque del 100% e de éxito tanto a favor como en contra del viento, junto con un perfecto control de protección.

El APM32F035 presenta numerosas ventajas como opción para aplicaciones de control de motores industriales. Otros usos incluyen grandes y pequeños electrodomésticos, bicicletas eléctricas, bombas de agua de alta presión y herramientas de jardinería. Ofrece una solución de control de motores con FOC integrado, algoritmos altamente eficientes y una potente CPU.