ARTICULO TECNICO Microchip Tips & Tricks... Por el Departamento de Ingeniería de EduDevices. Soluciones de Control de Motores en DC. Introducción: Cada circuito para controlar un motor puede ser dividido en la parte electrónica (hardware) y el software controlador. Estas dos partes pueden ser muy simples o muy complicadas dependiendo del tipo de motor, los requerimientos del sistema y la complejidad del hardware/software. Generalmente, sistemas de mejor performance requieren de hardware más complicado. En la presente serie de artículos se describen varios circuitos básicos y bloques de software usados comunmente para controlar motores. También se proveen referencias a notas de aplicación de Microchip que describen los conceptos con mayor detalle. Las notas de aplicación se pueden encontrar en el sitio web de Microchip: www.microchip.com. Información adicional del diseño de un controlador de motor puede encontrarse en: www.microchip.com/motor. Tip Nº 72 Circuito de control de un motor DC con escobillas. Todos los motores requieren un "driver" o Circuito de Control para controlar la corriente que fluye por los bobinados del motor. Esto incluye la dirección y la magnitud de la corriente. El motor más simple es el "Brushed DC" o Motor DC con escobillas. Los circuitos se muestran a continuación
Figura 72 1.- Circuito de Control lado positivo de la fuente (High Side Driver). Este "driver" puede controlar un motor "Brushed DC" en una dirección. Se utiliza frecuentemente en aplicaciones críticas y seguras ya que un corto en los terminales del motor no pueden encender el motor. Figura 72 2.- Circuito de Control lado negativo de la fuente (Low Side Driver). Este es el "driver" de menor costo ya que el MOSFET lo hace simple. La mayoría de las aplicaciones simplemente usan un pin de salida del microcontrolador para encender el MOSFET en forma directa.
Figura 72 3.- Circuito de Control Puente H (H Bridge Driver). El "H-Bridge Driver" (Puente H) recibe ese nombre por la manera común de dibujar el circuito. Esta es la única mantera en circuitos de estado estado sólido de operar un motor en ambas direcciones. Las señales A / B / C / D corresponden a salidas digitales de un MCU PIC. El lector podrá recurrir a las notas de aplicación de motores "Brushed DC" que se nombran a continuación que pueden descargarse de la web de Mircrochip: www.microchip.com AN847, RC Model Aircraft Motor Control (DS00847) AN893, Low-cost Bidirectional Brushed DC Motor Control Using the PIC16F684 (DS00893) AN905, Brushed DC Motor Fundamentals (DS00905) Tip Nº 73 Circuito de control de un motor DC Sin escobillas. (Brushless DC Motor) Un motor "Brushless DC" (Sin Escobilla) es un buen ejemplo de hardware simplificado incrementando la complejidad de control por software. El motor no puede conmutar los bobinados, por lo que el circuito de control y el software deben controlar el flujo de corriente de manera adecuada para mantener el motor girando de manera pareja. El circuito es un simple "half-bridge" en cada uno de los tres bobinados del motor.
Hay dos métodos básicos de conmutación para motores "Brushless DC"; con sensores o sin sensores. Como es crítico saber la posición del motor para energizar la bobina correcta, se requiere de algun método de detección de la posición del motor. Un motor con sensores va a reportar directamente su posición al controlador. Usar un motor con sensores requiere de una tabla. La posición actual se correlaciona directamente con un patrón de conmutación del circuito. Cuando no se dispone de sensores se debe usar otra propiedad del motor para sensar su posición. Un método popular es medir la fuerza electromotriz que es generada naturalmente por los imánes y bobinas del motor. El voltaje inducido en la bobina no utilizada puede ser sensada y usada para determinar la velocidad actual del motor. Luego, el siguiente patrón de conmutación puede ser determinado con un retraso del patrón anterior. Los motores sin sensores obviamente tienen un menor costo, pero son más complicados de manejar. Este tipo de motores funcionan bien en aplicaciones en donde no se requiere que el motor frene y arranque. Un motor con sensores es más adecuado para aplicaciones en donde se requiere que el motor frene periódicamente. Figura 73-1.- Control de un motor Brushless por Fases (OA a OF son salidas del MCU PIC)
Figura 73-2.- Control de un motor Brushless sin sensores (por FEM de los bobinados) Figura 73-3.- Control de un motor Brushless con sensores de efecto Hall (Cuadrature Decoder ) A continación se mencionan las notas de aplicación que describen el control de motores "Brushless DC" y se pueden encontrar en la web de Microchip: www.microchip.com
AN857, Brushless DC Motor Control Made Easy (DS00857) AN885, Brushless DC Motor Fundamentals (DS00885) AN899, Brushless DC Motor Control Using PIC18FXX31 (DS00899) AN901, Using the dspic30f for Sensorless BLDC Control (DS00901) AN957, Sensored BLDC Motor Control Using dspic30f2010 (DS00957) AN992, Sensorless BLDC Motor Control Using dspic30f2010 (DS00992) AN1017, Sinusoidal Control of PMSM with dspic30f DSC (DS01017) GS005, Using the dspic30f Sensorless Motor Tuning Interface (DS93005) Tip Nº 74 Circuito de control de un motor Paso a Paso (PaP) (Stepper Motor Driver). Los motores Paso a Paso son similares a los "Brushless DC" en que el sistema de control debe conmutar el motor por medio de una rotación de ciclo completa. A diferencia del motor "brushless", la posición y la velocidad de un motor paso a paso es predecible y no requiere del uso de sensores. Hay dos tipos básicos de motores paso a paso, a pesar de que algunos motores son construidos para funcionar en cualquiera de los modos. El motor paso a paso más simple es el de motor unipolar. Este motor tiene cuatro conexiones y uno o dos cables que son atados a tierra o a +V, dependiendo de la implementación. Otro tipo de motores son los bipolares o varias combinaciones de unipolares con bipolares como se muestra en las Figuras 74-1 y 74-2. Cuando cada una de las conexiones se energiza, se impulsa una bobina y el motor rota un paso. El proceso se repite hasta que todas las bobinas hayan sido energizadas. Para incrementar la tasa de pasos, frecuentemente se incrementa la tensión. Si se incrementa la tensión, se requiere de algún método para prevenir una sobrecarga de corriente. Hay muchas formas de controlar la corriente en las bobinas, pero la más popular es un systema "chopper" que corta la corriente cuando se llega a un límite superior y permite a la corriente circular más tarde. Sistemas de sensores de corriente se discuten en el Tip Nº 77. Algunos sistemas son construidos con un "chopper" de corriente, pero no detectan la corriente, sino que el sistema es diseñado para empezar un período fijo de "chopping" luego de que el motor haya pasado al paso siguiente.
Estos son sistemas fáciles de construir ya que sólo requieren de un cambio en el software. Figura 74-1.- Motores Paso a Paso Unipolares y Bipolares de 5 y 4 hilos. Figura 74-2.- Motores Paso a Paso Unipolares / Bipolares de 6 y 8 hilos.
Figura 74-3.- Control de un motor PaP unipolar con MOSFET lado masa (Low Side Switches) Figura 74-4.- Control de un motor PaP unipolar con 4 Half Bridge MOSFET. Continuará...