Selecione e implemente o projeto correto de controle de motor para atender às exigências da indústria 4.0

A era da Indústria 4.0, ou a Internet Industrial das Coisas (IIoT), está tornando os sistemas mais inteligentes ao fornecer inteligência localizada e conectividade entre máquinas e computadores, e para a Internet. Uma das razões para esta conectividade é que os sistemas e subsistemas de produção podem ser monitorados e controlados com vistas a uma maior eficiência, confiabilidade e estabilidade. Esta era tem implicações para os motores industriais, que compreendem grande parte dos recursos energéticos de uma instalação automatizada, e onde sua falha pode desligar toda uma linha de produção.

Segue-se que é fundamental controlar motores de forma eficaz, particularmente no que diz respeito à velocidade e torque, que juntos têm grande impacto na faixa dinâmica de um motor. O controle efetivo desses dois parâmetros requer um alto grau de precisão de resposta. Para esta precisão, os projetistas precisam escolher cuidadosamente entre detecção de corrente no lado de baixa, lado de alta ou na linha, e então implementar de forma ideal o circuito apropriado.

Este artigo discute brevemente estas três opções de detecção de corrente antes de mostrar como o amplificador ideal em um sensor de corrente na linha do motor fornece informações verdadeiras da fase de corrente. Em seguida, mostra como usar um amplificador bidirecional sensível a corrente (CSA) da Maxim Integrated com rejeição da modulação de largura de pulso (PWM) para configurar um sistema de motor trifásico para permitir uma operação mais eficiente.

Detecção de corrente na lado de baixa, de alta ou na linha?

As três opções de sensoriamento — lado de baixa, lado de alta e na linha — variam amplamente na implementação (Figura 1). O projeto do sensor de corrente do motor no lado de baixa utiliza um resistor sensível e um amplificador próximo ao terra (canto inferior esquerdo).

Figura 1: As opções de circuito do lado de baixa, lado de alta e na linha para sensoriamento de velocidade e torque do motor. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Das três opções, um circuito de detecção de corrente do lado de baixa é o mais intuitivo e direto. É adequado para aplicações de consumo onde a relação custo-benefício é frequentemente um dos principais requisitos de projeto.

O circuito de detecção do lado de baixa tem o amplificador próximo ao terra, capturando a corrente de cada ramificação em sucessão. O circuito tem amplificadores operacionais (amp-op) de uso geral e baixo custo na parte inferior das pilhas FET de acionamento de portas e um resistor sensível (R_S) com a tensão do modo comum próximo ao terra (Figura 2). Para uma corrente de carga de até 100 ampères (A), o pequeno resistor sensível (R_S) é geralmente uma resistência de traços de placa de PC.

Figura 2: Este circuito de detecção de corrente do motor CA utiliza um amplificador CMOS onde a tensão de modo comum atinge a alimentação negativa, lado de baixa, do amplificador. (Fonte da imagem: Bonnie Baker)

Na Figura 2, a corrente de carga indica a condução através da pilha FET de um motor CA. Este circuito precisa da faixa de entrada do modo comum do amplificador para se estender até o terra. O circuito amplificador ganha a tensão através do R_S, o que proporciona uma leitura de tensão da magnitude da corrente de carga (I_L). Esta tensão é alimentada à entrada não-invertida de um amplificador com um ganho igual a (1 + R_F / R_G), ou aprox. 50 volts/volt.

O AD8691 da Analog Devices pode ser usado como amplificador. Trata-se de um amp-op de baixo custo, genérico, com uma largura de banda de 10 megahertz (MHz). Seus transistores CMOS de entrada fornecem uma corrente de polarização de entrada típica de 0,2 picoamperes (pA) e uma faixa de modo comum que está -0,3 volts abaixo da tensão de alimentação negativa.

A saída do amplificador é alimentada por um conversor analógico-digital (ADC). Um microcontrolador ou outro processador pode usar o sinal digitalizado para determinar o estado do motor.

Requisitos da placa de circuito impresso

A simplicidade de projeto do circuito de detecção de corrente do lado de baixa pode ser enganosa. Usando a placa de circuito impresso para criar o R_S, é fácil gerar erros de medição adicionando involuntariamente ao valor do resistor sensível. Para garantir que o valor de R_S seja preciso, deve haver uma conexão direta do topo do R_S ou terminal positivo com o terminal não-inversor do amp-op. Além disso, o terminal inferior (negativo) do R_S deve ter uma conexão direta ao terra. Esta segunda exigência de projeto da placa de circuito impresso assegura uma conexão direta com o terminal negativo do resistor sensível e a parte inferior do resistor de ganho (R_G) do amplificador.

Observe que a corrente flui através do plano de terra da placa de circuito impresso, criando uma diferença de tensão através dela. Em circunstâncias normais, isto não é um problema. Com o circuito sensor no lado de baixa, o uso da baixa resistência R_S torna o circuito extremamente sensível a quedas de tensão do terra através da placa de circuito impresso.

O coeficiente da temperatura de resistência do cobre é de cerca de 0,4%/°C, permitindo que o valor de R_s varie amplamente com a temperatura. A resistência da placa de circuito impresso cria um erro dependente da temperatura em sistemas que têm grandes variações de temperatura, introduzindo um grau de instabilidade. É prudente evitar trilhas longas para minimizar erros do R_S. Além disso, o uso de um resistor sensível do projeto de sensor no lado de baixa acrescenta uma dinâmica de quedas de tensões indesejáveis, causando problemas de ruído de interferência eletromagnética (EMI).

Detecção de corrente no lado de alta

O sensor de corrente do motor, no lado de alta, minimiza o impacto da tensão CA dinâmica do resistor com o mínimo de EMI. No entanto, este projeto requer um amplificador robusto para lidar com altas tensões.

O circuito do sensor de corrente no lado de baixa usa três amp-op simples para detectar as correntes de cada ramificação do motor CA. A abordagem é suscetível a erros devido a resistências parasitas da placa de circuito impresso, bem como erro de medição próximo ao terra, também chamado de erro de terra da tensão do R_S.

Circuitos sensores de corrente no lado de alta utilizam um amplificador diferencial com a tensão de modo comum próxima à alimentação. Para contrastar algumas das limitações do circuito sensor de corrente no lado de baixa, esta configuração não é suscetível a distúrbios de terra e é capaz de detectar um curto na carga (Figura 3).

Figura 3: Um circuito de detecção de corrente do motor CA, no lado de alta, usa um amplificador com dois estágios de entrada PNP, onde a tensão de modo comum alcança além da alimentação positiva e negativa do amplificador. (Fonte da imagem: Bonnie Baker)

O amp-op deve ter entrada rail-to-rail e uma grande tensão de modo comum nos terminais do R_S que iguale ou supere o V_SUPPLY. Isto é um desafio porque o amplificador sensível precisará de fontes de tensão estendidas pelo menos iguais ao V_SUPPLY. Portanto, em uma configuração de sensoriamento no lado de alta, o modo comum de entrada do amplificador precisa ser tão alto quanto a tensão de alimentação, V_SUPPLY.

Para esta aplicação, os projetistas podem recorrer ao ADA4099-1 da Analog Devices. É um amplificador único, robusto, de precisão, de entrada/saída rail-to-rail com entradas que operam de V- a V+ e mais além. Esta última característica é referida na ficha técnica como Over-The-Top.

O dispositivo apresenta uma tensão de offset de <40 microvolts (μV), uma corrente de polarização de entrada (IB) de <10 nanoamperes (nA), e operação em fontes simples ou divididas que variam de 3,15 a 50 volts. O ADA4099-1 extrai 1,5 miliamperes (mA) de corrente quiescente por canal.

Casamento de resistores

Com o circuito de detecção de corrente no lado de alta na Figura 3, a precisão dos resistores externos (R₁, R₂, R₃ e R₄) determina diretamente a precisão da medição. A equação 1 é usada para calcular o ganho diferencial da Figura 3:

 Equação 1

A equação 2 é usada para calcular o erro de ganho do modo comum da Figura 3:

 Equação 2

A equação 3 é usada para calcular a tensão de saída da Figura 3:

 Equação 3

Se R₁ até R₄ são resistores de 1%, a pior tolerância de erros em geral é superior a 5%. Este erro de 5% requer o uso de resistores de tolerância mais próximas e caros. A principal desvantagem desta abordagem é o custo adicional devido à exigência de resistores de precisão com uma tolerância mais próxima para os valores de relação R₄/R₃ e R₂/R₁ para superar a sensibilidade ao erro devido a tensões mais altas do modo comum.

Detecção de corrente na linha

Embora as outras soluções funcionem, a abordagem preferida é o sensor de corrente na linha do motor (ou de enrolamento direto). Esta abordagem fornece as verdadeiras informações de fase-corrente, permitindo assim tempos de ajustes rápidos e maior rejeição de transientes de modo comum. O amplificador ideal para medições na linha é um CSA bidirecional com rejeição PWM para enfrentar estes desafios. Este amplificador tem um tempo de ajuste rápido, alta largura de banda, e rejeita transientes de modo comum.

Para produzir uma operação eficiente do motor, o processador do sistema tem dados de corrente para todas as três fases do motor em qualquer momento (Figura 4).

Figura 4: Na detecção de corrente na linha para controle do motor, o processador tem dados de corrente para todas as três fases do motor a qualquer momento no tempo. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Na Figura 4, o MCU amostra simultaneamente todas as três ramificações do motor com o CSA bidirecional MAX40056 da Analog Devices, preservando as relações de fase entre a excitação de cada ramificação. Um amplificador ideal na linha ganha o sinal diferencial de cada ramificação do motor, enquanto rejeita os transientes de modo comum do PWM. A forte rejeição do PWM facilita o tempo de ajuste mais rápido, maior precisão e permite que o projetista minimize o ciclo de trabalho do PWM, mantendo-o próximo a 0%.

O MAX40056 é um CSA bidirecional, de fonte única, de alta precisão, com uma alta faixa de entrada de modo comum que vai de -0,1 volt a +65 volts. O estágio de entrada fornece proteção contra picos de tensão e contragolpes indutivos de -5 volts até +70 volts. A tensão de offset de entrada de ±5 μV (típ.) e erro de ganho de 0,05% (típ.) ajudam a garantir erros baixos no sistema (Figura 5).

Figura 5: A capacidade do MAX40056 CSA de suprimir distúrbios devido ao rápido circuito de rejeição de PWM, o torna bem adequado ao monitoramento da corrente de fase de cargas indutivas, tais como enrolamentos de motores. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Na Figura 5, o estágio de entrada é projetado especificamente para suprimir a perturbação dos sinais rápidos de PWM, que são comuns em aplicações de controle de motores. O MAX40056 é, portanto, bem adequado para o monitoramento da corrente de fase de cargas indutivas, tais como enrolamentos de motores e solenóides que são acionados por sinais PWM. O MAX40056 opera em toda a faixa de temperatura de -40°C a +125°C e de uma tensão de alimentação de +2,7 volts a +5,5 volts.

O MAX40056 tem uma recuperação de borda PWM de 500 nanossegundos (ns) a partir de 500 volts/microssegundos (µs) e de bordas PWM mais rápidas. O MAX40056 e os dados de bancada da concorrência ilustram uma diferença significativa na imunidade PWM de modo comum (Figura 6).

Figura 6: Uma comparação competitiva usando uma rejeição de borda PWM de um ciclo PWM de 50 volts mostra que o MAX40056 tem uma clara vantagem com relação à imunidade transitória de PWM em modo comum. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Na Figura 6, a saída analógica do MAX40056 CSA mostra um pequeno choque e se recupera dentro de 500 ns, enquanto o dispositivo concorrente requer aproximadamente 2 µs para se recuperar. A entrada de rejeição PWM patenteada da CSA suprime os transientes e fornece uma medição limpa do sinal diferencial.

Conclusão

A indústria 4.0 e a IIoT estão ambas enfatizando níveis mais altos de eficiência e confiabilidade de produção que devem chegar até o nível dos motores individuais. Encontrar projetos de circuitos adequados para construir um sistema de acionamento de motor CA para velocidade e torque para garantir estabilidade, confiabilidade e eficiência energética pode ser complicado.

Como mostrado, uma abordagem do sensor de corrente na linha do motor com um amplificador ideal fornece informações verdadeiras de corrente-fase. Com esta abordagem — e usando o CSA bidirecional MAX40056 com rejeição de PWM — os projetistas podem configurar um sistema de motor trifásico que mede com precisão o torque e a velocidade em um sistema de motor CA trifásico, garantindo a eficiência, confiabilidade e estabilidade do motor.