Início rápido com controle orientado por campo sem sensores dos motores BLDC e Infineon

Os motores elétricos estão por toda parte, em nossas casas, locais de trabalho e veículos. Por exemplo, um típico carro moderno possui em média cerca de 35 motores distribuídos ao longo do veículo. Os motores CC padrão e CC sem escova (BLDC) são usados​para aplicações que variam de bombas de combustível a vidros automáticos (Figura 1).

Figura 1. Aplicações típicas para motores CC e CC sem escova (BLDC). (Fonte da imagem: Infineon)

Com o crescimento dos veículos elétricos e híbridos, a tendência é de um número ainda maior de motores por veículo. Além do setor automotivo, os motores CC e BLDC são amplamente usados em muitas aplicações de automação industrial, controle e robótica.

Os motores BLDC são geralmente usados em aplicações mais exigentes por causa de suas vantagens de desempenho em relação aos motores CC com escova. Os motores BLDC oferecem maior eficiência, vida útil mais longa e maior relação de torque por peso em comparação com os motores CC. As desvantagens do BLDC incluem seu custo mais alto e a necessidade de circuitos controladores adicionais.

Em uma nota pessoal, recentemente atualizei minha furadeira e parafusadeira de impacto movidos a bateria a partir da tecnologia de motor CC com escova para sem escova. A melhoria no torque e na vida útil da bateria foi notável e valeu a pena o custo extra.

Motores BLDC

Os motores BLDC são uma variação de um motor CC padrão tradicional. A diferença básica é que o motor BLDC requer que a comutação seja realizada por meios eletrônicos, em vez de escovas mecânicas. O rotor de um motor BLDC consiste em ímãs permanentes e o estator é enrolado com um conjunto correspondente de pólos. Um circuito de controle é usado para energizar os enrolamentos e gerar um campo rotativo. O movimento e o torque são gerados conforme os ímãs do rotor tentam se alinhar com o campo rotativo do estator.

Controle orientado por campo sem sensor (FOC)

O controle orientado por campo sem sensor (FOC) é um dos métodos usados para controlar a velocidade e o torque do motor BLDC. O controle orientado por campo (também conhecido como controle vetorial) é uma técnica usada para gerar uma modulação senoidal de três fases, que pode então ser controlada em frequência e amplitude. Os cálculos são usados para transformar os sinais trifásicos em duas fases que são mais fáceis de controlar e implementar no circuito de controle do motor. O controle sem sensor elimina os sensores de posição e, em vez disso, mede a força eletromotriz (EMF) para determinar a posição do rotor.

Implementando FOC sem sensor em um microcontrolador

A implementação de FOC sem sensor requer medições de sinal e cálculos matemáticos. Um microcontrolador com o desempenho necessário e conjunto de periféricos é uma boa opção para implementar essa funcionalidade. O TLE9879QXA40 da Infineon é um acionador de motor SoC de três fases e chip único que integra um núcleo Arm® Cortex®-M3 (Figura 2).

Figura 2. Diagrama de blocos da aplicação TLE9879x. (Fonte da imagem: Infineon)

Inclui seis acionadores NFET totalmente integrados e otimizados para acionar um motor de três fases por meio de seis NFETs externos de potência, uma bomba de carga que permite operação em baixa tensão e corrente programável junto com controle de inclinação de corrente para comportamento EMC otimizado. Seu conjunto de periféricos inclui um sensor de corrente, um ADC sincronizado de aproximação sucessiva com a unidade de captura e comparação para controle PWM e temporizadores de 16 bits. O transceptor LIN também é integrado para permitir a comunicação com o dispositivo junto com uma série de E/S de uso geral. Inclui um regulador de tensão linear no chip para alimentar cargas externas.

O TLE9879QXA40 da Infineon é uma boa solução para implementar o controle orientado por campo de motores BLDC. Ele tem o desempenho e o conjunto de recursos para implementar um acionador de motor BLDC de alto desempenho e baixo custo em um espaço mínimo da placa. A nota de aplicação detalhada “Sensorless Field Oriented Control with Embedded Power SoC” descreve a teoria FOC e como o algoritmo pode ser implementado.

Início rápido

A placa de avaliação de baixo custo BLDC_SHIELD_TLE9879 da Infineon é uma maneira fácil de começar com o FOC sem sensores. É baseada no TLE9879QXA40 e projetada para acionar motores BLDC em combinação com uma placa de base compatível com Arduino. Quando combinado com um Arduino Uno e um motor BLDC compatível, você pode colocar o motor em funcionamento em menos de uma hora (Figura 3).

Figura 3. BLDC_SHIELD_TLE9879 montado na placa de base do Arduino Uno. (Fonte da imagem: Infineon)

Esquemas, biblioteca Arduino e documentação completa para o BLDC_SHIELD_TLE9879 estão disponíveis em https://github.com/Infineon/TLE9879-BLDC-Shield. Enquanto pesquisava para este blog, passei um tempo trabalhando com o Uno e shield para me familiarizar com a direção do motor BLDC. As etapas de configuração, o código de teste e as referências de documentos estão incluídos em meu projeto “Driving a BLDC Motor with Infineon’s TLE9879Qx 3-Phase Motor Driver Shield” publicado no TechForum da DigiKey.

Desenvolvimento de aplicações

Para aqueles interessados em se aprofundar em design e desenvolvimento baseado em TLE9879Qx, a Infineon oferece recursos adicionais. Como ponto de partida, o código-fonte para o firmware na memória do BLDC Shield está disponível como arquivos de projeto Keil uVision. Os arquivos do projeto estão incluídos no download do software “BLDC Shield for Arduino with TLE9879QXA40” da Infineon no link BLDC_SHIELD_TLE9879 na página de projeto da plataforma Shield. Além disso, junto com o BLDC Shield, o projeto de referência da bomba REF_WATERPUMP100W e o projeto de referência da ventoinha REF_ENGCOOLFAN1KW estão disponíveis pela DigiKey.

Conclusão

A placa de avaliação BLDC_SHIELD_TLE9879 da Infineon fornece uma maneira rápida e de baixo custo para começar a usar o FOC sem sensor para acionar os motores BLDC. A placa também é um bom recurso para usuários mais avançados interessados em avaliar o TLE9879QXA40 e começar com o código-fonte fornecido.

Referências externas

1 – Infineon. “Motor Handbook”

https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-motorcontrol_handbook-AdditionalTechnicalInformation-v01_00-EN.pdf