Controles de motor precisos para sistemas robóticos avanzados

Un manipulador robótico es programable en tres o más ejes que especifican los movimientos de un robot, ya sean brazos o cuerpo robóticos. Estos manipuladores son controlados automáticamente y reprogramables sin modificación física, y se adaptan a diferentes aplicaciones del sistema de control. Originalmente diseñados para manejar aplicaciones en entornos hostiles o inaccesibles, los sistemas industriales actuales son cada vez más complejos e integran robótica que realiza muchas operaciones previamente manuales de forma más precisa y rápida que un humano.

Subsistemas y desafíos

Un sistema robótico consiste principalmente en cuatro subsistemas: mecánico, actuador, medición y control. Un desafío clave es que los requisitos de baja velocidad y alto par para control de movimiento de articulaciones no permiten aprovechar eficazmente las características mecánicas de los servomotores, que, por el contrario, producen alta velocidad y bajo par en condiciones óptimas de operación.

Por tanto, la función de una unidad de accionamiento es asegurar que la velocidad y el par de los motores y las cargas sean compatibles y permitan la transferencia de par mecánico de uno a otro. Los componentes de transmisión también permiten mejorar el rendimiento estático y dinámico aligerando la estructura mecánica mediante el posicionamiento de los motores en la base del robot.

Motores para movimiento articular

El movimiento articular se confía a motores que permiten el movimiento deseado de la estructura mecánica. Entre los tres tipos clave —imán permanente, corriente continua (cepillados) y conmutación electrónica (brushless)—, el que mejor optimiza los requisitos de baja inercia y alta precisión de posicionamiento es el motor brushless DC, o BLDC.

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

Los BLDCs no tienen conmutación mecánica comparados con motores cepillados que usan conmutación mecánica donde armaduras rotativas con cepillos hacen conexiones eléctricas.

La reducción de partes móviles da a los motores brushless una vida larga, limitada solo por el desgaste de los rodamientos de bolas. Además, los devanados mejoran la disipación de calor y capacidad de sobrecarga, ofreciendo alta eficiencia comparada con otras soluciones DC.

Debido a la ausencia de cepillos, un BLDC también exhibe excelente durabilidad y características de bajo ruido. Hay dos tipos principales de estructura: imán permanente superficial (SPM) e imán permanente interno (IPM). Los motores SPM tienen los imanes adheridos al exterior de la superficie del rotor. Los motores IPM, en cambio, tienen el imán permanente embebido en el propio rotor.

Motores DC y drivers

Los BLDCs ofrecen alta eficiencia, pero sobre todo, excelentes valores de par y velocidad usados en muchas aplicaciones. Usan un imán estacionario con una armadura rotativa que combina varias partes para proporcionar conmutación electrónica.

El diseño de un BLDC busca optimizar el par, que representa la fuerza rotacional de un motor, y está relacionado con el imán y el devanado de bobinas. Cuantos más pares de polos en el imán, mayor el par del motor.

Un ejemplo es la plataforma Ultra EC de Portescap, con tres familias —ECS, ECT y ECP. Estas familias de mini motores brushless, según requisitos de par y velocidad, pueden usarse en una gama de aplicaciones. La bobina U patentada ofrece pérdidas de hierro mínimas, entregando buena eficiencia y operación más fresca (Figura 2).

Figura 2: Motor Ultra EC de Portescap (Imagen: Portescap)

Los motores brushless EC-i de Maxon Motor AG están disponibles en diámetros pequeños adecuados para aplicaciones robóticas. Ofrecen diámetro de 30 mm y se caracterizan por alta dinámica y alto par.

La familia EC-i está disponible en varios tamaños, cada uno en versión estándar y high-torque, con par nominal máximo de hasta 110 mNm a 75 W. En todas las versiones, los motores EC-i 30 pueden expandirse con encoders, cajas de reductores, controladores servo o controladores de posicionamiento (Figura 3).

Figura 3: Motor EC-i de Maxon Motor (Imagen: Maxon Motor)

STMicroelectronics, junto con Maxon, ha desarrollado un nuevo kit para acelerar el diseño de aplicaciones robóticas e industriales. El kit EVALKIT-ROBOT-1 ofrece posicionamiento preciso en aplicaciones robóticas.

El kit contiene el controlador inteligente trifásico STSPIN32F0A de ST y un etapa inversora completa, construida con transistores de potencia ST listos para conexión al motor. El STSPIN32F0A contiene circuitos críticos de control de motor, incluyendo un microcontrolador STM32F031C6 y un driver inversor trifásico en paquete VFQFPN compacto de 7 × 7 mm (Figura 4).

El firmware de control de motor permite a diseñadores arrancar el motor y empezar a enviar comandos para optimizar fácilmente su proyecto. El kit incluye un motor BLDC Maxon de 100 W (EC-i 40) con encoder incremental de 1024 pulsos integrado. También se incluyen sensores Hall para detección de posición del rotor.

Figura 4: Kit de desarrollo ST EVALKIT-ROBOT-1 (Imagen: STMicroelectronics)

Un motor BLDC es bastante eficiente, pero la presión por cumplir demandas cada vez más estrictas requiere que las empresas mejoren no solo la construcción del motor sino también el driver. En particular, trabajan para reducir consumo energético general y optimizar gestión térmica.

En muchos casos, estos diseños incorporan drivers integrados que minimizan el número de componentes externos requeridos y soluciones system-on-chip que permiten alto nivel de integración. Beneficios incluyen ahorro de espacio y energía, fiabilidad general del sistema mejorada, y costos reducidos.

Como el BLDC no tiene estructura para conmutar la dirección de la corriente mecánicamente, esto debe hacerse electrónicamente. Las formas de onda se dividen en dos tipos principales: trapezoidal y sinusoidal. Debido a limitaciones de temperatura y costos, hay casos donde la posición del rotor (imán) se estima desde la corriente trifásica o voltaje inducido sin usar sensores.

Los drivers deben asegurar control correcto del motor para que puedan controlar velocidad y dirección según la aplicación. Los microcontroladores (MCUs) modernos son perfectos para proveer el nivel de rendimiento y funcionalidad computacional necesarios para desarrollar bucles de control de alta eficiencia para motores eléctricos DC (y AC).

Muchos MCUs soportan funciones de procesamiento de señal que permiten procesar algoritmos complejos en tiempo real usando datos de posicionamiento. Esto es importante porque cada vez más aplicaciones intentan eliminar sensores que proporcionan datos de posicionamiento. Hay muchos MCUs con periféricos diseñados específicamente para aplicaciones de control de motor.

Por ejemplo, los microcontroladores RL78/G14 de Renesas Electronics balancean el nivel de consumo de corriente con bajos niveles de drenaje (66 µA/MHz cuando la CPU opera y 240 nA en standby o modo STOP), ofreciendo alto rendimiento de cálculo de 51,2 DMIPS (32 MHz). Las funciones de seguridad integradas soportan el estándar de seguridad IEC/UL 60730 para electrodomésticos.

En motores BLDC, el drive también se vuelve más complejo. La velocidad y el par se controlan por la relación de duración on/off de los transitorios; normalmente toma forma de señal PWM usada para excitar los devanados. Esta condición se complica further por el uso de motores monofásicos, bifásicos y trifásicos. Hoy, muchos dispositivos integrados se usan como etapa de drive. Típicamente incluyen gate drivers para驱动 external power MOSFETs que excitan hasta tres fases de un motor.

El motor requiere alta cantidad de corriente mientras el circuito de control opera con señales de baja corriente. Así que la función de los drivers de motor es tomar una señal de control de baja corriente y transformarla en una señal de mayor corriente que pueda impulsar un motor.

Infineon Technologies AG ofrece variedad de productos integrados para control de drives de velocidad variable. Los ICs iMOTION integran todas las funciones de control e interfaz analógica requeridas para control orientado al campo sin sensores (FOC). Además, cuentan con el probado algoritmo motor control engine (MCE) de la compañía que elimina codificación de software del proceso de desarrollo de protocolo de control.

Otro ahorrador de espacio son los smart gate drivers de Texas Instruments Inc. (TI). Estos drivers integran componentes pasivos para reducir tamaño de placa, cuenta de componentes, complejidad y costos de diseño. También permiten a diseñadores optimizar conmutación y rendimiento de interferencia electromagnética (EMI).

En su extenso portafolio de drivers, TI ofrece el DRV8313 con tres drivers half-H-bridge individualmente controlables. El dispositivo está diseñado para impulsar un motor brushless DC trifásico, aunque también puede usarse para impulsar solenoides u otras cargas. Un comparador integrado permite construcción de circuitos limitadores de corriente u otras funciones.

Otro ejemplo es el TC78B025FTG, driver IC de motor brushless trifásico con función de control de velocidad en lazo cerrado de Toshiba Electronic Devices & Storage Corp. El dispositivo opera con alimentación en rango de 4,5 V a 16 V y proporciona drive senoidal con conmutación de 150°. La baja resistencia ON de 0,2 Ω (típ.) reduce el auto-calentamiento del IC durante operación, extendiendo soporte a altas corrientes de drive.

Aislamiento eléctrico

En general, diseñadores de motores eléctricos saben que deben cumplir estándares internacionales de aislamiento para prevenir interferencia de fuentes externas y asegurar seguridad eléctrica de usuarios. El uso de aislamiento digital ofrece varios beneficios, incluyendo respuesta más rápida, permitiendo integración de protección sobrecorriente y tiempo de inactividad reducido. Esto proporciona una variación más progresiva en voltajes de salida, mejorando así control de par.

Como los fotacopladores se basan en tecnología optoelectrónica, son un método extremadamente robusto para asegurar aislamiento eléctrico sin contacto físico. Esto ofrece muchas ventajas sobre el enfoque tradicional basado en componentes electromecánicos como relés. Beneficios clave incluyen operación sin desgaste, costo relativamente bajo de componentes complementarios, espacio mínimo en placa, inmunidad EMI, alta fiabilidad, y larga vida operativa.

En aplicaciones de drive de motor, dos partes principales del circuito requieren aislamiento: el gate drive para el transistor bipolar de puerta aislada, o IGBT (dispositivos con colector y emisor en un lado y accionados por una puerta en el otro), en inversores de puente y la detección de fase de corriente en el motor. El sensado de corriente de fase proporciona protección al IGBT y feedback al controlador para mantener control sobre la corriente en lazo cerrado.

Aquí algunos ejemplos de fotacopladores para aplicaciones robóticas:

Los fotacopladores RV1S92xxA y RV1S22xxA, con longitud de paquete de 2,5 mm, de Renesas Electronics Corp. permiten reducir el área de PCB en 35% comparado con dispositivos similares, ayudando a diseñadores a reducir el tamaño de sus sistemas robóticos. Gracias a su aislamiento reforzado, los RV1S92xxA y RV1S22xxA permiten sistemas de 200 V y 400 V exceder estándares de seguridad. Todos los dispositivos cumplen estrictos estándares UL61800-5-1 de control de motor y UL61010-2-201, aplicable a sistemas de control como PLCs (Figura 5).

Figura 5: Vista transversal de los fotacopladores RV1S92xxA y RV1S22xxA de Renesas Electronics (Imagen: Renesas)

El TLP5214 de Toshiba es un fotacoplador driver de puerta IGBT de corriente de salida 4-A altamente integrado en paquete SO16L. El TLP5214 tiene características avanzadas integradas como detección de desaturación IGBT, feedback de estado de fallo aislado, apagado suave IGBT, bloqueo activo Miller, y bloqueo de undervoltage (UVLO). Es apto para impulsar IGBTs y power MOSFETs usados en aplicaciones inversoras.

Conclusión

Ya sea que el motor se use en entornos operativos industriales o no industriales, el diseño de controles de movimiento de alta gama con capacidades de posicionamiento preciso es complejo y requiere soluciones de drive extremadamente fiables y construcción mecánica óptima.

En años recientes, los motores eléctricos también se han vinculado a aplicaciones robóticas emergentes como drones y Agricultura 4.0, que han visto avances acelerados gracias a nuevos sistemas de manufactura como prototipado rápido, sistemas operativos dedicados, y sistemas de control integrados.