Diseño de controles de motor para sistemas robóticos

Un manipulador robótico es programable en tres o más ejes que especifican los movimientos de un robot, ya sea los brazos robóticos o el cuerpo. Estos manipuladores robóticos se controlan y reprograman automáticamente sin modificación física, y son adaptables a diferentes aplicaciones del sistema de control. Originalmente diseñados para manejar aplicaciones en entornos hostiles o inaccesibles, los sistemas industriales de hoy son cada vez más complejos e integran la robótica que realiza muchas operaciones previamente manuales de una manera más precisa y rápida de lo que podría hacer un ser humano.

Un sistema robótico consta principalmente de cuatro subsistemas:mecánico, actuador, medición y control. Un desafío clave es que los requisitos de baja velocidad y alto par para el control del movimiento de las articulaciones no permiten que las características mecánicas de los servomotores se aprovechen de manera efectiva, lo que, por el contrario, produce alta velocidad y bajo par en condiciones óptimas de funcionamiento.

Por lo 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 permitir la transferencia de par mecánico de uno a otro. Los componentes de la transmisión también permiten mejorar el rendimiento estático y dinámico aligerando la estructura mecánica mediante el posicionamiento de los motores en la base del robot.

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

Figura 1:Diagrama de un motor de CC sin escobillas (Imagen:Portescap)

Los BLDC no tienen conmutación mecánica en comparación con los motores con escobillas que utilizan conmutación mecánica en los que se utilizan inducidos giratorios con escobillas para hacer conexiones eléctricas.

La reducción de las partes móviles confiere a los motores sin escobillas una vida útil prolongada, limitada únicamente por el desgaste de los rodamientos de bolas. Además, los devanados mejoran la disipación de calor y la capacidad de sobrecarga, ofreciendo una alta eficiencia en comparación con otras soluciones de CC.

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

Motores y controladores de CC

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

El diseño de un BLDC tiene como objetivo optimizar el par, que representa la cantidad de fuerza de rotación de un motor y está relacionado con el imán y el devanado de la bobina. Cuanto mayor sea el número de pares de polos en el imán, mayor será el par motor.

Un ejemplo es la plataforma Ultra EC de Portescap, que consta de tres familias:ECS, ECT y ECP. Estas familias de mini motores sin escobillas, según los requisitos de par y velocidad, se pueden utilizar en una variedad de aplicaciones. La bobina en U patentada ofrece pérdidas mínimas de hierro, lo que proporciona una buena eficiencia y un funcionamiento más frío ( Figura 2 ).

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

Los motores sin escobillas EC-i de Maxon Motor AG están disponibles en diámetros pequeños que son adecuados para aplicaciones robóticas. Ofrecen un diámetro de 30 mm y se caracterizan por características altamente dinámicas y de alto par.

La familia EC-i está disponible en varios tamaños, cada uno en una versión estándar y una versión de alto par, con un par nominal máximo de hasta 110 mNm a 75 W. En todas las versiones, los motores EC-i 30 se pueden ampliar con codificadores, cajas de cambios, servocontroladores 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 un posicionamiento preciso en aplicaciones robóticas.

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

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

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

Un motor BLDC es bastante eficiente, pero la presión para cumplir con demandas cada vez más estrictas requiere que las empresas mejoren no solo la construcción del motor sino también el controlador. En particular, están trabajando para reducir el consumo total de energía y optimizar la gestión térmica.

En muchos casos, estos diseños incorporan controladores integrados que minimizan la cantidad de componentes externos necesarios y soluciones de sistema en chip que permiten un alto nivel de integración. Los beneficios incluyen ahorro de espacio y energía, mayor confiabilidad general del sistema y costos reducidos.

Debido a que el BLDC no tiene una estructura para cambiar la dirección de la corriente mecánicamente, esto debe hacerse electrónicamente. Las formas de onda se pueden dividir en dos tipos principales:trapezoidales y sinusoidales. Debido a las limitaciones de temperatura y los costos, hay casos en los que la posición del rotor (imán) se estima a partir de la corriente trifásica o el voltaje inducido sin usar los sensores.

Los conductores deben garantizar el control correcto del motor para que puedan controlar la velocidad y la dirección en consecuencia en la aplicación. Los microcontroladores modernos (MCU) son perfectos para proporcionar el nivel de rendimiento y funcionalidad computacional necesarios para desarrollar lazos de control de alta eficiencia para motores eléctricos de CC (y CA).

Muchas MCU admiten funciones de procesamiento de señales que permiten procesar algoritmos complejos en tiempo real utilizando datos de posicionamiento. Esto es importante porque cada vez más aplicaciones intentan eliminar sensores que proporcionan datos de posicionamiento. Hay muchas MCU que tienen periféricos diseñados específicamente para aplicaciones de control de motores.

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

En los motores BLDC, el accionamiento también se vuelve más complejo. La velocidad y el par están controlados por la relación de duración de encendido / apagado de los transitorios; normalmente, esto toma la forma de una señal PWM utilizada para impulsar los devanados. Esta condición se complica aún más por el uso de motores monofásicos, bifásicos y trifásicos. Hoy en día, muchos dispositivos integrados se utilizan como etapa de conducción. Por lo general, incluyen controladores de compuerta para impulsar MOSFET de potencia externa que se utilizan para excitar hasta tres fases de un motor.

El motor requiere una gran cantidad de corriente mientras que el circuito del controlador opera con señales de baja corriente. Entonces, la función de los controladores del motor es tomar una señal de control de baja corriente y luego transformarla en una señal de corriente más alta que pueda impulsar un motor.

Infineon Technologies AG ofrece una variedad de productos integrados para controlar variadores de velocidad. Los CI iMOTION integran todas las funciones de interfaz analógica y de control necesarias para el control orientado al campo (FOC) sin sensores. Además, cuentan con el algoritmo probado de motor de control de motores (MCE) de la empresa que elimina la codificación de software del proceso de desarrollo del protocolo de control.

Otro ahorro de espacio son los controladores de puertas inteligentes de Texas Instruments Inc. (TI). Estos controladores integran componentes pasivos para reducir el tamaño de la placa, la cantidad de componentes, la complejidad y los costos de diseño. También permiten a los diseñadores optimizar el rendimiento de la conmutación y la interferencia electromagnética (EMI).

En su amplia cartera de controladores, TI ofrece el DRV8313 con tres controladores de medio puente en H controlables individualmente. El dispositivo está diseñado para impulsar un motor de CC sin escobillas trifásico, aunque también se puede utilizar para impulsar solenoides u otras cargas. Un comparador integrado permite la construcción de circuitos limitadores de corriente u otras funciones.

Otro ejemplo es el controlador de motor trifásico sin escobillas TC78B025FTG IC con una función de control de velocidad de bucle cerrado de Toshiba Electronic Devices &Storage Corp. El dispositivo funciona con una fuente de alimentación en el rango de voltaje de 4.5 V a 16 V y proporciona una unidad sinusoidal con conmutación de 150 °. La baja resistencia ON de 0.2 Ω (típ.) Reduce el autocalentamiento del IC durante el funcionamiento, extendiendo así el soporte a altas corrientes de excitación.

Aislamiento eléctrico

En general, los diseñadores de motores eléctricos saben que deben cumplir con las normas internacionales de aislamiento para evitar interferencias de una fuente externa y garantizar la seguridad eléctrica de los usuarios. El uso del aislamiento digital ofrece varios beneficios, incluida una respuesta más rápida, que permite la integración de la protección contra sobrecorriente y reduce el tiempo de inactividad. Esto proporciona una variación más progresiva en los voltajes de salida, mejorando así el control del par.

Debido a que los fotoacopladores se basan en tecnología optoelectrónica, son un método extremadamente robusto para garantizar el aislamiento eléctrico sin ningún contacto físico. Esto ofrece muchas ventajas sobre el enfoque tradicional basado en el uso de componentes electromecánicos como relés. Los beneficios clave incluyen funcionamiento sin desgaste, costo relativamente bajo de componentes complementarios, espacio mínimo en la placa, inmunidad a EMI, alta confiabilidad y larga vida útil.

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

A continuación, se muestran algunos ejemplos de fotoacopladores que se pueden utilizar en aplicaciones robóticas:

Los fotoacopladores RV1S92xxA y RV1S22xxA, con una longitud de paquete de 2,5 mm, de Renesas Electronics Corp. permiten reducir el área de PCB en un 35% en comparación con dispositivos similares, lo que ayuda a los diseñadores a reducir el tamaño de sus sistemas robóticos. Gracias a su aislamiento reforzado, RV1S92xxA y RV1S22xxA permiten que los sistemas de 200 V y 400 V superen los estándares de seguridad. Todos los dispositivos cumplen con las estrictas normas de control de motores UL61800-5-1 y UL61010-2-201, que se aplica a sistemas de control como PLC ( Figura 5 ).

Figura 5:Vista en sección transversal de RV1S92xxA y RV1S22xxA de Renesas Electronics (Imagen:Renesas)

El TLP5214 de Toshiba es un fotoacoplador de unidad de compuerta IGBT de corriente de salida de 4 A altamente integrado alojado en un paquete SO16L. El TLP5214 tiene funciones integradas avanzadas como detección de desaturación de IGBT, retroalimentación de estado de falla aislada, apagado suave de IGBT, bloqueo Miller activo y bloqueo de subtensión (UVLO). Es adecuado para impulsar IGBT y MOSFET de potencia utilizados en aplicaciones de inversores.

Conclusión

Ya sea que el motor se utilice en entornos operativos industriales o no industriales, el diseño de controles de movimiento de alta gama con capacidades de posicionamiento precisas es complejo y requiere soluciones de accionamiento extremadamente confiables y una construcción mecánica óptima.

En años más recientes, los motores eléctricos también se han relacionado con aplicaciones robóticas emergentes como drones y Agriculture 4.0, que han experimentado avances acelerados gracias a nuevos sistemas de fabricación como la creación rápida de prototipos, sistemas operativos dedicados y sistemas de control integrados.