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Los ventiladores industriales requieren alta eficiencia, movimiento suave y bajo nivel de ruido. Algoritmos avanzados como el control orientado al campo (FOC) pueden lograr estos objetivos de manera efectiva, aunque con un esfuerzo computacional y económico significativo. Sin embargo, los microcontroladores dedicados al control de motores con FOC integrado reducen los costos y los problemas computacionales, y algunos diseños también pueden resolver otros problemas como: B. Detección de posición y arranque bidireccional suave.
Ilustración 1. En un ventilador industrial típico, la tecnología FOC integrada mejora el rendimiento. Imagen cortesía de Pixabay
En este artículo, examinamos los controladores de ventiladores industriales y los conceptos detrás de FOC, seguido de una discusión de los problemas que enfrentan los ingenieros al implementar el control de motores para ventiladores industriales. A continuación, examinamos cómo el MCU APM32F035 de Geehy Semiconductors aborda los desafíos específicos de los ventiladores industriales.
Controles de ventiladores industriales
Un controlador de ventilador regula la velocidad de un motor de ventilador y así controla el movimiento de aire generado. Sin embargo, ajustar la velocidad del ventilador no sólo afecta al movimiento del aire: también permite controlar los niveles de ruido y el consumo de energía.
La Figura 2 muestra un diagrama de bloques simple de un sistema de control para un motor de CC trifásico sin escobillas de imán permanente interno (IPM). En este ejemplo, se utiliza la modulación de ancho de pulso de vector espacial (SVPWM) para modular el voltaje trifásico requerido por el motor.
Tenga en cuenta que los comparadores, amplificadores operacionales y ADC están integrados en este sistema, lo que proporciona una solución completa para todo el sistema de control. Este alto nivel de integración ayuda a aumentar el rendimiento del sistema y simplificar las tareas de implementación para los ingenieros.
Figura 2. Diagrama de bloques de un sistema de control de motor. Imagen cortesía de Geehy
Un aspecto clave del control de motores es el algoritmo de control utilizado. El tipo de algoritmos puede basarse en el tipo de motor (por ejemplo, trapezoidal o sinusoidal), si se utilizan sensores de posición y cuáles son los requisitos de control de velocidad y corriente.
Control orientado al campo
Con la creciente capacidad de los microcontroladores, la industria del control de motores ha comenzado a explorar algoritmos de control más complejos y de alta gama, como el FOC. El sistema de control de motores que se muestra en la Figura 2 utiliza FOC, también conocido como control vectorial. El control vectorial está diseñado para motores eléctricos de CA trifásicos, incluidos motores paso a paso bifásicos y motores de CC sin escobillas (BLDC) (el tipo utilizado en la Figura 2).
FOC tiene como objetivo lograr el par máximo a una velocidad determinada y lo logra asegurando que el campo del rotor esté retrasado con respecto al campo del estator en 90 grados. Para lograr esto, el sistema de control debe
- Mida las corrientes del motor.
- Mida la posición del rotor (ya sea usando sensores de velocidad y posición o infiriéndolos indirectamente)
- Transformar las corrientes del motor en un sistema de coordenadas que gira con el rotor.
- Calcular el ángulo de flujo del rotor.
- Controle las corrientes en los devanados del estator para lograr una desaceleración del rotor de 90 grados.
FOC admite una aceleración y un frenado suaves en todo el rango de velocidades y genera el par máximo en el arranque. Ha demostrado ser ideal cuando se requiere un control de alta precisión en aplicaciones de movimiento de alto rendimiento, incluidos los ventiladores industriales.
Problemas críticos que afectan el rendimiento de los ventiladores industriales
A lo largo de los años, se han logrado grandes avances en los controles para motores BLDC, particularmente mediante aumentos en la potencia informática y el uso de MCU dedicadas. Sin embargo, los ingenieros aún enfrentan desafíos a la hora de controlar los motores de ventiladores industriales, incluido el uso eficiente de la energía, el aislamiento del ruido y un rendimiento constante. FOC puede mitigar estos problemas particulares, pero su implementación típica sigue siendo problemática y requiere componentes adicionales como: B. sensores externos, que aumentan los costos y generan una lista de materiales (BoM) más larga.
Otro problema para el rendimiento de los ventiladores industriales es la detección de la posición inicial, que es crítica para los ventiladores industriales ya que afecta el arranque inicial y el rendimiento operativo y también existe la posibilidad de una inversión involuntaria. La secuencia de arranque tradicional de los motores estándar incluye tres fases diferenciadas: posicionamiento, aceleración y cierre de bucle. Durante la fase de posicionamiento pueden producirse inversiones involuntarias.
Además, el arranque bidireccional de alta velocidad sigue siendo un desafío: con vientos fuertes, es posible que el ventilador ya esté en movimiento antes de activarse. Antes de activar el funcionamiento del ventilador, se debe determinar si el motor ya está en movimiento. Por ejemplo, debería producirse una desaceleración gradual cuando el motor está a punto de dar marcha atrás debido a un viento en contra. Si bien existen soluciones, deben proporcionar el rendimiento que buscan los ingenieros.
Aumente el rendimiento del ventilador aprovechando las funciones especiales de MCU
Como hemos comentado hasta ahora, mejorar el rendimiento de los ventiladores industriales puede ser una tarea desafiante. La implementación de FOC y otras funciones puede resultar difícil para los desarrolladores de sistemas. Afortunadamente, las CPU modernas de hoy ofrecen tecnología sofisticada que satisface estas necesidades. Un ejemplo en esta dirección es el MCU APM32F035 de Geehy.
El chip es una MCU de control de motor FOC dedicada de 32 bits y se basa en el núcleo Arm Cortex-M0+ que funciona a 72 MHz. Un coprocesador M0CP que incluye una unidad de desplazamiento, divisor de 32 bits/32 bits, operación de multiplicación y suma, raíz cuadrada, funciones trigonométricas y SVPWM mejora aún más el rendimiento. El diagrama de bloques de la Figura 3 resume varias características del APM32F035.
Figura 3. Diagrama de bloques del Geehy APM32F035. Imagen cortesía de Geehy
La MCU también integra PWM específico del motor para modos complementarios y de frenado vinculados a M0CP. La Figura 4 muestra la placa de evaluación de control del motor de alto voltaje, pero también está disponible una placa de evaluación de bajo voltaje.
Figura 4. Placa de evaluación de control de motor de alto voltaje para APM32F035. Imagen cortesía de Geehy
FOC integrado
La MCU APM32F035 incluye una computadora vectorial integrada con aceleradores matemáticos dedicados que admiten totalmente algoritmos de control FOC computacionalmente intensivos. Esta integración elimina la necesidad de sensores externos, aumenta la eficiencia y garantiza un arranque eficaz en circuito abierto. También reduce los costos generales de diseño, incluida una menor lista de materiales.
Detección de posición inicial
Los métodos de inicio tradicionales tienen dificultades para abordar eficazmente la detección de la posición inicial (IPD), pero el APM32F035 ayuda a superar esta limitación con su innovadora función de detección de la posición inicial. Si bien la inductancia saturada o variable suele ser el estándar de la industria, la MCU amplifica la corriente dentro del área roja designada e inyecta seis pulsos para obtener una señal precisa y perceptible, como se muestra en la Figura 5.
Figura 5. Dios mío, implementando IPD. Imagen cortesía de Geehy
Arranque bidireccional de alta velocidad
Para resolver los problemas de movimiento debido a los fuertes vientos, Geehy adopta el enfoque que se muestra en la Figura 6, que muestra la corriente de fase del motor. El APMF32F035 utiliza lógica de detección de viento hacia adelante/hacia atrás para activar el arranque una vez que detecta el funcionamiento del motor. El gráfico muestra el inicio del viento hacia adelante e ilustra el proceso.
Figura 6. Ilustración de la lógica de detección del viento. Imagen cortesía de Geehy
Resolución de problemas para sistemas de ventiladores industriales.
El APM32F035 resuelve problemas para diversas aplicaciones de ventiladores industriales. Para extractores de gas potentes, admite un control de potencia constante, un control de protección perfecto y un algoritmo de arranque optimizado. Los ventiladores de alta velocidad se benefician del funcionamiento a velocidad ultraalta, el control de debilitamiento del campo y el arranque con el viento. Los extractores de aire industriales tienen una tasa de arranque 100% exitosa tanto en ceñida como en sotavento, junto con un perfecto control de protección.
El APM32F035 ofrece numerosas ventajas como opción para aplicaciones de control de motores industriales; Otros posibles usos incluyen electrodomésticos grandes y pequeños, bicicletas eléctricas, bombas de agua de alta presión y herramientas de jardín. Ofrece una solución de control de motores con FOC integrado, algoritmos altamente eficientes y una potente CPU.
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