Autor: Joseph Png, MCU/MPU Business Development Manager, Renesas Electronics
La Industria 4.0 permite a las partes interesadas optimizar las instalaciones y aumentar la productividad a través de equipos industriales interconectados y computación mejorada. Presenta una excelente oportunidad para ayudar a las partes interesadas a utilizar tecnología convergente para crear un futuro sostenible y centrado en el ser humano, donde los motores sean contribuyentes vitales en todas las industrias. La Figura 1 ilustra el proceso de identificación e implementación de la Industria 4.0, donde el Internet de las cosas (IIoT) permite que los dispositivos se vinculen, creando un duplicado virtual de los datos del mundo real. Esto facilita a los operadores visualizar y analizar procesos, permitiéndoles tomar decisiones para realizar tareas de forma autónoma y de la forma más eficiente posible.
Figura 1: Principios de diseño de la Industria 4.0
Los motores de inducción (IM) desempeñan un papel crucial en el ámbito industrial como principal caballo de batalla para mantener un movimiento eficiente. Su fiabilidad comprobada, versatilidad y ventajas económicas los convierten en la opción preferida para aplicaciones industriales. En el pasado, los IM se utilizaban principalmente para aplicaciones de punto de operación único, operando a par y velocidad nominales. Sin embargo, los avances en el control de motores han ampliado su facilidad de uso en una amplia gama de pares y velocidades, lo que los hace altamente adaptables a las diferentes necesidades de la industria. Hoy en día, casi todas las soluciones móviles han pasado del funcionamiento neumático o manual a sistemas motorizados.
Los requisitos clave para el control de motores en todas las industrias incluyen:
- Mantener un funcionamiento estable en una amplia gama de cargas.
- Garantizar una respuesta rápida y precisa.
- Admitir varios sensores de retroalimentación de posición como codificadores, encoders, sensores Hall, etc.
- Manejo de ruido eléctrico e interferencias en señales de retroalimentación (corriente, voltaje, temperatura).
- Lograr una alta eficiencia.
- Cumplir con los más altos estándares de fiabilidad y seguridad funcional.
- Ser compacto y ligero.
- Soportar diferentes protocolos de comunicación industrial como UART, I2C, CAN, etc.
El motor de inducción funciona según el principio de inducción electromagnética. El campo magnético giratorio creado por la excitación del estator induce una fuerza electromotriz (EMF) en el rotor. Como resultado, las corrientes fluyen a través del rotor, produciendo par y facilitando la rotación. Por tanto, el control preciso de la excitación del estator se vuelve crucial para un control eficaz del motor de inducción. El control de velocidad para motores de inducción normalmente se clasifica en dos categorías principales:
- Control escalar: La mayoría de los sistemas de accionamiento de velocidad variable existentes son accionamientos de bajo rendimiento que controlan la magnitud de la frecuencia del voltaje o corriente del estator. El control se logra manteniendo un campo magnético constante en el motor. El método de control escalar más comúnmente utilizado es el control de voltios/hercios constantes (V/f), en el que la magnitud del voltaje del estator se ajusta en proporción a la frecuencia, manteniendo así constante el flujo del estator en el motor. Aunque los métodos de control escalar son relativamente fáciles de implementar, no son adecuados para aplicaciones que involucran transitorios en el lado de la carga. A continuación, se muestran las características típicas del motor que se pueden lograr con control V/f.
Figura 2: Característica de velocidad de par de IM con control V/f
- Control vectorial: a diferencia del control escalar, el control vectorial de IM se basa en esquemas de control orientado a campos (FOC). Este método proporciona control de la fase y magnitud de las cantidades vectoriales del motor. Los variadores de control vectorial se consideran variadores de alto rendimiento con control sobre el par instantáneo y el campo magnético del motor tanto en condiciones estacionarias como transitorias. A pesar de ser exigente desde el punto de vista computacional, el control vectorial supera al control escalar, particularmente en condiciones dinámicas.
La implementación del control vectorial implica la estimación del flujo del rotor a partir del voltaje o las corrientes del estator utilizando observadores de flujo, lo que requiere una detección precisa y un cálculo rápido.
Figura 3: Sistema de control vectorial para un motor de inducción con estimación de flujo
Para las aplicaciones modernas, los motores deben funcionar en un amplio rango operativo y en condiciones dinámicas, lo que requiere esquemas de control vectorial para satisfacer estas demandas de manera efectiva. Dados los requisitos computacionales y de detección, la selección cuidadosa de los microcontroladores (MCU) apropiados es crucial para desarrollar una solución robusta de control de motores de inducción.
Figura 4: Diagrama de bloques típico de un motor de inducción con microcontroladores Renesas
La Figura 4 ilustra un motor de inducción típico y sus componentes principales. Los motores de inducción reciben energía de una fuente de entrada de CA trifásica, que se convierte en voltaje de CC a través de una unidad rectificadora. Para reducir la ondulación del voltaje, se colocan condensadores de enlace de CC a través de este voltaje de CC de salida. Luego, el voltaje de CC se alimenta al inversor, que lo convierte nuevamente en CA para el motor de inducción, según las señales de conmutación recibidas por la MCU. La MCU, al ser el cerebro del variador, desempeña un papel vital en la determinación del rendimiento y la eficiencia del variador del motor de inducción. Para aplicaciones de unidad IM, las series de MCU Renesas RA-T y RX-T se han diseñado meticulosamente con funciones específicas que ayudan en el desarrollo de sistemas de unidad de alto rendimiento. Exploremos algunas características clave de estas MCU a continuación.
Generación de PWM: la generación de PWM de alta frecuencia es fundamental para lograr un THD más bajo en las formas de onda de corriente y un control fluido de cualquier motor. Los MCU RA-T y RX-T pueden admitir generación de PWM gratuita trifásica de frecuencia de hasta 200 MHz. Estas generaciones de PWM de alta frecuencia las hacen ideales para inversores con interruptores de potencia avanzados basados en GaN y SiC, capaces de operar en frecuencias de conmutación muy altas.
Funciones trigonométricas: cualquier esquema de control avanzado, como el control vectorial u otro control FOC, requiere el cálculo del par y el flujo en tiempo real, lo que implica la implementación de muchas funciones trigonométricas. Las MCU de Renesas ofrecen unidades aritméticas dedicadas para funciones trigonométricas (TFU) que reducen en gran medida el tiempo de cálculo y aumentan la precisión del cálculo. Otras operaciones de punto flotante necesarias para aplicaciones de control de motores se pueden realizar a una velocidad de procesamiento de 200 MHz.
Control de retroalimentación: los MCU RA-T y RX-T tienen convertidores A/D de 12/16 bits incorporados. Estos ADC pueden muestrear 3 corrientes simultáneamente para un control de corriente preciso y una determinación del estado de conmutación. Para leer la retroalimentación de los codificadores, los modos de conteo de fases dedicados garantizan la capacidad de leer la entrada del codificador con una resolución de hasta 32 bits.
Interface de comunicación. Los variadores de motor desempeñan un papel vital en las industrias de automatización y procesamiento, ya que son componentes integrales de sistemas de control más grandes y facilitan la comunicación con controladores maestros y dispositivos periféricos. Por lo tanto, es imperativo que las MCU sean compatibles con los protocolos de comunicación estándar de la industria. Las MCU de Renesas se pueden integrar con sistemas más grandes sin problemas utilizando interfaces de comunicación como SCI, CAN, I2C, RSPI, USB y protocolos industriales extendidos como Ethercat y Ethernet-IP.
Renesas ofrece un entorno de desarrollo completo para el desarrollo de productos rápido y confiable. El entorno de desarrollo proporciona soluciones dedicadas para cada etapa importante del desarrollo de software y hardware junto con soporte técnico proporcionado por el equipo de Renesas.
Figura 5: Herramientas de desarrollo rápido de Renesas para soluciones de control de motores
En los últimos tiempos hemos sido testigos de una aceleración sin precedentes en el desarrollo tecnológico, impulsada principalmente por los avances en las tecnologías de la información y la computación digital. Estos avances no son meras progresiones incrementales, sino que marcan el inicio de una nueva revolución tecnológica conocida como Industria 4.0 (IR 4.0). En el centro de esta revolución se encuentran las tecnologías revolucionarias de la inteligencia artificial (IA), el aprendizaje automático y el análisis de datos.
En resumen, el futuro es una integración perfecta del mundo ciberfísico. Teniendo en cuenta la importancia de los controles de motores para aplicaciones industriales, las nuevas soluciones deben complementar estas aspiraciones y las capacidades de las MCU deben desempeñar un papel vital para lograr este objetivo. Las familias de MCU Renesas RX-T y RA-T se han desarrollado con funciones de control de motores dedicadas junto con capacidades de comunicación de datos rápidas y seguras para cumplir con los requisitos de IR 4.0 y, por lo tanto, ser una opción ideal para un sistema de control de motores industriales robusto.
