Control de motores inteligente, eficiente y preciso

La proliferación de motores eléctricos en aplicaciones industriales y de consumo ha revolucionado la forma en que operamos máquinas y equipos. Esto ha ayudado a acelerar la adopción de equipos de fabricación inteligentes utilizados en la Industria 4.0. Estos motores requieren sistemas de control electrónicos sofisticados que deben estar altamente integrados y ser rentables y, al mismo tiempo, proporcionar la corriente y los voltajes necesarios y lograr un control preciso y un funcionamiento eficiente. Josh Barton, ingeniero de aplicaciones de campo de Anglia, ofrece una descripción general de las familias de productos STSPIN y STDRIVE de STMicroelectronics, sus características y ventajas, y cómo se pueden utilizar de forma eficaz para impulsar y controlar motores eléctricos.

Control de motores inteligente, eficiente y preciso

La proliferación de motores eléctricos en aplicaciones industriales y de consumo ha revolucionado la forma en que operamos máquinas y equipos. Esto ha ayudado a acelerar la adopción de equipos de fabricación inteligentes utilizados en la Industria 4.0. Estos motores requieren sistemas de control electrónicos sofisticados que deben estar altamente integrados y ser rentables y, al mismo tiempo, proporcionar la corriente y los voltajes necesarios y lograr un control preciso y un funcionamiento eficiente.

STMicroelectronics es un proveedor líder de soluciones de semiconductores para diversas industrias, incluida la electrónica de movilidad, industrial y personal. Una de sus áreas clave de especialización es el diseño y fabricación de circuitos integrados de control de motores.

Las familias de productos STMicroelectronics STSPIN y STDRIVE se han diseñado teniendo en cuenta las necesidades de las aplicaciones de control industrial modernas, como la industria 4.0, y son capaces de accionar y controlar motores eléctricos de forma inteligente con alta eficiencia y precisión.

Josh Barton, ingeniero de aplicaciones de campo de Anglia, ofrece una descripción general de las familias de productos STSPIN y STDRIVE, sus características y ventajas, y cómo se pueden utilizar de forma eficaz para impulsar y controlar motores eléctricos.

Tipos de motores comunes

En primer lugar, veamos algunos de los tipos de motores más comunes que se utilizan hoy en día y sus puntos fuertes específicos para diferentes aplicaciones.

cepillo de corriente continua son el tipo de motor más común; sin embargo, ahora están siendo reemplazados en muchas aplicaciones porMotores CC sin escobillas (BLDC) debido a ventajas como mayor eficiencia, funcionamiento más silencioso y mayor confiabilidad. Estos motores versátiles se utilizan en aplicaciones que requieren un alto par y un funcionamiento a alta velocidad, como robótica y herramientas eléctricas.

Motores de inducción trifásicos (ACIM) son motores sin escobillas comúnmente utilizados en accionamientos industriales, estos motores cuentan con arranque automático, funcionamiento confiable y económico. Las aplicaciones típicas incluyen bombas industriales y sistemas de cintas transportadoras.

motores paso a pasoestán diseñados para realizar pequeños movimientos/pasos incrementales en lugar de simplemente rotación como un motor tradicional, se utilizan ampliamente donde se requiere un control de posición de precisión, como en los sectores de accionamientos de computadoras, seguridad y automatización industrial.

Motores de reluctancia conmutada Se utilizan más comúnmente en tracción, bombas industriales y electrodomésticos. Su estructura es similar a la de los motores paso a paso, pero tienen menos polos magnéticos.

Las soluciones de control y accionamiento de motores de STMicroelectronics son adecuadas para todos estos tipos de motores comunes y más.

Familia de productos STSPIN

En primer lugar, veremos la familia de productos STSPIN, que es una gama de controladores de motor integrados que están diseñados para accionar y controlar motores CC trifásicos sin escobillas (BLDC), motores paso a paso y motores CC monofásicos. Estos productos integran la electrónica de potencia, la electrónica de control y las funciones de protección necesarias para accionar y controlar motores. La familia también incluye variantes que tienen una MCU STM32 integrada que ofrece una solución System-In-Package totalmente integrada.

La familia de productos STSPIN incluye varios dispositivos, cada uno de los cuales está diseñado para las necesidades específicas de diferentes tipos de motores. A continuación se muestran algunos ejemplos de un par de dispositivos que se adaptan a algunas de las aplicaciones más comunes.

STSPIN230

Este dispositivo es un controlador de motor BLDC de medio puente triple de bajo voltaje con una clasificación de corriente de hasta 1,3 Arms. El dispositivo integra lógica de control, FET de accionamiento y protección en un solo IC. Ver Fig.1.

Está diseñado para funcionar con un voltaje de suministro de 1,8 V a 10 V y su conjunto completo de características de protección incluye protección contra sobrecorriente no disipativa, protección contra cortocircuitos, apagado térmico y función de enclavamiento para evitar daños al motor durante condiciones de falla. Otra característica clave del STSPIN230 es su función de ahorro de energía, donde se consume menos de 80 nA en modo de espera, lo que lo hace muy adecuado para aplicaciones alimentadas por batería. Todas estas características están incluidas en un paquete compacto VFQFPN16 que mide solo 3x3x1,0 mm, lo que permite diseños extremadamente compactos.

Figura 1. Diagrama de bloques del STSPIN230

Complementando este controlador IC está el STSPIN233, que es un dispositivo similar pero admite tres topologías de detección de derivaciones y puede forzarse a un estado de consumo cero, lo que permite un aumento significativo en la duración de la batería.

STSPIN830

Para un control de motor más avanzado, el STSPIN830 es un controlador de motor trifásico compacto y versátil preparado para control orientado a campo (FOC). Este dispositivo está alojado en un encapsulado QFN compacto de 4 x 4 mm e integra toda la lógica de control y una etapa de potencia de medio puente triple y bajo RDSon totalmente protegida. Ver Fig.2.

Diseñado para funcionar con un voltaje de suministro de 7 V a 45 V, el dispositivo puede entregar una corriente de salida máxima de 1,5 Arms. El STSPIN830 admite arquitecturas de derivación simple y triple e incorpora un limitador de corriente PWM basado en valores configurables por el usuario de voltaje de referencia y tiempo de APAGADO. El dispositivo se puede forzar a un estado de bajo consumo que reduce el consumo de corriente total a menos de 45 μA.

Figura 2. Diagrama de bloques del STSPIN830

Los dispositivos STSPIN830 también tienen un pin de entrada MODE dedicado que ofrece la libertad de decidir si controlarlo a través de 6 entradas (una para cada interruptor de encendido) o usar las 3 entradas de control directo PWM más comunes.

Al igual que todos los demás dispositivos de la familia STSPIN, el STSPIN830 integra un conjunto completo de protecciones para las etapas de potencia que incluyen sobrecorriente no disipativa, apagado térmico, cortocircuito, bloqueo por subtensión y enclavamiento, lo que lo convierte en una solución robusta para aplicaciones industriales exigentes.

La familia STSPIN también forma parte del programa de compromiso de longevidad de 15 años de STMicroelectronics (10 años para las soluciones System-In-Package totalmente integradas de MCU STM32), lo que brinda a los desarrolladores tranquilidad sobre la disponibilidad futura de estos productos para sus diseños.

Familia de productos STDRIVE

La familia de productos STDRIVE está diseñada para aplicaciones en las que el usuario desea controlar MOSEFT de canal N de alimentación externa, transistores GaN o dispositivos IGBT en diversas aplicaciones de control de motores. Estos circuitos integrados de controlador de puerta proporcionan la corriente y el voltaje necesarios para conmutar los dispositivos de alimentación, que a su vez controlan la corriente y el voltaje aplicados al motor. Una vez más, la familia de productos STDRIVE incluye varios dispositivos para adaptarse a diferentes requisitos de aplicación.

STDRIVE101

Este dispositivo es un CI de controlador de compuerta de lado bajo de un solo canal para aplicaciones de control de motores de bajo voltaje. Está diseñado para funcionar con un voltaje de suministro de 5,5 V a 75 V y puede suministrar hasta 600 mA de corriente (sumidero/fuente). Integra un regulador lineal de baja caída que genera el voltaje de suministro para los controladores de puerta del lado bajo y del lado alto a través de su circuito de arranque integrado. Ver Fig.3.

La lógica de control integrada en el dispositivo permite dos estrategias de entrada (lado alto y lado bajo o habilitación y señales de conducción PWM). El método de conducción se puede seleccionar según el pin DT/MODE. En ambos casos, la prevención de la conducción cruzada se garantiza mediante enclavamiento o tiempo muerto generado internamente.

Figura 3. Diagrama de bloques STDRIVE101

El dispositivo incluye varias funciones de protección, como un comparador de sobrecorriente, bloqueo de subtensión (UVLO) y apagado térmico. La protección UVLO se incluye tanto en las secciones del lado bajo como en el lado alto, lo que evita que los interruptores de alimentación funcionen en condiciones peligrosas o de baja eficiencia. Además, el dispositivo integra un monitor VDS integrado para cada MOSFET externo.

STDRIVEG600

En el otro extremo de la familia STDRIVE se encuentra el STDRIVEG600, un controlador de puerta de medio puente de un solo chip para FET GaN en modo de mejora o MOSFET de potencia de canal N. Está diseñado para funcionar con un voltaje de suministro de 4,75 V a 20 V, el dispositivo puede suministrar hasta 1,3/2,4 A (fuente/disipador) de corriente tipo a 25 °C, 6 V o hasta 5,5/6 A (fuente/disipador) de corriente. típico a 25 °C, 15 V. Consulte la Fig.4.

La sección del lado alto está diseñada para soportar un voltaje de hasta 600 V y es adecuada para diseños con un voltaje de bus de hasta 500 V. El dispositivo está diseñado para controlar FET de GaN y Si de alta velocidad gracias a su alta capacidad de corriente y propagación corta. retardo y funcionamiento con tensiones de alimentación de hasta 5 V.

Figura 4. Diagrama de bloques STDRIVEG600

El STDRIVEG600 también está bien equipado con características de protección que incluyen UVLO en las secciones de conducción superior e inferior, lo que evita que los interruptores de alimentación funcionen en condiciones peligrosas o de baja eficiencia, y una función de enclavamiento evita condiciones de conducción cruzada. Las entradas lógicas del dispositivo son compatibles con CMOS/TTL hasta 3,3 V para una fácil interfaz con microcontroladores y DSP.

Conclusión

Las familias de productos STSPIN y STDRIVE ofrecen una importante oportunidad a los fabricantes de sistemas industriales para mejorar el rendimiento y la funcionalidad de sus productos y reducir el coste operativo. STMicroelectronics desarrolla continuamente su gama de circuitos integrados de control de motores teniendo esto en cuenta. Tienen una solución adecuada, rentable y eficiente que brinda un control sólido y preciso para cada requisito de accionamiento del motor.

Soporte de diseño

STMicroelectronics también ha puesto a disposición una gama de placas de demostración y herramientas de desarrollo basadas en STSPIN y STDRIVE asequibles y fáciles de usar para ayudar a los diseñadores. Muchas de estas placas de evaluación también son compatibles con las placas STMicroelectronics STM32 Nucleo y el ecosistema de software asociado.

Además, Anglia ofrece soporte para diseños de clientes con kits de evaluación gratuitos, placas de demostración y muestras de productos STMicroelectronics a través del servicio EZYsample que está disponible para todos los clientes registrados de la cuenta Anglia Live.

El equipo de ingeniería de Anglia también está disponible para ayudar a los desarrolladores con diseños de control de motores y puede ofrecer asesoramiento y soporte a nivel de componentes y sistemas. Esta experiencia está disponible para ayudar a los clientes en todos los aspectos de sus diseños, ofreciendo soporte práctico de diseño junto con acceso a un amplio recurso de notas de aplicación y diseños de referencia de STMicroelectronics.

Visite www.anglia-live.com o escanee el código QR para ver la gama completa de productos STMicroelectronics disponibles en Anglia.