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Control eficiente de un motor CC de hasta 10 A

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No hay nada como un poco de lujo, especialmente a la hora de elegir un coche. Los propietarios de vehículos disfrutan desde hace tiempo de las ventajas de la electrificación, que para muchas personas empezó con los elevalunas eléctricos. En lugar de bregar con la manivela al dejar aparcado el coche o llegar a un peaje, la simple activación de un botón bastaba para abrir y cerrar la ventana.

Los vehículos compartidos por varios conductores a menudo generan frustración porque el asiento siempre parece estar configurado para el otro conductor. En este caso a menudo hay varios motores integrados con una función de memoria, permitiendo así que cada conductor configure su propia y cómoda posición de conducción con un solo gesto. Y en el monovolumen familiar, incluso los pasajeros más jóvenes pueden abrir y cerrar la puerta corredera con facilidad gracias al motor.

Si bien las ventajas de los motores CC sin escobillas (brushless DC motors, BLDC) parecen haberse extendido por todas las aplicaciones motorizadas, muchas de las mencionadas siguen recurriendo a motores CC con escobillas. Esto se debe a que la mayor eficiencia obtenida no justifica el diseño más complejo y el coste más elevado de una solución basada en un motor BLDC. Para una bomba de gasolina que funciona a lo largo de un trayecto, la vida útil más larga y el ahorro de energía que ofrece un motor BLDC son evidentes, pero en las aplicaciones accionadas por un motor que se utiliza apenas durante unos segundos, quizás una o dos veces en todo el trayecto, es más ventajoso usar motores CC con escobillas.


Compartimentar el control del motor CC
Por lo que respecta al diseño de la electrónica para el control de un motor CC, los ingenieros de sistemas tienen ante sí numerosas opciones. Un microcontrolador ocupa el núcleo de la unidad de control electrónico (ECU) que recibe las entradas de control a través de CAN o LIN y las convierte en señales que controlan el motor. Estas salidas deben controlar los interruptores de potencia (generalmente dispositivos MOSFET) a los que está conectado el motor. Los MOSFET se configuran en una estructura de medio puente que permite la rotación del motor en ambas direcciones y, mediante señales PWM (por modulación de la anchura de pulso), controlar la velocidad del rotor. Sin embargo, estas salidas lógicas no proporcionan la potencia suficiente para controlar las puertas de estos dispositivos. Por tanto se necesita un driver (circuito de excitación) de puerta cuya misión consiste básicamente en aumentar los niveles de las salidas lógicas del microcontrolador hasta los niveles necesarios para controlar los MOSFET.

La forma más sencilla de compartimentar estos sistemas es dependiendo de su función: microcontrolador, pre-driver y medio puente (Figura 2). Los ingenieros están sometidos a la presión de ofrecer diseños más compactos y fiables, lo cual exige enfoques alternativos y más integrados. La integración del microcontrolador y la etapa del pre-driver es una opción. La dificultad en este caso estriba en que el software para el microcontrolador a menudo ya está disponible, ha sido comprobado y su seguridad está homologada. Por tanto, el requisito de transferir y recertificar el software ya está encaminado.

Cuando hay que conservar el microcontrolador, la alternativa consiste en recurrir a un driver de control del motor (MCD), que integra el pre-driver y el medio puente. Esta arquitectura no exige mucha imaginación para ampliar la plataforma y permitir el uso de varios motores de manera flexible mediante un MCD a medida disponible dentro de la gama.

Medio puente de alta integración con pre-driver
Los dispositivos TB9053FTG y TB9054FTG recientemente presentados por Toshiba aprovechan su larga experiencia en la electrónica del automóvil que se remonta a la década de 1970. Estos drivers de doble canal para motores CC utilizan la robusta tecnología BiCD, que combina a su vez lo mejor de las tecnologías bipolar, CMOS y DMOS. Cada dispositivo contiene dos medios puentes formados por interruptores DMOS de canal N, los pre-drivers asociados y una serie de opciones de diagnóstico y control. Todo esto coincide con la creciente demanda de drivers empleados para conocer la causa de cualquier problema en el vehículo y para que los fabricantes de equipos originales (OEM) localicen con rapidez el origen de fallos en el funcionamiento.

Los dispositivos pueden funcionar en modo SMALL con hasta dos motores de 5 A o en modo LARGE con ambos canales en paralelo para controlar un motor de hasta 10 A (Figura 3). El proceso BiCD garantiza que los dispositivos de potencia tengan la baja resistencia adecuada
(resistencia de la ruta de 290 mΩ a Tj=150°C para un canal de salida) con el fin de minimizar la generación de calor y su disipación correspondiente. El número de componentes externos se ve reducido gracias a la integración de los condensadores necesarios para las bombas de carga del pre-driver. Con este diseño se pueden lograr ciclos de trabajo de hasta el 100%.

El control se puede implementar con las salidas PWM de un microcontrolador. Los cuatro medios puentes integrados tienen entradas PWM separadas que pueden funcionar a frecuencias de 1 kHz a 20 kHz. La inserción de tiempos de espera se realiza automáticamente dentro del dispositivo y las patillas restantes se encargan de la configuración del dispositivo y de habilitar o deshabilitar el funcionamiento. No obstante, esta sencilla interfaz de control desaprovecha gran parte de la capacidad del TB905xFTG.
La interfaz SPI serie permite acceder a numerosas opciones de configuración y datos de diagnóstico, así como interconectar varios dispositivos para controlar grupos de motores. Un umbral de sobrecorriente implementado como control con limitación de corriente de tipo chopper (troceador), que se puede fijar entre 4,6 A y 6,5 A en modo SMALL o 9,2 A y 13,0 en modo LARGE.

El driver del motor también se puede gestionar íntegramente a través de SPI (Figura 4). La integración de un oscilador de 16 MHz y un controlador PWM reduce el número de señales que el microcontrolador necesita suministrar. La salida del reloj del microcontrolador se puede utilizar como base de tiempo y, si esta señal externa falla por cualquier motivo, el oscilador interno se puede emplear como una solución para implementar el modo de conducción de emergencia.

Debido a las corrientes elevadas que caracterizan a estas aplicaciones puede resultar bastante complicado cumplir los requisitos de compatibilidad electromagnética (EMC). Para facilitar el proceso de desarrollo, el TB905xFTG ofrece la posibilidad de escoger entre siete niveles de control de la pendiente de salida (slew-rate), de 1,09 a 26,25 V/µs (Figura 5).

La baja resistencia en conducción ayuda a minimizar la generación de calor. Todo el valor generado se disipa con facilidad gracias al encapsulado avanzado y térmicamente mejorado que usa el TB9053FTG. El disipador de calor integrado permite disminuir la resistencia térmica hasta solo 0,67°C/W. Como resultado de ello, la placa de circuito impreso también puede proporcionar toda la disipación de calor necesaria en algunos diseños. El encapsulado del TB9054FTG es un VQFN con flancos humectables de 6 × 6 mm y un paso de 0,5 mm, por lo que este dispositivo AEC-Q100 está indicado para inspección óptica automática (AOI).

Próxima disponibilidad
Si bien son numerosas las aplicaciones con motores que están recurriendo a los BLDC, muchos sistemas en el automóvil seguirán utilizando motores tradicionales de 12 V CC por razones de complejidad del diseño y de coste. Dispositivos como el TB905xFTG se basan en tecnologías avanzadas de proceso como BiCD para ofrecer un control muy configurable y eficiente del motor. También cubren las fuertes exigencias de calidad e inspección de la producción de la industria de automoción además de permitir el desarrollo de nuevas plataformas que aprovechan las soluciones basadas en microcontrolador ya existentes y el software certificado que ejecutan. Gracias a su potente capacidad de diagnóstico, también se integran bien en las actuales plataformas inteligentes del automóvil.

Klaus Neuenhüskes, Chief Engineer Solution Marketing, Toshiba Electronics Europe GmbH

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