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Controle direto de motor AC trifásico para máquinas de lavar (MEC061)

Em seu Application Note AN3476 a Freescale (www.freescale.com) descreve um controle direto vetorial para motor AC trifásico, do tipo usado em máquinas de lavar. Neste artigo resumimos o conteúdo do documento que pode ser baixado diretamente do site da empresa no formato PDF. Nele o leitor encontrará informações adicionais sobre o projeto inclusive cálculos e links para a programação dos componentes utilizados.

Segundo a Freescale, o maior desafio no projeto de máquinas de lavar atualmente está na substituição dos sistemas tradicionais de excitação dos motores por sistemas controlados eletronicamente mais modernos. No passado, os projetos de máquinas de lavar empregavam dois sistemas antigos.

Assim, os projetos mais antigos empregavam sistemas eletromecânicos de duas velocidades monofásicos para motores de indução de corrente alternada. Este tipo de sistema não é mais usados nas máquinas mais modernas. A maioria das máquinas utiliza motores universais com escovas com controles comutadores do tipo Triode Alternating Current, ou seja, TRIACs. No entanto, com o aparecimento de novos dispositivos eletrônicos, estes drives estão se tornando obsoletos também.

Uma nova geração de máquinas de lavar está sendo projetada com motores trifásicos sem escovas. Os melhores candidatos para estes projetos são os motores de indução AC trifásicos e senoidais de imã permanente. Os dois tipos de motores exigem o uso de algoritmos sofisticados para a realização das funções de controle, exigindo soluções baseadas em microcontroladores.

Por outro lado, dispositivos baseados em DSP são ainda melhores pela sua capacidade de processamento em tempo real, importantes para aplicações que envolvam o controle de motores. Nesta aplicação a Freescale descreve uma alternativa para este de controle, com foco nos algoritmos de controle e sua implementação numa máquina de lavar real.

 

Destaques da Aplicação

A idéia é utilizar os dispositivos da família 56F801x/56F802x que consistem em controladores com sinais digitais embutidos; No exemplo foram usados os MC56F8013/MC56F8023 que oferecem ao projetistas as características necessárias a este tipo de aplicação, tais como:

 

* Controle de motor de indução AC trifásico

* Gerador tacográfico de baixo custo baseado no eixo do motor para sensoriamento de velocidade

* Algoritmo de controle vetorial direto

* Faixa de rotações de 0 a 18 000 rpm (motor) ou 0 a 1800 rpm (tambor)

* Reconstrução das correntes nas três fases a partir de resistores shunt no barramento DC

* Controle não recuperativo de frenagem e desaceleração

* Controle que minimiza perdas

* Proteção contra sobre-tensão, sobre-corrente e sub-corrente

* Detecção de fora de balanço do motor

* Interface de controle RS-232

 

Na figura 1 temos o conceito geral para esta aplicação:

 

 

Conceito geral.
Conceito geral.

 

O circuito de excitação foi desenvolvido com diversos requisitos específicos para máquinas de lavar. O drive é projetado para rodar numa ampla gama de velocidades, de 0 a 18 000 rpm. Além disso ele foi otimizado para aceitar uma grande variedade de cargas. Estas condições refletem as exigências de uma máquina de lavar real que tanto pode operar com um tambor vazio ou um tambor cheio com roupa molhada e, portanto pesada.

Um outro destaque desta aplicação está na capacidade de ter um bom torque de partida para tirar da imobilidade o tambor. Como a eficiência da máquina depende do controle preciso da velocidade o projeto vem com um controle PID de elo fechado. Com ele pode-se obter um bom controle dinâmico de velocidade.

Deve-se ainda ter recursos para se encurtar o ciclo de lavagem o máximo possível. Para isso um algoritmo de frenagem não-recuperativo foi usado quando o processo for encerrado numa alta velocidade de rotação do tambor. Trata-se de um aspecto muito importante em termos de eficiência energética.

Observe que o produto foi projetado para ser capaz de concorrer num mercado sensível aos custos como o da linha branca. Assim, considerando-se a eficiência de custos, o circuito apresentado reduz o número de sensores de corrente do motor de três para um, conforme mostra a figura 2.

 

Reduzindo o número de sensores de corrente.
Reduzindo o número de sensores de corrente.

 

As três correntes de fase do motor são reconstruídas da corrente DC no barramento usando uma técnica avançada de reconstrução.

Conforme vimos na figura 1, o motor trifásico AC é acionado por um inversor trifásico empregando seis sinais PWM. O algorítmo de controle consiste num controle vetorial padrão e um algorítmo dedicado à máquinas de lavar. Detalhes deste algorítmo podem ser obtidos na documentação original da Freescale.A aplicação pode ser controlada por uma interface RS-232 usando o controle FreesMaster e software de debugging.

 

Conclusão

Os controladores da família MC56F80xx são ideais para o controle digital de motores, já que combinam os recursos de cálculos de DSPs com a capacidade de controle de MCUs num único chip. Estes controladores digitais de sinais (DSC) oferecem diversos periféricos dedicados como módulos PWM, ADCs, timers, periféricos de comunicação (SPI, SCI, I2c,) e RAM e flash on-board. Com eles podem ser criados outros aplicativos da linha branca que utilizem motores e que necessitam de controles de alto desempenho.

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