Diseño de un controlador para motores eléctricos de corriente continua sin escobillas

Resumen

Los motores eléctricos de corriente continua sin escobillas (BLDC) son los motores que más ventajas presentan para ser utilizados en aplicaciones de robótica móvil: bajo mantenimiento, alta eficiencia, relación torque/velocidad prácticamente lineal, etcétera. Pero su control resulta bastante complejo, por lo que se requiere de un sistema basado en microprocesador que lo realice. Existen tres algoritmos de control para motores BLDC: trapezoidal, sinusoidal y FOC (Field Oriented Control). El fin de todos ellos es calcular el instante óptimo para excitar cada una de las fases del motor y durante cuánto tiempo deben ser excitadas; y sus diferencias residen en su complejidad, la eficiencia y el rizado de torque que producen en el motor. Así, el objetivo de este Proyecto Fin de Grado es el de diseñar un controlador para motores BLDC de baja potencia que implemente un algoritmo de control. El resultado debe ser un dispositivo completamente funcional, ya que formará parte de los robots diseñados por la empresa Star Robotics. Además, su coste debe ser inferior al de los controladores comerciales que pueden encontrarse actualmente en el mercado. Nuestro diseño parte de la tarjeta X-NUCLEO-IHM07M1, del fabricante ST Microelectronics. Se trata de una tarjeta de evaluación basada en el circuito integrado L6230, también diseñado por ST Microelectronics, el cual es capaz de generar las corrientes para las tres fases del motor a partir de 3 señales PWM y 3 señales digitales. Estas señales son generadas por el microcontrolador STM32L476RG, el cual ejecuta un firmware basado en el paquete STM32 MC SDK¸ también de ST Microelectronics. Para integrar el hardware del controlador, se ha diseñado una PCB (Printed Circuit Board) de dimensiones reducidas (82x33 mm) y que consta de 4 capas conductoras. El objetivo con esta tarjeta es conseguir una alta densidad de componentes, así como una alta disipación del calor generado por la corriente consumida por los motores. En la fase de puesta en marcha del proyecto debemos ajustar el controlador diseñado a las condiciones reales de funcionamiento. Para ello, se han calibrado los reguladores PID que implementa el firmware de control para ajustar las señales de acción que determinan las corrientes del motor, su velocidad y su posición angular. Esta calibración se ha realizado con los controladores ya montados en el robot. La modificación más importante realizada en el firmware ha sido el cálculo e implementación de una nueva trayectoria en los cambios de posición del motor, debido a que la respuesta obtenida en los desplazamientos largos es demasiado lenta. La solución pasa por recalcular los tiempos de cada una de las fases del movimiento, a partir del jerk, la aceleración y la velocidad máxima que puede alcanzar el motor.
Como punto final del proyecto, se han realizado todas las pruebas necesarias para la validación del controlador diseñado y analizaremos las posibles modificaciones que puede sufrir este diseño en sus futuras versiones.
Abstract:
Brushless direct current (BLDC) motors are the most commonly used in mobile robotic applications. They have many advantages over brushed motors: more efficiency, almost-linear torque/velocity relation, low maintenance, etcetera. But they present an important disadvantage, that is their complex control. For that, it is indispensable a microprocessor based system which executes the control algorithm. There are three main algorithms for controlling BLDC motors: 6-Steps, Sinusoidal and FOC (Field Oriented Control). All of them have a common objective: to calculate the optimal instant for commuting the excitation of each phase of the motor. The differences between them are their complexity, their efficiency and the torque ripple generated. Thus, the purpose of this Final Project is to develop a driver for low power BLDC motors which implements the FOC control algorithm. This development must generate a totally useful device which will be part of robots designed by Star Robotics. Moreover, it must be cheaper than the commercial drivers which can be found in the market.
We take as reference the design of the X-NUCLEO-IHM07M1 board, from ST Microelectronics. This is an evaluation board based on the integrated circuit L6230, from the same manufacturer. It is able to generate the proper current for each motor phase from 3 PWM and three digital signals. These signals are generated by the microcontroller STM32L476RG, which executes a firmware based on the STM32 MC SDK. The designed hardware is integrated on a PCB (Printed Circuit Board), whose dimensions are really compact (82 x 33 mm). It counts with four conducting layer and its objective is to achieve a high components density as well as a high heat dissipation due to the consumed current by the motor. Once the driver is available, we have to adjust its parameters for the real working conditions. That involves calibrating the PID regulators implemented on the control firmware. That regulators are the responsible for managing the currents of the motor, its velocity and its angular position. This calibration is made once the driver was mounted in the robot. The most important modification performed on the firmware is the calculus and the implementation of a new trajectory for the position displacement of the motor. In the original trajectory implemented by ST, the motor accelerates and decelerates too slowly, so we will recalculate the duration of each movement stage from the maximum values of jerk, acceleration and velocity that the motor can reach. Finally, all the validation tests were made on the designed driver for guaranteeing the correct system operation on the robot and we present some possible modifications for the next version of the driver.