Las MCU altamente integradas simplifican el diseño de control de motores preciso y eficiente

Cuando mi hijo de secundaria se unió al club de robótica, yo era un padre orgulloso. Sin embargo, no pasó mucho tiempo antes de que comenzara a compartir problemas de diseño familiares. Un gran desafío para él fue encontrar hardware de control de motores que fuera preciso, eficiente y fácil de usar.

En nuestro mundo profesional, estas mismas demandas surgen al diseñar todo, desde electrodomésticos hasta automatización industrial. Es por eso que estoy intrigado por las nuevas unidades de microcontrolador (MCU) PSOC Control C3 de Infineon.

Una arquitectura eficiente para el control avanzado de motores

La familia PSOC Control C3 se ofrece como una solución de alto rendimiento pero eficiente para el control avanzado de motores. Estas MCU están construidas alrededor de un núcleo Arm Cortex-M33 con procesamiento de señal digital (DSP) y una unidad de punto flotante (FPU) (Figura 1). Este núcleo se complementa con periféricos de alto rendimiento optimizados para sistemas que utilizan dispositivos de potencia basados en tecnologías de banda ancha como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN).

Figura 1: Las MCU PSOC Control C3 cuentan con potentes periféricos construidos alrededor de un núcleo Arm Cortex-M33 con DSP y una FPU. (Fuente de la imagen: Infineon)

Tres periféricos de MCU Control C3 son particularmente dignos de mención:

• El convertidor analógico a digital (ADC) de registro de aproximación sucesiva (SAR) de 12 bits de alto rendimiento ofrece un verdadero muestreo inactivo síncrono de hasta 16 señales analógicas. Esto es crucial para capturar con precisión formas de onda que cambian rápidamente, como las corrientes de fase del motor en sistemas de control orientado al campo (FOC) o los voltajes de red en un inversor solar.
• El acelerador matemático opcional de la computadora digital de rotación de coordenadas (CORDIC) descarga funciones trigonométricas y otras funciones trascendentales del núcleo Arm. Esto beneficia a algoritmos como las transformaciones Park en sistemas FOC y bucles de bloqueo de fase (PLL) en la conversión de energía conectada a la red.
• Los bloques de modulación de ancho de pulso de temporizador/contador (TCPWM) pueden generar señales de conmutación precisas e integrar una interfaz de movimiento (MOTIF), proporcionando soporte de hardware directo para codificadores Hall y de cuadratura utilizados en diseños de control de motores basados en sensores.

Juntas, estas características proporcionan una solución estrechamente integrada para aplicaciones exigentes, como accionamientos de motor de alta eficiencia, fuentes de alimentación digitales y sistemas de energía renovable.

Otras características que destacaría incluyen abundantes modos de E/S y bajo consumo que pueden llevar el consumo de energía por debajo de 1 microamperio (μA). La seguridad de nivel 2 con certificación PSA protege contra la manipulación, mientras que el cumplimiento de IEC 60730 Clase B e IEC 61508 SIL 2 garantiza la seguridad funcional.

Optimizar el costo vs. capacidades con dos líneas de MCU

No todos los diseños requieren todas las características disponibles, y los presupuestos pueden ser ajustados, por lo que el PSOC Control C3 viene en dos sabores: la línea de entrada de costo optimizado y una línea principal más capaz. Las características clave de la línea de entrada incluyen un núcleo Arm de 100 megahercios (MHz), un ADC de 6 megamuestras por segundo (MSPS) y un paquete de 48 o 64 pines.

La línea principal pasa a un procesador de 180 MHz, un ADC SAR de 12 MSPS y agrega una opción de paquete de 80 pines. También mejora la sincronización PWM a más de 100 picosegundos (ps), lo que permite el control de frecuencias de conmutación por encima de 200 kilohercios (kHz).

El PSC3M5FDS2AFQ1XQSA1 (Figura 2) ejemplifica las capacidades de la línea principal. Esta MCU combina el núcleo Arm Cortex-M33F de 180 MHz con 256 kilobytes (Kbytes) de memoria flash en un paquete PG-LQFP-80. Es especialmente adecuado para aplicaciones exigentes, como la robótica y los controladores de motores de bicicletas eléctricas, donde el rendimiento es primordial.

Figura 2: La MCU de la línea principal de PSC3M5FDS2AFQ1XQSA1 combina el núcleo Arm Cortex-M33F de 180 MHz con 256 Kbytes de memoria flash en un paquete PG-LQFP-80. (Fuente de la imagen: Infineon)

Acelere el diseño de control de motores con kits de evaluación

Para aquellos interesados en diseñar con la familia Control 3, el kit de evaluación KITPSC3M5EVK (Figura 3) es un buen punto de partida. Cuenta con una MCU PSC3M5FDS2AFQ1, lo que brinda a los diseñadores acceso al conjunto completo de capacidades de PSOC Control C3.

Figura 3: El kit de evaluación de KITPSC3M5EVK proporciona una variedad de encabezados para el trabajo de prueba de concepto utilizando MCU PSOC Control 3. (Fuente de la imagen: Infineon)

La placa presenta un diseño sencillo, lo que la hace adecuada para la experimentación con placas de pruebas. También ofrece cabezales para escudos mikroBUS MIKROE, Uno R3 de Arduino y la interfaz Shield2Go de Infineon para una fácil expansión. En general, es una opción viable para pruebas periféricas, trabajo de prueba de concepto y desarrollo de código inicial.

Para aquellos que buscan saltar directamente al diseño de control de motores, también están disponibles kits más avanzados, como el KIT_PSC3M5_CC2 (Figura 4). Esta plataforma integral se construye en torno a la misma MCU PSC3M5FDS2AFQ1 e incluye controladores de compuerta integrados para el control de la etapa de potencia, circuitos de detección de corriente para la medición de corriente de fase y una fuente de alimentación integrada para operación independiente. Es una excelente opción para el desarrollo de controladores de motores, pruebas de algoritmos FOC y validación a nivel de sistema.

Figura 4: El KIT_PSC3M5_CC2 es una plataforma flexible para crear prototipos de control de motores. (Fuente de la imagen: Infineon)

Tanto las placas como la familia PSOC Control C3 son compatibles con ModusToolbox, el ecosistema de desarrollo de Infineon. ModusToolbox Motor Suite proporciona ejemplos de código listos para usar y herramientas diseñadas específicamente para aplicaciones de control de motores, lo que le permite pasar rápidamente de la evaluación a la implementación. También admite la integración directa con numerosos IDE y sistemas de compilación de terceros, lo que le brinda flexibilidad para adaptar el flujo de trabajo a su cadena de herramientas preferida.

Conclusión

Ya sea que sea nuevo en el control de movimiento, como mi hijo, o un diseñador experimentado que busca la última tecnología, las MCU PSOC Control C3 tienen mucho que ofrecer. Las funciones avanzadas, como el acelerador CORDIC y el ADC sincronizado, le confieren impresionantes capacidades de control del motor. Lo mejor de todo es que estas características están empaquetadas en una MCU altamente eficiente, lo que abre nuevas posibilidades intrigantes para diseños sensibles a los costos.