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MOSFETs e Processadores não Fazem Tudo – Componentes Passivos Também são Críticos no Controle de Motores (ART2321)

Este artigo foi originalmente escrito por Bill Schweber da Mouser Electronics . Fizemos uma tradução adaptada para este site, levando em conta alguns fatos importantes para nossos leitores.

 

Figura 1 – Motor elétrico com conectores de alta tensão
Figura 1 – Motor elétrico com conectores de alta tensão

 

 Historicamente, nos carros de combustão interna encontramos apenas um motor elétrico de alta corrente: o motor de partida que opera com 12 V e cuja corrente alcança 100 ampères.

Para ele não precisamos de um controle sofisticado, pois se trata de um motor on-off, que apenas liga com a força total no momento da partida.

É claro que existem alguns outros motores simples como o do motor do limpador de para-brisas e o que controla os vidros das portas.

Atualmente, entretanto, o número de motores que encontramos nos carros aumentou muito, citando como exemplo o ajuste dos retrovisores, controle de ventilação, ajuste dos acentos e muito mais.

O resultado disso é um aumento no peso da instalação e também no custo do veículo.

A Mouser Electronics oferece uma grande quantidade de produtos de fabricantes importantes que se destinam a este tipo de aplicação. Citamos alguns produtos e fornecedores.

 

Molex Sealed Rectangular Connectors (SRC) - http://br.mouser.com/new/molex/molex-src-connectors/ 

Vishay / Dale Current Sensing Resistors - http://br.mouser.com/new/vishay/vishaycurrentsense/ 

Texas Instruments Current Sense Amplifiers - http://br.mouser.com/access/?pn=595-INA225AIDGKT 

Ohmite MCS Series Current Sense Resistors - http://br.mouser.com/new/ohmite/ohmite-mcs-resistors/ 

Amphenol Industrial ePower Energy Storage Connectors - http://br.mouser.com/new/Amphenol/amphenolepower/ 

Analog Devices AD8418A Bidirectional Zero Drift Current Sense Amplifier - http://br.mouser.com/new/Analog-Devices/adi-amplifier-ad8418a/ 

 

Fornecedores

Vishay - http://br.mouser.com/vishay/

Molex - http://br.mouser.com/molex/

Texas Instruments - http://br.mouser.com/Texas-Instruments/ 

Ohmite - http://br.mouser.com/ohmite/ 

Analog Devices - http://br.mouser.com/analog-devices/ 

 

Fontes de informações no site da Mouser

Motor Control Applications - http://br.mouser.com/applications/motor-control/ 

Motor Control Solutions - http://br.mouser.com/new/Texas-Instruments/ti-motor-control-solutions/ 

Motor Driver Solutions - http://br.mouser.com/new/onsemiconductor/onsemiconductor-motor-drivers/ 

Industrial Applications - http://br.mouser.com/applications/industrial_applications/ 

Harsh Environment Technology - http://br.mouser.com/applications/harsh-environment-technology/ 

AC Induction Motors - http://br.mouser.com/applications/industrial_application_ac_induction/ 

 

Além disso, a demanda de energia elétrica dos veículos aumentou muito com a chegada do veículo elétrico (HEV). Os sistemas dos veículos elétricos precisam manusear correntes de centenas de ampères com correntes que chegam a centenas de volts. O Toyota Prius, por exemplo, opera com 200 V e, além disso esses motores precisam de controle preciso para se obter o desempenho desejado.

 Isso significa que o controle de um motor é algo mais do que apenas MOSFETs que comuta a corrente aplicada a ele, e também o processador que executa o algoritmo de controle e energia os MOSFETS.

É claro que os componentes ativos são críticos, mas eles são apenas uma pequena parte de todo o circuito. A faixa de potências que vai de unidades de pequena potência até as de alta potência, torna difícil escolher os componentes passivos que devem ser separados em dois grupos.

 

1. Resistores sensores para o controle do motor os quais permitem que o controlador do motor saiba o que o motor está fazendo e o que deve fazer. Esses resistores dependem das correntes e tensões envolvidas.

2. Conectores que precisam ser capazes de manusear as correntes e tensões envolvidas, sendo compactos, seguros, fáceis de usar e de baixo custo. Devem ainda ser capazes de desconectar e conectar com facilidade no processo de reparoi.

 

Sensoriando o Fluxo de Corrente

Quando precisamos saber o que o motor está fazendo, para ser capaz de comparar com a ação necessária (posição, velocidade, etc.) algum tipo de realimentação é necessária. Isso pode ser obtido através de um encoder (hall, óptico, magnético) ou através da corrente que flui através de seus enrolamentos. Geralmente, os projetistas utilizam uma abordagem a partir do sensoriamento da corrente, porque é mais barata e fisicamente mais fácil de implementar do um encoder.

Para o sensoriamento de corrente a topologia mais simples utiliza um resistor em série com o enrolamento do motor e a tensão sobre esses resistor é monitorada pelo controlador, conforme mostra a figura 2.

 

Figura 2 - A queda de tensão no resistor é porporcional à corrente
Figura 2 - A queda de tensão no resistor é porporcional à corrente

 

Este resistor também é chamado “shunt”. Mas devemos considerar que na verdade ele está em série com os enrolamentos do motor e não em paralelo, como ocorre para o mesmo componente usado em amperímetros.

Normalmente o resistor é escolhido de modo que a máxima tensão que apareça sobre ele seja de 1 V, dependendo da intensidade da corrente e da alimentação do circuito sensor, normalmente a mesma fornecida ao motor.

Geralmente, os valores dos resistores são menores que 1 ohm para minimizar a queda de tensão, reduzir a dissipação e também a energia perdida e não afetar a estabilidade do circuito. Como se trata de um componente separado dos enrolamentos do motor ele pode afetar a dinâmica e estabilidade do circuito de realimentação.

Além disso, a matemática básica mostra que tanto maior for a corrente do motor, menor deve ser o valor do resistor para minimizar a queda de tensão, o que é especialmente crítico quando se trabalha com baixas tensões.

Apesar disso, selecionar um resistor sensor pode parecer uma decisão simples quando nos baseamos em V = R x I, mas não é. Existem muitos fatores conflitantes a considerar.

Valor do resistor: resistores de valores menores minimizam as perdas, mas têm um impacto na performance do elo de realimentação. Entretanto, estes resistores mais baixos podem ter mais dificuldade em sensoriar com precisão, especialmente em ambientes ruidosos. Então, a ideia de se usar ter maiores tensões sobre o resistor está em conflito com a ideia de se usar um resistor de valor menor. Normalmente são usados nas condições de altas correntes resistores na baixa de miliohm.

 Dissipação do resistor: Mesmo sendo um resistor na faixa de miliohm, a corrente pode ser intensa e com isso a dissipação. Um resistor com dissipação apropriada deve ser escolhido. Um resistor de 0,1 ohm conduzindo uma corrente de 10 A dissipa uma potência de 10 W, o que significa uma boa concentração de calor gerado..

 Coeficiente de temperatura do resistor: Como todos os componentes, os resistores têm um coeficiente de temperatura. Pode parecer um item desprezível, mas não é. Além disso, a região que está o resistor é aquecida e com isso o valor do resistor pode mudar de modo significativo, colocando em risco a leitura da corrente, que deve ser mantida num grau de precisão aceitável.

 Trilhas da Placa de Circuito impresso: A resistência da placa de circuito impresso e as juntas soldadas para o sensor é muito pequena, mas na prática ela pode ser significativa quando comparada com a do resistor. Assim ela deve ser considerada com cuidado para o ponto exato em que o resistor está ligado e como ela pode influir nas medidas a longo termo.

 Invólucro: Com as correntes menores, resistores SMT são usados. Para correntes moderadas, os resistores também podem ser SMT ou de terminais de metal axiais e para as correntes mais elevadas devem ser do tipo parafuso ou passagem. Alguns resistores de baixa corrente e baixa resistência tem a forma de pequenas barras de metal. Com exemplo de resistor de média potência temos o Vishay/Dale WSBM8518L1000JK de 0,0001 ohm que consiste numa barra de metal com uma dissipação de 36 W,conforme mostra a figura 3. Este é um resistor SMD que mede 12,7 (H) x 43,2 () x 38,1 mm (W) com 5% de tolerância e um coeficiente de temperatura de +/- 225 ppm. Ele também inclui um conector para simplificar a com instalação.

 

Figure 3 – Resistor sensor da Vishay/Dale
Figure 3 – Resistor sensor da Vishay/Dale

 

Apesar de ter um coeficiente de temperatura alto, ele é aceitável em muitas aplicações. Os resistores também são disponibilizados com baixos coeficientes de temperatura, como o Vishay/Dale VSMS3124L1000JK, mostrado na figura 4, um resistor de 0,0001 ohm x 3 W com um desvio de +/- 75 ppm/oC. Este resistor é fornecido em uma barra de metal de 3,3 (H) x 55 (L) x 15 mm (W).

 

Figura 4 - WSMS3124L1000JK da Vishay/Dale.
Figura 4 - WSMS3124L1000JK da Vishay/Dale.

 

 

Sensoria a corrente Lado ou Baixo (High side ou Low side)

Mesmo depois dos itens acima terem sido resolvidos, existe ainda um ponto em que o projetista deve prestar atenção: qual lado usa para colocar o resistor sensor – entre a carga e alimentação positiva (high side) ou entre a carga e a terra (low side). Nenhum dos dois pode ser inerentemente considerado melhor, mas existem considerações que deve ser feitas no contexto de uma aplicação.

No sensoriamento do lado baixo (figura 5), o resistor é conectado entre o motor (carga - load) e o sistema comum (também chamado de terra). Como resultado, o circuito que sensoria a corrente através do resistor pode também ser aterrado. Isso simplifica o projeto e implementação do circuito, assim como o interfaceamento ao sistema de realimentação.

 

Figura 5 – Sensoriamento do lado baixo (low-side)
Figura 5 – Sensoriamento do lado baixo (low-side)

 

No entanto, sensoriamemto low-side também singnifica que a carga não estará aterrada. Este fato tem sérias implicações para as conexões físicas da carga e seu uso seguro. Como o lado inferior da carga está acima do terra, nenhuma parte dela pode ser conectada à terra como, por exemplo, o chassi de um carro ou ainda uma caixa. Além disso, como o lado inferior da carga não está no potencial de terra, o circuito drive da carga e qualquer medida de tensão feita na carga (que não é a mesma lida através do resistor do sensor) deve ser feita de modo diferencial ou através de circuito isolado da terra.

A alternativa é o lado alto (high side) onde o resistor sensor é colocado entre a alimentação positiva e a carga, conforme mostra a figura 6. Nesta configuração a carga permanece com um terminal aterrado. Esta configuração é muito melhor sob o ponto de vista de segurança geral, mas significa que o sensoriamento deve ser feito por um circuito diferencial, pois o resistor não tem conexão com a terra.

Isso é mais custoso que mais complexo que um circuito que pode ser conectado à terra. Além disso, o circuito sensor deve ser projetado para trabalhar com a tensão em modo comum do sistema, e ter um elevado CMRR (relação de rejeição em modo comum) para sensoriar e extrair as pequenas variações de tensão que ocorre no sensor (milivolts) na presença de dezenas ou centenas de volts que alimentam a carga.

 

Figura 6 – sensoriamento High-Side
Figura 6 – sensoriamento High-Side

 

Apesar das duas aplicações serem diferentes, a maioria dos projetistas prefere atualmente o lado alto. Isso ocorre por que esta abordagem evita problemas de segurança e de instalação que são inevitáveis em cargas não aterradas. Também o circuito para fazer o sensoriamento high-side a partir de pequenas tensões (com amplificadores diferenciais e componentes de isolação) tem um custo modesto e tamanho reduzido.

Independentemente de qual modo seja usado, a escolha do resistor deve levar em conta muitos fatores: o valor correto em Ω (certamente), dissipação e tamanho físico que case com a aplicação.

 

Os conectores não devem ser desprezados

Os projetistas que estão selecionando conectores para motores devem lembrar dois fatos básicos. Eles são válidos tanto se o veículo é do tipo de combustão interna (gás, diesel, ou mesmo hidrogênio) como um HEV/EV com altas correntes e altas tensões.

1. Correntes elevadas exigem contatos maiores para conduzir as corrente, minimizar as perdas IR e reduzir o autoaquecimento I2R; estes contatos, por sua vezes exigem que o conector seja maior.

2. Tensões mais elevadas, mesmo sob correntes mais baixas exigem maior separação entre os contatos de modo a evitar o faiscamento e arcos e também espaçamento de segurança. (Nota: denomina-se creepage a distância que um arco atravessa, por exemplo, entre trilhas ou contatos de um conector)

Os fatores que determinam o tamanho dos contatos e espaçamento definem as opções de conectores. Além disso, os conectores multi-pinos são projetados para misturar diversas especificações de corrente e tensões, para se obter economia de espaço e custos. Algumas conexões de motores são apenas para potência, enquanto o barramento de controle usa outra rede e conector específico,

Por exemplo, o Molex 93288-0001 é um conector de 84 pinos para sinais e trilhas de corrente baixa/moderadas (figura 7). Ele casa com o Molex93287-0001 femea (Fig. 8). O par usa contatos crimpadose são especificados para 6 A podendo ser usados com fio AWG 14 (MX150).

 

Figura 7 – O conector Molex 93288-0001
Figura 7 – O conector Molex 93288-0001

 

 

Figura 8 – O Molex 93287-0001
Figura 8 – O Molex 93287-0001

 

Independentemente da opção selecionada, vendedores confiáveis especificam as correntes e tensões máximas (nas temperaturas nominal e máxima), e indicam os padrões em que o conector se enquadra em determinadas condições de projeto. Também existem especificações de temperatura e inflamável que se aplicam a casos de motores em veículos.

Os carros atuais possuem dúzias de motores e centenas de conectores, cada um escolhido para a aplicação específica e em função de custos e disponibilidade.

 

Fontes adicionais (em inglês)

"Optimize High-Current Sensing Accuracy by Improving Pad Layout of Low-Value Shunt Resistors" from Analog Devices - http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/46-06/shunt_resistors.html 

"Choosing the right sense resistor layout" from Texas Instruments - http://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2014/10/30/choosing-the-right-sense-resistor-layout.aspx 

 

O autor

 

Bill Schweber
Bill Schweber

Bill Schweber é um engenheiro eletrônico autor de três livros nas áreas de sistemas de comunicação além de centenas de artigos técnicos, opiniões colunas e resenha de produtos. Além disso, colaborou com sites como EE Times e foi Editor Executivo e Editor Analógico da EDN.

 

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