por Sebastiano Grasso, Leonardo Agatino Miccoli, Giusy Gambino, Filippo Scrimizzi, STMicroelectronics, Catania, Italia
El panorama automotriz está en constante evolución, impulsado por la creciente demanda de automatización, mejoras de seguridad y eficiencia energética. Dentro de este entorno dinámico, la implementación de motores de CC en aplicaciones de carrocería de automóviles ha ganado una importancia significativa. Estos motores versátiles encuentran aplicación tanto en vehículos de combustión tradicionales como en vehículos eléctricos modernos, y cumplen diversas funciones como bloqueo de puertas, control de ventanas, operación de bombas, ajustes de dirección y potencia del maletero. El empleo de controladores de motor de silicio dedicados para controlar motores de CC ofrece muchas ventajas, incluida una mayor confiabilidad, facilidad de uso, capacidades integrales de monitoreo y protección, y la capacidad de implementar funciones avanzadas de accionamiento.
Una forma notable de introducir funciones avanzadas y lujosas es utilizar señales de entrada PWM (modulación de ancho de pulso) para accionar motores. El ajuste del ciclo de trabajo de la señal PWM permite una modulación precisa de la velocidad y el par del motor. Sin embargo, el uso de señales PWM puede introducir interferencias electromagnéticas (EMI) sustanciales, lo que podría provocar complicaciones como interferencias de radiofrecuencia y distorsión de la señal. En casos graves, la EMI puede plantear graves riesgos para la seguridad al interferir con sistemas críticos del vehículo, como bolsas de aire, frenos antibloqueo y control electrónico de estabilidad. Por lo tanto, resulta imperativo diseñar y operar meticulosamente el motor y sus circuitos de control para minimizar la EMI y garantizar el funcionamiento confiable de todos los sistemas electrónicos del vehículo. Este objetivo se puede lograr mediante una selección prudente de componentes, técnicas de puesta a tierra y protección acústica y mecanismos de filtrado eficaces que reduzcan el ruido de conmutación y otras fuentes de EMI.
Control del motor de la columna de dirección
Los fabricantes de automóviles recurren cada vez más a motores de CC con escobillas para aplicaciones en la columna de dirección de vehículos para mejorar la experiencia de conducción, mejorar la comodidad del conductor y reforzar las medidas de seguridad. Dentro de la columna de dirección, los motores de elevación y cambio se utilizan comúnmente para ajustar la altura y la posición del volante. El motor de elevación facilita subir o bajar la columna de dirección para acomodar a conductores de distintas alturas, mientras que el motor de cambio permite que el volante se mueva hacia adelante y hacia atrás para garantizar una posición de conducción cómoda. La Figura 1 ilustra un diagrama de bloques típico para esta aplicación.
Figura 1. Diagrama de bloques de la columna de dirección con dos motores.
La arquitectura típica para accionar un motor de CC bidireccional es la configuración de puente H. La familia ST VIPower M0-7 VNH7 presenta varios controladores de motor de CC especialmente adaptados para aplicaciones automotrices. Combinando funciones lógicas y estructuras de potencia en un solo paquete, estos puentes H VIPower M0-7 ofrecen accionamiento, protección, gestión de fallas y capacidades de diagnóstico avanzadas al mismo tiempo que minimizan el espacio. Entre ellos, los modelos VNHD7008AY y VNHD7012AY son excelentes opciones para controlar los actuadores de la columna de dirección. Alojados en el paquete PowerSSO-36, garantizan la integración directa en proyectos nuevos o existentes. El VNHD7008AY/VNHD7012AY requiere dos MOSFET de alimentación externa para completar la funcionalidad del controlador. Los productos de alto rendimiento de STMicroelectronics, STL76DN4LF7AG y STL64DN4F7AG, están diseñados en base a la tecnología STripFET F7 y cuentan con la calificación AEC Q101, lo que los hace ideales para aplicaciones automotrices. El paquete PowerFLAT 5x6 de doble isla es otra característica notable, que conserva el valioso espacio de la PCB.
El VNHD7008AY / VNHD7012AY permite el funcionamiento de doble motor en modo horario y antihorario, con una frecuencia de 20 kHz y una fuente de alimentación pulsada con un ciclo de trabajo del 85%.
Prueba EMI
Para medir EMI dentro de un rango de frecuencia específico, se implementa una configuración especializada que emplea una antena monopolo de varilla de acuerdo con el estándar internacional CISPR 25. Estas mediciones se realizan en una cámara anecoica para minimizar la interferencia externa, como se ilustra en la Figura 2.
Fig. 2 Diagrama de bloques de la configuración de prueba EMI.
Esta configuración está compuesta por varios componentes, entre ellos el equipo bajo prueba (EUT), el cual está puesto a tierra localmente según el plan de prueba, un simulador de carga (Load sim), una red artificial (AN) y una estructura de soporte con baja permitividad relativa. (εr ≤ 1,4). La antena de varilla utilizada en la configuración normalmente mide 600 mm por 600 mm, lo que garantiza mediciones EMI precisas y confiables a través de un receptor de prueba de emisiones ubicado fuera de la cámara. Los parámetros del receptor están alineados con el estándar CISPR 25, como se detalla en la Tabla 1.
Pestaña. 1 Pruebe los parámetros de emisión del receptor (norma CISPR 25).
La tabla proporcionada anteriormente (Tabla 1) muestra diferentes tipos de transmisiones, que se definen de la siguiente manera:
- LW: onda larga
- MW: onda media
- SO: Onda corta
- FM: Modulación de frecuencia
- Banda de TV: banda de TV
- DAB: transmisión de audio digital
- TDT: televisión digital terrestre
- SDARS: Servicio de Radio Audio Digital Satelital.
Directrices para la mitigación de EMI
Los resultados experimentales nos informan sobre las pautas para optimizar la EMI en una aplicación de columna de dirección que emplea el controlador de motor de CC VNHD7008AY o VNHD7012AY.
- Condición inicial
La columna de dirección no tiene masa en la placa de aplicación original y no hay red de compensación instalada. Las emisiones se registran utilizando detectores de picos y promedio, como se muestra en la Figura 3.
Fig. 3 Formas de onda de emisión medidas con la placa original.
La banda AM (modulación de amplitud), que abarca LW, MW y SW, presenta altos niveles de emisión. En particular, las emisiones en el rango de frecuencia de 0,5 MHz a 1,7 MHz exceden los límites especificados.
- conexión a tierra
Una pauta eficaz, validada mediante experimentación, implica conectar directamente a tierra el cuerpo de la columna de dirección. Los perfiles de emisión para los valores medios y pico después de esta modificación se muestran en la Fig.
Fig. 4 Formas de onda de emisión medidas con conexión a tierra.
El análisis revela que la conexión a tierra del cuerpo de la columna de dirección mejora el rendimiento de EMC (compatibilidad electromagnética). Sin embargo, es importante señalar que estas emisiones resultan principalmente de los armónicos de la señal PWM (modulación de ancho de pulso) y los bordes agudos y asimétricos de las formas de onda ascendentes y descendentes. La gestión del ruido de entrada se convierte en un desafío debido al alto flujo de corriente en la línea de la batería, lo que requiere filtros inductores de corriente de alta saturación que pueden afectar el costo general de la aplicación.
- Frenando los límites del cambio
Para minimizar las emisiones en el rango de 0,5 MHz a 1,7 MHz, se recomienda reducir la velocidad de los flancos de conmutación y optimizar el equilibrio entre los flancos ascendentes y descendentes. Se pueden tomar varias acciones, como se ilustra en la Fig.
Fig. 5 Diagrama de bloques con optimización del circuito.
La incorporación de un condensador de drenaje de compuerta adicional aumenta la capacitancia total de drenaje de compuerta, lo que ralentiza efectivamente la fase de conmutación de los MOSFET de potencia LS. Aumentar la resistencia de la puerta de los MOSFET e introducir un circuito de control de puerta asimétrico equilibra las formas de onda de conmutación hacia arriba y hacia abajo. Modificar el valor de capacitancia del filtro de entrada ayuda aún más a reducir las emisiones dentro de este rango de frecuencia.
3.1 Condensador de drenaje de compuerta adicional
Agregar un condensador de drenaje de compuerta adicional a los MOSFET de alimentación externa LS da como resultado una reducción de emisiones promedio de aproximadamente 10 dBμV/m en el rango de frecuencia de 0,5 MHz a 0,8 MHz y aproximadamente 20 dBμV/m entre 0,8 MHz y 1,7 MHz. Esta mejora sigue siendo constante independientemente de si el cuerpo de la columna de dirección está conectado a tierra, aunque la conexión a tierra puede reducir aún más la interferencia electromagnética y mejorar el rendimiento general del sistema. Se recomienda un valor máximo de 470 pF para el condensador de drenaje de compuerta adicional para evitar un apagado abrupto del sistema. Un aumento excesivo en la pendiente de conmutación creciente puede activar la protección VDS (tensión de fuente de drenaje) integrada en el VNHD7008AY/VNHD7012 (diseñada específicamente para proteger el motor contra cortocircuitos en la línea de la batería). Aunque pueden ser aceptables valores de capacitancia más altos (hasta 560 pF), no se recomiendan debido a las variaciones en los valores de capacitancia y la tolerancia del rango de temperatura. Un valor de 470 pF garantiza un margen seguro, teniendo en cuenta estos factores. La Figura 6 muestra los mejores resultados obtenidos con esta modificación del circuito, incorporando el capacitor de drenaje adicional y una columna de dirección conectada a tierra.
Fig. 6 Formas de onda de emisión medidas con conexión a tierra
y condensador de drenaje de compuerta adicional.
3.2 Accionamiento de puerta asimétrico
Esta optimización del circuito implica aumentar la resistencia desde la salida de los controladores del motor de CC a la puerta de los MOSFET LS, como se indica en la Fig.
Fig. 7 Circuito propuesto para activación de compuerta asimétrica.
Para reducir las emisiones electromagnéticas se pueden implementar dos soluciones. La primera solución implica aumentar la resistencia de la puerta (R1) de 470 Ω a 1 kΩ. La segunda solución implica introducir un diodo (D1) con una resistencia (R2) fijada en 470 Ω para obtener una activación de puerta asimétrica. Además, aumentar la capacitancia de drenaje de la compuerta puede dar como resultado formas de onda de conmutación más equilibradas, con flancos ascendentes y descendentes más suaves en los terminales del motor. La Figura 8 demuestra la eficacia de estas soluciones para reducir las emisiones, suponiendo una columna de dirección conectada a tierra.
Fig. 8 Formas de onda de emisión medidas con conexión a tierra
y activación de puerta asimétrica.
Esta solución propuesta mantiene los niveles de emisión por debajo de los límites normativos de CISPR 25 dentro del rango de frecuencia de 0,9 MHz a 1,7 MHz. Para aclarar el efecto del controlador de puerta asimétrico, vale la pena considerar algunas mediciones de prueba realizadas en una placa de aplicación cargada con un. Carga resistiva-inductiva (RL) simulada que incluye una resistencia de 2 Ω con un inductor de 13 µH. Con una resistencia de compuerta de 470 ohmios montada en las compuertas LS MOSFET, los flancos de conmutación descendentes son significativamente más rápidos (aproximadamente 170 ns) que los flancos ascendentes (aproximadamente 800 ns). La introducción del controlador de puerta asimétrica con valores específicos da como resultado formas de onda de conmutación descendentes y ascendentes más equilibradas. La Figura 9 proporciona una representación visual de estas formas de onda.
Fig. 9 Formas de onda de conmutación medidas con accionamiento de puerta asimétrico.
En resumen, la combinación de tiempos de conmutación de subida y bajada equilibrados y una velocidad de conmutación controlada conduce a una reducción general de los niveles de emisión, particularmente en el rango de frecuencia asociado con EMI.
3.3 Capacitancia de filtrado adicional
Es recomendable incluir un condensador extra en el filtro de entrada equipado con un inductor de 1 µH para reducir aún más las emisiones, especialmente en el rango de frecuencia más bajo. El impacto acumulativo de todas las modificaciones sugeridas se demuestra en la Fig. 10, que muestra los espectros pico y promedio medidos.
Fig. 10 Formas de onda de emisión medidas con todas las modificaciones de circuito sugeridas.
Aunque un rango de frecuencia más bajo aún puede presentar emisiones que exceden los límites estándar, esto se puede solucionar implementando un filtro de entrada adicional, que ofrece posibles mejoras de rendimiento que van desde un mínimo de 10 dBμV/m hasta un máximo de 30 dBμV/m. Sin embargo, esto puede tener implicaciones de costos para la implementación general.
Conclusiones
En la Fig. 11 se presenta un análisis comparativo del espectro de emisión en el escenario inicial (línea azul) y la solución propuesta (línea amarilla), que resume las mejoras generales logradas.
Fig. 11 Una comparación de las emisiones medidas entre el caso inicial y todas las soluciones sugeridas.
Las modificaciones de aplicación recomendadas reducen efectivamente la tasa de emisión de un sistema de control de motor de CC, lo que garantiza el cumplimiento de los límites de especificación del estándar CISPR-25 dentro del rango de frecuencia de 0,5 MHz a 1,7 MHz. La Tabla 2 resume la reducción promedio en las emisiones máximas logradas mediante la implementación secuencial. de diferentes soluciones.
Tabla 2 Reducciones promedio en picos de emisiones.
Los resultados resaltan la efectividad de las modificaciones propuestas para reducir las tasas de emisiones en una aplicación de sistema de control de motores de CC y garantizar el cumplimiento de los límites de especificación de la norma CISPR-25. Esto es esencial para el funcionamiento fiable y seguro del sistema.