Algoritmo de control del motor BLDC El
motor sin escobillas es un convertidor automático (conversión de dirección automática), por lo que es más complicado de controlar.
El control del motor BLDC requiere una comprensión de la posición del rotor y el mecanismo del motor para la rectificación y la dirección. Para el control de velocidad de circuito cerrado, hay dos requisitos adicionales, a saber, la medición de la velocidad del rotor y / o la corriente del motor y la señal PWM para controlar la potencia de la velocidad del motor.
Los motores BLDC pueden usar señales PWM alineadas lateralmente o alineadas al centro de acuerdo con los requisitos de la aplicación. La mayoría de las aplicaciones solo requieren operación de cambio de velocidad, y utilizarán seis señales PWM alineadas lateralmente independientes. Esto proporciona la resolución más alta. Si la aplicación requiere posicionamiento del servidor, frenado de consumo de energía o inversión de potencia, se recomienda utilizar una disposición central suplementaria de señales PWM.
Para detectar la posición del rotor, los motores BLDC utilizan sensores de efecto Hall para proporcionar una detección de posicionamiento absoluto. Esto lleva al uso de más líneas y mayores costos. El control BLDC sin sensor elimina la necesidad de sensores Hall, pero utiliza la fuerza electromotriz posterior (EMF) del motor para predecir la posición del rotor. El control sin sensor es esencial para aplicaciones de velocidad variable de bajo costo como ventiladores y bombas. Al adoptar el motor BLDC, el refrigerador y el compresor del aire acondicionado también necesitan control sin sensores.
Inserción y reposición de zonas muertas
Se utilizan muchos algoritmos de control diferentes para proporcionar control de motores BLDC. Típicamente, los transistores de potencia se utilizan como reguladores lineales para controlar el voltaje del motor. Este método no es práctico al conducir motores de alta potencia. Los motores de alta potencia deben usar el control PWM y requieren un microcontrolador para proporcionar funciones de arranque y control.
El algoritmo de control debe proporcionar las siguientes tres funciones:
· Tensión PWM para controlar la velocidad del motor.
· Mecanismo de conmutación del motor.
· Método para predecir la posición del rotor utilizando la fuerza electromotriz posterior o el sensor Hall
La modulación de ancho de pulso solo se usa para aplicar voltaje variable a los devanados del motor. El voltaje efectivo es proporcional al ciclo de trabajo PWM. Cuando se obtiene una conmutación adecuada, las características de par y velocidad de BLDC son las mismas que las de los motores de CC. El voltaje variable se puede utilizar para controlar la velocidad y el par variable del motor.
La conmutación de los transistores de potencia logra el devanado adecuado en el estator, que genera el mejor par en función de la posición del rotor. En un motor BLDC, la MCU debe conocer la posición del rotor y poder conmutar en el momento adecuado.
Conmutación trapezoidal del motor BLDC
Uno de los métodos más simples para motores de corriente continua sin escobillas es utilizar la llamada conmutación trapezoidal.
Figura 1: diagrama de bloques simplificado de un controlador de escalera para motores BLDC
En este esquema, cada vez que se usa un par de terminales del motor para controlar la corriente, y el tercer terminal del motor siempre se desconecta electrónicamente de la fuente de alimentación.
Tres dispositivos Hall integrados en el motor grande se utilizan para proporcionar señales digitales. Miden la posición del rotor en un sector de 60 grados y proporcionan esta información en el controlador del motor. Dado que la cantidad de corriente en ambos devanados es igual cada vez, y la corriente en el tercer devanado es cero, este método solo puede generar un vector espacial actual con una de las seis direcciones. Con el giro del motor, la corriente eléctrica del terminal del motor se conmuta una vez a 60 grados por revolución (conmutación de rectificación), por lo que el vector espacial actual siempre está en la posición más cercana a 30 grados con un cambio de fase de 90 grados.
Por lo tanto, la forma de onda actual de cada devanado es trapezoidal, comenzando de cero a corriente positiva a cero y luego a corriente negativa.
Esto crea un vector espacial actual, y cuando sube en seis direcciones diferentes a medida que el rotor gira, se acercará a la rotación de equilibrio.
En aplicaciones de motores como aire acondicionado y heladas, el uso de sensores Hall no es una elección constante. Los sensores de retro-EMF inducidos en devanados sin acoplamiento se pueden usar para lograr el mismo resultado.
Este tipo de sistema de accionamiento trapezoidal es muy común debido a la simplicidad de su circuito de control, pero se encuentran con problemas de ondulación de par durante el proceso de rectificación.
Conmutación sinusoidal del motor BDLC
La conmutación trapezoidal no es suficiente para proporcionar un control de motor DC sin escobillas equilibrado y preciso. Esto se debe principalmente a que el par generado en un motor sin escobillas trifásico (con un EMF de onda regular) se define mediante la siguiente ecuación:
El controlador de motor sin escobillas de conmutación sinusoidal se esfuerza por impulsar tres devanados del motor, y su corriente de tres vías cambia suavemente sinusoidalmente a medida que el motor gira. Las fases relativas de estas corrientes se seleccionan de modo que produzcan un vector espacial de corriente de rotor estable, la dirección sea ortogonal al rotor y tenga una invariante. Esto elimina la ondulación de torque y los pulsos de dirección asociados con la dirección en forma de norte.
Para generar una modulación de onda sinusoidal suave de la corriente del motor a medida que el motor gira, se requiere una medición precisa de la posición del rotor. El dispositivo Hall solo proporciona un cálculo aproximado de la posición del rotor, que no es suficiente para cumplir con los requisitos. Por esta razón, se requiere retroalimentación angular de codificadores o dispositivos similares.
Dado que las corrientes de devanado deben combinarse para producir un vector espacial de corriente de rotor constante estable, y cada posición de los devanados del estator está separada por 120 grados, la corriente en cada grupo de líneas debe ser sinusoidal y el desplazamiento de fase es de 120 grados. La información de posición en el codificador se usa para sintetizar las dos ondas sinusoidales, y el cambio de fase entre las dos es de 120 grados. Luego, estas señales se multiplican por el comando de torque, por lo que la amplitud de la onda sinusoidal es proporcional al torque requerido. Como resultado, los dos comandos de corriente de onda sinusoidal están correctamente en fase, lo que resulta en un vector espacial de corriente de estator giratorio en la dirección ortogonal.
La señal de comando de corriente sinusoidal genera un par de controladores PI que modulan la corriente en dos bobinados de motor adecuados. La corriente en el devanado del tercer rotor es la suma negativa de la corriente de devanado controlada y, por lo tanto, no se puede controlar por separado. La salida de cada controlador PI se envía a un modulador PWM y luego al puente de salida y los dos terminales del motor. El voltaje aplicado al tercer terminal del motor se deriva de la suma negativa de las señales aplicadas a los dos primeros grupos de cables, y se usa adecuadamente para tres voltajes sinusoidales separados por 120 grados.
Como resultado, la forma de onda de corriente de salida real sigue con precisión la señal de comando de corriente sinusoidal, el vector espacial de corriente resultante gira suavemente, se estabiliza cuantitativamente y se coloca en la dirección deseada.
Generalmente, la dirección de rectificación trapezoidal no puede lograr el resultado estable de la dirección de rectificación sinusoidal de control. Sin embargo, debido a su alta eficiencia a bajas velocidades del motor, se separará a altas velocidades del motor. Esto se debe al aumento de la velocidad, y el controlador de retorno de corriente debe rastrear una señal sinusoidal de frecuencia creciente. Al mismo tiempo, deben superar la EMF posterior del motor con una amplitud y frecuencia cada vez mayores a medida que aumenta la velocidad.
Debido a que el controlador PI tiene una respuesta de ganancia y frecuencia limitada, la perturbación variable en el tiempo del bucle de control de corriente causará un retraso de fase y un error de ganancia en la corriente del motor. Cuanto mayor sea la velocidad, mayor será el error. Esto alterará la dirección del vector espacial actual en relación con el rotor, causando desplazamiento en la dirección ortogonal.
Cuando esto sucede, se puede generar una menor cantidad de torque por una cierta cantidad de corriente, por lo que se necesita más corriente para mantener el torque y se reduce la eficiencia. A medida que aumenta la velocidad, esta disminución continuará. Hasta cierto punto, el cambio de fase de la corriente supera los 90 grados. Cuando esto sucede, el par se reduce a cero. Mediante la combinación de sinusoides, la velocidad en este punto conduce a un par negativo, por lo que no se puede lograr.
