Análisis de estimación de posición para motores CC sin escobillas

Colocar los sensores Hall de un motor CC sin escobillas frente a la rueda magnética formada por el eje o la extensión del rotor puede detectar la posición del rotor. Sin embargo, esto sólo proporciona suficientes señales de conmutación, lo que en un motor trifásico sin escobillas significa seis señales por ciclo eléctrico. Estos pocos pulsos discretos son inadecuados para aplicaciones de alto rendimiento. Los codificadores ópticos y los transformadores rotativos pueden ofrecer señales de posición del rotor de alta resolución, pero son relativamente caros y requieren una preparación de instalación importante. Debido a los costos y las cargas de fabricación, es necesario omitirlos en aplicaciones a gran escala. Muchos métodos pueden estimar señales de conmutación, que se resumen brevemente a continuación:

(1) Estimación utilizando el modelo de motor CC sin escobillas:

Al utilizar corriente y voltaje externos junto con parámetros del motor como resistencia, inductancia e inductancia mutua, se puede obtener la fuerza electromotriz inducida a partir del modelo de un motor de CC sin escobillas. La ventaja de este método es la extracción de señales aisladas ya que las entradas de corriente y voltaje son señales inherentemente aisladas. Las variaciones en el voltaje del bus de CC se pueden estimar a partir de los parámetros del filtro del bus de CC y de la corriente del bus de CC. La sensibilidad de los parámetros, particularmente la resistencia del estator, puede introducir errores en la estimación de la fuerza electromotriz inducida, lo que genera señales de conmutación inexactas al inversor.

(2) Fuerza electromotriz inducida por las bobinas detectoras:

La instalación de bobinas detectoras en un motor de CC sin escobillas es rentable para obtener señales de fuerza electromotriz inducida. La ventaja reside en señales relativamente completas, insensibilidad a los parámetros y aislamiento galvánico. Sin embargo, los inconvenientes incluyen los procesos de fabricación y el cableado adicional del motor de CC sin escobillas. Por ejemplo, no es adecuado para accionar motores de compresores de refrigeradores debido a los requisitos de sellado.

(3) Utilización de fases desenergizadas para recuperar EMF:

Un método común para obtener información de posición es monitorear la fuerza contraelectromotriz inducida del devanado de fase del motor cuando el devanado de fase está desenergizado. Tenga en cuenta que en un momento dado, solo dos fases del motor de CC sin escobillas están conduciendo, dejando una fase desenergizada durante 3,331 TP3T del tiempo. Durante este período, en los devanados del motor aparece una fuerza contraelectromotriz inducida que puede detectarse. La polaridad de la fuerza contraelectromotriz inducida determina la polaridad apropiada de la corriente inyectada en el motor de CC sin escobillas. Para evitar esperar a que la fuerza electromotriz inducida alcance una región estable para energizar una fase del motor, se obtiene un valor especial de la fuerza electromotriz inducida, correspondiente a 30° de distancia del momento de cruce por cero. La salida del integrador corresponde a 30° de distancia del cruce por cero positivo, lo que se denomina umbral utilizado para energizar una fase.

Suponiendo una forma de onda trapezoidal de la fuerza electromotriz inducida, cuando la velocidad eléctrica del rotor es Wb, su pico es EP. La pendiente de la porción ascendente de la fuerza contraelectromotriz inducida a cualquier velocidad puede estar dada por la relación entre el voltaje máximo a esa velocidad y el intervalo de tiempo correspondiente a 30° de ángulo eléctrico.

Aunque los voltajes de salida del sensor difieren, se puede demostrar correspondientemente que este algoritmo también es aplicable a motores sin escobillas con fuerza electromotriz inversa sinusoidal. Tenga en cuenta que el voltaje de salida del sensor es constante e independiente de los parámetros del motor sin escobillas, siendo su magnitud igual a cualquier velocidad. La única posible desventaja del voltaje de salida del sensor se debe a las características de temperatura del imán permanente del rotor, que disminuye el flujo magnético del rotor, lo que resulta en una disminución en el valor máximo de la fuerza contraelectromotriz inducida. Esto puede introducir errores tales que la activación puede no ocurrir exactamente como se necesita a 30° del ángulo eléctrico de cruce por cero. Sin emplear medidas de calibración adicionales, es posible que los motores de CC sin escobillas no se utilicen de manera óptima.

(4) Tercer armónico de Back EMF:

Un método alternativo es detectar el tercer armónico de la fuerza electromotriz inducida dentro de los devanados del motor y utilizarlo para generar señales de control. Un sistema trifásico de cuatro hilos conectado en estrella permite recoger el tercer armónico de la fuerza contraelectromotriz inducida y se puede medir de forma económica utilizando cuatro resistencias.

(5) Métodos de control basados en IA:

Los controladores inteligentes, como las redes neuronales o los controladores difusos, pueden extraer la posición del rotor o la posición de conmutación de variables del motor de CC sin escobillas, como la corriente y el flujo magnético. Simplemente extraen información de retroalimentación de variables que potencialmente contienen información sobre la posición del rotor o condiciones de conmutación. Estas tecnologías son adaptativas, lo que permite una optimización continua mediante el autoaprendizaje a lo largo del tiempo. Con la velocidad cada vez mayor de los procesadores actuales, la programación de controladores para aplicaciones prácticas se vuelve más factible. El principal inconveniente de estos controladores es que los controladores de redes neuronales requieren un aprendizaje previo antes de funcionar. Pueden proporcionar funcionalidad de autoaprendizaje fuera de línea.

Todos los métodos que se basan en la fuerza electromotriz inducida tienen la desventaja de que no se puede obtener información de posición cuando está parado, ya que no hay fuerza electromotriz inducida cuando la velocidad es cero. Incluso a velocidades muy bajas, es posible que la fuerza electromotriz inducida no se detecte fácilmente. Por lo tanto, para arrancar con éxito un motor de CC sin escobillas a una cierta velocidad y generar de manera confiable información de posición a esta velocidad usando métodos de fuerza electromotriz inducida, se debe incluir un método para generar señales de control a velocidad cero y cerca. Por lo tanto, se requiere un proceso de arranque cuando un motor CC sin escobillas está estacionario. Este proceso puede constar de dos pasos, que se detallan a continuación:

Paso 1: Energice una o dos fases y el rotor podrá alinearse con una posición predeterminada del rotor. De esta manera, se conoce la posición inicial y se pueden generar señales de control de arranque correctas. Hasta que el rotor comienza a moverse a velocidades más bajas, la fuerza electromotriz inducida es muy baja y no se puede usar para generar pulsos de conmutación hasta que el rotor alcance una cierta velocidad, lo que requiere el segundo paso para completar el proceso de arranque.

Paso 2: Una vez que el rotor comienza a moverse, el devanado de fase del estator se energizará con una frecuencia que varía lentamente para mantener constante la corriente del estator. La tasa de cambio de frecuencia se mantiene baja para mantener la sincronicidad y, si se conoce la carga, se puede controlar adecuadamente. Si se desconoce, se experimentará repetidamente con la frecuencia del estator hasta que alcance una velocidad mínima a la que la amplitud de la fuerza contraelectromotriz inducida sea suficiente para el control. Este constituye el segundo paso del proceso de puesta en marcha. El problema con este método es su falta de precisión, ya que se pueden sentir algunas fluctuaciones y vibraciones durante el proceso de inicio, lo que puede no ser significativo en muchas aplicaciones. En muchos casos, se puede omitir el primer paso y solo se utiliza el segundo paso para arrancar el motor de CC sin escobillas.

Soluciones de microcontroladores:

Hay muchas soluciones de microcontroladores disponibles en el mercado para controlar motores de CC sin escobillas, incluidas estrategias para operación con y sin sensores, incluido el arranque. Son muy populares en el rango de bajo voltaje de 12-48 V y cubren una amplia gama de aplicaciones. Al considerar los motores sin escobillas para rangos de alto voltaje, se debe tener precaución ya que el ruido del interruptor se vuelve significativo y se requieren métodos de control sólidos en dichos entornos. En el rango de alto voltaje, los productos controladores convencionales se controlan principalmente mediante señales digitales u otras formas de control por microprocesador.

Utilizar la prominencia de los polos para motores síncronos de imanes permanentes y emplear la inyección de señal para encontrar la inductancia es otra técnica para encontrar la posición del rotor, que debe analizarse en la aplicación de motores de CC sin escobillas. No ofrece mucha ayuda para los motores de CC sin escobillas, sin una diferencia clara entre los motores de imán permanente interiores y de montaje en superficie. Tenga en cuenta que la señal