Análise de estimativa de posição para motores DC sem escova

Colocar os sensores Hall de um motor DC sem escovas oposto à roda magnética formada pelo eixo ou extensão do rotor pode detectar a posição do rotor. No entanto, isso fornece apenas sinais de comutação suficientes, o que para um motor trifásico sem escovas significa seis sinais por ciclo elétrico. Esses pulsos menos discretos são inadequados para aplicações de alto desempenho. Encoders ópticos e transformadores rotativos podem oferecer sinais de posição do rotor de alta resolução, mas são relativamente caros e exigem uma preparação significativa da instalação. Devido aos custos e encargos de fabricação, eles precisam ser omitidos em aplicações em larga escala. Muitos métodos podem estimar sinais de comutação, resumidos brevemente abaixo:

(1) Estimativa usando modelo de motor DC sem escova:

Utilizando corrente e tensão externas juntamente com parâmetros do motor, como resistência, indutância e indutância mútua, a força eletromotriz induzida pode ser obtida a partir do modelo de um motor CC sem escovas. A vantagem deste método é a extração de sinais isolados, uma vez que as entradas de corrente e tensão são sinais inerentemente isolados. Variações na tensão do barramento CC podem ser estimadas a partir dos parâmetros do filtro do barramento CC e da corrente do barramento CC. A sensibilidade dos parâmetros, particularmente a resistência do estator, pode introduzir erros na estimativa da força eletromotriz induzida, levando a sinais de comutação imprecisos para o inversor.

(2) Força eletromotriz induzida pelas bobinas de detecção:

A instalação de bobinas de detecção em um motor DC sem escovas é econômica para obter sinais de força eletromotriz traseira induzida. A vantagem reside em sinais relativamente completos, insensibilidade a parâmetros e isolamento elétrico. No entanto, as desvantagens incluem processos de fabricação e fiação adicional do motor DC sem escovas. Por exemplo, não é adequado para acionar motores de compressores de refrigeradores devido aos requisitos de vedação.

(3) Utilizando Fases Desenergizadas para Obter EMF de Retorno:

Um método comum para obter informações de posição é monitorar a força eletromotriz reversa induzida do enrolamento de fase do motor quando o enrolamento de fase é desenergizado. Observe que, em qualquer momento, apenas duas fases do motor CC sem escovas estão conduzindo, deixando uma fase desenergizada por 3.33% do tempo. Durante este período, surge uma força eletromotriz induzida nos enrolamentos do motor, que pode ser detectada. A polaridade da força eletromotriz reversa induzida determina a polaridade apropriada da corrente injetada no motor DC sem escovas. Para evitar esperar que a força contra-eletromotriz induzida atinja uma região estacionária para energizar uma fase do motor, um valor especial é obtido da força contra-eletromotriz induzida, correspondente a 30° de distância do momento de cruzamento zero. A saída do integrador corresponde a 30° de distância do cruzamento de zero positivo, denominado limite utilizado para energizar uma fase.

Assumindo uma forma de onda trapezoidal da força eletromotriz reversa induzida, quando a velocidade elétrica do rotor é Wb, seu pico é EP. A inclinação da porção ascendente da força eletromotriz reversa induzida em qualquer velocidade pode ser dada pela razão entre a tensão de pico naquela velocidade e o intervalo de tempo correspondente a 30° do ângulo elétrico.

Embora as tensões de saída do sensor sejam diferentes, pode ser demonstrado que este algoritmo também é aplicável a motores sem escovas com força eletromotriz traseira senoidal. Observe que a tensão de saída do sensor é constante e independente dos parâmetros do motor brushless, sendo sua magnitude igual em qualquer velocidade. A única desvantagem possível da tensão de saída do sensor é devida às características de temperatura do ímã permanente do rotor, que diminui o fluxo magnético do rotor, resultando em uma diminuição no valor de pico da força eletromotriz reversa induzida. Isto pode introduzir erros tais que a energização pode não ocorrer exatamente como necessário a 30° do ângulo elétrico de cruzamento zero. Sem o emprego de medidas de calibração adicionais, os motores CC sem escovas podem não ser utilizados de maneira ideal.

(4) Terceiro Harmônico do Back EMF:

Um método alternativo é detectar o terceiro harmônico da força eletromotriz reversa induzida dentro dos enrolamentos do motor e usá-los para gerar sinais de controle. Um sistema trifásico de quatro fios conectado em estrela permite a coleta do 3º harmônico da força eletromotriz reversa induzida e pode ser medido de forma barata usando quatro resistores.

(5) Métodos de controle baseados em IA:

Controladores inteligentes, como redes neurais ou controladores difusos, podem extrair a posição do rotor ou a posição de comutação de variáveis do motor CC sem escovas, como corrente e fluxo magnético. Eles apenas extraem informações de feedback de variáveis que potencialmente contêm informações de posição do rotor ou condições de comutação. Estas tecnologias são adaptativas, permitindo otimização contínua através da autoaprendizagem ao longo do tempo. Com o aumento da velocidade dos processadores atuais, a programação de controladores para aplicações práticas torna-se mais viável. A principal desvantagem desses controladores é que os controladores de rede neural requerem pré-aprendizado antes da operação. Eles podem fornecer funcionalidade de autoaprendizagem offline.

Todos os métodos que dependem de força eletromotriz reversa induzida têm a desvantagem de que a informação de posição não pode ser obtida quando parado, uma vez que não há força eletromotriz reversa induzida quando a velocidade é zero. Mesmo em velocidades muito baixas, a força eletromotriz induzida pode não ser facilmente detectada. Portanto, para iniciar com sucesso um motor DC sem escovas a uma determinada velocidade e gerar de forma confiável informações de posição nesta velocidade usando métodos de força eletromotriz reversa induzida, um método para gerar sinais de controle em velocidade zero e próximas deve ser incluído. Assim, um processo de partida é necessário quando um motor CC sem escovas está parado. Este processo pode consistir em duas etapas, detalhadas a seguir:

Passo 1: Energize uma ou duas fases e o rotor poderá se alinhar com uma posição pré-determinada do rotor. Desta forma, a posição inicial é conhecida e podem ser gerados sinais de controle de partida corretos. Até que o rotor comece a se mover em velocidades mais baixas, a força eletromotriz reversa induzida é muito baixa e não pode ser usada para gerar pulsos de comutação até que o rotor atinja uma determinada velocidade, exigindo a segunda etapa para completar o processo de partida.

Passo 2: Assim que o rotor começar a se mover, o enrolamento de fase do estator será energizado com uma frequência que varia lentamente para manter a corrente do estator constante. A taxa de mudança de frequência é mantida baixa para manter a sincronicidade e, se a carga for conhecida, ela poderá ser controlada adequadamente. Se for desconhecida, a frequência do estator será experimentada repetidamente até atingir uma velocidade mínima na qual a amplitude da força eletromotriz reversa induzida seja suficiente para o controle. Esta constitui a segunda etapa do processo de inicialização. O problema com este método é a sua falta de precisão, uma vez que podem ser sentidas algumas oscilações e vibrações durante o processo de inicialização, o que pode não ser significativo em muitas aplicações. Em muitos casos, a primeira etapa pode ser ignorada e apenas a segunda etapa é usada para dar partida no motor CC sem escovas.

Soluções de microcontroladores:

Existem muitas soluções de microcontroladores disponíveis no mercado para controle de motores DC sem escovas, incluindo estratégias para operação com e sem sensor, incluindo partida. Eles são muito populares na faixa de baixa tensão de 12 a 48 V, cobrindo uma ampla gama de aplicações. Ao considerar acionamentos de motores sem escovas para faixas de alta tensão, deve-se ter cuidado, pois o ruído da chave se torna significativo e métodos de controle robustos são necessários em tais ambientes. Na faixa de alta tensão, os produtos controladores convencionais são controlados principalmente por sinais digitais ou outras formas de controle por microprocessador.

Utilizar a saliência dos pólos para motores síncronos de ímã permanente, empregando injeção de sinal para encontrar a indutância é outra técnica para encontrar a posição do rotor, que precisa ser discutida na aplicação de motores CC sem escovas. Ele não oferece muita ajuda para motores CC sem escovas, sem nenhuma diferença clara entre motores de ímã permanente montados na superfície e internos. Observe que o sinal