Motor Brushless Control.docx

TEMA

: Arranque y Control de un motor AC de ¼ HP

ALUMNO

: Espinal Alberca Jersson Anthony

DOCENTE

: DR. Celso Geronimo Huaman

19/2/2109

INTRODUCCIÓN

Los bobinados de un motor brushless (también llamado BLDC) están distribuidos a lo largo del estátor en múltiples fases. Dichos motores constan normalmente de tres fases con una separación de 120º entre ellas. A diferencia de los motores brushed convencionales donde la conmutación entre sus fases se realiza internamente de forma mecánica, en los motores brushless las corrientes y voltajes aplicados a cada uno de los bobinados del motor deben ser controlados independientemente mediante una conmutación electrónica. El dispositivo encargado de realizar esta tarea se denomina controlador de motor. Para generar par motor el controlador debe excitar continuamente los bobinados adecuados de forma que generen un campo magnético perpendicular a la dirección del rotor. Existen dos grandes familias de controladores de motor diferenciadas principalmente en la utilización (sensored) o no (sensorless) de algún sensor para determinar la posición del rotor. Los controladores sensorless no son motivo de estudio en este documento si bien todos los resultados presentados son extrapolables a ellos. Las técnicas de control para motores brushless se pueden clasificar según el algoritmo de conmutación implementado. Las más utilizadas actualmente son:   

Conmutación trapezoidal (también llamada 6-steps mode o basada en sensores hall) Conmutación sinusoidal Control vectorial (Field Oriented Control)

DEDICATORIA Esta Monografía, si bien ha requerido de esfuerzo y mucha dedicación, no hubiese sido posible su finalización sin la cooperación desinteresada de todas y cada una de las personas que nos acompañaron en el recorrido laborioso de este trabajo y muchas de las cuales han sido un soporte muy fuerte en momentos de angustia y desesperación, primero y antes que todo, dar gracias a Dios, por estar con nosotros en cada paso que damos, por fortalecer nuestros corazones e iluminar nuestras mentes, y por haber puesto en el camino a aquellas personas que han sido nuestro soporte y compañía durante todo el periodo de estudio

Chapter 1: MOTORES BRUSHLESS

Un motor eléctrico sin escobillas o motor busheles es un motor eléctrico que no emplea escobillas para realizar el cambio de polaridad en el rotor. Los motores eléctricos solían tener un colector de delgas o un par de anillos rozantes. Estos sistemas, que producen rozamiento, disminuyen el rendimiento, desprenden calor y ruido, requieren mucho mantenimiento y pueden producir partículas de carbón que manchan el motor de un polvo que, además, puede ser conductor. Los primeros motores sin escobillas fueron los motores de corriente alterna asíncronos. Hoy en día, gracias a la electrónica, se muestran muy ventajosos, ya que son más baratos de fabricar, pesan menos y requieren menos mantenimiento, pero su control era mucho más complejo. Esta complejidad prácticamente se ha eliminado con los controles electrónicos. El inversor debe convertir la corriente alterna en corriente continua, y otra vez en alterna de otra frecuencia. Otras veces se puede alimentar directamente con corriente continua, eliminado el primer paso. Por este motivo, estos motores de corriente alternan se pueden usar en aplicaciones de corriente continua, con un rendimiento mucho mayor que un motor de corriente continua con escobillas. Algunas aplicaciones serían los coches y aviones con radiocontrol, que funcionan con pilas. Otros motores sin escobillas, que sólo funcionan con corriente continua son los que se usan en pequeños aparatos eléctricos de baja potencia, como lectores de CD-ROM, ventiladores de ordenador, casetes, etc. Su mecanismo se basa en sustituir la conmutación (cambio de polaridad) mecánica por otra electrónica sin contacto. En este caso, la espira sólo es impulsada cuando el polo es el correcto, y cuando no lo es, el sistema electrónico corta el suministro de corriente. Para detectar la posición de la espira del rotor se utiliza la detección de un campo magnético. Este sistema electrónico, además, puede informar de la velocidad de giro, o si está parado, e incluso cortar la corriente si se detiene para que no se queme. Tienen la desventaja de que no giran al revés al cambiarles la polaridad (+ y -). Para hacer el cambio se deberían cruzar dos conductores del sistema electrónico. Un sistema algo parecido, para evitar este rozamiento en los anillos, se usa en los alternadores. En este caso no se evita el uso de anillos rozantes, sino que se evita usar uno más robusto y que frenaría mucho el motor. Actualmente, los alternadores tienen el campo magnético inductor en el rotor, que induce el campo magnético al estátor, que a la vez es inducido. Como el campo magnético del inductor necesita mucha menos corriente que la que se va generar en el inducido, se necesitan unos anillos con un rozamiento menor. Esta configuración la usan desde pequeños alternadores de coche hasta los generadores de centrales con potencias del orden del megavatio.

Chapter 2: FUNCIONAMIENTO

La corriente eléctrica suministrada por una batería generalmente, pasa directamente por las bobinas dispuestas en el estátor. La corriente eléctrica que circula por las bobinas genera pequeños campos magnéticos que obligan al rotor a girar. El rotor este compuesto por imanes permanentes fabricados por regla general con tierra raras, pero estos imanes también pueden ser de ferrita, de hecho, los motores brushless de los encendidos electrónicos de las motocicletas se hace con este material. Estos motores van asociados con un variador. El variador lo que hace es enviar la tensión de alimentación a las bobinas de forma secuencial, de este modo, los polos del rotor se van moviendo según el campo magnético generado por las bobinas secuenciación del variador. Pero el variador no se limita solamente a cambiar la velocidad de secuencia de alimentación, sino que además aumenta o disminuye la tensión de alimentación de las bobinas para extraer el máximo rendimiento al motor brushless

Fig.1 Funcionamiento del motor brushless

Chapter 3: TIPOS DE MOTORES BRUSHLESS

3.1.Motores brushless Sensored Este tipo de motor brushless cuenta con unos sensores, cuya finalidad es la de enviar señales al variador para informarle de la posición del rotor en todo momento. El variador, dependiendo de la información recibida enviará más o menos tensión de alimentación a las bobinas y cambiará o no la secuenciación de envío de tensión a dichas bobinas. El variador también recibe información de la carga que tiene que soportar el motor.

Fig.2 PintOut Motor brushless Sensored

3.2.Motores brushless Sensorless Este tipo de motor brushless no lleva incorporado ningún sensor. El variador conectado al motor monitoriza los impulsos que envía a las bobinas del motor y, de esta forma, el variador realiza su análisis. Esto tiene el inconveniente que a bajas velocidades del rotor, el variador no analiza con tanta exactitud. Sin embargo, tanto el motor brushless como el variador que le acompaña son más económicos que el motor brushless sensored y su variador.

Fig.3 PinOut de un Motor brushless Sensorless

Chapter 4: Control de motor brushless sensored

4.1.Control basado en Conmutación Sinusoidal La conmutación sinusoidal es vista como un control más avanzado y exacto que el trapezoidal, ya que intenta controlar la posición del rotor continuamente. Esta continuidad se consigue aplicando simultáneamente tres corrientes sinusoidales desfasadas 120° a los tres bobinados del motor. La fase de estas corrientes se escoge de forma que el vector de corrientes resultante siempre esté en cuadratura con la orientación del rotor y tenga un valor constante. Como consecuencia de este procedimiento se obtiene un par más preciso y sin el rizado típico de la conmutación trapezoidal. No obstante, para poder generar dicha modulación sinusoidal es necesaria una medida precisa de la posición del rotor. Debido a que los sensores de efecto hall solo proporcionan una posición aproximada es necesario el uso de otro dispositivo que aporte mayor precisión angular como puede ser un encoder. La siguiente figura muestra el diagrama de bloques típico de un controlador con conmutación sinusoidal.

Fig.4 Esquema de un controlador con conmutación sinusoidal

Fig.5 Forma de onda del control con conmutación sinusoidal

4.2.Control Vectorial El problema principal que presenta la conmutación sinusoidal es que intenta controlar directamente las corrientes que circulan por el motor, las cuales son intrínsecamente variantes en el tiempo. Al aumentar la velocidad del motor, y por tanto la frecuencia de las corrientes, empiezan a aparecer problemas. El control vectorial o Field Oriented Control (FOC) soluciona el problema controlando el vector de corrientes directamente en un espacio de referencia ortogonal y rotacional, llamado espacio D-Q (Direct- Quadrature). Dicho espacio de referencia esta normalmente alineado con en el rotor de forma que permite que el control del flujo y del par del motor se realice de forma independiente. La componente directa permite controlar el flujo y la componente en cuadratura el par. Para este fin se requiere no solamente una muy buena medición de la orientación del rotor, sino un tratamiento matemático previo de las señales para transformarlas del marco trifásico estático de los bobinados en el estator al marco rotacional d-q del rotor. Este es el control que presenta mejor respuesta en todos los rangos de velocidad, pero resulta ser el más costoso de implementar, lo cual lo hace inadecuado para toda aplicación en la que no sea estrictamente necesario.

4.2.1.Teoría de Operación 4.2.1.1.Información General Como continuidad en el proceso de la eficiencia energética, el aumento de la capacidad de los microcontroladores permite implementar algoritmo complejo como campo metodología de control orientado a que permite:  

Reducir el consumo de energía (menos pérdida de potencia) de accionamiento del motor eléctrico. Proporcionar más suave y más preciso control del motor de mando sinusoidal con retroalimentación pasillo.



Optimizar la elección del motor (par): encontrar la mejor alternativa entre la dimensión y la potencia.

Sin embargo, este algoritmo requiere el cálculo más complejo y requiere más ancho de banda de la CPU que los algoritmos estándar. Por otra parte, esta estrategia de comandos encaja con algunos motores DC sin escobillas con cambios de carga dinámicos debido a la reducción del tiempo de respuesta. Permite la regulación de par y la velocidad al mismo tiempo

4.2.1.2.Diagrama de bloques El siguiente diagrama de bloques (FIGURA 3.1) se describe el principio del algoritmo. De hecho, se basa en:   

Un comando vectorial para 3-fases motores DC sin escobillas. Un muestreo actual periódica de las 3 derivaciones ubicadas en estas 3-fases. bucles 2 regulación encapsulado: uno para la corriente (par de torsión y la pérdida de potencia) y otro para la velocidad.

Fig.6 Diagrama del Algoritmo

4.2.2.Descripción general del sistema Como muestra la Figura se muestra 6 la corriente 3-fases se miden y una realimentación de efecto Hall se utiliza para calcular algoritmo de control de campo orientado. La conexión USB se utiliza a través de una aplicación de PC para el control remoto del motor en tiempo real y visualización de

variables reguladas. Este monitor de datos muestra el control de realimentación de forma remota. Esta interfaz gráfica de usuario proporciona:  

3 gráficos y 1 pantalla cursor. 4 entradas de control.

Fig.7Diagrama de control

El objetivo es ser capaz de conectarse a la aplicación sin alterar el comportamiento de la aplicación. La aplicación ofrece las siguientes características:

    

Implementa el control de vectores de un motor DC sin escobillas. Rango de velocidad de 400 rpm a 2.000 rpm. 1 Con un bucle de control 100 microsegundos, la CPU se utiliza en el 35% por el Proceso de control orientado a campo del sensor a 42MHz. Visualización en tiempo real la velocidad actual y medido. El control de velocidad en tiempo real.

4.2.3.Transformaciones a usarse 4.2.3.1.Transformación de Clarke Acá se transforma de un sistema de tres fases, equidistantes (a, b, c) a uno de dos fases ortogonales (α, β), Fig8. La forma de hacer esta transformación es mostrada en la ecuación

Fig.8

4.2.3.2.Transformación de Park Con esta se transforma de un sistema ortogonal estacionario (α, β), a uno rotacional (d, q), como se presenta en la ecuación:

Al igual que la conmutación sinusoidal, acá también es importante tener una medida precisa de la posición del rotor, ya que, si ésta tiene un error, las componentes directas, y en cuadratura no estarán totalmente desacopladas. En consecuencia, y una vez sean aplicadas las transformaciones el control del motor se simplifica, ya que la componente en cuadratura es la única que proporciona par útil, por lo tanto, la referencia de la componente directa comúnmente es fijada a cero, de este modo, se obliga a que el vector de corrientes se sitúe en la dirección de la componente de cuadratura, para así maximizar la eficiencia del sistema. Como complemento, si se quiere hacer un control de corriente a lazo cerrado, utilizando control vectorial, se deben implementar los módulos mostrados en Figura 3.3 Por último, debido a que se deben controlar las dos componentes (D-Q), basta con implementar dos controladores, que en este caso serán PI.

Fig.9 control a lazo cerrado usando control vectorial

Chapter 5: Conclusión La conmutación trapezoidal proporciona una primera aproximación al control de motores brushless. Gracias a su sencilla implementación y a los pocos recursos utilizados es ampliamente usada en aplicaciones de muy bajo coste. No obstante, debido a su alto rizado de par en todo el espectro frecuencial la hace desaconsejable para cualquier aplicación que demande una mínima precisión o eficiencia. La conmutación sinusoidal soluciona el problema del rizado del par a cambio de aumentar la complejidad del control y de incorporar un sensor de mayor precisión. Sin embargo, debido a que trabaja en el espacio variante del tiempo presenta una limitación de control a altas velocidades.

Chapter 6: MONOGRAFIA

https://es.wikipedia.org/wiki/Motor_eléctrico_sin_escobillas http://motores.nichese.com/brushless.htm https://docplayer.es/19919560-Tecnicas-de-control-para-motores-brushless-comparativa-entreconmutacion-trapezoidal-conmutacion-sinusoidal-y-control-vectorial.html https://www.youtube.com/watch?v=bCEiOnuODac https://www.renesas.com/in/en/support/technical-resources/engineer-school/brushless-dcmotor-01-overview.html