Control del motor sin escobillas mediante señales inversas de fem: comprensión del proceso

Cuando comencé a desarrollar una unidad de control para un motor sin escobillas (rueda de motor), había muchas preguntas sobre cómo comparar un motor real con un circuito abstracto de tres devanados e imanes, en el que, por regla general, todos explican el principio de control de los motores sin escobillas.

Cuando implementé el control mediante sensores Hall, todavía no entendía lo que estaba sucediendo en el motor más allá de los tres devanados y dos polos abstractos: por qué era 120 grados y por qué el algoritmo de control es así.

Todo se puso en su lugar cuando comencé a comprender la idea del control sin sensores de un motor sin escobillas: comprender el proceso que tiene lugar en una pieza de hierro real ayudó a desarrollar el hardware y comprender el algoritmo de control.

A continuación trataré de pintar mi camino para comprender el principio de controlar un motor de CC sin escobillas.



Para el funcionamiento de un motor sin escobillas, es necesario que el campo magnético constante del rotor se lleve detrás del campo electromagnético giratorio del estator, como en un DPT convencional.

La rotación del campo magnético del estator se lleva a cabo cambiando los devanados utilizando una unidad de control electrónico.
El diseño de un motor sin escobillas es similar al diseño de un motor síncrono; si conecta un motor sin escobillas a una red de CA trifásica que satisfaga los parámetros eléctricos del motor, funcionará.

Una cierta conmutación de los devanados de un motor sin escobillas le permite controlarlo desde una fuente de corriente constante. Para comprender cómo hacer una tabla de conmutación de un motor sin escobillas, debe considerar el control de una máquina de CA síncrona.

Máquina síncrona
La máquina síncrona está controlada por una red de CA trifásica. El motor tiene 3 devanados eléctricos, compensados ​​por 120 grados eléctricos.

Arrancando un motor trifásico en el modo generador, EMF será inducido por un campo magnético constante en cada uno de los devanados del motor, los devanados del motor se distribuirán uniformemente, se inducirá un voltaje sinusoidal en cada una de las fases y estas señales se compensarán en 1/3 del tiempo (Figura 1). La forma del EMF cambia de acuerdo con una ley sinusoidal, el período de la onda sinusoidal es 2P (360), ya que estamos tratando con cantidades eléctricas (EMF, voltaje, corriente) llamaremos a esto grados eléctricos y mediremos el período en ellos.

Cuando se aplica una tensión trifásica al motor en cada momento, cada devanado tendrá un cierto valor de corriente.


                                                Figura 1. Vista de la señal de una fuente de CA trifásica.

Cada devanado forma un vector de campo magnético proporcional a la corriente en el devanado. Agregando 3 vectores, puede obtener el vector de campo magnético resultante. Dado que con el tiempo la corriente en los devanados del motor cambia de acuerdo con una ley sinusoidal, la magnitud del vector de campo magnético de cada devanado cambia, y el vector total resultante cambia el ángulo de rotación, mientras que la magnitud de este vector permanece constante.

                                                       Figura 2. Un período eléctrico de un motor trifásico.

La Figura 2 muestra un período eléctrico de un motor trifásico, se indican 3 momentos arbitrarios en este período, para construir un vector de campo magnético en cada uno de estos momentos, posponemos este período, 360 grados eléctricos, en el círculo. Colocaremos 3 devanados del motor desplazados 120 grados eléctricos entre sí (Figura 3).

     Figura 3. Momento 1. El vector de campo magnético de cada devanado (izquierda) y el vector de campo magnético resultante (derecha).

Se crea un vector de campo magnético a lo largo de cada fase, creado por el devanado del motor. La dirección del vector está determinada por la dirección de la corriente continua en el devanado, si el voltaje aplicado al devanado es positivo, entonces el vector se dirige en la dirección opuesta al devanado, si es negativo, a lo largo del devanado. La magnitud del vector es proporcional a la magnitud de la tensión de fase en el momento dado.
Para obtener el vector de campo magnético resultante, es necesario agregar los datos del vector de acuerdo con la ley de adición de vectores.
Del mismo modo, la construcción para el segundo y tercer punto en el tiempo.

      Figura 4. Momento 2. El vector de campo magnético de cada devanado (izquierda) y el vector de campo magnético resultante (derecha).

Entonces, con el tiempo, el vector resultante cambia gradualmente su dirección, la Figura 5 muestra los vectores resultantes y muestra la rotación completa del campo magnético del estator en un período eléctrico.

                                 Figura 5. Vista del campo magnético giratorio generado por los devanados en el estator del motor.

Detrás de este vector del campo magnético eléctrico, el campo magnético de los imanes de rotor permanente se lleva en cada momento del tiempo (Figura 6).

                            Figura 6. Un imán permanente (rotor) sigue la dirección del campo magnético generado por el estator.

Así es como funciona una máquina de CA síncrona.

Al tener una fuente de corriente continua, es necesario formar independientemente un período eléctrico con un cambio en las direcciones de corriente en los tres devanados del motor. Dado que el motor sin escobillas tiene el mismo diseño que el síncrono, tiene parámetros idénticos en el modo generador, es necesario proceder de la Figura 5, que muestra el campo magnético giratorio generado.

Voltaje constante
La fuente de CC tiene solo 2 cables "más potencia" y "menos potencia", lo que significa que es posible suministrar voltaje a solo dos de los tres devanados. Es necesario aproximar la Figura 5 y resaltar todos los puntos en los que es posible conmutar 2 fases de tres.

El número de permutaciones del conjunto 3 es 6, por lo tanto, hay 6 opciones para conectar los devanados.
Representaremos las posibles opciones de cambio y seleccionaremos una secuencia en la que el vector se rotará paso a paso más hasta que llegue al final del período y comience de nuevo.

Contaremos el período eléctrico desde el primer vector.


      Figura 7. Vista de seis vectores de campo magnético que se pueden crear a partir de una fuente de CC cambiando dos de los tres devanados.

La Figura 5 muestra que cuando se controla un voltaje sinusoidal trifásico, hay muchos vectores que giran suavemente con el tiempo, y al cambiar con corriente continua es posible obtener un campo giratorio de solo 6 vectores, es decir, el cambio al siguiente paso debe ocurrir cada 60 grados eléctricos.
Los resultados de la Figura 7 se resumen en la Tabla 1.

 Tabla 1. La secuencia resultante de los devanados del motor de conmutación.

Más potencia	Menos poder	Bobinado no conectado
W	U	V
W	V	U
U	V	W
U	W	V
V	W	U
V	U	W

El tipo de la señal de control resultante de acuerdo con la tabla 1 se muestra en la Figura 8. Dónde está -V cambiando a fuente de alimentación negativa (GND), y + V cambiando a fuente de alimentación positiva.


    Figura 8. Vista de las señales de control de una fuente de CC para un motor sin escobillas. Amarillo - fase W, azul - U, rojo - V.

Sin embargo, la imagen real de las fases del motor será similar a la señal sinusoidal de la Figura 1. La señal tiene una forma trapezoidal, porque en ocasiones cuando el devanado del motor no está conectado, los imanes permanentes del rotor inducen su EMF (Figura 9).


                                    Figura 9. El tipo de señal de los devanados de un motor sin escobillas en modo operativo.

En un osciloscopio, se ve así:


                                 Figura 10. Vista de la ventana del osciloscopio al medir una fase del motor.

Características de diseño
Como se mencionó anteriormente, en más de 6 devanados de conmutación, se forma un período eléctrico de 360 ​​grados eléctricos.
Es necesario conectar este período con el ángulo de rotación real del rotor. Los motores con un par de polos y un estator tridente se usan extremadamente raramente; los motores tienen N pares de polos.
La Figura 11 muestra modelos de motor con un par de polos y con dos pares de polos.


                                       a. b.
                                      Figura 11. Modelo de motor con uno (a) y dos (b) pares de polos.

El motor con dos pares de polos tiene 6 devanados, cada uno de los devanados está emparejado, cada grupo de 3 devanados está compensado por 120 grados eléctricos entre sí. Figura 12b. Se retrasa un período para 6 devanados. Los devanados U1-U2, V1-V2, W1-W2 están interconectados y en el diseño representan cables de salida de 3 fases. Para simplificar la imagen, no se muestran conexiones, pero recuerde que U1-U2, V1-V2, W1-W2 son lo mismo.

La Figura 12, basada en los datos de la tabla 1, muestra los vectores para uno y dos pares de polos.

                                       a. b.
                     Figura 12. Diagrama de vectores de campo magnético para un motor con un (a) y dos (b) pares de polos.

La Figura 13 muestra los vectores creados por 6 conmutaciones de los devanados del motor con un par de polos. El rotor consta de imanes permanentes, en 6 pasos el rotor girará 360 grados mecánicos.
La figura muestra las posiciones finales del rotor, en los intervalos entre dos posiciones adyacentes, el rotor gira desde el estado conmutado anterior al siguiente. Cuando el rotor alcanza esta posición final, debe producirse el siguiente interruptor y el rotor tenderá a una nueva posición predeterminada para que su vector de campo magnético se alinee con el vector de campo electromagnético del estator.


        Figura 13. La posición final del rotor con una conmutación de seis velocidades de un motor sin escobillas con un par de polos.

En motores con N pares de polos, es necesario pasar por N períodos eléctricos para una revolución mecánica completa.
Un motor con dos pares de polos tendrá dos imanes con los polos S y N, y 6 devanados (Figura 14). Cada grupo de 3 devanados está compensado entre sí por 120 grados eléctricos.


        Figura 14. La posición final del rotor durante una conmutación de seis velocidades de un motor sin escobillas con dos pares de polos.

Determinación de la posición del rotor de un motor sin escobillas
Como se mencionó anteriormente, para que el motor funcione, es necesario conectar el voltaje a los devanados del estator necesarios en el momento adecuado. Es necesario aplicar voltaje a los devanados del motor dependiendo de la posición del rotor, de modo que el campo magnético del estator esté siempre por delante del campo magnético del rotor. Para determinar la posición del rotor del motor y cambiar los devanados, se utiliza una unidad de control electrónico.
El seguimiento de la posición del rotor es posible de varias maneras:
      1. Mediante sensores Hall
      2. Mediante EMF inverso
Como regla general, los fabricantes equipan los sensores Hall con el motor en el lanzamiento, por lo que este es el método de control más común.
Cambiar los devanados de acuerdo con las señales del EMF posterior le permite abandonar los sensores integrados en el motor y utilizar como sensor el análisis de la fase libre del motor, que será inducida por el campo magnético del contador EMF.

Gestión de un motor sin escobillas con sensores Hall
Para cambiar los devanados en el momento adecuado, es necesario controlar la posición del rotor en grados eléctricos. Para esto, se utilizan sensores Hall.
Como hay 6 estados del vector de campo magnético, se necesitan 3 sensores Hall, que representarán un sensor de posición absoluta con una salida de tres bits. Los sensores Hall también se instalan como bobinados compensados ​​por 120 grados eléctricos. Esto permite el uso de imanes de rotor como elemento activo del sensor.


                                Figura 15. Señales de los sensores Hall para una revolución eléctrica del motor.

Para rotar el motor, es necesario que el campo magnético del estator esté por delante del campo magnético del rotor, la posición cuando el vector del campo magnético del rotor está alineado con el vector del campo magnético del estator es final para esta conmutación, es en este momento que el cambio a la siguiente combinación debe tener lugar para evitar que el rotor cuelgue en un estacionario posición.
Comparemos las señales de los sensores Hall con la combinación de fases que deben cambiarse (tabla 2)

 Tabla 2. Comparación de las señales de los sensores Hall con la conmutación de las fases del motor.

Posición del motor	HU (1)	HV (2)	HW (3)	U	V	W
0 0	0 0	0 0	1	0 0	-	+
	1	0 0	1	+	-	0 0
	1	0 0	0 0	+	0 0	-
	1	1	0 0	0 0	+	-
	0 0	1	0 0	-	+	0 0
360 / N	0 0	1	1	-	0 0	+

Con una rotación uniforme del motor, los sensores reciben una señal desplazada en 1/6 del período, 60 grados eléctricos (Figura 16).


                                                        Figura 16. Vista de la señal de los sensores Hall.

Control EMF
Hay motores sin escobillas sin sensores de posición. La posición del rotor se determina analizando la señal EMF en la fase libre del motor. En cada momento, se conecta un "+" a una de las fases a otra fuente de alimentación "-", una de las fases permanece libre. Al girar, el campo magnético del rotor induce un EMF en un devanado libre. A medida que gira, el voltaje en la fase libre cambia (Figura 17).


                                                 Figura 17. Cambio de voltaje en la fase del motor.

La señal del devanado del motor se divide en 4 puntos:
   1. El devanado está conectado a 0
   2. El devanado no está conectado (fase libre)
   3. El devanado está conectado a la tensión de alimentación
   4. El devanado no está conectado (fase libre)
Comparando la señal de las fases con la señal de control, vemos que el momento de transición al siguiente estado puede detectarse mediante la intersección del punto medio (la mitad del voltaje de suministro) con la fase que no está conectada actualmente (Figura 18).


                            Figura 18. Comparación de la señal de control con la señal en las fases del motor.

Después de detectar la intersección, haga una pausa y habilite el siguiente estado. Según esta figura, se compila un algoritmo para cambiar el estado de los devanados (tabla 3).

 Tabla 3. Algoritmo de conmutación de bobinado del motor

Estado actual	U	V	W	Siguiente estado
1	-	Esperando a que el punto medio cruce de + a -	+	2
2	Esperando a que el punto medio cruce de - a +	-	+	3
3	+	-	Esperando a que el punto medio cruce de + a -	4 4
4 4	+	Esperando a que el punto medio cruce de - a +	-	5 5
5 5	Esperando a que el punto medio cruce de + a -	+	-	6 6
6 6	-	+	Esperando a que el punto medio cruce de - a +	1

La intersección del punto medio es más fácil de detectar con un comparador, el voltaje del punto medio se aplica a una entrada del comparador y el voltaje de fase actual se aplica a la segunda.


                                            Figura 19. Detección de punto medio por comparador.

El comparador se activa cuando el voltaje pasa a través del punto medio y genera una señal para el microcontrolador.

Procesando la señal de las fases del motor
Sin embargo, la señal de las fases al regular la velocidad PWM difiere en apariencia y tiene una naturaleza pulsada (Figura 21), en tal señal es imposible detectar la intersección con el punto medio.


                                        Figura 20. Vista de la señal de fase al ajustar la velocidad PWM.

Por lo tanto, esta señal debe ser filtrada por un filtro RC para obtener una envolvente, así como dividida de acuerdo con los requisitos del comparador. A medida que aumenta el ciclo de trabajo, la señal aumentará en amplitud (Figura 22).


                                                   Figura 21. Diagrama de un divisor de señal y filtro de la fase del motor.


                                            Figura 22. La envolvente de la señal al cambiar el ciclo de trabajo del PWM.

Esquema de punto medio


                                                      Figura 23. La vista del punto medio virtual. La imagen fue tomada de avislab.com/

Las señales se eliminan de las fases a través de resistencias limitadoras de corriente y se combinan, por lo que obtenemos la siguiente imagen:


                                          Figura 24. Vista de la forma de onda de voltaje del punto medio virtual.

Debido a PWM, el voltaje del punto medio no es constante, la señal también necesita ser filtrada. El voltaje del punto medio después del suavizado será bastante grande (en la región del voltaje de suministro del motor), debe dividirse por un divisor de voltaje a la mitad del voltaje de suministro.



Después de que la señal pasa a través del filtro, las oscilaciones se suavizan y se obtiene un voltaje uniforme con respecto al cual se puede detectar la intersección de la fem posterior.


                                       Figura 26. Voltaje después del divisor y filtro de paso bajo.

El punto medio cambiará su valor según el voltaje (ciclo de trabajo PWM), así como la envolvente de la señal.
                               

Las señales recibidas de los comparadores se envían al microcontrolador, que las procesa de acuerdo con el algoritmo anterior.
Eso es todo por ahora.