¿Cómo son las formas de onda de conmutación para un motor sin escobillas?

He visto formas de onda para conducir un motor sin escobillas.

Supongo que esta es la forma de onda utilizada para la conmutación de bloque más simple. Pero si quiero hacer formas de onda sinusoidales, ¿cómo se ve la señal PWM ahora? ¿Es necesario sincronizar cuidadosamente los bordes en las tres fases?

El diagrama que muestra parece que produciría un Back-EMF trapezoidal bastante áspero. Supongo que las puertas que están al 100% son las patas inferiores del puente de accionamiento del motor. No puedo pensar en una razón por la que quieras hacer esto. En general, desea que el voltaje de la puerta del tramo de retorno sea el complemento del voltaje de la puerta del tramo de suministro.

En la conmutación trapezoidal de seis pasos, normalmente sube la PWM hasta el 100%, la deja allí durante un tiempo (~ 30 grados de rotación eléctrica) y luego la vuelve a bajar.

En la conmutación sinusoidal, el ciclo de trabajo PWM varía continuamente en valores sinusoidales. Aquí hay un buen diagrama que muestra la diferencia entre el accionamiento sinusoidal y el PWM del accionamiento trapezoidal y las señales de fase:

Esta nota de la aplicación Fairchild muestra el PWM a través de una rotación completa de 360 ​​°:

Es útil observar de cerca lo que sucede en la señal. Lo que realmente está haciendo es variar gradualmente la corriente en una onda triangular para que se acumule lentamente en el estator del motor. Usted tiene más control sobre esta acumulación si maneja las puertas de suministro y retorno de manera complementaria en lugar de mantener abierta la parte inferior de la pierna.

Calcular una onda sinusoidal es más computacionalmente intensivo (a menos que use una tabla de búsqueda) que una simple aceleración, retención y disminución. Pero produce una unidad mucho más suave.

La conmutación de vectores espaciales es aún más computacionalmente intensiva. Y aunque tiene más ondulación de par que un accionamiento sinusoidal, hace una mayor utilización del voltaje del bus y, por lo tanto, es más eficiente en términos de potencia.

El voltaje de fase en la unidad de vector espacial termina luciendo así:

Esto se hace variando el ciclo de trabajo PWM en las tres fases al mismo tiempo. Esto se opone a tener una sola fase impulsada como en una unidad de dos cuadrantes o tener dos fases impulsadas en pares complementarios como en una unidad de cuatro cuadrantes.

Existe una buena cantidad de literatura sobre la implementación del control de motores sin escobillas, pero aquí hay una descripción general.

Para comprender las diferencias entre las formas de onda de conmutación, es importante comprender cómo funcionan los motores sin escobillas.

Un motor trifásico (bipolar) tendrá tres bobinas alrededor de un solo imán en el centro. El objetivo es energizar las bobinas en secuencia para que el eje del motor (y su imán) gire.

Hay dos campos magnéticos que son importantes aquí, el campo del rotor (imán giratorio) y el campo del estator (bobinas estáticas):

Nos referimos a la dirección del campo magnético como su "vector de flujo" porque suena súper genial. Lo más importante que debe aprender de esta imagen es que desea que los dos campos magnéticos estén en ángulo recto entre sí. Esto maximiza la eficiencia y el par.

El esquema de conmutación más tonto es trapezoidal. Usando sensores de pasillo o EMF posterior del motor, es posible determinar si el motor está en una de una cantidad discreta de posiciones y realizar el control de encendido / apagado en una o dos bobinas para conducir el campo magnético alrededor del motor:

Debido a que solo puede haber seis orientaciones separadas para el campo del estator, el vector de flujo del motor puede estar entre 60 y 120 grados (en lugar de los 90 deseados) y, por lo tanto, se obtiene una ondulación de par y una baja eficiencia.

Una solución obvia aquí es cambiar a conmutación sinusoidal y simplemente suavizar la forma de onda:

Si conoce la orientación exacta del rotor, puede hacer un poco de trigonometría para calcular el ciclo de trabajo PWM exacto que se aplicará a cada bobina para mantener el vector de flujo a 90 grados y, bam, tiene un hermoso vector de flujo de 90 grados. (La orientación del rotor se puede determinar mediante un codificador, interpolación o una estimación más avanzada, como un filtro Kalman).

Así que en este momento te estarás preguntando cómo puedes hacerlo mejor que la conmutación sinusoidal. La falla clave de la conmutación sinusoidal es que las salidas se envían directamente a PWM. Debido a la inductancia de la bobina, la corriente (y, por lo tanto, el vector de flujo) va a la zaga de los valores ordenados y, a medida que el motor se acerca a su velocidad máxima, el vector de flujo será de 80 o 70 grados en lugar de 90.

Esta es la razón por la cual la conmutación sinusoidal tiene un rendimiento pobre de alta velocidad.

Esto finalmente nos lleva al control de vector de flujo, que es un nombre dado a los algoritmos de control (a menudo patentados) que intentan garantizar que el flujo magnético permanezca a 90 grados incluso a altas velocidades. La forma más sencilla de hacer esto sería liderar el campo, por ejemplo, 90-120 grados dependiendo de qué tan rápido vaya, sabiendo que el flujo magnético real se retrasará.

Soluciones más robustas incluyen PID / feedforward para controlar con precisión la corriente que pasa por cada fase. Cada fabricante de servos tiene su propio algoritmo interno, así que estoy seguro de que hay algunas cosas bastante complicadas en el borde.

Para decirlo en términos más simples, el control de vector de flujo es el control sinusoidal de la corriente que va a cada fase (en lugar de solo el ciclo de trabajo PWM).

La línea entre el vector sinusoidal / flujo es bastante vaga ya que algunas compañías realizan un control avanzado en sus unidades "sinusoidales" (lo que esencialmente los convierte en vectores de flujo). Además, dado que técnicamente se puede llamar casi cualquier control de vector de flujo, la calidad de las implementaciones puede variar.