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

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

Forma de onda del 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?

Rocketmagnet
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Tengo una pregunta, ¿por qué usamos PWM solo en 3, no en absoluto en 6 puertas? PWM se usa aquí para reducir el voltaje, otro propósito para formar una forma de onda sinusoidal, creo que podría ser mejor si utilizamos PWM en todas las puertas, ¿verdad?

Respuestas:

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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.

trapezoidal de seis pasos

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:

seno versus trapezoidal

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

Rotación sinusoidal 360

senoidal

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.

varianza actual

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:

voltaje de vector espacial

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.

espacio-vector PWM

Embedded.kyle
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Gracias. Esto está mucho más cerca de lo que estoy buscando. Lo que realmente me gustaría ver es el PWM de las 3 fases en un diagrama. ¿Puedes agregar la Fase C a tu segundo diagrama?
Rocketmagnet
@Rocketmagnet Ver edición. Esperemos que sea más claro. Si todavía estuviera trabajando para un fabricante de controladores de motor, simplemente generaría algunas formas de onda en un sistema para usted. Pero, por desgracia, dejé todo eso atrás cuando dejé ese trabajo. Así que tengo que conformarme con lo que puedo encontrar en el interweb.
embedded.kyle
Acercándose mucho más. Es una pena que no puedas generar una forma de onda. Estoy realmente interesado en ver las señales PWM de cerca. Especialmente para ver exactamente cómo se alinean los bordes a través de las fases. Es difícil ver eso en el segundo diagrama. El tercer diagrama es un poco confuso porque, en primer lugar, la señal PWM se ve diferente (hay secciones con servicio cero). En segundo lugar, la parte de onda sinusoidal también se ve extraña con esa doble joroba. ¿Para qué es eso? (Perdón por ser una molestia)
Rocketmagnet
@Rocketmagnet No hay problema. Soy un poco loco (si me disculpa la expresión), así que me encanta hablar de esto. Perdón por los diagramas malos. Si hace clic en el 3er diagrama, se abrirá la hoja de datos de Fairchild para un "controlador de motor sinusoidal". Aunque parecen utilizar una terminología confusa entre vector espacial y sinusoidal. La forma de onda de salida parece un vector espacial, pero el PWM parece casi sinusoidal.
embedded.kyle
@Rocketmagnet En el accionamiento de cuatro cuadrantes de un motor trifásico, tendrá una fase "empujando" la corriente, una fase "tirando" de la corriente y una fase apagada en todo momento. Haga clic en la figura superior y eche un vistazo a las tablas de verdad cerca de la parte superior. Cada estado de conmutación dura 60 ° grados eléctricos. Cada estado de conmutación, apaga una fase, enciende una fase y deja una fase encendida. Aunque está variando el ciclo de trabajo PWM durante cada estado de conmutación para lograr la salida deseada.
embedded.kyle
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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.

Motor 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):

vectores de campo

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:

trapecio

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:

pecado

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.

usuario65
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Gracias por esta respuesta en profundidad. Sin embargo, estaba más interesado en ver cómo se ven las formas de onda PWM cuando se realiza la conmutación sinusoidal. (Esto es para una aplicación de baja velocidad, por lo que no necesito un control vectorial de flujo)
Rocketmagnet
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+1 buena explicación. Quizás Wikipedia: ¿la modulación de ancho de pulso respondería las preguntas restantes de Rocketmagnet?
David Cary
Cualquier pregunta que contenga las palabras "porque suena súper genial" merece muchos votos a favor;) ¡Además, increíblemente profunda, gran respuesta!
Chris