¿Cómo funcionan los controladores de velocidad electrónicos? Dentro de la cadena de señales del ESC

Un paquete de baterías de 48 V proporciona un voltaje de CC fijo. El motor de un scooter eléctrico todavía tiene que mantener aproximadamente 3200 rpm en una carretera plana, bajar a aproximadamente 280 rpm en una pendiente del 12 por ciento y retroceder según sea necesario. Algo entre la batería y los devanados tiene que decidir cuánta corriente fluye, en qué dirección y durante cuánto tiempo.

Ese dispositivo es el controlador electrónico de velocidad. Funciona convirtiendo la CC fija de la batería en una salida trifásica y conmutando esa salida miles de veces por segundo. El voltaje promedio que ve el motor aumenta y disminuye con el ciclo de trabajo, y la propia inductancia del motor convierte esos pulsos rápidos en corriente suave. El par sigue a la corriente y la velocidad se estabiliza donde el par del motor se encuentra con el par de carga. Todo lo demás dentro de un ESC existe para que esto suceda de forma segura y repetible.

Cómo DC se convierte en rotación trifásica

Un motor sin escobillas no funcionará con CC aplicada a dos terminales. Su estator lleva devanados trifásicos y su rotor lleva imanes permanentes, por lo que la corriente tiene que moverse a través de las fases en secuencia para mantener el campo del estator tirando del rotor hacia adelante en lugar de mantenerlo en su lugar.

Conmutación: adelantarse al rotor

La conmutación es el acto de elegir qué par de fases se energiza. En la conmutación de seis pasos, cada revolución eléctrica se divide en seis estados, y el controlador activa un interruptor de lado alto y uno de lado bajo por estado, produciendo un campo que avanza cada 60 grados eléctricos. Si la conmutación va por detrás del rotor, el par colapsa y la corriente aumenta. Si llega demasiado lejos, la corriente adicional se convierte en calor en lugar de torque.

Retroalimentación de posición con y sin sensor

Tres sensores Hall informan de la posición absoluta del rotor, lo que es importante para un chasis de robot que tiene que arrancar desde parado bajo carga completa. En cambio, los esquemas sin sensores leen los campos electromagnéticos inducidos en la fase no energizada y estiman la posición desde su cruce por cero. Eso elimina tres cables y un conector del arnés, pero la estimación se vuelve poco confiable por debajo de aproximadamente el 5 al 10 por ciento de la velocidad nominal. El control orientado al campo va más allá, transforma las corrientes de fase medidas en un marco de referencia giratorio y regula directamente el componente que produce el par.

La cadena de señales desde la entrada del acelerador hasta el accionamiento de la puerta

Entre la entrada del acelerador y los terminales del motor se encuentran cuatro bloques funcionales. Cada uno tiene su propio modo de falla y su propio límite en el rendimiento del sistema.

Microcontrolador y bucle de control.

El microcontrolador toma muestras de la corriente de fase, el voltaje del bus, la posición del acelerador y la posición del rotor, a menudo entre 8.000 y 20.000 veces por segundo en una implementación orientada al campo. Primero ejecuta el bucle de corriente rápida, lo envuelve con un bucle de torsión o velocidad más lenta y convierte el resultado en tres valores de ciclo de trabajo. El mapeo del acelerador, los límites actuales, la fuerza del frenado regenerativo y los umbrales de falla se encuentran en esta capa.

Controlador de puerta y puente MOSFET

El controlador de puerta traduce la lógica de bajo voltaje en la oscilación de 10 a 15 V que necesita un MOSFET de energía y evita que ambos interruptores en una pata conduzcan al mismo tiempo. El tiempo muerto, el intervalo de supresión deliberado entre el apagado del lado alto y el encendido del lado bajo, es típicamente de 0,3 a 1 microsegundo. Una corriente demasiado corta y penetrante destruye el puente; El par y la eficiencia demasiado prolongados y a baja velocidad se ven afectados.

Seis MOSFET forman el puente trifásico, donde la pérdida de conducción aumenta con la resistencia y la corriente al cuadrado, mientras que la pérdida de conmutación aumenta con la frecuencia de conmutación, el voltaje del bus y la carga de la puerta. Los dispositivos en paralelo reducen la resistencia, pero solo cuando los bucles de la puerta coinciden. De lo contrario, un dispositivo transporta más corriente que sus vecinos y falla primero.

Detección y protección de corriente.

Las resistencias de derivación o sensores de efecto Hall miden la corriente de fase para que el bucle de control tenga algo real que regular, y las mismas señales alimentan protección contra sobrecorriente, sobretensión y sobretemperatura. Un controlador con buen comportamiento reduce la corriente gradualmente a medida que aumenta la temperatura en lugar de cortar el motor a mitad de la maniobra.

Ciclo de trabajo, PWM y los números que importan

El control de velocidad es el control del ciclo de trabajo. Si el bus se encuentra a 48 V y el ciclo de trabajo es del 50 por ciento, el motor ve un promedio de 24 V. La frecuencia de conmutación se elige lo suficientemente alta como para mantener la ondulación de la corriente dentro de una banda práctica y lo suficientemente baja para mantener manejable la pérdida de conmutación. En un variador de 48 V con unos cientos de microhenrios de inductancia de fase, de 16 kHz a 20 kHz generalmente mantiene la ondulación cerca del 10 al 20 por ciento de la corriente nominal.

Lea la tabla como un conjunto de compensaciones y no como una especificación. El aumento de la frecuencia de conmutación reduce la ondulación y silencia el variador, pero también aumenta la pérdida de conmutación y el calor. La ampliación del tiempo muerto protege el puente, pero distorsiona el voltaje de salida en un ciclo de trabajo bajo, lo que se manifiesta como un arranque brusco y un calentamiento a velocidad muy baja.

Emparejar un controlador con un motor sin conjeturas

El error de dimensionamiento más común es elegir un controlador según la potencia de la etiqueta del motor. Los motores se clasifican según su potencia mecánica; Los controladores están limitados por la corriente de fase y la temperatura de la unión. Un motor de 1 kW puede consumir 40 A de corriente de fase a 48 V durante un arranque difícil desde el reposo, aunque su corriente de crucero esté más cerca de 12 A. Tamaño para el arranque, no para el crucero, y verifique tres números juntos:

• Corriente de fase continua a la temperatura ambiente esperada, no a 25 C.
• Rango de tensión del bus con margen para el pico de frenado regenerativo.
• Ruta térmica: área del disipador de calor, flujo de aire y cuánto tiempo se puede mantener la corriente máxima.

Las tablas de emparejamiento publicadas eliminan la mayoría de esas conjeturas, porque indican qué combinaciones de controlador y motor ya se han caracterizado en cuanto a corriente, voltaje y montaje.

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Firmware, protocolos y ajuste

Dos controladores con etapas de potencia idénticas pueden comportarse de manera muy diferente. El protocolo de entrada es la primera diferencia: las entradas analógicas y PWM son simples y de baja latencia, UART se adapta a la telemetría y ajuste de parámetros, y el bus CAN se adapta a vehículos donde el controlador, el sistema de gestión de batería y la unidad de control del vehículo necesitan compartir estado.

La segunda diferencia es el firmware. Las curvas de aceleración, las rampas de corriente, los perfiles de frenado regenerativo, el debilitamiento del campo para la velocidad máxima y el comportamiento de recuperación de fallas son decisiones de software, y el papel del software en los controladores de motores modernos ha crecido hasta igualarse con la etapa de potencia misma. Solicite el conjunto de parámetros antes de comprometerse con una plataforma, no después de que el primer prototipo se detenga en una colina.

Límites de confiabilidad y realidad térmica

Las clasificaciones actuales de las hojas de datos generalmente asumen una temperatura ambiente de 25 C y una caja MOSFET mantenida cerca de 80 C. Dentro de un gabinete sellado en una tarde de verano, ninguna de las condiciones se cumple. La pérdida de conducción aumenta con la temperatura porque aumenta la resistencia, lo que aumenta nuevamente la pérdida; sin reducción, ese bucle se escapa. La reducción práctica de un controlador enfriado pasivamente suele estar entre un 30 y un 40 por ciento por debajo de la corriente principal. Los condensadores merecen la misma atención, ya que su corriente nominal de rizado y su vida útil nominal a 105 C establecen el intervalo de servicio real, no el número de pieza del MOSFET.

Para aplicaciones que no pueden tolerar disparos molestos, la estabilidad entre temperatura y carga es más importante que una cifra máxima en una primera página.

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Qué comprobar antes de comprar

1. Corriente de fase en el peor de los casos: arranque a plena carga, grado máximo, temperatura ambiente más alta.
2. Ventana de voltaje del bus, incluido el pico regenerativo que realmente verá su batería.
3. Interfaz de control: ¿el vehículo ya habla CAN o PWM hará el trabajo?
4. Diseño térmico: área del disipador de calor, ruta del flujo de aire y orientación de montaje.
5. Protección e informes: sobrecorriente, sobretensión, sobretemperatura y si las fallas se registran o solo se señalan.
6. Soporte: documentación de parámetros, ruta de actualización del firmware y si el proveedor caracterizará su motor con su controlador.

Proveedores que publican un rango de controlador caracterizado y la orientación coincidente hacen que ese último punto sea mucho más fácil de verificar antes de comprometer las herramientas.

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La versión corta

• Un ESC convierte CC fija en una salida trifásica conmutada y el ciclo de trabajo establece el voltaje promedio y, por lo tanto, la velocidad.
• La conmutación mantiene el campo del estator por delante del rotor; Los sensores Hall manejan baja velocidad, la estimación de backEMF maneja la velocidad de crucero.
• El microcontrolador, el controlador de puerta, el puente MOSFET y la detección de corriente imponen cada uno su propio límite al sistema.
• Dimensione la corriente de fase en el peor de los casos y luego reduzca la potencia según la temperatura ambiente que realmente verá el producto.
• El acceso al firmware y a los parámetros determina el comportamiento del controlador mucho más que los números de pieza del interruptor.