Algoritmos de control de motores: explicación de los métodos de seis pasos, FOC y sin sensores

Una hoja de especificaciones puede indicarle que un controlador de motor maneja 48 V y 60 A, pero no le dirá cómo suena el motor a la velocidad de marcha, cuánta onda de torsión sentirá el chasis de su robot o si el motor aún puede arrancar en una colina empinada. Esos comportamientos los decide el algoritmo de control del motor integrado en el firmware. Tres familias dominan el control de CC sin escobillas (BLDC) y de motor síncrono de imán permanente (PMSM): conmutación de seis pasos, control orientado a campo (FOC) y métodos de observador sin sensores. Para la mayoría de los programas de automatización y vehículos nuevos, el FOC con un observador sin sensores es el valor predeterminado práctico, mientras que los seis pasos siguen siendo una opción de bajo costo para cargas simples. Las secciones siguientes explican en qué se diferencian estos algoritmos y qué significa esa diferencia cuando selecciona un controlador.

Qué hacen realmente los algoritmos de control de motores

Cada algoritmo de control de motor ejecuta el mismo bucle básico. Lee o estima la posición del rotor, compara las corrientes de fase medidas con el par o la velocidad ordenados, calcula los vectores de voltaje que cierran ese error y los aplica al inversor mientras protege la etapa de potencia. El algoritmo también gestiona velocidades de rampa, límites de corriente, frenado regenerativo y detección de fallas.

La elección del algoritmo establece el límite de suavidad del par, ruido acústico, eficiencia y respuesta dinámica. Un microcontrolador potente no puede arreglar un bucle de control mal estructurado, y un algoritmo simple puede hacer que un controlador que de otro modo sería bueno parezca tosco en una aplicación de vehículo exigente.

Las principales familias de algoritmos utilizados en la actualidad

Conmutación de seis pasos (trapezoidal)

La conmutación de seis pasos energiza dos de las tres fases del motor a la vez y pasa por seis estados de conmutación. Es sencillo de implementar, utiliza poco tiempo de procesador y funciona de forma natural con sensores Hall. El inconveniente es la ondulación del par en cada punto de conmutación y el ruido audible a baja velocidad. Los seis pasos siguen siendo una opción razonable para bombas, ventiladores y transmisiones de tracción de bajo costo donde la suavidad importa menos que el precio.

Control orientado al campo

El control orientado a campo trata la corriente del estator como dos componentes independientes: uno que produce par y otro que controla el campo magnético. Después de las transformaciones de Clarke y Park, dos controladores PI regulan estos componentes y la modulación del vector espacial convierte el resultado nuevamente a voltajes trifásicos. FOC ofrece un par casi constante, bajo nivel de ruido y alta eficiencia en todo el rango de velocidades, incluso en parado.

FOC necesita más cálculo que el de seis pasos, pero eso ya no es una limitación con los microcontroladores modernos. Es el valor predeterminado para motocicletas eléctricas, propulsores de robots, fuerabordas marinos y la mayoría de las aplicaciones que necesitan un par predecible.

Observadores sin sensores

Los algoritmos sin sensores estiman la posición del rotor a partir de voltajes y corrientes medidos en lugar de hacerlo a partir de un sensor de posición separado. La detección de Back-EMF es el enfoque más simple y funciona muy por encima de unos pocos cientos de rpm. Un observador de modo deslizante añade robustez contra errores de parámetros y ruido de medición. Un filtro de Kalman ampliado proporciona estimaciones precisas en condiciones de perturbación, pero necesita un ajuste cuidadoso. La inyección de alta frecuencia excita la prominencia magnética del motor y proporciona información de posición a velocidad cero y muy baja.

La compensación práctica es entre costo, capacidad de baja velocidad y rechazo de perturbaciones. Quitar los sensores Hall y el cableado del codificador reduce el costo y mejora la confiabilidad, pero solo si el ciclo de trabajo permite que el estimador haga su trabajo.

Control escalar V/Hz

El control escalar mantiene una relación fija entre voltaje y frecuencia y se usa principalmente con motores de inducción de CA. Es simple y no necesita retroalimentación de posición, pero su respuesta de torque es débil. Aparece con menos frecuencia en las transmisiones de vehículos compactos porque esos sistemas utilizan motores BLDC o PMSM, donde el FOC o el de seis pasos producen mejores resultados.

Comparación de algoritmos por aplicación

Diferentes ciclos de trabajo favorecen diferentes algoritmos. Una motocicleta eléctrica pasa la mayor parte de su tiempo por encima de unos pocos cientos de rpm, por lo que el FOC sin sensores con estimación de EMF inverso reduce el costo sin afectar el rendimiento de crucero; Los arranques en pendientes y las maniobras a baja velocidad empujan a los diseñadores hacia los sensores Hall. El chasis de un robot debe avanzar y retroceder con precisión, lo que exige un sensor de posición o una inyección de alta frecuencia. Cuando la plataforma es un robot repartidor o una base de manipulación móvil, un Controlador de motor CC sin escobillas de respuesta rápida puede ser la diferencia entre una unidad que se siente retrasada y una que sigue el comando inmediatamente.

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Un fueraborda marino funciona a una velocidad constante durante horas, por lo que la eficiencia y la estabilidad térmica son más importantes que la respuesta transitoria. Un ATV o UTV ve cambios repentinos de carga en terreno accidentado, lo que favorece un observador robusto y un generoso margen de corriente. La siguiente tabla resume las compensaciones comunes.

Trate la tabla como un punto de partida, no como un veredicto. Un controlador bien diseñado puede reducir muchas de estas brechas porque su bucle actual y su observador están sintonizados juntos. Es por eso que la experiencia del proveedor del controlador con los ciclos de trabajo reales del vehículo es tan importante como el nombre del algoritmo en la hoja de datos.

Cómo afecta la elección del algoritmo a la selección del controlador

Debido a que el algoritmo reside en el software integrado, el hardware y el firmware deben diseñarse juntos. El paralelismo de MOSFET determina cuán uniformemente se divide la corriente entre las fases. La precisión de la detección de corriente establece el nivel mínimo para el bucle de corriente FOC. La fuerza del accionamiento de la puerta afecta las pérdidas de conmutación y la interferencia electromagnética. El diseño térmico decide cuánto tiempo el controlador puede mantener el par máximo. Un controlador con buen silicio pero firmware mal ajustado mostrará ondas de torsión y ruido; un controlador con firmware excelente pero con una detección de corriente débil se disparará o reducirá su potencia. Esta es la razón por la que ahora se presta tanta atención a la ingeniería El papel del software en el control de motores moderno. .

La misma lógica se aplica al propio motor. La resistencia del estator, la inductancia de fase y la constante back-EMF definen lo que el controlador puede y no puede hacer. Un controlador clasificado para 60 A no hará que un motor mal adaptado funcione de manera eficiente, y un ajuste FOC agresivo puede sobrecalentar un motor con baja masa térmica. Solicitar un emparejamiento validado de controlador de motor es parte del proceso de compra, no una ocurrencia tardía.

En el lado del hardware, el Controladores de motores de alto rendimiento serie T empareje el firmware FOC de amplio voltaje con una etapa de potencia destinada a motocicletas eléctricas, vehículos todo terreno eléctricos y fuerabordas eléctricos. Son un ejemplo de un diseño donde el algoritmo de control y el inversor se desarrollaron en la misma casa, por lo que el firmware conoce los límites del hardware.

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Criterios prácticos de evaluación para controladores de motores

Cuando compare controladores, mire detrás del número de corriente máxima. Los siguientes puntos diferencian a un controlador que trabaja en papel de uno que trabaja en la carretera.

• Confirme qué algoritmo ejecuta realmente el firmware. Algunos controladores de bajo costo anuncian FOC pero cambian a seis pasos a alta velocidad para ocultar los límites de cálculo.
• Compruebe si la implementación de FOC no tiene sensores, está basada en Hall o es conmutable. Sin sensores reduce el cableado, pero puede tener problemas a velocidades muy bajas sin inyección de alta frecuencia.
• Pregunte cómo se sintoniza el bucle actual. Los motores con diferente inductancia de fase requieren diferentes ganancias y el ajuste automático ahorra horas durante el arranque.
• Revise el comportamiento de sobrecarga, incluida la limitación de corriente, la reducción térmica y la recuperación de fallas. Estos detalles deciden si el vehículo se detiene de manera segura o deja varado al conductor.
• Considere el ruido acústico. Si el producto es una motocicleta eléctrica o un robot de reparto que opera cerca de personas, el ruido es un punto de venta. el Controlador de motor CC sin escobillas ultrasilencioso Proveedores de controlador de motor de CC sin escobillas ultrasilencioso A6, fábrica - Shanghai APT P APT es un proveedor de controlador de motor de CC ultrasilencioso sin escobillas A6 y una fábrica de controlador de motor de CC ultrasilencioso sin escobillas A6 al por mayor en China... Ver producto → es un ejemplo práctico de un diseño orientado sinusoidal que mantiene bajo el ruido de conmutación.

Los algoritmos de control de motores no deben elegirse únicamente a partir de un diagrama de bloques. Primero establezca el ciclo de trabajo, el rango de velocidad, el presupuesto de ruido y los requisitos de baja velocidad de su vehículo, luego compare los controladores con esos objetivos. Seis pasos son perfectamente adecuados para un ventilador, FOC es el punto de partida correcto para la mayoría de las aplicaciones de tracción y los observadores sin sensores son una herramienta de ahorro de costos cuando el rango de velocidad lo permite. El mejor controlador es aquel cuyo algoritmo, etapa de potencia y compatibilidad con aplicaciones coinciden con el perfil operativo real de su producto.