Control eficiente del motor con una plataforma totalmente programable

- Dec 04, 2018-

La protección del medio ambiente siempre ha sido un tema de preocupación. Para lograr una vida baja en carbono, los gobiernos de los países desarrollados utilizan impuestos y tasas para reducir las emisiones de carbono y el uso de energía. Más de la mitad de la electricidad se utiliza para impulsar el motor, por lo que los diseñadores no deberían tener que usar un control y diseño del motor más eficiente.

Este artículo introducirá el uso del algoritmo de control de orientación del campo magnético (FOC) y la modulación de frecuencia de pulso (PFM) para controlar de cerca el motor para lograr una alta precisión y una alta eficiencia.

Algoritmo de control de campo orientado (FOC)

El control escalar (o denominado comúnmente control de voltaje / frecuencia) es un método de control simple que cambia el par y la velocidad del motor al cambiar la fuente de alimentación (voltaje) y la frecuencia suministrada al estator. Este método es bastante simple y se puede hacer incluso con un microprocesador de 8/16 bits. Sin embargo, el diseño simple está acompañado por el mayor inconveniente: la falta de control robusto y confiable. Este método de control es suficiente si la carga se mantiene constante a altas velocidades. Pero una vez que cambia la carga, el sistema no puede responder rápidamente, lo que resulta en una pérdida de energía.

Por el contrario, FOC proporciona un control estricto del motor. Este método está diseñado para mantener la corriente del estator y el campo magnético en un estado ortogonal (es decir, en un ángulo de 90 grados) para lograr el par máximo. Dado que la información relacionada con el campo magnético obtenida por el sistema es constante (ya sea obtenida del codificador o estimada en una operación sin sensores), puede controlar con precisión la corriente del estator para lograr el par mecánico máximo.

En general, FOC es más complejo y requiere una aceleración de hardware y procesador de 32 bits. La razón es que este método requiere varios módulos de computación intensiva, como la transformada de Clark, la transformada de Parker, etc., para realizar una conversión mutua entre sistemas de coordenadas tridimensionales o bidimensionales para extraer la relación entre la corriente y el flujo magnético.

Como se muestra en la Figura 1, las entradas que se deben considerar para controlar el motor incluyen el comando de torque objetivo, la corriente de suministro y el ángulo del rotor. La conversión y el cálculo se realizan en función de estos parámetros, y se calcula el nuevo valor del variador de la electrónica de potencia. El tiempo requerido para completar un ciclo de FOC se denomina tiempo de bucle. Como se esperaba, cuanto más corto sea el tiempo de bucle, más rápido responderá el sistema. Un sistema de respuesta rápida significa que el motor puede ajustarse rápidamente a la carga y compensar los errores en un período de tiempo más corto para un funcionamiento más suave del motor y una mayor eficiencia.

El algoritmo FOC se implementa normalmente utilizando un procesador integrado con tiempos de bucle entre 50 y 100 unidades, según el modelo y el hardware disponible. Además, el software se puede utilizar para implementar FOC, pero su certeza no se puede garantizar. Por lo tanto, una gran cantidad de diseños se basan en la aceleración de hardware FPGA para aprovechar el determinismo y el procesamiento de alta velocidad de esta tecnología. Usando la tecnología FPGA de 28nm más avanzada, el tiempo de bucle de corriente FOC típico es 1.6us1, que es significativamente más corto que el enfoque de software.

Dado que el control mejorado del motor no solo reduce el ruido, sino que también mejora la eficiencia y la precisión, la mayoría de los bucles actuales se implementan actualmente en hardware y tienden a migrar los bucles de velocidad y los bucles de posición a implementaciones de hardware. Este enfoque es posible porque con el avance de la tecnología de circuitos electrónicos digitales, un solo dispositivo tiene suficiente poder de cómputo. El tiempo de bucle de control de velocidad y el tiempo de bucle de control de posición implementados por FPGA son 3.6us1 y 18us1, respectivamente. Esta es una mejora significativa del rendimiento con respecto a los enfoques de software tradicionales porque los tiempos de bucle de ubicación tradicionales están típicamente en el rango de milisegundos.

modulación

La modulación es también un módulo clave para mejorar la eficiencia energética. Se pueden usar diferentes esquemas de modulación dependiendo de la carga, los requisitos de rendimiento y los requisitos de la aplicación, y estos esquemas de modulación tienen un impacto significativo en la operación del sistema de control del motor. El esquema de modulación (Figura 2) analiza varios esquemas de modulación que vamos a revisar en este artículo.

El esquema de modulación más básico utiliza un método de modulación de seis pasos, que representa seis combinaciones posibles de puentes de alimentación trifásicos (excluyendo los estados nulos de 111 y 000, en los que todos los interruptores están apagados). Este método de conmutación se representa como seis vértices azules de un hexágono. El método de modulación de seis pasos aplica la potencia máxima al motor, es decir, la tensión de salida del inversor es igual a Vdc.

Aunque la potencia de salida es grande y la implementación del diseño es simple, si el motor requiere alta precisión y alta robustez, no se debe usar el método de modulación de seis pasos. Esto se debe a que el motor funciona en un estado no lineal y necesita "saltar" de un estado (vértice) a otro estado y no puede funcionar sin problemas.

Para un funcionamiento más suave del motor, se puede utilizar la modulación sinusoidal. ¿Puede el método de modulación sinusoidal hacer que el motor funcione sin problemas? Aunque este método es ligeramente más complicado que el método de modulación de seis pasos, y no hay ninguna ventaja en la eficiencia, porque la salida del inversor es solo la mitad de Vdc, básicamente Vdc / 2 = 0.5 Vdc. En el esquema de modulación, esto se representa como el círculo interior del círculo rojo.

Para compensar las pérdidas causadas por la modulación sinusoidal, se deriva la modulación vectorial espacial PWM (SVPWM). El SVPWM puede proporcionar un voltaje de 1 / √3Vdc = 0.5773Vdc. Similar a la modulación sinusoidal, SVPWM también permite que el motor funcione sin problemas. En el esquema de modulación, esto se representa como el círculo exterior del círculo rojo. La Figura 3 es una comparación de la forma de onda del método de modulación sinusoidal y el método de modulación SVPWM.

Tanto la modulación sinusoidal como la modulación vectorial espacial utilizan la modulación por ancho de pulso (PWM), una de las técnicas de modulación industrial más comunes. Sin embargo, la modulación de ancho de pulso utiliza una frecuencia de modulación fija para ajustar el control de la tensión de alimentación cambiando el ancho de pulso, por lo que la aparición de armónicos es un problema. Los armónicos son la causa de la EMI, la vibración del motor y la pérdida de energía.

Para suprimir los armónicos, se puede utilizar otro método de modulación, a saber, el uso de modulación de frecuencia de pulso (PFM). La modulación de frecuencia de pulsos permite que un pequeño número de pulsos se mantengan en un ancho fijo y se modulen en diferentes períodos (frecuencia) según el valor deseado. Este método de modulación reduce los armónicos porque los armónicos se distribuyen en todas las frecuencias.

Esta es la comparación del análisis de frecuencia FFT (Fast Fourier Transform) de PWM y PFM. Se puede ver claramente que el PFM puede eliminar la distorsión del tercer armónico.


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