Maxim de performanţe de la motorul DC fără perii

24 IULIE 2008

Tipuri de motoare şi diferenţe
BLDC au fost proiectate pentru a înlocui subsistemul de comutaţie electro-mecanic din motoarele DC cu perii convenţionale (BDC). Avantajele utilizării BLDC faţă de BDC sunt înfăşurări cu mai mare siguranţă, mentenanţă, zgomot şi emisii electromagnetice mai reduse şi o mai mare putere pe unitate de volum cauzată de o eficienţă termică mai mare a celor silenţioase. Oricum BLDC nu a fost capabil să elimine BDC datorită costurilor asociate subsistemului alternativ de comutaţie electronică. Un alt avantaj este conectarea simplă atât la surse de AC sau DC în cazul motorului cu perii universal.
Există un tip revoluţionar de motor fără perii cu magneţi permanenţi numit PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) care dispune de aceeaşi construcţie de principiu cu BLDC. Însă, PMSM rezultă din alte cerinţe de proiectare şi piaţă, unde sunt cerute randamente mai mari decât ACIM (Alternating Current Induction Motor), în particular la viteze mici. De asemenea, PMSM are în mod firesc un zgomot mai redus şi un cuplu mai lin (riplu redus al cuplului) decât un motor BLDC uzual.
Dincolo de similarităţile constructive, comportarea matematică pentru PMSM este foarte diferită prin comparaţie cu BLDC.
Mai există şi alte similitudini între BLDC şi PMSM, cum ar fi de exemplu că sunt maşini sincrone cu ajutorul cărora frecvenţa semnalelor electrice de comandă este legată direct de viteza mecanică a motorului. Frecvenţa electrică poate fi aceeaşi sau mai mare decât viteza mecanică în funcţie de numărul de poli magnetici utilizaţi în proiectare. Relaţia directă legată de viteză este dată de:

Viteza mecanică = Frecvenţa electrică / Numărul de perechi de poli

Cu scopul de a produce un cuplu continuu, semnalele de comandă aplicate trebuie de asemenea să fie sincronizate cu poziţia rotorului. Detectarea poziţiei rotorului este obţinută uzual prin utilizarea unor senzori precum Hall, sau dispozitive mai precise precum traductoare în cuadratură şi rezolvere. Acestea aduc un cost suplimentar, de aceea fiind dezvoltate metode de control fără senzori pentru tipuri clare de aplicaţii, uzual unde parametrii sistemului nu variază puternic sau sunt delimitaţi într-un anume fel. Pentru a vedea unde se încadrează motoarele BLDC şi PMSM, putem lua în considerare diagrama de clasificare clasică a motoarelor – figura 1.
Astfel, la bază BLDC şi PMSM aparţin grupului de motoare de curent alternativ (AC) şi sincrone. Felul în care aceste motoare produc cuplu este similar. Un câmp magnetic rotitor în stator este generat cu ajutorul unui subsistem de comutaţie, şi acesta interacţionează cu magneţii rotorului pentru a produce cuplu şi viteză.
Cu toate că aceste motoare au existat de mai mulţi ani, în ultimul timp beneficiază de o mai mare atenţie datorită adoptării de către guvernele mondiale a unor politici energetice şi de mediu. Suplimentar, consumatorii doresc o mai mare siguranţă şi operaţii de mentenanţă mai reduse; de aceea, producătorii de maşini, de exemplu, au trecut la conversia aplicaţiilor tradiţionale BDC din industria auto în echivalente BLDC. În plus, OEM din industria auto doresc să evite problemele legate de EMC, să reducă zgomotul şi să crească eficienţa consumului de combustibil. PMSM a revenit în atenţie datorită randamentului mai mare de la motor şi abilităţii de a oferi un cuplu mai lin pentru acele aplicaţii care cer acest lucru. Randamentul mai mare vine din faptul că tensiunea contraelectromotoare (back emf) a PMSM şi semnalele de comandă electrice sunt sinusoidale, iar energia parazită este mai redusă. Energia parazită permite ca structura motorului să fie excitată într-un mod necontrolat şi are ca efect irosirea de energie.

Noţiuni de bază despre motoare
Deci care sunt diferenţele constructive între motorul BLDC şi PMSM? Pentru a răspunde la această întrebare trebuie luată în considerare natura caracteristicii tensiunii contraelectromotoare a motorului. În cazul BLDC acesta este trapezoidal, iar pentru PMSM este sinusoidal. Astfel, o cale mai informativă de a descrie motoarele ar fi să fie numite PMSM cu tensiune contraelectromotoare trapezoidală şi PMSM cu tensiune contraelectromotoare sinusoidală, dar denumirea ar fi prea lungă.
Cu această diferenţă în minte se poate observa mecanismul prin care acest forme sunt produse pornind de la principiile de funcţionare considerând legătura de flux dintre rotor şi stator. Figura 2 prezintă legătura de flux şi semnalul corespunzător indus de tensiune contraelectromotoare.
Tensiunea contraelectromotoare indusă în fiecare bobină din stator este redusă practic la Legea lui Faraday. După cum magneţii de pe rotor se deplasează prin dreptul celor 3 bobine de fază, se creează o legătură mai mare de flux cu fiecare bobină, iar integrala din legătura de flux este o rampă sau o sinusoidă în cazurile BLDC, respectiv PMSM. Apoi, în acord cu legea, tensiunea contraelectromotoare este proporţională cu viteza de schimbare a fluxului, în raport cu timpul sau poziţia rotorului, după cum se poate observa în figura 2. De aici faptul că valoarea tensiunii contraelectromotoare este proporţională cu viteza motorului.
Aria de sub curba semnalului tensiunii contraelectromotoare va determina ce cuplu va produce motorul. Tipic, este o arie mai mare pentru dimensiuni comparabile BLDC faţă de PMSM, prin urmare BLDC poate produce un cuplu mai mare.
Dacă luăm în considerare modelul de bază al motorului electric, după cum se poate observa în figura 3, aceasta prezintă înfăşurarea de fază a statorului conectată la o sursă de alimentare, aceasta trecând în cazul practic printr-un sistem de comandă electronic. Se ia în considerare că în modelul de bază curentul furnizat de bateria de alimentare pe rezistenţa înfăşurării R cauzează disipare de căldură. Acelaşi curent trece prin inductanţa L a înfăşurării cauzând înmagazinare de energie în câmpul său magnetic. Se observă semnalul de tensiune contraelectromotoare e şi curentul ce străbate acest generator, astfel încât aplicând principiul conservării energiei aceasta este convertită în energie mecanică. Ignorând alte pierderi, puterea electrică instantanee dată de produsul curentului şi tensiunii este egală cu cuplul x viteza.
Construcţia fizică ce creează diferitele forme de tensiuni contraelectromotoare este puternic influenţată de designul statorului şi înfăşurare. Suplimentar, cheia este numărul de crestături pe pol pe fază (Ns/pp/pp/pp). Dacă Ns/pp/pp este un întreg, forma de undă este trapezoidală. Dimpotrivă, dacă Ns/pp/pp este un număr fracţional, forma de undă este sinusoidală. Magneţii rotorului pot fi de asemenea realizaţi într-o formă în care să creeze un flux sinusoidal cu bobinele statorului.

Posibilităţi de control
Din perspectiva comenzii electronice, curentul aplicat pe motor trebuie să aibă aceeaşi formă şi să fie sincronizat cu semnalul de tensiune contraelectromotoare al motorului pentru operare normală. Există excepţii unde poate fi dorită o viteză mai mare prin slăbirea câmpului sau pornirea motorului într-o buclă deschisă fără senzori de poziţie. La motoarele BLDC, aceasta nu este o mare problemă deoarece curenţii prin motor sunt aproximativ de formă dreptunghiulară şi procesul de comutaţie apare în puncte discrete, care pot fi detectate cu senzori Hall. Aceasta înseamnă stabilirea poziţiei rotorului pentru magneţii montaţi pe ansamblul rotor. Această formă de control este descrisă uzual ca o comutaţie bloc sau cu şase paşi, deoarece procesul implică şase paşi discreţi sau blocuri. În cazul PMSM problema nu este simplă, deoarece potrivirea curentului de fază al motorului cu tensiunea contraelectromotoare constă în detectarea poziţiei rotorului la o rezoluţie mult mai mare şi continuu la variaţie continuă a tensiunii contraelectromotoare. Uzual sunt utilizaţi senzori în cuadratură (Q.E.) şi rezolvere pentru a oferi informaţii asupra poziţiei pentru comutaţia PMSM, dar senzorii Hall pot oferi o alternativă economică în funcţie de cerinţele aplicaţiei. Q.E. şi rezolverele oferă de asemenea reacţie de poziţie în sistemele servo utilizând orice tip de motor.
Este posibil de a utiliza fiecare dintre aceste tipuri de motoare fără senzori de poziţie pentru scop de comutaţie. Există diferite tehnici de a face acest lucru, iar detecţia sau estimarea tensiunii contraelectromotoare poate fi aplicată BLDC şi PMSM. Pentru motorul BLDC procesul de comutaţie implică comutarea numai pe o pereche de tranzistoare de comutaţie într-o punte de putere cu trei faze (6 tranzistoare). Aceasta înseamnă că pentru un motor conectat Y (stea), curentul trece mereu prin două înfăşurări de fază. Acest lucru este convenabil deoarece faza necomandată poate fi monitorizată pentru determinarea tensiunii contraelectromotoare. Ca efect, acest semnal indică poziţia rotorului atunci când poziţia este egală cu jumătate din tensiunea de alimentare aplicată, punct cunoscut ca punct de trecere prin zero (zero crossing point). Sistemul poate fi de asemenea utilizat cu motoare conectate D (delta). Pentru PMSM, determinarea tensiunii contraelectromotoare nu poate fi făcută pe calea menţionată anterior datorită procesului de comutaţie (vector spaţial PWM) care implică curenţi de comandă continui prin fiecare dintre cele trei faze, dar poate fi estimată utilizând un model software al motorului şi apoi comparând curentul măsurat la motor cu valoarea estimată. Când cele două sunt egale semnalul de tensiune contraelectromotoare calculat este utilizat pentru estimarea poziţiei rotorului pe bază continuă.
Atunci când poziţia rotorului este cunoscută, sistemul de control poate oferi secvenţa de comutaţie corectă pentru tipul de motor. În cazul BLDC este evident că detectarea poziţiei rotorului este discretă, în timp ce în cazul PMSM este continuă. Pentru PMSM aceasta înseamnă că procesul de comutaţie şi curentul de fază aplicat sunt continue, conducând la un riplu foarte redus al cuplului spre deosebire de BLDC. Suplimentar, o cale foarte eficientă de a realiza un control optim al cuplului în sistemele PMSM de mare performanţă este aceea a implicării metodei de control cu vectori de câmp. Prin transformări matematice metoda permite control separat al cuplului şi fluxului şi a variabilelor de control asociate, devenind efectiv cantităţi de d.c. care extind lăţimea de bandă a sistemului de control. Având posibilitatea de control a fluxului magnetic de cuplare între rotor şi stator se poate de asemenea controla slăbirea câmpului oferindu-se astfel posibilitatea de operare într-o gamă de viteză extinsă.

Soluţii Microchip
Pentru gama largă de posibilităţi de control pentru BLDC şi PMSM, Microchip a oferit soluţii sub formă de note de aplicaţii şi plăci de dezvoltare hardware, precum şi module de putere asociate. Acestea pot sta la baza unor proiecte particulare şi pot fi îmbunătăţite după cum este necesar în timpul dezvoltării şi in-line cu cerinţele de marketing. Suplimentar, uneltele sunt în mod continuu actualizate pentru a oferi inginerilor cele mai eficiente căi de realizare a proiectului.
Următorul tabel (Figura 4) oferă un sumar al aplicaţiilor, oferind comparaţii calitative şi prezentând câteva note de aplicaţii relevante de control motoare ale Microchip pentru soluţii cu şi fără senzori.
Pentru majoritatea aplicaţiilor cu motoare sensibile din punct de vedere al costului este posibilă utilizarea unui motor cu 3 faze fără senzori cu un microcontroler PIC16 care dispune de două comparatoare interne şi un modul PWM cu abilitate de comandă a direcţiei pinilor. Proiectul economic complet este disponibil şi poate fi utilizat în aplicaţii de comandă de ventilatoare, pompe şi altele.
Dispozitivele PIC18 şi dsPIC® sunt caracterizate de periferice dedicate pentru controlul motoarelor, ceea ce permite încărcarea în starea de oprire a sarcinilor CPU. Acesta eliberează mai mult timp de procesor pentru acele aplicaţii care constau în mai multe sarcini decât cea de control motor. PIC18 şi dsPIC sunt foarte capabile de a controla sisteme de înaltă performanţă BLDC.
Pentru cele mai bune performanţe cu sistemele PMSM şi BLDC, dsPIC este ideal, dispunând de suficient MIP şi periferice dedicate pentru controlul motoarelor. În plus, sunt disponibile o varietate de interfeţe, inclusiv CAN.

Sumar
În concluzie există numeroase aplicaţii cu motoare şi posibilităţi de control utilizând atât BLDC, cât şi PMSM. PMSM oferă avantaje certe, primind acum atenţia a proiectanţilor. Însă, la ora actuală, motoarele BLDC predomină datorită raportului bun performanţă/cost. Ca suport la acest lucru, Microchip dispune de o gamă largă de soluţii de control, capabilă de a acoperi toate segmentele de aplicaţii şi oferă suport tehnic care se adresează pieţei de control a motoarelor. Există centre regionale de pregătire (Regional Training Centres) unde pot fi urmate cursuri de control motoare. Pentru mai multe detalii trebuie contactată reprezentanţa locală a Microchip.
De asemenea puteţi vizita Centrul de proiectare pentru control al motoarelor la www.microchip.com.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre