¿Por qué tener temporización no nula en un BLDC?

El avance de la sincronización es una práctica común para los motores eléctricos y los motores de combustión interna. El propósito es aumentar la eficiencia. En otras palabras, para maximizar la potencia de salida para una potencia dada.

En motores eléctricos, la cantidad de par producido en relación con el vector de campo del rotor con respecto al vector de campo del estator viene dada por:

\ $ \ tau = \ tau_ {max} ~ sin ~ \ theta \ $

Donde:

\ $ \ theta = ~ \ $ Ángulo entre los dos vectores de campo

Cuando \ $ \ theta = 0 °, ~ \ tau = 0 \ $ (sin par motor significa que no hay movimiento) y cuando \ $ \ theta = 90 °, ~ \ tau = \ tau_ {max} \ $. Para todos los demás ángulos entre 0 ° y 90 °, \ $ \ tau \ $ es un porcentaje de \ $ \ tau_ {max} \ $.

El problema aquí es que a medida que el rotor gira, la interacción entre su campo magnético y el estator hace que los campos se distorsionen y se muevan desde sus posiciones normales no giratorias. Cuanto más rápido gira, más distorsionan los campos. La mejor imagen que pude encontrar de este fenómeno proviene del artículo de Wikipedia en motores de CC cepillados . El principio es el mismo para brushless:

Alavanzarlasincronización,seaseguradequelaconmutaciónseproducecuandolosdoscamposestána90°entresíparamaximizarlaproduccióndeparalavelocidadmáxima.Sinembargo,dadoquelaposicióndeloscamposcambiaráconlavelocidad,esteavancedetiemposoloesbuenoparaunavelocidadparticularenunadirecciónparticular.Paratodaslasdemásvelocidades,sueficienciaseráinferioralaóptima,yaqueelánguloentrelosdoscamposdisminuyeapartirdelos90°.Yparaladireccióninversa,serámuchomenosqueóptimo,loquerequerirámuchamáscorrienteparaproducirlamismacantidaddepar.

Dependiendodesusrequisitos,unavancedetiempode0°puedenosertanmalo.Sinecesitapoderinvertirladirección,peronoleimportamuchoelconsumodeenergía,lavelocidadmáximaoelparmáximo,entoncesunavancedetiempode0°puedeserunbuencompromiso.Sinembargo,sinecesitaproducirelparmáximoalavelocidadmáximasinconsumirunacorrienteexcesiva.Entonceseltiempoavanzadoesunanecesidad.

Unanotasobrelascausasdeladistorsión

Ladistorsiónseproducedebidoalasleyesdescubiertaspornuestrosamigos Lenz and Faraday . En un motor simple, tiene una bobina que gira en un campo magnético:

Amedidaquelacorrientepasaatravésdelabobina,causauncampomagnéticogeneradoalrededordelcable.Amedidaqueelcampomagnéticogeneradointeractúaconelcampomagnéticoestático,susfuerzasseempujanentresíyloscampossedistorsionan:

A medida que la bobina gira, se mueve dentro y fuera del campo magnético. Cuando el cable está en el campo magnético, el campo se distorsiona. Cuando el cable está fuera, el campo vuelve a la normalidad. Este retroceso toma algo de tiempo. A medida que la bobina gira más y más rápido, el campo tiene menos tiempo para volver a la normalidad. De modo que cuanto más rápido gira el motor, más distorsionado queda el campo.

Un poco relacionado

A veces encuentro que a las personas les resulta más fácil entender los motores de combustión interna en lugar de los motores eléctricos. Tal vez sea porque las personas tienen una mejor comprensión de las explosiones en comparación con los campos magnéticos rotativos. O tal vez porque los coches de gasolina son todavía mucho más comunes. Si eres una de esas personas, consulta este artículo Cómo funcionan las cosas . Explica las razones detrás del avance de la sincronización en un motor de combustión interna. Hay muchas similitudes entre los dos y la analogía puede ser útil para su comprensión.

El par generado por un motor es una función de la diferencia entre el ángulo del campo magnético generado por las bobinas y el campo generado por los imanes. Debido a que el campo magnético de las bobinas no puede responder instantáneamente a los cambios en el voltaje, el ángulo del campo generado por las bobinas representará esencialmente lo que el controlador estaba solicitando un corto tiempo previamente. A medida que aumenta la velocidad del motor, ese retraso representa un ángulo creciente, hasta el punto de que el ángulo entre las bobinas y los imanes disminuye y, con él, la capacidad de generar más torque.

Agregar un desplazamiento de, por ejemplo, 5 grados a los sensores tendría el efecto de aumentar el ángulo entre el motor y las bobinas en cinco grados cuando el motor se movía en la dirección y disminuir el ángulo cuando se movía hacia adentro el otro. Esto puede hacer que el motor funcione más efectivamente en una dirección, pero menos eficaz en la otra. Tenga en cuenta que debido a que los imanes se conmutan en pasos discretos, la diferencia de ángulo en reposo puede variar entre 30 y 90 grados cuando no hay desplazamiento. Agregar un desplazamiento de 30 grados causaría que la diferencia de ángulo varíe entre 60 y 120 grados en una dirección (buena), pero entre 0 grados y 60 grados en la otra (mala). Tenga en cuenta que si la diferencia de ángulo es de cero grados, su motor intentará mantenerse en su posición actual en lugar de moverse - oops.

Para responder literalmente a la pregunta, se dibujaría una "tonelada de corriente" en la dirección en que el desplazamiento de tiempo fue patológicamente hacia atrás de lo que se necesitaba. En lugar de sincronizarse con el estado de rotación y hacer "trabajo" solo para superar las pérdidas y la carga del eje, el variador mal sincronizado terminará en gran medida luchando contra sus propios esfuerzos en la entrada de potencia máxima, no totalmente diferente a como intentar conducir el motor con el rotor bloqueado para que no pueda girar. El motor aún podría girar, pero sería extremadamente ineficiente ya que la mayor parte de la potencia aplicada en cualquier momento en el tiempo estaría combatiendo el estado existente, en lugar de modificar ese estado solo ligeramente para transmitir potencia a la carga mecánica.

Los sensores de compensación (o, hasta cierto punto, incluso tener sensores en lugar de medir EMF) tienden a apuntar hacia un controlador más antiguo, menos sofisticado internamente. Un moderno diseño basado en un microcontrolador podría manejar el desplazamiento en el software y aplicarlo de manera adecuada para cualquier dirección de rotación.

Soy un diseñador de motores. Los motores sin escobillas con sensores de pasillo simplemente le dicen al controlador (si no es un microprocesador inteligente) que encienda la corriente a través de las bobinas que debería provocar movimiento. Sin embargo, como se ha mencionado antes de esta publicación, esto se optimizará para una sola dirección. Si realmente desea el máximo rendimiento en ambas direcciones, necesita controladores inteligentes.

La mayoría de mis diseños se utilizan en vehículos eléctricos y la reversa no es la opción crítica, por lo que optimizamos el movimiento hacia adelante. Por lo general, este será el tiempo que proporcione la corriente más baja, aunque la supervisión a través de un alcance es mejor. Si el ángulo de cambio de la detección de la sala no es el mismo que el motor, encontrará que el error empeorará todo lo anterior. El alcance mostrará inmediatamente esto. En una nota lateral, es importante que la forma de onda EMF posterior y la forma de onda del controlador sean similares, de lo contrario, los picos de corriente grandes son inevitables.