¿Qué acción es responsable de los cambios de velocidad en un motor de CC sin escobillas?

Respuesta sobre voltaje:

El voltaje es la única forma de permitir que el motor alcance una velocidad particular. La frecuencia de conmutación no es la causa, sino solo un subproducto.

¿Es factible excluir el control de velocidad BLDC como una función? No, esencialmente cualquier solución terminará con la construcción de exactamente el mismo dispositivo.

Piense en la frecuencia de conmutación como solo el aumento del valor de fase a lo largo del tiempo. Hay 2 valores de fase: uno informado por sensores de pasillo que indican la posición mecánica momentánea del rotor. Otra fase es la orientación de campo aplicada.

Una vez que se construye el motor, desde el momento en que se soldó y atornilló el sensor de pasillo, existe una relación fija entre estas fases. El controlador o algo así como el controlador deben mantener la relación lo más precisa posible.

Partes que no podemos desechar (órganos vitales):

• Ruta para la información de fase de los sensores de la sala
• Traducción de la información del sensor al pecado
• Multiplicación del resultado por la velocidad de elección para obtener el valor de voltaje
• Ejecución del valor de voltaje por PWM
• Amplificación de PWM
• Filtrado de PWM de regreso al motor

Lo que se tiró es solo partes de software (algunas partes del cerebro):

• Lógica y algoritmos relevantes para el bucle de control: velocidad de medición, velocidad objetivo, algoritmo PID, etc.

Conducir correctamente los motores BLDC es un poco divertido con las matemáticas avanzadas.

Dicho esto, la mayoría de los controladores baratos hacen parte del trabajo, pero rara vez todo. Entonces, la pregunta real es qué compensaciones quieres hacer.

Versión teórica / óptima

Desde el punto de vista teórico, está conduciendo cada uno de los tres devanados (dispuestos en un triángulo, lo que significa que cada cable se conecta a dos devanados), con una forma de onda sinusoidal fuera de fase (que se puede generar a través de PWM y algunos MOSFETs de potencia / IGBT), quizás acoplados con una tapa de equilibrio / filtrado.

Se supone que también debe observar el consumo de corriente de cada devanado (recuerde, es inductivo, por lo que no es solo I = U / R), y usarlo para determinar el real (depende del tiempo, cuando el motor está impedancia giratoria: se puede utilizar para calcular dónde está exactamente el rotor y cuál es su velocidad de rotación actual.

Luego, comparas esto con la señal de control y haces los ajustes necesarios.

Echa un vistazo al proyecto OpenBLDC , para obtener más información sobre cómo hacer que un sea realmente bueno como controlador BLDC. Sí, es complicado, sí, requiere que la FPU de hardware funcione lo suficientemente rápido para aplicaciones prácticas.

Versión práctica:

Desde el punto de vista práctico, los controladores adoptan una de las cuatro opciones:

1. Chip BLDC dedicado No es exactamente la opción más barata, pero a menudo implementa todos los objetivos anteriores en hardware (ya sea analógico o digital, pero básicamente optimizado para esta aplicación particular). Si quiere ir por ese camino, puede comenzar bastante rápido, pero no espere demasiado en términos de ahorros masivos en comparación con un producto comercial basado en el mismo chip, al menos si desea mantener estas cosas a mano. - la masa de PCB se acumulará, incluso si potencialmente puede afeitarse con algunos componentes electrónicos inútiles. La excepción: algunos controladores BLDC comerciales tendrán un chip digital adicional que interpreta el extraño control de retardo proporcional que usan los modelos RC. Probablemente pueda hablar directamente con el controlador dedicado.

2. Solución de El-Cheapo. Si realmente estás en un apuro por el espacio, puedes conducir un BLDC con una onda cuadrada de frecuencia correcta. Aún tiene que usar la CEM inversa para la estimación de la velocidad, ya que si la conduce demasiado rápido, realmente se detendrá y no hará nada; básicamente, la frecuencia de conducción debe estar un poco por encima de la frecuencia de rotación actual para obtener el par máximo. También puede PWM, pero dudo que Arduino tenga suficiente CPU para hacer cálculos sinusoidales (o RAM para hacer búsquedas)

3. Realmente la solución de El-Cheapo Si realmente, en un apuro por el espacio, también puede omitir el cálculo de EMF posterior. Puede hacerlo en cuadrocópteros porque tendrá un buen circuito de retroalimentación de los acelerómetros y las hélices actuando como una turbina si comienza a caer (disminuyendo así el trabajo necesario del motor). Con un lote de perfeccionar el software de control de bucle abierto, puede hacerlo.

4. Solución recomendada Obtenga una verdadera CPU Cortex M3 / M4 / M4F. Hará que todo lo relacionado con el software parezca una brisa :)

Hay varias formas de controlar la velocidad de un motor de CC sin escobillas.

Lo más común para el cual hay chips disponibles para implementar es PWM y los devanados para ajustar efectivamente el voltaje aplicado. Los sensores de efecto Hall (generalmente) se usan para determinar la posición del rotor dentro de una fase, y esa información se usa para decidir qué bobinas se encienden o apagan y con qué polaridad. Esto es lo mismo que los cepillos harían en un motor cepillado. Los procesos de conmutación del motor se ejecutan independientemente del control de velocidad. Este tipo de control de velocidad es efectivamente el mismo que el PWM recto para un motor de CC con escobillas. Probablemente así es como funciona el controlador de tu motor.

Otro método es avanzar a través de las fases a la velocidad a la que desea que funcione el motor, excepto que observa los sensores Hall para asegurarse de no conducir más de 90 ° desde donde realmente se encuentra el rotor. Cuando el motor tiene el par de torsión suficiente para girar a la velocidad que desea, esto le brinda un control de velocidad muy preciso porque básicamente está bloqueado en fase. Cuando el motor no puede ir a la velocidad que desea, aún obtendrá el par máximo, ya que el vector de impulsión estará a 90 ° de la posición real. Este método le brinda un control de velocidad más preciso, pero es más difícil de hacer tan eficientemente como el método de conmutación del sensor Hall "tonto". Dado que la eficiencia importa mucho en su aplicación y no necesita una velocidad súper precisa, este método probablemente no sea el mejor en su caso.

La velocidad de rotación de un motor de imanes permanentes sin escobillas en funcionamiento será igual a alguna fracción fija de la velocidad de conmutación de los devanados. Si acciona los devanados con formas de onda de fase adecuada en alguna frecuencia particular, el motor girará a esa velocidad. Dicho esto, el simple hecho de controlar la frecuencia a la que se mueven los devanados no es, en sí mismo, una buena manera de controlar la velocidad de un motor de este tipo. Hay dos problemas con ese enfoque:

(1) Si uno acciona el motor con formas de onda de encendido / apagado simples, y la tensión es más de lo necesario para superar la carga de torsión, el motor no girará suavemente sino que se moverá de forma algo brusca. Uno podría resolver este problema en particular accionando las fases del motor con formas de onda más sinusoidales (para la mayoría de los motores, la forma de onda ideal sería una onda sinusoidal algo distorsionada).

(2) Toda la energía eléctrica que entra en un motor debe ser alimentada desde el motor a su carga mecánica, o debe ser disipada por el motor como calor. Para hacer que un motor sin fricción gire a una velocidad particular sin una carga mecánica se requerirá un voltaje proporcional a la velocidad deseada. Conducir una carga de torque requerirá un voltaje adicional proporcional a la carga de torque. La operación eficiente requiere saber cuánto voltaje se necesitará para impulsar la carga mecánica. A menos que la carga de torsión sea muy predecible, se requerirá algún tipo de realimentación. Tenga en cuenta que a diferencia de los motores paso a paso, que están diseñados para disipar una gran cantidad de calor de forma segura, muchos motores sin escobillas no lo son. Conducir un motor más duro de lo que se requeriría para operar a una velocidad particular puede causar que se sobrecaliente.

(3) Si intenta impulsar un motor con una frecuencia que está significativamente por encima o por debajo de su velocidad real de rotación, causará que genere tanto el par de retroceso como el par hacia adelante, y convierta casi toda la potencia de entrada en calor. Esto es, por supuesto, muy malo.

Debido a estos factores, la forma normal de conducir un motor de CC sin escobillas es tener la polaridad de la corriente a los devanados controlados por sensores de posición (por lo que la frecuencia de conmutación siempre será igual a la velocidad de rotación, y la fase de conmutación siempre conducirá la posición del motor en una cantidad fija), y controlar la velocidad del motor variando el voltaje. Luego se puede usar algún otro mecanismo de detección para proporcionar el control con retroalimentación de velocidad del motor. Este enfoque no ofrecerá el grado de capacidad de respuesta que podría obtenerse al tener un control que modulara los devanados directamente (utilizando sensores de posición para determinar el desfase entre lo que hace el motor y lo que se supone que debe hacer, y utilizando ese a su vez, para determinar si el motor se está accionando con más o menos la cantidad ideal de voltaje para su carga mecánica), pero es simple y adecuado para situaciones en las que uno está más interesado en controlar la velocidad que la posición.