Como são as formas de onda de comutação para um motor sem escova?

Vi formas de onda para dirigir um motor sem escova.

Eu acho que essa é a forma de onda usada para a comutação de bloco mais simples. Mas se eu quero fazer formas de onda sinusoidais, como é o sinal PWM agora? É necessário sincronizar cuidadosamente as arestas nas três fases?

O diagrama que você mostra parece produzir um Back-EMF trapezoidal bastante grosseiro. Estou assumindo que os portões que estão a 100% são as pernas inferiores da ponte de acionamento do motor. Não consigo pensar em uma razão para você querer fazer isso. Em geral, você deseja que a tensão do portão da perna de retorno seja o complemento da tensão do portão da perna de alimentação.

Na comutação trapezoidal de seis etapas, você normalmente aumenta o PWM em até 100%, o deixa por um tempo (~ 30 graus elétricos de rotação) e depois o desacelera novamente.

Na comutação sinusoidal, o ciclo de trabalho PWM é continuamente variado em valores sinusoidais. Aqui está um bom diagrama mostrando a diferença entre PWM de acionamento sinusoidal e de acionamento trapezoidal e sinais de fase:

Esta nota do aplicativo Fairchild mostra o PWM através de uma rotação completa de 360 ​​°:

É útil olhar de perto o que está acontecendo no sinal. O que você realmente está fazendo é variar gradualmente a corrente em uma onda triangular para que ela se acumule lentamente no estator do motor. Você tem mais controle sobre esse acúmulo se acionar os portões de suprimento e devolver de forma complementar, em vez de manter a perna aberta.

O cálculo de uma onda senoidal é mais intensivo em termos de computação (a menos que você use uma tabela de pesquisa) do que uma simples aceleração, sustentação e desaceleração. Mas produz uma unidade muito mais suave.

A comutação de vetores espaciais é ainda mais intensiva em termos computacionais. E, embora tenha mais oscilação de torque do que um inversor sinusoidal, faz uma maior utilização da tensão do barramento e, portanto, é mais eficiente em termos de potência.

A tensão de fase na unidade de vetor espacial acaba assim:

Isso é feito variando o ciclo de trabalho do PWM nas três fases ao mesmo tempo. Isso se opõe a ter apenas uma fase monofásica acionada como no acionamento de dois quadrantes ou duas fases acionadas em pares complementares, como no acionamento de quatro quadrantes.

Há muita literatura sobre a implementação do controle de motor sem escovas, mas aqui está uma visão geral.

Para entender as diferenças entre as formas de onda de comutação, é importante entender como os motores sem escova operam.

Um motor trifásico (dois pólos) terá três bobinas em torno de um único ímã no centro. O objetivo é energizar as bobinas em sequência para que o eixo do motor (e seu ímã) gire.

Existem dois campos magnéticos importantes aqui, o campo do rotor (ímã rotativo) e o campo do estator (bobinas estáticas):

Nós nos referimos à direção do campo magnético como seu "vetor de fluxo" porque parece super legal. A coisa mais importante a aprender com esta imagem é que você deseja que os dois campos magnéticos estejam em ângulo reto um com o outro. Isso maximiza a eficiência e o torque.

O esquema de comutação mais burro é trapezoidal. Usando sensores de hall ou EMF traseiro do motor, é possível determinar se o motor está em um de um número discreto de posições e executar o controle liga / desliga em uma ou duas bobinas para conduzir o campo magnético ao redor do motor:

Como pode haver apenas seis orientações separadas para o campo do estator, o vetor de fluxo do motor pode estar entre 60 e 120 graus (em vez dos 90 desejados) e, portanto, você obtém ondulação de torque e baixa eficiência.

Uma solução óbvia aqui é mudar para a comutação sinusoidal e suavizar a forma de onda:

Se você conhece a orientação exata do rotor, pode fazer alguns disparos para calcular o ciclo de trabalho PWM exato a ser aplicado a cada bobina, a fim de manter o vetor de fluxo em 90 graus e bam, você tem um belo vetor de fluxo de 90 graus. (A orientação do rotor pode ser determinada via codificador, interpolação ou estimativa mais avançada, como um filtro kalman).

Então, agora, você deve estar se perguntando como pode fazer melhor do que a comutação sinusoidal. A principal falha da comutação sinusoidal é que as saídas são enviadas diretamente para o PWM. Devido à indutância da bobina, a corrente (e, portanto, o vetor de fluxo) ficará atrás dos valores comandados e, à medida que o motor se aproxima de sua velocidade máxima, o vetor de fluxo estará em 80 ou 70 graus em vez de 90.

É por isso que a comutação sinusoidal apresenta baixo desempenho em alta velocidade.

Isso finalmente nos leva ao controle de vetor de fluxo, que é um nome dado aos algoritmos de controle (geralmente proprietários) que tentam garantir que o fluxo magnético permaneça a 90 graus, mesmo em altas velocidades. A maneira mais simples de fazer isso seria liderar o campo em, por exemplo, 90-120 graus, dependendo da velocidade com que você está indo, sabendo que o fluxo magnético real ficará lento.

Soluções mais robustas envolvem PID / feedforward para controlar com precisão a corrente que passa por cada fase. Todo fabricante de servomotores possui seu próprio algoritmo interno, portanto, tenho certeza de que há coisas bastante complicadas no limite.

Para simplificar, o controle do vetor de fluxo é o controle sinusoidal da corrente que vai para cada fase (em vez de apenas o ciclo de trabalho PWM).

A linha entre o vetor sinusoidal / fluxo é bastante vaga, pois algumas empresas realizam controle avançado em suas unidades "sinusoidais" (o que essencialmente as torna vetor de fluxo). Além disso, como você pode chamar tecnicamente quase qualquer controle de vetor de fluxo, a qualidade das implementações pode variar.