Introducción al control de motores BLDC
La popularidad de los motores con conmutación electrónica, o “sin escobillas”, no deja de aumentar, ya que ofrecen una eficiencia eléctrica y relación par motor-peso superior a la de sus equivalentes con conmutación mecánica, o “con escobillas”. Los motores de CC sin escobillas (BLDC) se definen comúnmente como un motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) que presentan una fuerza contraelectromotriz trapezoidal debido a la concentración de los devanados del estátor. Esta es la diferencia entre los motores de BLDC y de PMSM, cuya fuerza contraelectromotriz es sinusoidal, debido a que los devanados del estátor están distribuidos.
Animación de MATLAB que compara el funcionamiento de un motor de BLDC y PMSM. La animación se basa en los resultados de simulación del modelo de Simscape Electrical.
Los motores de CC sin escobillas suelen utilizar control trapezoidal, pero también usan control de campo orientado. Los motores de PMSM solo utilizan control de campo orientado. El control trapezoidal de motores de BLDC es una técnica más sencilla que el control de campo orientado, ya que solo energiza dos fases a la vez. Solo se requiere un controlador PID para el control del par motor y, a diferencia del control de campo orientado, no es necesario realizar transformaciones de coordenadas con transformadas de Park y Clarke.
Animación de MATLAB que compara el funcionamiento de motores de BLDC con un par y dos pares de polos. La animación se basa en los resultados de simulación del modelo de Simscape Electrical.
Los equipos de ingeniería de control de motores que diseñan un controlador de motor de BLDC con un método trapezoidal realizan las siguientes tareas:
- Desarrollo de arquitectura del controlador con un controlador PI para el lazo interno de corriente/tensión
- Desarrollo de controladores PI para los lazos externos de velocidad y posición opcionales
- Ajuste de ganancias de todos los controladores PI para cumplir con los requisitos de rendimiento
- Diseño del control de SVM
- Diseño de la lógica de detección y protección contra fallos
- Verificación y validación del rendimiento del controlador en distintas condiciones de funcionamiento
- Implementación de un controlador en punto fijo o flotante en un microcontrolador
El diseño de control de motores de BLDC con Simulink permite utilizar simulación multitasa para diseñar, ajustar y verificar algoritmos de control, además de detectar y corregir errores en todo el rango de funcionamiento del motor antes de realizar pruebas en hardware. Con simulaciones de Simulink, puede reducir el número de pruebas de prototipos y verificar la solidez de los algoritmos de control ante condiciones de fallo que no son prácticas de probar en hardware. Puede hacer lo siguiente:
- Modelar un motor de BLDC con fuerza contraelectromotriz trapezoidal o arbitraria
- Modelar controladores de corriente, controladores de velocidad y moduladores
- Modelar electrónica de potencia de inversores
- Ajustar las ganancias de sistemas de control de motores de BLDC empleando técnicas de diseño de control lineal, tales como diagramas de Bode y lugar de raíces, y técnicas tales como ajuste de PID automático
- Modelar los modos de arranque, parada y error, y diseñar lógica de reducción de potencia y protección para garantizar un funcionamiento seguro
- Diseñar algoritmos de acondicionamiento y procesamiento de señales para canales de E/S
- Ejecutar simulaciones de lazo cerrado del motor y controlador para probar el rendimiento del sistema en escenarios de funcionamiento normal y anormal
- Generar automáticamente código C optimizado para el procesador, ISO o ANSI, y HDL para prototipado rápido, pruebas de hardware-in-the-loop e implementación en producción
Ejemplos y procedimientos
Casos prácticos
Referencias de software
Preguntas frecuentes sobre el control de motores BLDC
Un motor BLDC (brushless DC) es una máquina síncrona de imanes permanentes con fuerza contraelectromotriz (FEM) trapezoidal debida a devanados concentrados del estator, que ofrece una mayor eficiencia eléctrica y una relación par/peso superior a la de los motores con escobillas.
Los motores BLDC presentan una FEM trapezoidal debido a devanados concentrados del estator, mientras que los motores PMSM presentan una FEM sinusoidal debido a devanados distribuidos del estator.
El control trapezoidal o control de seis pasos es una técnica más sencilla que el control orientado al campo (Field-Oriented Control, FOC). Solo energiza dos fases a la vez y no requiere las transformaciones de Clarke y Park.
Los motores BLDC suelen utilizar control trapezoidal, aunque el control orientado al campo (Field-Oriented Control, FOC) también se emplea en aplicaciones más avanzadas.
Los ingenieros desarrollan arquitecturas de control con controladores PI para los lazos de corriente y tensión y, opcionalmente, para los lazos de velocidad y posición, ajustan las ganancias del controlador, implementan control SVM de seis pasos, desarrollan lógica de detección de fallos y protección, verifican el rendimiento en distintas condiciones de operación y despliegan el controlador en un microcontrolador.
Simulink facilita el diseño del control de motores mediante simulación multirrate, permitiendo diseñar, ajustar y verificar algoritmos de control antes de las pruebas con prototipos. Los ingenieros pueden modelar motores, inversores y lógica de control, ajustar ganancias mediante técnicas de control lineal y generar automáticamente código C o HDL para su implementación en plataformas embebidas.
Es posible modelar motores BLDC con perfiles de FEM trapezoidal o definidos por el usuario, inversores y otros convertidores de electrónica de potencia, controladores de corriente y velocidad, así como modos de arranque, parada y fallo con sus correspondientes lógicas de protección.
También puede consultar estos temas: Simscape Electrical, Control de campo orientado, Control PID, Modulación de vector espacial, Diseño de control de motores con Simulink, Diseño de control de electrónica de potencia con Simulink, Algoritmo MPPT, Simulación de electrónica de potencia
