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MOTOR BRUSHLESS DC Patricio Guaraca, Luis Calle, Andrés Guzhñay Ingeniería Electronica, Universidad Politécnica Salesiana Cuenca-Ecuador
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Abstract—Este documento esta orientado a la explicación básica sobre caracteristicas y funcionamiento de un motor sin escobillas, permite al lector obtener una clara explicación sobre cada uno de los detalles antes mencionados los mismos que con ayuda de gráficos de la caracterización de estos motores se llegarán a estos resultados esperados.
I. INTRODUCCIÓN Los motores brushless han derivado de los motores de los CD ROM, los DISCOS RIGIDOS y los ventiladores de computación, son motores trifásicos de alto rendimiento y bajo peso. Básicamente, hay dos tipos de motores brushless, los inrunner y los outrunner. Los primeros son de más velocidad, su torque máximo lo tienen a muy altas revoluciones, por lo que se usan con engranajes-poleas reductoras o con ducted funs. Los outrunner tienen su torque máximo a baja velocidad, por lo que no necesitan reductores, II. HISTORIA MOTOR BRUSHLESS
BRUSHLESS DC (motores DC sin escobillas), también llamados motores DC síncronos, que por su construcción ofrecen ventajas frente a otros motores eléctricos. III. MOTOR DC SIN ESCOBILLAS Los motores DC con escobillas son altamente eficientes y tienen grandes características para hacerlos funcionar como servo-motores. Pese a estas grandes ventajas, cuenta con un conmutador y con unas escobillas las cuales están sujetas al desgaste y por esta razón, se hace necesario un calendario de mantenimiento de las mismas. La característica principal de los motores DC sin escobillas es que realiza la misma función de un motor DC normal pero remplazando el conmutador y las escobillas por switches de estado sólido que funcionan con una lógica para la conmutación de los embobinados. Se puede concluir que la gran ventaja de los motores DC sin escobillas, frente a los demás motores de alimentación continua, es que no requieren de un mantenimiento periódico. [6] A. Estructuras Básicas La construcción de motores DC sin escobillas modernos es muy similar a la de los motores AC, que es mostrada en la Figura. 2
Figure 1.
Motor Brushless
En 1832 William Sturgeon y Thomas Davenport diseñaron un motor eléctrico en el cual el mayor problema era lograr conmutar la corriente por el magneto. Un motor eléctrico sin escobillas es un motor eléctrico que no emplea escobillas para realizar el cambio de polaridad en el rotor. Los motores eléctricos solían tener un colector de delgas o un par de anillos rozantes. Estos sistemas, que producen rozamiento, disminuyen el rendimiento, desprenden calor y ruido, requieren mucho mantenimiento y pueden producir partículas de carbón que manchan el motor de un polvo que, además, puede ser conductor.
Figure 2.
Despiece de Motor Brushless DC
El rotor es un elemento magnético permanente, y el estator está formado por embobinados al igual que un motor AC de varias fases. La gran diferencia entre estos dos tipos de motores es la forma de detectar la posición del rotor, para poder saber como se encuentran los polos magnéticos y así generar la señal de control mediante switches electrónicos.
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Este sensado de la ubicación de los polos magnéticos en los motores DC sin escobillas normalmente se hace con sensores de efecto Hall, aunque existen modelos que utilizan sensores ópticos, que funcionan de manera similar a los encoders. B. DC sin escobillas vs DC con escobillas A continuación se presenta en la Tabla I, en la cual se comparan las características principales de cada uno de estos motores: Comparación
Motor DC normal
Estructura Mecánica
Elementos magnéticos en el estator Respuesta rápida y excelente controlabilidad Conexión Triángulo
Principales Características Conexión de los Bobinados Método de Conmutación Detección de la Posición del Motor Método de Reversa
Contacto mecánico entre las escobillas y el conmutador Detectada automáticamente por las escobillas Cambiando la polaridad del voltaje
Motor DC sin Escobillas Elementos magnéticos en el rotor Fácil mantenimiento
Conexión triángulo-estrella Conmutación electrónica por medio de transistores Sensor de efecto Hall, encoder óptico, etc. Cambiando la lógica
Una vez se conoce la posición del rotor, se comienza a seguir la lógica secuencial para moverlo a una velocidad determinada, esto se logra energizando las bobinas del estator en diferentes tiempos. Para alimentar los embobinados se usa un control, seguido de una etapa de salida compuesta por transistores, que cumplan con los requerimientos de velocidad y potencia, y se hace pasar corriente por las fases dependiendo de la posición del rotor, este esquema se observa en la Figura Es decir, para el ejemplo que se tomó anteriormente de PT1 prendido, mientras PT2 y PT3 se encuentran apagados, la lógica decide por cual embobinado hacer pasar corriente para que gire en uno u otro sentido. [2]
Figure 4.
Acople sencillo de sensores y fases
Figure 5.
Diagrama de Tiempos de un Motor Brushless
Table I DC CONVENCIONAL V S DC BRUSHLESS
C. Lógica de funcionamiento Como ejemplo para explicar la lógica de funcionamiento de un motor DC sin escobillas, se utilizó un motor con un rotor (elemento magnético), tres embobinados en el estator y tres foto-transistores encargados de la detección de la posición del rotor. El rotor del motor se encuentra sujeto a una especie de lámina que va girando con éste y que es el objeto que obstruye la luz a los foto-transistores, con lo que se obtiene los estados de los sensores, que determinan las variables de entrada a la lógica que realiza el movimiento. Esto se ve mejor representado en la Figura 3
Figure 3.
Sensores de Efecto Hall
Por ejemplo, en la gráfica se puede observar que mientras PT1 está recibiendo luz, PT2 y PT3 están tapados por la lámina, y de está forma se sabe en qué posición se encuentra el rotor al momento de la toma de datos.
IV. T ÉCNICAS DE CONTROL PARA MOTORES B RUSHLESS : C OMPARATIVA ENTRE CONMUTACIÓN T RAPEZOIDAL , CONMUTACIÓN S INUSOIDAL Y C ONTROL V ECTORIAL Los bobinados de un motor brushless (también llamado BLDC) están distribuidos a lo largo del estátor en múltiples fases. Dichos motores constan normalmente de tres fases con una separación de 120º entre ellas. A diferencia de los motores brushed convencionales donde la conmutación entre sus fases se realiza internamente de forma mecánica, en los motores brushless las corrientes y voltajes aplicados a cada uno de los bobinados del motor deben ser controlados independientemente mediante una conmutación electrónica. El dispositivo encargado de realizar esta tarea se denomina controlador de motor.[5] Para generar par motor el controlador debe excitar continuamente los bobinados adecuados de forma que generen un campo magnético perpendicular a la dirección del rotor.
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Existen dos grandes familias de controladores de motor diferenciadas principalmente en la utilización (sensored) o no (sensorless) de algún sensor para determinar la posición del rotor. Los controladores sensorless no son motivo de estudio en este documento si bien todos los resultados presentados son extrapolables a ellos. Las técnicas de control para motores brushless se pueden clasificar según el algoritmo de conmutación implementado. Las más utilizadas actualmente son: • Conmutación trapezoidal (también llamada 6-steps mode o basada en sensores hall). • •
Conmutación sinusoidal. Control vectorial (Field Oriented Control).
Estas técnicas tienen básicamente como objetivo estimar la excitación óptima de cada una de las fases del motor y se diferencian principalmente por su complejidad de implementación, que se traduce en un incremento de prestaciones.[4] A continuación se describen algunas de las características más relevantes de cada técnica de control.
La corriente que circula por el par de terminales activos es comparada con la corriente deseada y el error resultante es aplicado a un Filtro PI (Proporcional - Integrador). La salida de este filtro intenta corregir la desviación y por tanto minimizar el error. Con esta técnica se consigue mantener constante la corriente que circula por cualquiera de los bobinados del motor.[3] Existen distintas técnicas de modulación orientadas a la generación de señales de excitación para motores Brushles mediante las cuales, se puede aumentar la eficiencia del sistema. Debido a que en todo momento las corrientes de dos bobinados son iguales en magnitud y la tercera siempre es nula, el vector de corrientes del estátor o resultado de la suma vectorial de las corrientes que circulan por las bobinas, sólo puede apuntar a 6 direcciones discretas.
A. Control basado en Conmutación trapezoidal Uno de los métodos más simples de control de motores brushless es el llamado conmutación trapezoidal o 6-steps mode. En este esquema se controla la corriente que circula por los terminales del motor, excitando un par simultáneamente y manteniendo el tercer terminal desconectado. Sucesivamente se va alternando el par de terminales a excitar hasta completar las seis combinaciones posibles.
Figure 8. Ejemplo de cálculo del vector de corrientes del estátor y espacio de posibles direcciones de dicho vector.
Dado que el vector de corrientes sólo puede apuntar en seis direcciones se produce una desalineación entre éstas y la posición real del rotor. En el peor de los casos, es decir cuando el rotor se encuentre en la posición intermedia de uno de los 6 sectores, la desalineación puede llegar a ser a ser de 30 grados. Esta desalineación genera un rizado en el par del motor de aproximadamente el 15% (1-cos30º) a una frecuencia seis veces la velocidad de rotación del motor.
Figure 6. Esquema de los seis posibles caminos de circulación de corriente en el control trapezoidal
Tres sensores de efecto hall situados en el motor son utilizados para proporcionar la posición aproximada del rotor al controlador y que éste pueda determinar el próximo par de terminales a excitar. La siguiente figura muestra el diagrama de bloques de un controlador trapezoidal típico con lazo cerrado de corriente.
Figure 9. Rizado del par motor respecto a la posición del rotor en una conmutación trapezoidal.
Figure 7.
Esquema de un controlador con conmutación trapezoidal
Este rizado dificulta el control de motores brushless. En aplicaciones que demanden movimientos a baja velocidad se
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hace especialmente notable provocando una disminución en la precisión de dichos movimientos. Además puede ocasionar desgaste mecánico, vibraciones o ruido audible reduciendo las prestaciones y el tiempo de vida del motor. No obstante gracias a su fácil implementación, esta técnica de conmutación viene siendo muy utilizada desde el inicio de los motores brushless especialmente en aplicaciones de bajo costo. B. Control basado en Conmutación sinusoidal La conmutación sinusoidal es vista como un control más avanzado y exacto que el trapezoidal, ya que intenta controlar la posición del rotor continuamente. Esta continuidad se consigue aplicando simultáneamente tres corrientes sinusoidales desfasadas 120º a los tres bobinados del motor. La fase de estas corrientes se escoge de forma que el vector de corrientes resultante siempre esté en cuadratura con la orientación del rotor y tenga un valor constante. Como consecuencia de este procedimiento se obtiene un par más preciso y sin el rizado típico de la conmutación trapezoidal. No obstante, para poder generar dicha modulación sinusoidal es necesaria una medida precisa de la posición del rotor. Debido a que los sensores de efecto hall solo proporcionan una posición aproximada es necesario el uso de otro dispositivo que aporte mayor precisión angular como puede ser un encoder. La siguiente Figura muestra el diagrama de bloques típico de un controlador con conmutación sinusoidal.
Gracias a la información de la posición del rotor proporcionada por el encoder se sintetizan las dos sinusoidales deseadas, normalmente mediante el uso de una LUT3. Éstas son comparadas con las medidas de las corrientes que circulan por el motor y el error resultante aplicado a dos Filtros PI que intentan corregir las desviaciones. La salida de los filtros es utilizada como entrada del generador de excitación que en la mayoría de los casos incorpora un modulador PWM. La conmutación sinusoidal soluciona los problemas de eficiencia que presenta la conmutación trapezoidal. Sin embargo, presenta problemas a altas velocidades de rotación del motor debido a la limitación frecuencial del bucle de corriente (Filtro PI) A mayor velocidad de rotación, mayor error y por tanto mayor desalineación entre el vector de corrientes y la dirección de cuadratura del rotor. Este hecho provoca una progresiva disminución del par motor.
Figure 11.
Par Motor en función de la velocidad de rotación
Para mantener el par constante se necesita aumentar la corriente que circula por el motor provocando una disminución de la eficiencia. Este deterioro de la eficiencia aumenta al incrementarse la velocidad hasta llegar a un punto en el que el desfase entre el vector de corrientes y la dirección de cuadratura puede llegar a 90º produciendo un par motor completamente nulo.
Figure 10.
Esquema de un controlador con conmutación sinusoidal
Según la ley de Kirchoff la suma de dos de las tres corrientes entrantes a un nodo es igual al valor negativo de la tercera (ia + ib = −ic ) . Por tanto, controlando dos de las corrientes aplicadas al motor se controla implícitamente la tercera o lo que es lo mismo la tercera corriente no puede ser controlada de forma independiente.[1] En el caso que nos aplica: ia = iS×sin(θe)
(1)
ib = iS×sin(θe−120º)
(2)
ic = iS×sin(θe−240º) = −(ia + ib)
(3)
C. Control vectorial El control vectorial es el más complejo y el que requiere mayor potencia de cálculo de las tres técnicas. A su vez también es la que mejor control proporciona. El problema principal que presenta la conmutación sinusoidal es que intenta controlar directamente las corrientes que circulan por el motor, las cuales son intrínsecamente variantes en el tiempo. Al aumentar la velocidad del motor, y por tanto la frecuencia de las corrientes, empiezan a aparecer problemas. El control vectorial o Field Oriented Control (FOC) soluciona el problema controlando el vector de corrientes directamente en un espacio de referencia ortogonal y rotacional, llamado espacio D-Q (Direct- Quadrature). Dicho espacio de referencia está normalmente alineado con en el rotor de forma que permite que el control del flujo y del par del motor se realice de forma independiente. La componente directa permite controlar el flujo y la componente en cuadratura el par.
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Debido a que el vector de corrientes en el espacio de referencia D-Q es estático los filtros PI trabajan en continua y se eliminan por tanto los problemas frecuenciales de la conmutación sinusoidal.[5]
Posteriormente se realizan las transformadas inversas para regresar al espacio estacionario de las bobinas y se aplica la excitación correspondiente a cada una de las fases mediante modulación. El diagrama de bloques del control vectorial es el siguiente:
Figure 12. Comparativa entre el espacio estático de la bobinas y el espacio rotacional D-Q
Para poder realizar este control es necesario transformar matemáticamente las medidas de las tres corrientes referidas al espacio estático de las bobinas del motor al espacio rotacional D-Q. Aunque esta transformación puede implementarse en un único paso educacionalmente se divide en dos transformaciones • Transformada de Clarke: Transformación de un sistema de 3-fases equiespaciados (a,b,c) a uno de 2-fases ortogonales (α, β).
Figure 13.
Transformada de Park
Al igual que en la conmutación sinusoidal es importante conocer la posición del rotor con exactitud. Un error en la estimación de ésta provocará que la componente directa y la componente cuadratura no estén totalmente desacopladas. Una vez aplicadas las dos transformaciones el control del motor se simplifica considerablemente. Dos Filtros PI son utilizados para controlar la componente directa y la cuadratura de forma independiente. La componente en cuadratura es la única que proporciona par útil, por tanto, la referencia de la componente directa suele fijarse a cero. De esta forma se fuerza al vector de corrientes a situarse en la dirección de la componente de cuadratura maximizando la eficiencia del sistema.
Figure 14.
Esquema de controlador con control vectorial
Este tipo de control mantiene las mismas características de par que la conmutación sinusoidal pero eliminando la limitación frecuencial.
V. ESTRUCTURA DE CONEXIÓN DE UN MOTOR BRUSLESSH
Figure 15.
Partes Constructivas
Figure 16. Diagrama de conexión de tres polos en el estator y 2 o 4 polos en el rotor, conexión estrella (Der) y conexión triangulo (Izq), en tres simples fases
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forma que se puede manipular la velocidad y dirección de giro sin necesidad de cambiar el sistema de control. La conmutación trapezoidal proporciona una primera aproximación al control de motores brushless. Gracias a su sencilla implementación y a los pocos recursos utilizados es ampliamente usada en aplicaciones de muy bajo costo. No obstante debido a su alto rizado de par en todo el espectro frecuencial la hace desaconsejable para cualquier aplicación que demande una mínima precisión o eficiencia. La conmutación sinusoidal soluciona el problema del rizado del par a cambio de aumentar la complejidad del control y de incorporar un sensor de mayor precisión. Sin embargo, debido a que trabaja en el espacio variante del tiempo presenta una limitación de control a altas velocidades. El control vectorial soluciona los problemas de ambos controles consiguiendo una alta eficiencia y control del par tanto a bajas como a altas velocidades. R EFERENCES Figure 17. Diagramas de conexión seis polos en el estator, en configuración en triangulo, este tipo de estructura no admite una conexión en estrella
Figure 18.
9 polos en el estator y 12 polos en el rotor
Figure 19. Conexión seis polos en estator y rotoe polos en el rotor (Der) y conexión seis polos en estator y 10 polos en el rotor
VI. CONCLUSIONES El motor brushless, tiene muchas aplicaciones ya a este motor de corriente continua se lo puede maniobrar de barias maneras, su sistema de control es algo complejo pero de tal
[1] Máquinas eléctricas y sistemas de potencia. 2004. [2] Steven J. Chapman. Máquinas Eléctricas 3º Ed. Prentice Hall, México DF. [3] Manuel Cortés Cherta. Máquinas síncronas y motores c.a. 2004. [4] Chester L. Dawes. Electricidad Industrial. 2004. [5] W. Pflüger S. Appelt H. Hübscher, J. Klaue. Electrotecnia Curso Elemental GTZ. Barcelona España, editorial Reverté, S.A, 1983. [6] José Fraile Mora. Máquinas Eléctricas 5º Ed. McgrawHill/Interamericana de España S.A.U, 2005.
