Aplicación y desarrollo de motores DC sin escobillas.
Los motores de CC se han utilizado ampliamente en el campo del control de movimiento debido a sus excelentes características de par. Sin embargo, los motores de CC ordinarios requieren conmutación mecánica y escobillas, tienen poca confiabilidad y requieren mantenimiento frecuente. Durante el proceso de conmutación se generarán interferencias electromagnéticas y ruido, lo que afectará la futura aplicación de motores de CC en sistemas de control. Para superar las deficiencias causadas por la conmutación mecánica, surgieron motores sin escobillas con conmutación electrónica en lugar de conmutación mecánica. En 1955, los estadounidenses D. Harrison y otros solicitaron por primera vez una patente para utilizar un circuito de conmutación de transistores en sustitución de las escobillas mecánicas, lo que marcó el nacimiento de los modernos motores sin escobillas. En 1978, apareció el clásico motor de CC sin escobillas y su controlador para MAC, y el motor de CC sin escobillas con conmutación electrónica realmente entró en la etapa práctica. Después de eso, el mundo llevó a cabo una investigación en profundidad sobre los motores de CC sin escobillas y los desarrolló en motores sin escobillas de onda cuadrada y motores de CC sin escobillas de onda sinusoidal. En los últimos 20 años, con el desarrollo de nuevos materiales magnéticos permanentes, tecnología microelectrónica, tecnología de control automático y tecnología electrónica de potencia, especialmente el desarrollo de dispositivos de conmutación de alta potencia, los motores sin escobillas han logrado grandes avances. El motor de CC sin escobillas no es solo un motor de CC con conmutación electrónica, sino también un motor conmutado electrónicamente con las características externas de un motor de CC con escobillas [1].
El motor de CC sin escobillas no solo mantiene las buenas características de regulación de velocidad dinámica y estática del motor de CC tradicional, sino que también tiene una estructura simple, operación conveniente y fácil control. Sus aplicaciones se han desarrollado rápidamente desde la industria militar inicial hasta la automatización aeroespacial, médica, de información, de electrodomésticos y industrial.
Estructuralmente, es diferente del motor de CC sin escobillas. El devanado del estator del motor de CC sin escobillas se utiliza como armadura y el devanado de campo se reemplaza por material de imán permanente. Según las diferentes formas de onda de corriente que fluyen hacia el devanado del inducido, los motores de CC sin escobillas se pueden dividir en motores de CC de onda cuadrada (BLDCM) y motores de CC de onda sinusoidal (PMSM). BLDCM utiliza conmutación electrónica en lugar de la conmutación mecánica del motor de CC original, utiliza imanes permanentes como rotor y elimina la necesidad de escobillas. Por otro lado, PMSM utiliza materiales magnéticos permanentes para reemplazar los devanados de campo en el rotor del motor síncrono, eliminando los devanados de campo, anillos colectores y escobillas. En las mismas condiciones, es más fácil para el circuito de accionamiento obtener ondas cuadradas y el control es simple, por lo que la aplicación de los motores DC sin escobillas es mucho más amplia que la de PMSM [2].
Los motores DC sin escobillas generalmente constan de tres partes: circuito de conmutación electrónica, circuito de detección de la posición del rotor y cuerpo del motor. El circuito de conmutación electrónica generalmente consta de una parte de control y una parte motriz, y la detección de la posición del rotor generalmente se completa mediante un sensor de posición. Cuando está en funcionamiento, el controlador activa cada tubo de alimentación en el circuito de accionamiento para realizar una conmutación ordenada en función de la posición del rotor del motor medida por el sensor de posición para accionar el motor de CC [3]. Este artículo analiza el desarrollo de motores sin escobillas a partir de tres partes.
2 Estado de desarrollo de cada componente
2.1 Cuerpo del motor
La estructura electromagnética del motor DC sin escobillas es básicamente la misma que la del motor DC sin escobillas. pero su armadura Los devanados se colocan en el estator y el peso utilizado en el rotor simplifica la estructura, mejora el rendimiento y aumenta la controlabilidad. El desarrollo de motores sin escobillas es inseparable del desarrollo de materiales magnéticos permanentes. El proceso de desarrollo de materiales magnéticos ha pasado básicamente por las siguientes etapas: Alnico, materiales magnéticos de ferrita y NdFeB. El NdFeB es un producto de alta energía magnética y su aparición ha provocado una revolución en los materiales magnéticos. La aplicación del material de imán permanente NdFeB de tercera generación reduce aún más la cantidad de cobre utilizada en los motores y promueve el desarrollo de motores sin escobillas hacia la alta eficiencia, la miniaturización y el ahorro de energía [4].
En la actualidad, para aumentar la densidad de potencia del motor, han surgido motores de imanes permanentes de campo magnético transversal. Las ranuras del estator y las bobinas del inducido son espacialmente perpendiculares entre sí, y el flujo magnético principal en ellas. El motor fluye a lo largo del eje del motor. Esta estructura aumenta la densidad magnética del entrehierro y puede proporcionar un par de salida mucho mayor que los motores tradicionales [5]. Este tipo de motor se encuentra en etapa de investigación y desarrollo.
2.2 Circuito de conmutación electrónica
Circuito de control: el motor de CC sin escobillas controla la velocidad, la dirección y el par del motor controlando el dispositivo de conmutación de potencia en el circuito de accionamiento y protege el motor. , incluyendo protección contra sobrecalentamiento, sobretensión y sobrecalentamiento. El circuito de control inicialmente utilizaba circuitos analógicos y el control era relativamente simple. Si el circuito está digitalizado, muchas tareas de hardware se pueden completar directamente con software, lo que puede reducir la cantidad de circuitos de hardware, mejorar su confiabilidad y mejorar la capacidad antiinterferente del circuito de control. Por lo tanto, el circuito de control se ha desarrollado a partir de lo analógico. circuitos a circuitos digitales.
Actualmente, existen generalmente tres formas de circuitos de control: ASIC, microprocesador y procesador de señal digital. Cuando los requisitos para el control del motor no son elevados, un método sencillo y práctico es utilizar circuitos integrados profesionales para formar un circuito de control. Debido a que el procesador de señal digital tiene una velocidad de funcionamiento rápida, pocos circuitos periféricos y una composición del sistema simple, la composición del motor sin escobillas de CC se simplifica enormemente y el rendimiento mejora considerablemente, lo que favorece la miniaturización y la inteligencia del motor. el procesador de señal digital es el desarrollo de circuitos de control[6].
Circuito de accionamiento: el circuito de accionamiento genera energía eléctrica y acciona el devanado del inducido del motor, que es controlado por el circuito de control. El circuito de accionamiento está compuesto por dispositivos de conmutación de alta potencia. Precisamente gracias a la aparición de los tiristores, los motores de CC han dado el salto de los con escobillas a los sin escobillas. Sin embargo, el tiristor es un dispositivo de conmutación semicontrolado. Solo tiene la capacidad de controlar la conducción y no tiene capacidad de apagado automático. La frecuencia de conmutación es baja y no puede mejorar aún más el rendimiento de los motores de CC sin escobillas.
Con el rápido desarrollo de la tecnología de la electrónica de potencia, siguen surgiendo dispositivos de conmutación de potencia totalmente controlables, incluidos transistores de apagado (GTO), transistores de efecto de campo de potencia (MOSFET), módulos IGBT de transistores bipolares de puerta metálica, tiristores conmutados de puerta integrada (IGCT) y el recientemente desarrollado transistor de puerta de mejora de inyección de electrones (IEGT) [7]. A medida que el rendimiento de estos dispositivos de potencia continúa mejorando, los correspondientes circuitos de accionamiento de motores sin escobillas también se están desarrollando rápidamente. Actualmente, los dispositivos de conmutación totalmente controlados están reemplazando gradualmente a los tiristores ordinarios con circuitos complejos, grandes volúmenes e indicadores funcionales bajos. El circuito de accionamiento cambia del estado de amplificación lineal al estado de conmutación de modulación de ancho de pulso, y la composición del circuito correspondiente también cambia de un circuito discreto de tubo de potencia a un circuito integrado modular, creando las condiciones para que el circuito de accionamiento alcance inteligencia, alta frecuencia y miniaturización.
2.3 Circuito de detección de la posición del rotor
El motor sin escobillas de imán permanente es un sistema mecatrónico de circuito cerrado que utiliza la señal de posición del polo magnético del rotor como señal de conmutación del circuito de conmutación electrónico. Por lo tanto, detectar con precisión la posición del rotor y cambiar los dispositivos de potencia a tiempo de acuerdo con la posición del rotor son las claves para el funcionamiento normal del motor de CC sin escobillas.
Utilizar un sensor de posición como dispositivo de detección de la posición del rotor es el método más directo y eficaz. El sensor de posición generalmente se instala en el eje del rotor para realizar la detección en tiempo real de la posición del rotor. Los primeros sensores de posición eran magnetoeléctricos, voluminosos y complejos, y han sido eliminados. Actualmente, los sensores de posición Hall magnéticos y los sensores de posición fotoeléctricos se utilizan ampliamente en motores de CC sin escobillas. La existencia del sensor de posición aumenta el peso y el tamaño estructural del motor de CC sin escobillas, lo que no favorece la miniaturización del motor al girar, el sensor se desgasta inevitablemente y es difícil de mantener, al mismo tiempo, la precisión de la instalación; y la sensibilidad del sensor afectan directamente el rendimiento operativo del motor. Por otro lado, debido a que hay demasiadas líneas de transmisión, es fácil introducir señales de interferencia porque las señales se recopilan mediante hardware, lo que aumenta la viabilidad del sistema; reducido. Para adaptarse al desarrollo de los motores sin escobillas, han surgido sensores de posición. Generalmente, la fuerza contraelectromotriz inducida por el devanado del inducido se utiliza para obtener indirectamente la posición del polo magnético del rotor. En comparación con el método de detección directa, se omite el sensor de posición, se simplifica la estructura del motor, se logran buenos resultados y se utiliza ampliamente. Sin embargo, para los motores sin escobillas y sin sensores que detectan *la posición de la fuerza electromotriz inversa, dado que no se genera fuerza electromotriz inversa cuando está parado, cómo arrancar suavemente es un problema que debe resolverse.
En los últimos años, se ha propuesto un nuevo tipo de motor sin escobillas sin sensores que no utiliza fuerza electromotriz inversa para detectar la posición del rotor, sino que utiliza el material no magnético adherido a la superficie del rotor y al estator. El devanado cambia a altas frecuencias cuando se trabaja. El efecto de las corrientes parásitas en materiales no magnéticos hace que el voltaje de fase del circuito abierto cambie con la posición del rotor, por lo que la posición del rotor se puede determinar detectando el voltaje de fase del circuito abierto. Este motor sin escobillas sin sensores supera los problemas de arranque y funcionamiento a baja velocidad de los motores sin escobillas sin sensores generales, pero este método requiere un motor especial.
3 Cuestiones que deben estudiarse
3.1 Ondulación del par
En la actualidad, el principal problema de los motores CC sin escobillas es la ondulación del par. Debido a la existencia de ondulación del par, la aplicación de motores CC sin escobillas en servosistemas de CA es limitada, especialmente en el caso de aplicaciones de accionamiento directo. La ondulación del par empeora las características de control de velocidad del motor. Los motores de CC sin escobillas, especialmente los utilizados en equipos audiovisuales, maquinaria cinematográfica y computadoras, deben funcionar sin problemas y sin ruido. Por lo tanto, suprimir o eliminar la fluctuación del par se convierte en la clave para mejorar el rendimiento del servosistema.
Las principales causas de la pulsación de par son: pulsación de par causada por el efecto de engranaje y distorsión del enlace de flujo; pulsación de par causada por armónicos debido a la influencia de la inductancia equivalente de la armadura, corriente de conmutación causada por la ondulación del par; En la actualidad, las universidades y las instituciones de investigación científica han llevado a cabo investigaciones en profundidad sobre la pulsación de par y han propuesto varios métodos para suprimir o debilitar la pulsación de par por diferentes razones, mejorando así el rendimiento de los motores sin escobillas en diversos grados. Sin embargo, estos estudios han propuesto algunos métodos para debilitar o compensar las estructuras y soluciones originales, y no han eliminado la ondulación del par en principio o fundamentalmente. Por lo tanto, la ondulación del par necesita más estudios.
3.2 Detección de la posición del rotor sin sensor de posición
Los métodos de detección de la posición del rotor sin sensor de posición incluyen principalmente el método de fuerza electromotriz inversa, el método de diodo de rueda libre, el método de inductancia y el método de observación del estado. Entre ellos, el método de la fuerza electromotriz inversa es el método más común y ampliamente utilizado. Sin embargo, este método tiene errores de principio basados en despreciar la reacción de la armadura. Para los motores sin escobillas de alta potencia, la reacción del inducido tiene un impacto más obvio en la densidad magnética del entrehierro y el error también es mayor. Por otro lado, cuando el motor arranca y a baja velocidad, la fuerza contraelectromotriz es cero o muy pequeña, por lo que es difícil detectar la posición del rotor a través de la fuerza contraelectromotriz, y los motores sin escobillas sin sensores de posición tienen problemas de arranque. 9]. Por lo tanto, cómo compensar el error de la señal de posición del rotor causado por el método de fuerza contraelectromotriz en motores sin escobillas de alta potencia y cómo superar el problema de arranque del motor en el método de fuerza contraelectromotriz son cuestiones que deben resolverse con urgencia. Para problemas de inicio, generalmente se utilizan otros métodos para iniciar y luego cambiar al modo de operación sin sensores.
4 Dirección de desarrollo de motores CC sin escobillas
Con el desarrollo de la tecnología electrónica y la tecnología de control, la detección de posición se puede lograr haciendo coincidir los algoritmos apropiados en el chip. La aparición de microprocesadores de alta velocidad, dispositivos DSP y chips de control especiales ha mejorado enormemente la velocidad de funcionamiento y las capacidades de procesamiento. La potencia informática inherente del DSP se puede utilizar para implementar control sin sensores en motores sin escobillas [10].
El uso de DSP para lograr control sin sensores se ha convertido en un punto de investigación, y los motores sin escobillas sin sensores DSP de bajo costo se han convertido en la dirección de desarrollo de los motores de CC sin escobillas.