Control de motores BLDC

Desarrolle algoritmos de control de motores BLDC mediante la simulación

La popularidad de los motores de conmutación electrónica, o “sin escobillas”, sigue creciendo porque ofrecen una eficiencia eléctrica y una relación par-peso superior a la de sus equivalentes con conmutación mecánica, o “con escobillas”. Los motores de CC sin escobillas (BLDC, por sus siglas en inglés) se definen habitualmente como máquinas síncronas de imanes permanentes (PMSM, por sus siglas en inglés) que muestran una fuerza contraelectromotriz de forma trapezoidal debido a la concentración de los arrollamientos de estátor. Esto diferencia los motores BLDC de los motores PMSM, cuya fuerza contraelectromotriz es de forma sinusoidal debido a que los arrollamientos del estátor están distribuidos.

Animación de MATLAB en la que se compara el funcionamiento de motores BLDC y PMSM. La animación se basa en los resultados de la simulación del modelo de Simscape Electrical.

En los motores de CC sin escobillas se utiliza habitualmente el control trapezoidal, pero también se usa el control de campo orientado. En los motores PMSM lo habitual es que se utilice solo el control de campo orientado. El control de motores BLDC trapezoidal es una técnica más sencilla que el control de campo orientado; solo pone en tensión dos fases a la vez. Solo se requiere un controlador PID para el control de par y, al contrario que con el control de campo orientado, no son necesarias transformaciones de coordenadas mediante transformadas de Park y Clarke.

Animación de MATLAB en la que se compara el funcionamiento de motores BLDC con un par de polos y dos pares de polos. La animación se basa en los resultados de la simulación del modelo de Simscape Electrical.

Los ingenieros de control de motores que diseñan un controlador de motor BLDC con un método trapezoidal realizan las siguientes tareas:

  • Desarrollo de la arquitectura del controlador con un controlador PI para el lazo interno de corriente/voltaje
  • Desarrollo de controladores PI para los lazos externos de velocidad y posición opcionales
  • Ajuste de las ganancias de todos los controladores PI para cumplir los requisitos de rendimiento
  • Diseño del control PWM
  • Diseño de la lógica de detección de fallos y protección contra ellos
  • 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 BLDC mediante Simulink® le permite utilizar la simulación de velocidades múltiples para diseñar, ajustar y verificar los algoritmos de control, así como detectar y corregir errores en todo el rango de funcionamiento del motor antes de realizar las pruebas físicas. Mediante la simulación con Simulink, puede reducir el número de pruebas con prototipos y verificar la robustez de los algoritmos de control ante condiciones de fallo que no resulta práctico probar en hardware. Puede hacer lo siguiente:

  • Modelar un motor BLDC con fuerza contraelectromotriz trapezoidal o arbitraria
  • Modelar controladores de corriente, controladores de velocidad y moduladores
  • Modelar la electrónica de potencia de inversores
  • Ajustar las ganancias de los sistemas de control de motores BLDC mediante técnicas de diseño de control lineal tales como los diagramas de Bode y el lugar geométrico de las raíces, además de técnicas como el ajuste de PID automatizado
  • Modelar los modos de arranque, parada y error de los modelos y diseñar la lógica de reducción de potencia y protección para garantizar un funcionamiento seguro
  • Diseñar los algoritmos de acondicionamiento y procesamiento de señales para los canales de E/S
  • Ejecutar simulaciones de lazo cerrado del motor y del controlador para probar el rendimiento del sistema en escenarios de funcionamiento normal y anormal
  • Generar automáticamente código C optimizado para el procesador, ANSI o ISO y HDL para prototipado rápido, pruebas de tipo hardware-in-the-loop e implementación en producción

Reducción del tiempo de desarrollo de control de motores con modelos de simulación

Pase de las tareas básicas a operaciones más avanzadas gracias a los tutoriales y ejemplos interactivos.

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