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, que tienen poca precisión y requieren conmutación frecuente. Las interferencias electromagnéticas y los ruidos fuertes afectan la aplicación posterior de los motores de CC en los 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 para reemplazar las escobillas mecánicas, lo que marcó el nacimiento de los motores sin escobillas modernos. El motor de CC sin escobillas con conmutación electrónica realmente entró en la etapa práctica en 1978 cuando se lanzaron el clásico motor de CC sin escobillas de MAC y su controlador. Desde entonces, se han llevado a cabo investigaciones en profundidad sobre motores de CC sin escobillas a nivel internacional y se han desarrollado motores sin escobillas de onda cuadrada y motores de CC sin escobillas de onda sinusoidal. Hace veinte 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 se han desarrollado enormemente. Los motores de CC sin escobillas ya no se refieren específicamente a motores de CC con conmutación electrónica, sino que generalmente se refieren a motores con conmutación electrónica con las características externas de los motores de CC con escobillas [1].

El motor de CC sin escobillas no solo mantiene las buenas características de regulación de velocidad estática y dinámica del motor de CC tradicional, sino que también tiene una estructura simple, un funcionamiento eficiente y es fácil de controlar. Sus campos de aplicación se han desarrollado rápidamente desde la industria militar inicial hasta los campos aeroespacial, médico, de información, electrodomésticos y automatización industrial.

Estructuralmente, a diferencia del motor de CC con escobillas, el devanado del estator del motor de CC sin escobillas sirve 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) que reemplazan la conmutación mecánica del motor de CC original con conmutación electrónica. El rotor está compuesto por un material de imán permanente y elimina el cepillo, mientras que PMSM reemplaza el devanado de campo en el rotor del motor síncrono con material de imán permanente y elimina el devanado de campo, el anillo deslizante y el cepillo. En las mismas condiciones, es más fácil para el circuito de conducción obtener una onda cuadrada y el control es simple, por lo que el rango de aplicación de BLDCM es mucho más amplio que el de PMSM [2].

Los motores de CC sin escobillas generalmente constan de un circuito de conmutación electrónico, un circuito de detección de la posición del rotor y el cuerpo del motor. El circuito de conmutación electrónica generalmente consta de una parte de control y una parte de conducción. generalmente completado por un sensor de posición. Cuando está en funcionamiento, el controlador activa cada tubo de alimentación en el circuito de accionamiento de manera ordenada según la posición del rotor del motor medida por el sensor de posición, realiza un intercambio de corriente ordenado y acciona el motor de CC [3]. Este artículo analiza el desarrollo de motores sin escobillas a partir de tres partes.

2 Desarrollo de varios componentes

2.1 Cuerpo del motor

La estructura electromagnética del motor DC sin escobillas es básicamente la misma que la del motor DC con escobillas, excepto por su devanado de inducido se coloca en el estator, y el rotor adopta un enfoque ponderado, lo que simplifica la estructura, mejora el rendimiento y mejora su disponibilidad*. 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 de desarrollo: materiales magnéticos de Alnico, materiales magnéticos de ferrita y neodimio hierro boro (NdFeB). NdFeB tiene 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 el consumo de cobre del motor y promueve el desarrollo de motores sin escobillas hacia la alta eficiencia, la miniaturización y el ahorro de energía [4].

En la actualidad, para mejorar la densidad de potencia del motor, ha surgido un motor de imán permanente de campo magnético transversal. Las ranuras de los dientes del estator y la bobina del inducido son perpendiculares entre sí en una posición espacial. El flujo magnético principal en el motor circula a lo largo de la dirección axial del motor, esta estructura mejora la densidad magnética del entrehierro y puede proporcionar un par de salida mucho mayor que los motores tradicionales [5]. Este motor está en etapa de desarrollo.

2.2 Circuito de interruptor de fase electrónico

Circuito de control: el motor de CC sin escobillas controla la velocidad, la dirección, el par y la protección del motor controlando el dispositivo de conmutación de potencia en el circuito de accionamiento. incluyendo sobrecorriente, sobretensión, sobrecalentamiento y otras protecciones. El circuito de control era originalmente un circuito analógico y el control era relativamente simple.

Si el circuito está digitalizado, muchas tareas de hardware se pueden completar directamente mediante software, lo que puede reducir el hardware del circuito y mejorar sus capacidades de procesamiento. Al mismo tiempo, se puede mejorar la capacidad antiinterferente del circuito de control, permitiendo así. el circuito de control se desarrollará de circuitos analógicos a circuitos digitales

En la actualidad, los circuitos de control generalmente constan de tres formas: circuitos integrados de aplicaciones específicas, microprocesadores y procesadores de señales digitales. En situaciones donde los requisitos para el control del motor no son altos, un circuito de control compuesto por circuitos integrados profesionales es un método simple y práctico debido a que el procesador de señal digital tiene una velocidad de operación rápida y pocos circuitos periféricos, la composición del sistema es simple y puede optimizarse; , haciendo que DC sin escobillas La composición del motor se simplifique enormemente y el rendimiento mejore enormemente, lo que favorece la miniaturización y la inteligencia del motor. Por lo tanto, los procesadores de señales digitales son la dirección de desarrollo de los circuitos de control [6].

Circuito de accionamiento: El circuito de accionamiento emite energía eléctrica para accionar el devanado del inducido del motor y 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, dado que el tiristor es un dispositivo de conmutación semicontrolado que solo tiene la capacidad de controlar la conducción pero no el apagado automático, su frecuencia de conmutación es baja y no puede lograr una mejora adicional del rendimiento del motor de CC sin escobillas. Con el rápido desarrollo de la tecnología de la electrónica de potencia, han surgido dispositivos de conmutación de potencia totalmente controlados, que pueden ser transistores de apagado (GTO), transistores de efecto de campo de potencia (MOSFET), módulos IGBT de transistor bipolar de puerta metálica, tiristores de conversión de corriente de puerta integrada (IGCT). ) y el nuevo transistor de puerta mejorada por inyección de electrones (IEGT) desarrollado en los últimos años [7]. A medida que el rendimiento de estos dispositivos de potencia continúa mejorando, también se han desarrollado rápidamente los correspondientes circuitos de accionamiento de motores sin escobillas. En la actualidad, los dispositivos de conmutación totalmente controlados están reemplazando gradualmente a los tiristores ordinarios con circuitos complejos, grandes volúmenes e indicadores funcionales bajos. Sus circuitos de accionamiento se han convertido del estado de conmutación de amplificación lineal al estado de conmutación de modulación de ancho de pulso, y la composición del circuito correspondiente también ha cambiado de potencia. circuitos discretos de tubo Crea las condiciones para que los circuitos integrados modulares y los circuitos controladores logren 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 que puede detectar con precisión la posición del rotor y el cambio oportuno de los dispositivos de potencia según la posición del rotor es la clave 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. Generalmente, se instala un sensor de posición en el eje del rotor para lograr la detección en tiempo real de la posición del rotor. Los primeros sensores de posición eran magnetoeléctricos, que eran voluminosos y complejos y ahora se han eliminado. Actualmente, los sensores de posición Hall magnéticos se utilizan ampliamente en motores de CC sin escobillas, y también hay sensores de posición fotoeléctricos. 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. El sensor se desgasta inevitablemente al girar y, al mismo tiempo, es difícil mantener la precisión de la instalación. y la sensibilidad del sensor afectan directamente el rendimiento operativo del motor. Por otro lado, debido a demasiadas líneas de transmisión, es fácil introducir señales de interferencia debido a la recopilación de señales por parte del hardware, lo que reduce aún más la seguridad del sistema; . Para adaptarse al desarrollo posterior de los motores sin escobillas, han surgido sensores de posición. Generalmente utiliza la fuerza electromotriz inversa inducida del devanado del inducido para obtener indirectamente la posición del polo magnético del rotor. En comparación con el método de detección directa, se omite el sensor de posición. y la estructura del cuerpo del motor se simplifica. Ha logrado buenos resultados y ha sido ampliamente utilizado. Sin embargo, para los motores sin escobillas sin sensor de posición que dependen de la fuerza electromotriz inversa para la detección de posición, dado que no se genera fuerza electromotriz inversa cuando está parado, cómo arrancar suavemente es un problema que el motor debe resolver.

En los últimos años, alguien ha propuesto un nuevo tipo de motor sin escobillas sin sensor de posición. No utiliza fuerza electromotriz inversa para detectar la posición del rotor, sino que utiliza materiales conductores no magnéticos adheridos a la superficie del rotor. Para usar el estator Cuando el devanado se cambia a alta frecuencia, el efecto de la corriente parásita sobre el material no magnético 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 la apertura. tensión de fase del circuito.

3 Cuestiones que deben estudiarse

3.1 Ondulación del par

En la actualidad, el problema más importante de los motores DC sin escobillas es la existencia de ondulación del par. Debido a la existencia de pulsación de par, la aplicación de motores de CC sin escobillas en servosistemas de CA es limitada, especialmente en aplicaciones de accionamiento directo. La pulsación de par empeora las características de regulación de velocidad del motor.

En particular, se requiere que los motores de corriente continua sin escobillas utilizados en equipos audiovisuales, maquinaria cinematográfica y computadoras funcionen 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: efecto de engranaje y distorsión del flujo magnético causado por la pulsación de par; armónicos causados ​​por la pulsación de par causado por la influencia de la inductancia equivalente de la armadura, la ondulación del par y la corriente de cambio de fase. En la actualidad, varias universidades e instituciones de investigación han realizado investigaciones en profundidad sobre el problema de la pulsación de par y han propuesto varios métodos para suprimir o debilitar la pulsación de par por diferentes razones, de modo que el rendimiento del motor sin escobillas se ha mejorado en diversos grados. . Sin embargo, todos estos estudios propusieron algunos métodos de debilitamiento o compensación basados ​​en la estructura y el esquema originales, y no eliminaron la ondulación del par en principio o fundamentalmente. Por lo tanto, el problema de la ondulación del par requiere más investigación.

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: método de fuerza electromotriz inversa (EMF), método de diodo de corriente continua (CCD), método de inductancia y 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 se basa en el principio de despreciar la fuerza de reacción del inducido y tiene errores de principio. Para los motores sin escobillas de alta potencia, la fuerza de reacción del inducido tiene un impacto más obvio en el magnetismo del entrehierro y el error también es mayor. Por otro lado, la fuerza contraelectromotriz del motor es cero o muy pequeña al arrancar y a baja velocidad, y es difícil detectar la posición del rotor a través de la fuerza contraelectromotriz. Existe un problema de arranque para motores sin escobillas sin sensores de posición. 9]. Por lo tanto, cómo compensar el error de la señal de posición del rotor causado por el método de fuerza contraelectromotriz en un motor sin escobillas de alta potencia y cómo superar el problema de arranque del motor con método de fuerza contraelectromotriz son problemas urgentes que deben resolverse. Para problemas de arranque, generalmente se usa comenzar primero con otros métodos y luego cambiar a operación sin sensor de posición.

4 La dirección de desarrollo de los motores CC sin escobillas

Con el desarrollo de la tecnología electrónica y la tecnología de control, la detección de posición se puede realizar a través de chips y algoritmos correspondientes. La aparición de microprocesadores de alta velocidad, dispositivos DSP y chips de control dedicados ha mejorado enormemente la velocidad de funcionamiento y las capacidades de procesamiento. La potencia informática inherente del DSP se puede utilizar para lograr un control sin sensores de motores sin escobillas [10]. El uso de DSP para lograr un control sin sensor de posición se ha convertido en un punto de investigación, y los motores sin escobillas sin sensor de posición DSP de bajo costo se han convertido en la dirección de desarrollo de los motores sin escobillas de CC.