MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Control de Motores Brushless

MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA SIN ESCOBILLAS

Eduardo Alcaide

Daniel Cabañez

Miguel Castro

Introducción. En los últimos años el número de sistemas de actuadores - motores, disponibles a los diseñadores han aumentado considerablemente. El advenimiento y el uso creciente de motores stepper, motores de reluctancia variable y dispositivos Brushless, se dirigieron a las aplicaciones particulares y en algunos casos se solaparon áreas de aplicación. Encontrar un conjunto actuador - controlador para una aplicación particular no sólo depende de la velocidad y de los requisitos del torque, sino también de la performance, respuesta, normalización, compatibilidad y obviamente: costo. El sistema de motor corriente continua sin escobillas está surgiendo como una de las opciones más útiles para una gama amplia de aplicaciones que van de los drivers de disco (HD) hasta las aplicaciones industriales (robótica, aviación y Servos). Los sistemas de motor corriente continua sin escobillas, usan dispositivos Power Mosfet como los principales inversores switching. La principal ventaja de una máquina de DC frente a una máquina de AC es el caso en que el motor de DC puede darnos una velocidad de operación variable, incluyendo dirección inversa y capacidad de bloqueo. La principal desventaja de una máquina de DC es que las escobillas de carbón generan chispas y también requieren mantenimiento y eventual reemplazo. La RF generada por el chisporroteo puede ser bastante grande en ciertos ambientes. El brushless fue desarrollado para lograr el rendimiento de una máquina DC convencional sin los problemas asociados con sus escobillas. Principales ventajas del sistema de motor corriente continua sin escobillas:

• Larga vida y alta confiabilidad. • Alta eficiencia. • Operación a altas velocidades y sobre un ancho rango de velocidad. • Capacidad de torque desde parada hasta altas velocidades. • Rotor de velocidad múltiple. • Operación en vacío o en ambientes explosivos o peligrosos. • Eliminación de la RF debida a la conmutación en escobillas.

Configuración. En un motor DC convencional la energía del campo es proporcionada por un imán permanente o un devanado de campo. Esto involucra grandes arreglos para crear el campo. En cada una de estas dos opciones el campo es usado como excitación sobre el rotor de la máquina. La máquina DC convencional tiene un gran número de bobinas sobre el rotor. Entonces la inercia y el peso del rotor hacen a la máquina impráctica en términos de tamaño y respuesta dinámica. Cada bobina se conecta a un segmento del colector. Generalmente, el efecto de la inductancia del cuando se reduce cuando el número de segmentos se aumenta, aumentar el número de segmentos mejorará el funcionamiento de la máquina. Otra razón para aumentar el número de segmentos es controlar el rizado del par. Cuantos más devanados posea la máquina, menor será el rizado del par. Así si tenemos un motor de potencia fraccionaria puede tener entre 8 y 32 delgas en el colector por armadura, en un motor de 1 - 5 HP pueden tener hasta 75 delgas y para potencias mayores hasta 150 delgas. Gran parte del esfuerzo de los diseñadores en los motores de campo bobinado se han dirigido a la selección del colector y las escobillas adecuadas. El problema asociado a con un colector se puede evitar si la conmutación se hace con dispositivos semiconductores en lugar de por medios mecánicos. Sin embargo, utilizar dispositivos semiconductores para conmutar un motor de corriente continua del tipo PM (imán permanente), genera un nuevo conjunto de problemas. No se puede aplicar, sin más, los principios para el diseño de motores con escobillas, a uno sin escobillas. Por ejemplo, si tuviéramos un motor de CC de dos polos, 20 delgas y quisiéramos utilizar dispositivos semiconductores para sustituir el conjunto colector - escobillas, terminaríamos con 40 transistores de potencia, dos de los cuales deberían conducir en cualquier momento dado. Este diseño daría lugar a un uso ineficiente de los semiconductores con un factor de eficiencia muy bajo. Obviamente el problema debe resolverse de otra manera, para que el sistema sea factible desde el punto de vista operación - economía. En un BDCM, la conmutación de corriente de las bobinas es procesada afuera del motor, de forma estática y electrónica y no mecánica como en el motor de CC tradicional. Los inversores de potencia están en una configuración puente inversor para lograr el fluido bidireccional de corriente en las bobinas. Como mencionamos antes, no es posible tener un gran número de bobinas como en el motor DC porque esto requeriría un gran número de dispositivos conmutadores, sería difícil de controlar y caro. Un compromiso aceptable es tener solamente tres bobinas y por lo tanto seis semiconductores de conmutación de potencia.

Construcción del motor de corriente continua sin colector. En el diagrama de la figura 1, se muestra la característica par - velocidad de un motor de CC convencional (PM). El motor de CC sin escobillas debería tener la misma característica básica de este.

Cuando se diseña un BDCM, uno de los requerimientos que hay que cumplir es reducir el número de semiconductores conmutadores al mínimo posible. El segundo requerimiento de diseño es que, siempre que sea posible, deberían emplearse materiales magneto - eléctricos en el rotor o armadura. Este requerimiento es necesario para eliminar la necesidad de anillos colectores en el montaje del rotor. En la mayoría de los diseños prácticos, se utiliza una estructura de estator ranurado, (fig.2b), donde los devanados están colocados en el estator exterior. El rotor está formado por el eje y un cubo ensamblado con una estructura PM. La figura muestra un imán permanente de dos polos en el rotor.

Analizando la fig.2, vemos que en la fig. 2a se presentan los imanes situados en la estructura del estator, mientras que el rotor contiene varias bobinas devanadas. Vemos que existen diferencias significativas en las localizaciones de imanes y devanados. El motor de CC convencional tiene los conductores activos en las ranuras de la estructura del rotor y por el contrario el BDCM tiene los conductores activos en las ranuras de la estructura del estator exterior. La eliminación del calor producido por los devanados activos es muy fácil en el BDCM, ya que el camino térmico al ambiente es muy corto. Puesto que el rotor PM, no genera calor, el resultado es que el BDCM es un dispositivo mecanizo más estable, desde el punto de vista térmico. Existen algunos diseños de BDCM, para aumentar la potencia de los mismos el rotor se lo coloca en la parte externa del rotor, esto se indica en la figura 3, en realidad estamos viendo un corte del mismo, puesto que el rotor tiene forma de campana, figura 3 bis.

Para ilustrar las similitudes y diferencias entre los sistemas de motores de CC convencionales y sin escobillas, veremos los diagramas de los dos sistemas presentados en la fig. 2 (a y b). La figura 4 muestra los elementos de un control y un motor de CC. El controlador es bidireccional, este y la etapa excitadora se muestran junto con una fuente de alimentación y una lógica de control El controlador bidireccional permite al motor girar en ambos sentidos. La lógica de control hace que el circuito excitador active Q1 o Q2, dependiendo del sentido de giro que se necesite. En la figura 5, se muestra el sistema equivalente de un BDCM. Las principales diferencias entre los esquemas de las figuras 4 y 5 son:

Los devanados del estator, el rotor tipo imán permanente, los cuatro transistores en lugar de los dos del motor convencional, y un codificador de posición del eje. El codificador del eje informa a la lógica de control sobre la posición del rotor. Como en el BDCM la conmutación de los devanados la hace la lógica de control, es muy importante que esta lógica sepa en todo momento en que posición se halla en rotor, en el motor convencional, esto lo hace el conjunto colector - escobillas. Funcionamiento. Los BDCM tienen cuatro partes básicas: el rotor, el estator, el conmutador y el sensor de posición del rotor. En la máquina convencional de CC de campo bobinado, el campo es estacionario generado por un inductor, a este inductor se le llama estator, debido a que es estacionario. En el motor de CC, a alimentación de corriente continua alimenta al rotor, el cual es libre para girar. En el BDCM, el inductor gira, motivo por el cual lo llamamos rotor. Usualmente, el rotor es un imán permanente. La alimentación continua se aplica a la armadura, o estator, que es la estacionaria. En la figura 6 se muestra el funcionamiento básico del BDCM. Los bloques A, B, C y D están formados por interruptores, que usualmente son semiconductores tales como: • Transistores Bipolares. • Tiristores. • Mosfet de potencia. • IGBT. La corriente procedente de la alimentación fluye en ambas direcciones a través de las bobinas, dependiendo de que interruptor esté activado, a su vez este dependerá de la posición relativa del rotor. Supongamos que la corriente circula por las bobinas A y C, situando un polo norte en la parte inferior de C, y un polo sur en la parte inferior de A. Entonces la posición del rotor será la mostrada en la figura 7a. Después manteniendo la corriente que circula por A y C, activamos la corriente a través de las bobinas B y D, creando los campos magnéticos indicados en la figura 7b, el rotor se moverá para alinearse con el alinearse con el campo resultante total, indicado por la flecha a trazos. Después, se

corta la corriente en A y C, y el rotor pasa a la posición presentada en la figura 7c. Obsérvese que el rotor se ha desplazado 90º, ninguna otra parte del motor se ha desplazado. Todas las conmutaciones se han realizado con dispositivos semiconductores, en lugar de con un conmutador mecánico, el motor paso a paso trabaja de forma muy similar a esta. La mayor diferencia entre el motor paso a paso y el BDCM es la presencia de la realimentación de la posición del rotor en el BDCM. El BDCM usa la realimentación para conmutar la corriente a las bobinas correctas en el momento justo. Los conmutadores deben activarse dependiendo de la posición del rotor. Se utilizan dos tipos de sensores, el más popular es el dispositivo de Efecto Hall, el cual detecta la presencia de un campo magnético. El dispositivo de efecto Hall proporciona una tensión de salida cuando un campo magnético lo atraviesa, este sensor es relativamente barato y se usa en aplicaciones de baja tensión y baja potencia. El otro sensor utilizado como detector de posición del rotor es un dispositivo optoelectrónico. Este sensor utiliza un fotodiodo y un fototransistor. Si bien este sistema es el menos utilizado sirve para explicar el principio de funcionamiento para tres arrollamientos los cuales están colocados a 120º geométricos entre sí. Esto lo vemos en la Figura 8. Los tres sensores con fototransistor se colocan en el borde del disco del motor a intervalos también de 120º. Un disco - obturador solidario al eje del motor bloquea a los sensores a1, a2 y a3, de forma que siempre estén bloqueados 2 de los 3 sensores simultáneamente. Como se indica en la figura 8, el polo sur del rotor está alineado con el polo S2 del estator. Con el obturador en la posición mostrada queda habilitado el sensor a1, el cual activa al transistor Q4, haciendo que la corriente circule por S1, el polo norte creado por esta corriente hará que rotor se mueva en el sentido horario hasta alinearse con S1, esto también hará que el obturador corte al sensor a1, cortando al transistor Q4 y habilitando el sensor a3 y transistor Q6, produciendo esto que el rotor nuevamente se mueva a la nueva posición de equilibrio, o sea alineándose con S3, lo mismo pasa ahora con el sensor a2 y transistor Q5, completando esto una revolución. La conmutación y movimiento del rotor, continuará de esta forma en forma continua en sentido horario. En la figura 9, se muestra un controlador para un BDCM de cuatro fases. En este controlador, se usan dos dispositivos de efecto Hall para detectar la posición del rotor. El dispositivo de efecto Hall produce una tensión de salida en presencia de un campo magnético. Con el rotor en la posición mostrada, HE2 detectará la presencia del rotor, activando Q2. El polo norte creado en S 2 empujará al rotor 90º. Cuando el polo abandona S1 el flujo en HE2 decrece, decreciendo su tensión de salida y desactivando Q1. Al mismo tiempo que HE2 desactiva a Q2, HE1 activa a Q3, empujando el polo sur del rotor a la parte inferior del motor, de esta forma, el rotor gira alrededor del motor, siendo atraído alternativamente hacia el siguiente polo.

Puesto que el BDCM produce un par de arranque muy pequeño, es más útil para cargas de bajo par, tales como sopladores y ventiladores. El par puede incrementarse utilizando un sistema de reducción de velocidad. Una relación de velocidad muy baja incrementará tanto el par como la velocidad. Cuando el BDCM se utiliza en un sistema de baja tensión, no resulta muy eficiente. El circuito de conmutación, usualmente un transistor puede tener caídas de 1,5 v en sus terminales de salida, lo que reduce la eficiencia, Puesto que el motor no tiene escobillas o conmutador mecánico, la vida del motor está limitada por la vida de los rodamientos o cojinetes.

Métodos de control de potencia Hasta ahora, hemos tratado el control de conmutación sin referirnos al control de potencia en el BDCM. Un método de control de potencia consiste en variar la tensión de alimentación del sistema de conmutación. En la figura 10 se muestra un ejemplo de este método. Otra forma de controlar la tensión y la corriente en el BDCM es permitir a los transistores de conmutación controlar la corriente del motor, bien por medios de control lineales o por mediante modulación por impulsos de frecuencia (PWM). Se debe prestar suma atención al diseño térmico de la etapa. En el caso de control lineal por transistores, la etapa de control debe operar en modo de corriente constante mejor que en modo de tensión constantes, De otra manera, la etapa del transistor para una tensión de salida tendería a conducir de la FCEM (fuerza contra electromotriz) inducida durante la parte inactiva del ciclo. A su vez, las corrientes inducidas dan lugar a un efecto de amortiguamiento que va en detrimento del funcionamiento del motor. El esquema de control mediante modulación por impulsos de frecuencia, o por impulsos en duración, resulta bastante edecuado para el control de la tensión y de la corriente de un motor sin escobillas. Puesto que ya se dispone de la circuitería lógica capaz de realizar la conmutación ON y OFF de los transistores apropiados, pude fácilmente usarse este tipo de control. La relación de conmutación debe estar dentro de la capacidad de conmutación de los transistores de potencia, para que no se produzcan pérdidas de disipación indebidas durante los tiempos de conmutación del transistor. Cualquier BDCM de alta calidad requerirá algún método de control para limitar la corriente, bien para proteger la etapa del controlador, o para proteger el circuito magnético. Con cualquiera de los esquemas de controlador vistos, aplicar un control para limitar la corriente es fácil. Sin embargo, el controlador de conmutación es capaz de soportar corriente límite sin disipación significativa de potencia en el circuito, comparado con un sistema de control lineal en el que el exceso de potencia se disipa en los transistores de potencia. Por las razones mencionadas, la modulación por impulsos en frecuencia, o por impulsos en duración, resulta ser un mejor esquema de control para aquellos BDCM en los que la cantidad de potencia continua que hay que controlar resulta significativa. Materiales magnéticos: Imanes permanentes tradicionales, tales como el AlNiCo y ferrite están limitados por su baja remanencia dando lugar a bajas densidades de flujo en el entrehierro, o por su susceptibilidad a la desmagnetización en presencia de campos eléctricos. Nuevos materiales han sido desarrollados con una densidad de flujo remanente más elevada y por lo tanto mayores densidades de flujo en el entrehierro. Algunos de estos materiales son: el samarium cobalto (también llamado de tierras raras) y el neodimiun–hierro-boro es el más común, su costo es elevado, pero dan un rendimiento superior a las maquinas. La cantidad de material magnético requerido es reducida considerablemente. El volumen de material magnético usando estos materiales hacen que sea posible tener el campo magnético permanente en el rotor de la maquina en lugar del estator, esto da baja inercia y alta capacidad de torque y alto rendimiento de operación. Conmutadores electrónicos de potencia: Es necesario conmutar la corriente en sucesivas bobinas conforme avanza el motor, como las bobinas están ahora en el estator, el colector desaparece.

El desarrollo de conmutadores de potencia, inicialmente tiristores, transistores bipolares de potencia y darlingtons, pero más recientemente mosfet, fredfets, sensorfets e igbt hacen que los motores de alta potencia puedan ser controlados electrónicamente. Descripción del sistema: El voltaje usado puede ser 12 o 24 Volt como el usado en la mayoría de las aplicaciones del automóvil, 12 -48 Volt para aplicaciones tales como controlador de disco o controladores de tape, o 150-550 Volt para aplicaciones de fase simple o tres fases como en aplicaciones domesticas o controladores servo industriales o maquinas-herramientas. Puente: El puente inversor es la principal etapa de conversión de potencia esta es la secuencia de conmutación de los dispositivos de potencia que controlan la dirección, la velocidad y el torque del motor. La velocidad de conmutación puede estar en el rango de 3 a 20 Khz y más. En algunas velocidades de conmutación mayores, para reducir el ruido y la vibración, se requiere reducir la amplitud de la corriente de conmutación y eliminar las pulsaciones armónicas del motor. Motor Un BDCM de dos polos con los magnetos montados sobre la superficie del motor y con un estator convencional es mostrado en la figura 11, las fases del motor son usualmente conectadas en estrellas como muestra la figura 11. Los sensores de posición del rotor se requieren para controlar las secuencias de conmutación de los dispositivos del puente. El arreglo usual tiene 3 sensores de efecto Hall, separados por 60º o 120º contados sobre la superficie del estator, cerca del entrehierro de la máquina. Cuando el estator avanza las señales de estos de estos sensores de efecto Hall son decodificadas en información acerca de la posición del rotor en orden a determinar el patrón de disparo del puente.

Controlador El puente inversor es controlado para limitar las corrientes de los dispositivos, también controlar el torque del motor, establecer la dirección y velocidad de rotación del rotor. El torque de salida se determina por la corriente promedio en cada fase cuando se energiza. La velocidad del motor es sincrónica con la forma de onda del voltaje aplicado y también se controla por la configuración de la frecuencia de conmutación del puente. La señal de realimentación de la posición del rotor deriva de los dispositivos de efecto Hall o de opto transductores .En algunos casos la salida del sensor de efecto Hall se puede usar para proporcionar una señal que es proporcional a la señal del motor (se puede usar en un controlador de lazo cerrado). El controlador también requiere una señal de realimentación de corriente. La corriente es controlada usando técnicas PWM o Control de tipo Histerético. Una corriente de referencia es comparada con la corriente de realimentación y se usa para determinar la señal de conmutación a los dispositivos de potencia principales. Otras funciones controladoras adicionales incluyen protección contra sobre tensiones, protección térmicas y controles limitadores del riple de corriente. Una etapa de potencia típica se muestra en la figura Nº 12, donde vemos también la utilización de un sistema Boostrap Vdc puede tener varios centenares de volt. Operación La operación de un sistema BCDM se explica a través de las figura 13 y 14, en cualquier instante la posición de rotor es conocida por la salida de los 3 sensores de efecto Hall montados en el entrehierro. La salida de un dispositivo de efecto Hall conmuta cada sesenta grados de rotación, esto define 6 zonas de conducción como se muestra en la figura 15. La conmutación de los dispositivos del puente se arregla para dar intervalos simétricos de 120º de corriente constante positiva y negativa en cada devanado de fase del motor. La posición de los sensores y la lógica del controlador asegura que la corriente aplicada está en fase con la emfs (Tensión) del motor para dar un máximo de torque en todo momento, durante los primeros 60º de conducción las zonas S1 y S4, están en ON y la corriente fluye a través de los devanados A y B, al final de estos 60º uno de los sensores hall cambia de estado y conmuta de S4 a S6. La secuencia de conmutación continua con el avance del motor.