Cómo disminuir la Velocidad del motor sin perder el Torque máximo

Pareces estar confundido acerca de lo que quieres. Si desea disminuir la velocidad del motor, pero aún desea un par máximo, debe aplicar potencia eléctrica nominal completa al motor y poner un freno mecánico en el motor hasta que disminuya la velocidad que desea. O bien, de alguna manera debe hacer que su motor sea menos eficiente. No creo que eso sea lo que quieres.

Piénselo de esta manera: la energía eléctrica es el producto de la corriente$I$y voltaje$E$:

La potencia mecánica es el producto del par ($\tau$, en newton-metros) y velocidad angular ($\omega$, en radianes por segundo):

Un motor es un convertidor de potencia eléctrica a mecánica. La potencia mecánica siempre es igual a la potencia eléctrica después de las pérdidas.

Además, la corriente es proporcional al par, porque cuanto más corriente se aplica, más fuerte es el campo magnético dentro del motor y la atracción entre los polos del motor se vuelve mayor.

Si las potencias mecánicas y eléctricas están correlacionadas, como lo están la corriente y el par, entonces el voltaje y la velocidad también deben estarlo. Y lo son, porque cuanto más rápido gira el rotor a través del campo del estator, mayor será la fuerza contraelectromotriz que generará. Esta es la ley de inducción de Faraday .

Entonces, si desea disminuir la velocidad, disminuya el voltaje. Si desea disminuir el par, disminuya la corriente. Si aumenta el par (por ejemplo, poniendo un freno en el motor), está aumentando el par motor. Pero si no cambia el suministro de energía eléctrica, entonces la energía mecánica tampoco cambiará. Si aumenta el par, la única forma de mantener constante la potencia mecánica es disminuir la velocidad, por lo que el motor se ralentiza.

Aquí hay un problema: a medida que aumenta el par, aumenta la corriente. Las pérdidas resistivas en el motor también aumentan, porque los devanados tienen cierta resistencia y esas pérdidas resistivas son proporcionales al cuadrado de la corriente:

Entonces, a medida que aumenta la corriente, aumentan las pérdidas resistivas, lo que hace que el motor sea un convertidor menos eficiente de energía eléctrica en energía mecánica, porque parte de esa energía eléctrica ahora genera calor. Si detiene el motor, entonces el motor alcanza una eficiencia del 0 %: la velocidad es cero, por lo que la potencia mecánica debe ser cero, pero el motor consume una tonelada de corriente y hay una caída de voltaje en la resistencia del devanado, por lo que la energía eléctrica es muy alto.

Dato interesante: si puede hacer un motor sin resistencia de devanado (u otras pérdidas) y lo conecta a una fuente de voltaje perfecta, entonces la regulación de velocidad (cuánto cambia la velocidad con el par) es perfecta. Es decir, el motor no se ralentizará si intentas detenerlo: simplemente extraerá exactamente la cantidad de corriente suficiente de la batería para seguir girando a la misma velocidad, pase lo que pase.

PWM es irrelevante para esto. El control del motor PWM es solo una forma de aplicar eficientemente al motor menos que el voltaje total de la batería. Funciona porque un motor impulsado por PWM es equivalente a un convertidor reductor . Cambiar su ciclo de trabajo PWM es equivalente a cambiar su voltaje de suministro:

El par máximo que podría tener (que obtendrá cuando el motor se detenga) está limitado por la corriente que su fuente de alimentación puede suministrar y las pérdidas en el motor, al igual que sin PWM. Su controlador PWM puede agregar un poco de resistencia al circuito, reduciendo un poco la corriente y el par, pero generalmente esto no es significativo en comparación con la resistencia de los devanados del motor.

Los motores quieren trabajar donde quieren trabajar. La mejor manera de disminuir la velocidad mientras se mantiene (de hecho, se aumenta) el par es reducirlo. Esto significa construir o comprar una transmisión. Intente buscar "caja de cambios" o "caja de cambios de hobby".

Parece que desea reducir la velocidad a la que funcionará el motor en ausencia de par aplicado, sin reducir la cantidad de par que se puede aplicar sin detener el motor. Esto puede ser bastante efectivo si puede variar su ciclo PWM en respuesta a los cambios en la velocidad real del motor. Eso, a su vez, se puede lograr midiendo la corriente promedio en el tiempo y el voltaje promedio en el tiempo a través del motor (¡asegurándose de que los promedios incluyan correctamente los momentos en que la corriente y/o el voltaje son negativos!) y estimando que la velocidad es proporcional al voltaje. menos algún múltiplo de la corriente. A medida que aumenta el par, el voltaje promedio y, por lo tanto, la relación PWM tendrá que aumentarse para compensar.

Este enfoque para accionar un motor se denomina "compensación IR", ya que está ajustando el accionamiento del motor para compensar la pérdida de voltaje debida a la resistencia del motor (la cantidad de pérdida es proporcional al producto de la corriente "I" y la resistencia "R" ). Cuando se aplica correctamente, puede funcionar muy bien. Lo único que se debe tener en cuenta es que el rendimiento de un sistema de control compensado por IR mejora a medida que el factor de compensación se acerca al valor "ideal", pero el sistema de control a menudo se volverá peligrosamente inestable si el factor de compensación excede ese valor incluso por un mínimo. un poco.

Idealmente, la velocidad del motor debe ser proporcional al voltaje, por lo que debe permanecer constante independientemente del par. Sin embargo, en realidad, al aumentar el par aumenta la corriente, lo que a su vez da como resultado más pérdidas resistivas en el motor. Como resultado, queda menos voltaje disponible para contrarrestar la FEM y la velocidad del motor cae.

El mantenimiento de la velocidad constante se puede hacer en software con un controlador PID . En el caso más simple, alimenta un controlador PI con el error entre las velocidades real y deseada. En un caso más complejo, obtiene la aceleración del motor a partir de la velocidad y la alimenta a un controlador PID además del error de velocidad.

Si no tiene un sensor de velocidad, puede estimar la velocidad a partir del voltaje y la corriente del motor: la velocidad es proporcional al voltaje del motor menos las pérdidas resistivas, que a su vez son proporcionales a la corriente:$\phi'=K_1V-K_2I$.$K_1$se puede encontrar haciendo funcionar el motor sin carga, y$K_2$se puede encontrar midiendo el voltaje y la corriente en el punto muerto.