¿Qué hace realmente cambiar el acelerador a un BLDC ESC?

Antecedentes : entiendo cómo funciona el protocolo PWM estándar de 50 Hz para la electrónica de pasatiempos: variar el tiempo de encendido de aproximadamente 0,5 ms a 2,5 ms acelerará un actuador de aproximadamente 0% a 100% gracias a los controladores integrados dentro de los servos o controladores de velocidad electrónicos (ESC) conectado en serie a un motor.

En el contexto de un motor BLDC, entiendo que el ESC genera un voltaje trapezoidal a 2/3 fases del motor. El ESC busca el punto de cruce por cero de la EMF posterior en la tercera fase para energizar el siguiente par de fases con un cable incorporado (30 grados IIRC).

No entiendo cómo actúa el controlador electrónico de velocidad (ESC) sobre estos comandos del acelerador.

Mis preguntas :

  1. ¿Cambiar el acelerador cambia la duración de los trapecios? Usando un multímetro estándar, medí el voltaje RMS y la corriente entre un ESC/motor funcionando a ~50% y ~75% de aceleración. Sé que el medidor probablemente no está clasificado para frecuencias tan altas, pero confío en el hecho de que las lecturas de RMS aumentaron del 50 % al 75 % del acelerador. Esto sugiere que el ESC está modulando la duración del trapecio de voltaje de entrada al motor, ya que el valor de voltaje máximo lo fija la batería (a menos que el ESC también module eso de alguna manera). Tenga en cuenta que me acabo de dar cuenta de que puedo probar esto con un osciloscopio. ¡Haré esto mañana!

  2. ¿Cómo mantiene el ESC el factor de potencia unitario? ¿/Cómo controla también la corriente? Supongo que apunta a PF = 1 ya que esto maximiza el par.

  3. ¿Cambiar el ajuste del acelerador por debajo de cierto punto cambia la k t de un motor? El segundo gráfico vinculado a continuación compara el cambio de voltaje de entrada al 100% del acelerador con el cambio del acelerador a voltaje constante. Entiendo que la disminución del voltaje de entrada ( el voltaje RMS de entrada sería correcto, ¿sí?) desplaza la curva de par-velocidad hacia abajo y hacia la izquierda, pero ¿por qué la respuesta del par-velocidad también comienza a "caer" en ajustes de aceleración más bajos? Reorganizando el modelo equivalente de CC para el par en función de la velocidad, T = [ V k t − k t 2 ω ] / R , la única forma en que la pendiente puede cambiar es si k t o R cambio.

  4. Ligeramente sin relación con los motores BLDC de hobby, pero ¿los BLAC similares impulsados ​​sinusoidalmente (también conocidos como PMSM) energizan las 3 fases a la vez? Si es así, entonces uno no puede conducir sinusoidalmente un motor BLAC con control sin sensor basado en mediciones de EMF, ¿correcto?

efectos de voltaje vs acelerador

Gráficos del informe técnico ARL 6389 .

Respuestas (3)

¿Cambiar el acelerador cambia la duración de los trapecios?

No directamente. La duración de los 'trapezoides' está determinada por la conmutación, que está sincronizada con la posición del rotor. El motor girará a la velocidad que desee, determinada por el voltaje aplicado y la carga de torsión. El controlador debe responder a esto conmutando a la misma velocidad y fase.

El acelerador controla el voltaje efectivo del motor aplicando alta frecuencia 0-100 % PWM, por lo que se podría decir que afecta indirectamente el tiempo de conmutación porque la velocidad del motor es proporcional al voltaje aplicado. Sin embargo, la velocidad del motor también se ve afectada por la carga, que puede variar independientemente del nivel de aceleración.

¿Cómo mantiene el ESC el factor de potencia unitario?

El ESC puede ajustar el tiempo de conmutación para compensar la corriente retrasada causada por la inductancia del devanado. Algunos ESC lo hacen automáticamente, otros tienen ajustes de avance de tiempo fijos. Con tiempo fijo, el factor de potencia unitario rara vez se logra, y la mejor configuración suele ser un compromiso entre potencia y eficiencia.

¿Cambiar la configuración del acelerador por debajo de cierto punto cambia el kt de un motor?

El controlador se basa en la inductancia del devanado para suavizar la corriente. Sin embargo, en la mayoría de los ESC, la frecuencia PWM apenas es lo suficientemente alta como para mantener un flujo de corriente continuo. A medida que se baja el acelerador (y se reduce la relación PWM), la ondulación de la corriente aumenta hasta que la forma de onda de la corriente se convierte en un diente de sierra discontinuo. Dado que el par es proporcional a la corriente promedio, esto reduce la constante de par efectiva. Con una carga más alta, la corriente se vuelve más suave, por lo que la constante de par efectiva aumenta, lo que hace que la curva de par/rpm se vuelva no lineal.

¿Los BLAC similares impulsados ​​sinusoidalmente (también conocidos como PMSM) energizan las 3 fases a la vez?

Sí o no, según el controlador. No existe una diferencia fundamental entre BLDC y PMSM. Es posible alimentar un motor BLDC con CA trifásica, pero con las 3 fases alimentadas continuamente, no puede extraer la fuerza contraelectromotriz para la detección de cruce por cero. Sin embargo, el PWM se puede modular para dar forma a las formas de onda trapezoidales en un perfil de "silla de montar", que se convierte en una onda sinusoidal cuando se combinan las dos fases activadas.

Cómo controlar sinusoidalmente motores de CC trifásicos sin escobillas

¿Podría revisar mi último comentario a jms con respecto a mi primera pregunta? Re: factor de potencia, este es el FP entre el Vdc aplicado y el motor I, ¿sí? El PF entre EMF posterior (E) e I es 0 grados, ¿verdad? ¿O el ESC se equilibra entre 0 grados E/I PF y Vdc/I? Me parece recordar que 0 PF de Vdc/I produce un PF distinto de cero de E/I, lo que reduce la potencia de salida.
Con respecto a ESC y kt: ¡creo que lo entiendo! En las 2 gráficas que publiqué originalmente, reducir el voltaje (¿voltaje de entrada ESC? ¿salida RMS ESC al motor? no está claro en el papel) al 100% del acelerador produjo un rendimiento más lineal que disminuir el acelerador a voltaje constante. Esto se debe a que la disminución de la aceleración acorta el T-ON para pulsos de alta frecuencia que constituyen la aparente "parte superior plana" del voltaje trapezoidal visto por la fase del motor. Este T-ON más corto provoca una corriente discontinua que degrada el rendimiento del motor. la disminución de Vdc al 100% del acelerador en realidad reduce el Vp de los pulsos/trapecio de salida del ESC
Además, ¿podría resolver este problema de disconformidad? actual colocando un convertidor reductor (cuya relación de trabajo = relación de aceleración) antes de un ESC que funcione al 100% de aceleración? De esa manera, al disminuir la aceleración, disminuiría el voltaje promedio que ingresa al ESC y, por lo tanto, se mantendría constante. corriente en la carga (motor).
"¿Podría resolver este problema de la corriente de descuento colocando un convertidor reductor (cuya relación de trabajo = relación de aceleración) antes de un ESC que funcione al 100% de aceleración?" - Sí, algo así. Mueve el problema al convertidor reductor, donde podría ser más fácil de tratar. Sin embargo, el convertidor reductor tiene que manejar toda la potencia del motor con alta eficiencia, por lo que puede ser más grande y tener más componentes que el propio controlador BLDC. En aplicaciones típicas de 'hobby', el tamaño, el peso y el costo son más importantes que lograr la mayor eficiencia posible a baja aceleración.
Bien, eso tiene sentido. Tengo curiosidad por saber dónde está el punto de equilibrio si necesita una alta eficiencia con poca aceleración (o incluso si existe). ¿Es correcta mi comprensión de su respuesta anterior?
"este es el FP entre el Vdc aplicado y el motor I, ¿sí?" - No. El factor de potencia relaciona la corriente CA con el voltaje CA. En el lado de CC, el 'factor de potencia' siempre es 1 porque la corriente está en fase con el voltaje.
"Tengo curiosidad por saber dónde está el punto de equilibrio": depende de muchos factores, y un controlador bien diseñado con PWM de alta frecuencia y rectificación síncrona puede hacer que la diferencia sea lo suficientemente pequeña como para ignorarla en la mayoría de las aplicaciones. ejemplo _
"FP entre el Vdc aplicado y el motor I": lo siento, me refería al FP entre el voltaje del variador y la corriente del motor. Creo que este PF sería distinto de cero. Tienes razón, en el lado de DC PF = 1.
Buen post y referencias. || re "... pero con las 3 fases alimentadas continuamente, no puede extraer la fuerza contraelectromotriz para la detección de cruce por cero. ..." -> Me imagino que un maestro ascendido podría hacerlo. Por ejemplo, el último VESC ESC (V6.x) tiene monitoreo actual en las 3 fases (aunque se indicó anteriormente que, en teoría, solo necesita monitorear 2 como deberían [hacer] suma cero en general). Con un procesamiento arcano adecuado, debería poder determinar qué corrientes "debería" obtener y qué está obteniendo y derivar las contribuciones de fem incluso mientras conduce PWM. [!!!!!!!!!!!!!] . Creo :-).
@BruceAbbott ¡Sigue a tghis y haz lo que hace! :-). Flux Observer-Based Sensorless Field-Oriented Control de motores síncronos de imanes permanentes de superficie - s3.amazonaws.com/scolton-www/motordrive/…
Siga esto y sabrá todo lo relevante :-) - quizás. CONTROL ORIENTADO AL CAMPO SIN SENSORES DE MOTORES SÍNCRONOS DE IMÁN PERMANENTE SIN ESCOBILLAS - krex.k-state.edu/dspace/bitstream/handle/2097/1507/…

En un ESC sin sensor estándar, cambiar el comando del acelerador cambia su ciclo de trabajo PWM de salida y, por lo tanto, el voltaje medio entregado al motor. Por lo general, 1 mS corresponde al 0 % o voltaje cero, y 2 mS corresponde al 100 % o voltaje total.

El ESC continúa conmutando automáticamente el motor a medida que gira, utilizando la detección de voltaje cero en la fase sin energía. Obviamente, detectar esto mientras se aplica PWM a las otras dos fases requiere cuidado, para evitar ser molesto por los transitorios de conmutación.

A medida que varía el voltaje medio, también varía la velocidad. El motor extrae tanta corriente como necesita del ESC para mantener su velocidad.

"En un ESC estándar sin sensor, cambiar el comando del acelerador cambia su ciclo de trabajo PWM de salida y, por lo tanto, el voltaje medio entregado al motor". ¿Significa eso que el ESC está variando la duración de los pulsos trapezoidales?
@techSultan No, esa cita no implica eso. Significa que cuando el ESC está conduciendo una fase determinada, no le aplica el voltaje completo de la batería. En cambio, aplica un voltaje promedio proporcional a la entrada del acelerador comandada al cambiar rápidamente esa fase entre tierra y el riel de suministro positivo (PWM). Si bien el ESC también controla qué fase se impulsa en un momento dado de las tres ("la duración de los pulsos trapezoidales") , eso se hace sobre la base de la posición detectada del rotor y no tiene nada que ver con el señal del acelerador.
@jms Ok, entiendo que el tiempo de activación de la fase es puramente una función de la posición. Creo que no entiendo bien la forma del voltaje aplicado. ¿Un ESC aplica un voltaje de onda cuadrada PWM o un voltaje trapezoidal?
@jms Creo que lo entiendo. El ESC impulsa una fase del motor utilizando un voltaje trapezoidal de valor variable de "pico medio" como lo ve la fase: el trapezoide (en cientos de Hz según la velocidad del motor) es en realidad una secuencia de pulsos (¿en kHz?) de variable relación de trabajo (ver aquí ). Dada una configuración de aceleración más alta, el ESC "aumentará" a una relación de trabajo más alta para la parte superior plana del trapezoide. Por ejemplo, buscar el 100 % de la aceleración producirá trapecios con un valor máximo de Vdc en la parte superior plana como lo ve el motor (que no está viendo los pulsos más pequeños dentro del trapezoide). ¿Sí?

Separación de funciones.
1) El ESC ve los pulsos de servo entrantes y decodifica su ancho a un valor que describe la velocidad deseada (generalmente de 0 a 100%).

2) Esto se traduce en un ciclo de trabajo de PWM deseado (0 a 100 %) a la velocidad de PWM, que no está relacionado con las formas de onda del accionamiento del motor trapezoidal y, por lo general, mucho más rápido.

3) Los detalles variarán entre sensored y sensorless y cómo funciona el arranque suave, pero cuando se ejecuta, el ESC monitorea la posición del rotor (ya sea a través de sensores o EMF posterior) y genera los pulsos trapezoidales siguiendo esa indicación de posición NO el ancho de pulso PWM.

Por lo tanto, a medida que aumenta el acelerador, el voltaje medio entregado al motor aumenta (al aumentar el % de PWM), pero los pulsos trapezoidales no cambian. Si ese voltaje permite que el motor y su carga se aceleren, solo entonces la detección de posición cambiará los tiempos de pulso trapezoidal.

Entonces, la respuesta es: sí, los pulsos trapezoidales cambiarán, pero no directamente o inmediatamente después de un cambio de entrada.

Creo que entiendo la sutil diferencia entre las 2 señales PWM que interactúan con el ESC (ver mis últimos comentarios en cada una de las respuestas anteriores). Mi pregunta para usted es, ¿cuál es la frecuencia de salida PWM del ESC? 10kHz? 40kHz? He visto números por todas partes en los sitios de Hobby.
Sea lo que sea que hagan, solo tiene que ser mucho más rápido que la frecuencia de conmutación.
¿Qué hace realmente cambiar el acelerador a un BLDC ESC?
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