Motor brushless - informe de investigación PDF

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Resumen En el presente trabajo se muestra el desarrollo, modelado y simulación de un motor de corriente continua. La metodología empleada comprendió la simulación de un motor de corriente continua usando ecuaciones en diferencias finitas, en el entorno de grafico de programación SIMULINK de MATLAB con nombre System Generator . Los resultados se presentan al final del trabajo mostrándose las gráficas correspondientes y se concluye que mediante esta alternativa de simulación se pudo analizar y entender el funcionamiento del motor en estudio.

1.

INTRODUCCION

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Diversos tipos de motores son utilizados en muchas aplicaciones, ya que su control es relativamente sencillo y como resultado es prioritario conocer sus funciones bajo ciertas condiciones de operación en estado estable y con carga variable, es por eso que, en nuestro alrededor hay personas que no tiene ideas claras del funcionamiento y tampoco como identificarlos, ni mucho menos como diagnosticar, previos problemas y que acción realizar, por lo tanto, es un problema no tener conocimiento de esta rama, donde estamos expuestos en un medio competitivo.

Para observar su funcionamiento y comportamiento más preciso en la actualidad existen herramientas computacionales que permiten observar propiedades físicas partiendo de ecuaciones matemáticas. JUSTIFICACION De acuerdo con el problema planteado se realiza el estudio del motor brushless, involucrando sus ecuaciones Eléctricas y Mecánicas obtendremos su circuito equivalente, además de su teoría de funcionamiento se observará su comportamiento en estado estable y a diferentes rangos de carga, utilizando Matlab. El programa Matlab es muy importante para nuestra enseñanza y formación profesional, ya que, esta herramienta es muy versátil y útil para muchas aplicaciones en nuestro entorno académico se obtendrá un resultado positivo de entendiendo a profundidad las propiedades físicas y dinámicas del motor a estudiar.

OBJETIVO El objetivo del trabajo es diseñar e implementar un modelo de simulación de un motor eléctrico y su respectivo controlador utilizando MatLab.

Analizar y comprender en comportamiento físico y dinámico del motor brushless mediante la simulación, con la ayuda de Matlab. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Comprender la teoría del motor brushless. Conseguir las ecuaciones matemáticas del motor estudiado. Simular el comportamiento del motor brushless mediante Matlab con las herramientas Simulink y comparar con los valores estandarizados. Diseñar los modelos de simulación del motor eléctrico y del controlador sobre el software MatLab. METODOLOGIA La forma en que quedó organizado el trabajo fue de la siguiente manera. En la sección uno se vio la introducción en la sección dos se verá el desarrollo teórico que girará en torno al tipo de motor eléctrico empleado, el modelo matemático que lo define, así como su representación mediante el método de diferencias finitas. En la sección 3 se verá la implementación del modelo obtenido en SIMULINK, así como su resultado. Y en la sección 4 se leerán las conclusiones, agradecimientos y referencias bibliográfica.

2.

ESTADO DEL ARTE

Los motores BLDC tienen un papel muy importante en la actualidad. Se utilizan ampliamente en diversos campos: la industria del automóvil, la industria aeroespacial, la comunicación, la tecnología médica, la automatización industrial o la robótica. Estas aplicaciones van evolucionando rápidamente, exigiendo motores con ciclos de vida más largos, mayores rendimientos, con interferencias electromagnéticas cada vez más reducidas y que estos sistemas sean flexibles, pudiéndose adaptar con facilidad a la evolución que se pueda producir en el mercado.

Todo ello de manera que resulte relativamente económica, intentando reducir al máximo los costes. Los motores BLDC permiten cubrir estas necesidades, presentando una alta fiabilidad y eficiencia.

En este trabajo se llevará a cabo un estudio de este tipo de motores y el desarrollo, en base a este estudio, de una parte, esencial de los mismos: el controlador. Al contrario que los motores CC con escobillas, todo motor BLDC requiere de conmutación electrónica, la cual lleva a cabo, usando la realimentación de la posición del rotor para determinar cuándo conmutar la corriente.

Para conocer los aspectos necesarios para desarrollar este proyecto resulta útil conocer el estado del arte del motor CC sin escobillas y del controlador

del mismo. Existen numerosos libros que tratan el funcionamiento, materiales, componentes, características y parámetros que los definen.

En Chang Xia, 2012 hace una introducción avanzada a la simulación y la implementación de hardware de los motores BLDC. Una referencia exhaustiva sobre la simulación y la implementación de hardware de las unidades de motor BLDC, este libro cubre los avances recientes en el control de unidades de motor BLDC, incluido el control inteligente, el control sin sensores, la reducción de la ondulación de par y la implementación de hardware. Con la guía del equipo de autores expertos, los lectores comprenderán el principio, el modelado, el diseño y el control de las unidades de motor BLDC. También se presentan los métodos de control avanzados y los nuevos logros de las unidades de motor BLDC, de interés para lectores más avanzados. Se enfoca en el control de motores de corriente continua sin escobillas PM, brindando a los lectores los fundamentos del tema sobre el que pueden construir a través de lecturas más avanzada[ CITATION xia12 \l 3082 ].

Stephen J, 2012 nos describe una introducción a los principios de las máquinas, control de velocidad del motor de inducción mediante el cambio de polos, control de velocidad mediante el cambio en la frecuencia de la línea, control de velocidad mediante el cambio del voltaje de línea, control de velocidad mediante el cambio de la resistencia del rotor, problemas en el arranque de motores de cd y circuitos de arranque de los motores de cd[ CITATION Ste12 \l 3082 ].

En Hyun, 2007 trata el diseño y análisis de un controlador para el seguimiento de la velocidad de un motor síncrono de imán permanente, que tendrá aplicación en los vehículos eléctricos. En concreto se considera un controlador sin sensores, lo que implica un control vectorial sin sensores de posición del rotor. Las teorías expuestas consideran la minimización de pérdidas, por medio del control, y presentan resultados analíticos que pueden resultar una herramienta muy útil a la hora de diseñar sistemas de control para máquinas eléctricas de imán permanente[ CITATION hyu07 \l 3082 ].

En Ying 2006 describe un modelo matemático de motores CC sin escobillas de imán permanente en el marco de referencia abc. Se proporciona una simulación por ordenador del accionamiento del motor utilizando el software LabView. La simulación se utiliza convenientemente para para estudiar el rendimiento dinámico o en estado estacionario de los controladores de estos motores, ya sea control trapezoidal o sinusoidal, en diferentes condiciones de funcionamiento[ CITATION Yin06 \l 3082 ]

Por otro lado, en Gieras, 2004 se muestra la tecnología existente en los materiales de construcción de motores de imán permanente, se presenta un estudio exhaustivo de todas las máquinas que cuentan con un rotor de esta naturaleza[ CITATION Gie04 \l 3082 ].

En Krause, 2002 se presentan los principios básicos de las máquinas eléctricas. Se profundiza en el estudio en estado estacionario del motor, desarrollándose las ecuaciones en los diferentes marcos de referencia. Y, además, trata todas las ecuaciones que definen a los motores brushless, así como las diferentes tipologías de control del mismo[ CITATION Kra02 \l 3082 ].

Además, se han desarrollado numerosos artículos y tesis sobres los motores brushless. Algunas están enfocadas a alguna aplicación en concreto, como Molinero, O. 2014 diseña un circuito de control y potencia para el convertidor de corriente continua implementado en una bicicleta eléctrica[ CITATION Mol14 \l 3082 ].

Meza F, 2015 desarrolla simulaciones en el programa Matlab con la herramienta Simulink junto con Guide, previo a las formulas del circuito eléctrico y circuito dinámico obtenidos del motor de corriente continua conexión independiente[ CITATION Mez15 \l 3082 ].

O Moscat, A. 2014, que desarrolla un controlador de presión de combustible basado en bombas trifásicas sin escobillas[ CITATION Mos04 \l 3082 ]. Garcia, M. 2011 refiere al control de actuadores basados en motores DC brushless (BLDC Motors) empleando el sistema de hardware embebido CompactRIO y programación LabVIEW de National Instruments[ CITATION Gar11 \l 3082 ]. Beltrán, A., Rumbo, J & Azcaray, H. 2019, presenta los resultados obtenidos en simulación y control de un motor de inducción trifásico (MTI) utilizando MATLAB/Simulink. El análisis comprende el estudio de la respuesta transitoria del MTI en lazo abierto y en lazo cerrado utilizando dos tipos de controladores[CITATION Bel19 \l 3082 ]. Otras, se centran exclusivamente en el estudio, diseño, simulación y posterior análisis, de un sistema de control para motores BLDC. Hernández, V. 2015 describe Con las aplicaciones y utilidades de los motores brushless, se implementó un brazo robótico controlado mediante el PC, es decir se diseñó un sistema de simulación de vuelo. Para ello en una base se montó el brazo robótico, construido de acrílico, en el que se colocó el motor brushless con la hélice y se conectó al módulo M.E.I&T04, que es el que permite la comunicación con el PC, desde el PC, mediante el software de programación LABVIEW, se envían las señales o voltajes al brazo; con las

pruebas realizadas se detectó las falencias, especialmente en la parte de estabilización, ya que, para poder realizar el vuelo y fijarlo en el dato “coordenadas” que el usuario escoge existe una inestabilidad durante el tiempo de un minuto y medio hasta alcanzar la estabilización con un flujo de velocidad constante[ CITATION Her15 \l 3082 ]. Jimbo, E. 2015, desarrolla características de un motor eléctrico BLDC utilizando una bicicleta eléctrica tomando como punto de inicio los conocimientos teóricos y fundamentales del mismo, así como los distintos tipos de algoritmos de control utilizando que es de un tipo trapezoidal, el mismo que necesita una señal de referencia de la posición del rotar la misma que es utilizada para conmutación de la bobinas en forma secuencial, el microcontrolador determina la secuencia de conmutación y adecuado ancho de pulso que es aplicado en los transistores para lograr un correcto funcionamiento del motor[ CITATION Jim15 \l 3082 ]. Pascual, A. 2019 explica los principios físicos sobre los que se basa el motor eléctrico, así como las principales características de los principales tipos de motores que se implementan en el mercado, haciendo hincapié en las ventajas del motor brushless y su funcionamiento estudiando diferentes tipos de motores eléctricos más comunes[ CITATION Pas19 \l 3082 ].

Baldursson, S. 2005, tras definir los principios básicos por los que se rige un motor BLDC, determina el modelo matemático y procede a su simulación. En las simulaciones posteriores lleva a cabo diferentes técnicas de control, utilizando el software de simulación Matlab[ CITATION Bal05 \l 3082 ]. Sanjuan, Flores, Mendoza, & Tlaxcaltecatl, (2018) presentan su trabajo “Un control basado en la pasividad sin sensores para PMSM”. Este documento presenta un diseño de controlador sin sensores para acelerar el problema de seguimiento de un motor síncrono de imán permanente (PMSM). La técnica de la pasividad requiere conocer el par de carga, esto se estima con un observador de estado extendido de orden reducido, un observador tradicional de orden reducido y un estimador algebraico en línea. La velocidad y la posición del rotor se estiman utilizando las corrientes y los voltajes del motor, evitando el sensor del rotor. La eficiencia del controlador se ilustra con los resultados de la simulación con Matlab-Simulink / PSIM[ CITATION San18 \l 3082 ].

Abassi, Khlaief, Saadaoui, Chaari, & Boussak, 2017 presentan su trabajo “Análisis de rendimiento de unidades PMSM DTC bajo falla del inversor”. Este artículo presenta una investigación de un control de par directo (Direct Torque Control, DTC) tolerante a fallas del inversor del motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) con pérdida de una fase. En caso de un inversor defectuoso, es necesario un funcionamiento continuo y, por lo tanto, una interrupción del accionamiento PMSM es inaceptable. La idea básica de este trabajo consiste en analizar el rendimiento de un inversor de tres fases y dos fases con alimentación PMSM alimentada por inversor utilizando la técnica DTC. Los resultados de la simulación muestran que el

PMSM alimentado con inversor de dos fases puede operar de manera constante bajo el enfoque de DTC propuesto[ CITATION Aba17 \l 3082 ].

Una vez hecho el contacto con el mundo de los motores eléctricos de CC sin escobillas y adquirir los conocimientos básicos, debemos centrarnos en el objeto de este trabajo: la simulación de un sistema de control para motores BLDC. Para simular el modelo del motor y de su controlador, usaremos la herramienta de simulación Matlab es un software para análisis numérico, visualización, optimización, análisis estadístico, diseño y análisis de sistemas dinámicos.

Nos serviremos de su herramienta simulink, la cual permite una interfaz gráfica para el diseño de modelos. Una vez hecho el modelo del motor, podremos verificarlo mediante los parámetros tomados de datasheets de diferentes fabricantes de motores. En este proyecto utilizaremos principalmente motores eléctricos (BLDC). Para ir profundizando en los ensayos e ir familiarizándonos con las técnicas de control nos serán de utilidad los catálogos y manuales de componentes de determinadas empresas. Así entenderemos mejor el funcionamiento de toda la electrónica del motor y podremos desarrollar a continuación nuestro propio controlador, aplicando la técnica de control trapezoidal

3.

MARCO TEÓRICO

3.1

Introducción a los motores sin escobillas

Se denomina motor Brushless a aquellos motores eléctricos que carecen de escobillas o de algún sistema de conmutación mecánica que realice una función similar a éstas. Las escobillas son unas piezas metálicas de pequeño tamaño que permanecen en contacto con los devanados del rotor, de tal forma que a medida que se produce el giro del motor permiten cambiar la polaridad de los devanados de una manera mecánica. Los primeros prototipos de motores sin escobillas comenzaron a surgir durante el siglo XIX, sin embargo, en aquel momento no tuvieron éxito debido a la mala calidad de los imanes permanentes. No fue hasta finales de la década de 1950 cuando este tipo de motores empezaron a ser comercializados a gran escala, aproximadamente un siglo más tarde que los motores convencionales con escobillas A pesar del amplio retraso inicial con el que partían, los motores Brushless sufrieron una rápida evolución desde entonces, provocada en gran parte por el gran desarrollo de los materiales magnéticos, de los controladores y de las técnicas de control. 3.2 Motor brushless

Brushless equivale a decir "sin escobillas", las mismas que son elementos que sirven para hacer contacto entre el colector del motor común. Los motores de DC pequeños, son fabricados de una aleación de cobre y en motores grandes están compuesto a base de carbón[ CITATION Her15 \l 3082 ].

Figura 3.¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..1 Vista de un motor Brushless Fuente: E-radiocontrol.com.ar Motores Brushless.

Los motores brushless no poseen colector ni tampoco escobillas o carbones. Por lo que incluso en vez de funcionar en corriente directa estos funcionan con corriente alterna, casi todos se alimentan con señales trifásicas, estas señales deben ser del tipo de onda sinusoidal, pero no es así ya que funcionan con pulsos, haciendo que dicha señal utilizada sea una continua pulsante sin embargo se clasifica como de corriente continua porque poseen imanes permanentes como los motores comunes los poseen.

Los imanes se atraen por la polaridad que existe en el campo magnético y que son generados en las bobinas, estas reciben los pulsos de un patrón en especial. Si se desea girar más rápido el motor, solo se hace girar el campo magnético de manera secuencial a una mayor velocidad. O también se puede aumentar la frecuencia que está en los pulsos.

Si a un motor eléctrico común se le aumenta una tensión en los terminales, se observará que existe un aumento en la velocidad, pero aumentará la corriente de consumo. En los brushless tanto la corriente, así como la velocidad son independientes.

La regulación de la velocidad será la que se encargue de suministrar la cantidad de corriente necesaria para un determinado número de revoluciones por minuto RPM. Si se alimenta con bastante corriente, esto quiere decir que estamos desperdiciando parte de la capacidad que posee la batería ya que esa corriente no es aprovechada, si en cambio, se alimenta con muy poca cantidad de corriente, el pulso de EMF es considerablemente mayor al pulso que se tiene en la alimentación por lo que el motor eventualmente se detendrá.

Figura 3.¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..2 Bobinas internas del motor brushless. Fuente: Quadruino.com. Motores-brushless.

El motor brushless es un tipo de máquina eléctrica de imán permanente con conmutación electrónica de las bobinas (campo electromagnético) Los imanes se ubican en el rotor y las bobinas de excitación en el estator. Se conocen bajo las siglas BLDC o PMSM dependiendo del tipo de señal que se usa para la conmutación de las bobinas. Lo innovador del motor es el cambio radical de funcionamiento que tiene en relación de los motores de corriente directa DC en la que se tiene un estator y un rotor. El motor brushless también lo posee, pero aquí el bobinado permanece estático y la "carcasa" exterior es la que gira.

Estos motores poseen un muy alto rendimiento en referencia a su bajo peso. Por lo que no tiene casi nada de desgaste.

El principal inconveniente de este motor es que no trabaja con corriente directa ya que su funcionamiento es en señales alternas trifásicas. Para ello se utiliza un ESC (Electronic Speed Controller), es la placa de acoplamiento que utiliza un conjunto de circuitos integrados que transforma las señales digitales directas del PWM de continua y estas a su vez son transformadas en las señales alternas trifásicas que se necesita para el motor[ CITATION Her15 \l 3082 ].

Los increíbles Motores Brushless marcan la diferencia: en si los Motores Brushless son más caros que los motores con escobillas usan materiales de aleaciones más complejas y la fabricación de los mismos es mucho más precisa que la de los motores normales.

La gran diferencia es que los motores brushless no ofrecen rozamiento al girar ya que no disponen de escobillas, es por ello que se calientan mucho

menos hasta un 60% menos que los motores normales y al no transformar la energía de la batería en calor consumen mucho menos girando a un régimen de revoluciones mucho más alto, al no ofrecer rozamiento alguno no hay resistencia y la vida de estos motores puede incluso duplicarse a la de un motor normal.

Los motores normales derrochan hasta el 52% de la energía de la batería en forma de calor debido al rozamiento esta energía se pierde con lo cual no es transmitida a las ruedas, esto no ocurre con los motores brushless por lo que pueden también hasta duplicar el régimen de revoluciones con el mismo tipo de batería y variador.

En la actualidad se usan los motores brushless, o trifásicos. Los mismos que son muy superiores en: relación a la potencia y al peso (menor tamaño con una buena potencia) y eficacia. Por lo que implica que la cantidad de energía eléctrica transform...