22 junio 2014

Técnicas de control de motores orientado al campo



En este artículo hablamos del control de motores usando microcontroladores en control orientado al campo. Se trata de un diseño efectivo en costes que utiliza controladores inteligentes para reducir los componentes del sistema e incrementar la eficiencia. El control orientado al campo o control vectorial de motores de inducción AC o síncronos es un método de control de variadores de frecuencia variable.
Con estos dispositivos, es posible llevar a cabo un control vectorial digital más preciso como el control orientado al campo (FOC). El algoritmo de FOC mantiene la eficiencia en un amplio rango de velocidades y tiene en consideración cambios de par con fases transitorias procesando un modelo dinámico del motor.
La mayoría de los motores industriales son de inducción. Los motivos son su alta robustez, alta fiabilidad, bajos precios y alta eficiencia (hasta un 80 %) en comparación con otros tipos de motor. Sin embargo, el uso de motores de inducción es un desafío debido a su complejo modelo matemático, a su comportamiento no lineal durante la saturación y a la oscilación de los parámetros eléctricos, que depende de la influencia física de la temperatura. Estos factores hacen que el control del motor de inducción sea complejo y se requiera el uso de algoritmos de control de alto rendimiento tales como el control vectorial y un poderoso microcontrolador para ejecutar este algoritmo.
En las últimas décadas, el campo de los variadores eléctricos controlados ha sufrido una rápida expansión debido princpalmente a los beneficios de los microcontroladores. Estos movimientos tecnológicos han permitido el desarrollo de un control de variadores AC efectivo con hardware de disipación de potencia más baja y estructuras de control más exactas.
Motores de inducción
Los motores de inducción derivan su nombre de la forma como el campo magnético del rotor se crea. El campo magnético del estator rotatorio induce corrientes en el rotor cortocircuitado. Estas corrientes producen campo magnético del rotor, que interactúa con el campo magnético del estator, y producen par, que es el resultado mecánico útil de la máquina.
Los motores de inducción de corriente alterna en jaula de ardilla trifásico son los más ampliamente usados. Las barras formando los conductores a lo largo del eje del rotor se conectan por un anillo metálico en los extremos, resultando en un cortocircuito. Las corrientes de fase del estator sinusoidal alimentadas en las bobinas del estator crean un campo magnético rotatorio a la velocidad de la frecuencia del estator. El campo cambiante induce una corriente en los conductores de la jaula, lo cual origina la creación de un segundo campo magnético alrededor del devanado del rotor. Como consecuencia de las fuerzas creadas por la interacción de estos dos campos, el rotor experimenta un par y comienza a rotar en la dirección del campo del estator.
Cuando el rotor comienza a acelerar y se aproxima a la velocidad síncrona del campo magnético del estator, la velocidad relativa entre el flujo del rotor y del estator decrece, decreciendo el voltaje inducido en el estator y reduciendo la energía convertida en par. Esto causa que la producción de par caiga, y el motor alcance un estado estacionario en un punto en el que el par de carga es acoplado con el par de motor. Este punto es un equilibrio alcanzado dependiendo de la carga instantánea del motor. En resumen:
  • Debido al hecho de que el mecanismo de inducción necesita una diferencia relativa entre la velocidad del motor y la velocidad del flujo del estator, el motor de inducción rota a una frecuencia cercana, pero menor que, la de la velocidad síncrona.
  • Este deslizamiento debe estar presente, incluso cuando opera en un régimen de control orientado al campo.
  • El rotor en un motor de inducción no se excita externamente. Esto significa que no hay necesidad de anillos deslizantes y escobillas. Esto hace al motor de inducción robusto, barato y no necesita mantenimiento.
  • La producción del par es gobernado por el ángulo formado entre el rotor y el flujo magnético del estator.

Control orientado al campo
Un control simple tal como la estrategia V/Hz tiene limitaciones en el rendimiento. Para alcanzar mejor rendimiento dinámico, necesita ser aplicado un esquema de control más complejo para controlar al motor de inducción. Con la potencia de procesamiento matemático ofrecido por los controladores, pueden implementarse estrategias de control avanzadas que usan transformaciones matemáticas en orden a desacoplar la generación del par y las funciones de magnetización en un motor de inducción de corriente alterna. Tal par desacoplado y control de magnetización se llaman normalmente control orientado al flujo del motor, o simplemente FOC.
Beneficios de controladores C2000 de 32-bit para control de motores digital (DCM)
La familia C2000 de Texas Instruments tiene la potencia deseada para ejecutar algoritmos de control complejos junto con el mix correcto de periféricos para interactuar con varios componentes del hardware DMC tales como convertidores analógicos digitales (ADC), modulador de anchura de pulso realzado (ePWM), pulso de codificador de cuadratura realzado (QEP). Captura realzada (eCAP), etc.
Esta familia de controladores puede implementar fácilmente algoritmos complejos con sensores y sin sensores para el control de motores. Las mejoras que proporcionan estos controladores son:
  • Se favorece la reducción de costes para un control eficiente en todo el rango de velocidades implicando el dimensionado correcto de los circuitos del dispositivo de potencia.
  • Uso de algoritmos de control avanzado. Es posible reducir el rizado del par, resultando en una vibración más baja y un tiempo de vida del motor más largo.
  • Algoritmos de control avanzados reducen los armónicos generados por el inversor, reduciendo el coste de filtrado.
  • Uso de algoritmos sin sensores elimina la necesidad de sensores de posición o velocidad.
  • Disminución de memoria requerida.
  • Generación en tiempo real de perfiles de referencia y trayectorias de movimiento casi óptimos, dando como resultado un mejor rendimiento.
  • Proporciona un sistema de control del chip simple.

En controles avanzados, los controladores C2000 pueden también realizar lo siguiente:
  • Permiten control de sistemas complejos y multi-variables usando métodos inteligentes modernos tales como neural networks y fuzzy logic.
  • Control adaptativo. Los controladores C2000 tienen las capacidades de velocidad para concurrentemente supervisar el sistema y controlarlo. Un algoritmo de control dinámico se adapta a sí mismo en tiempo real para variaciones en el comportamiento del sistema.
  • Identificación de parámetros para algoritmos de control sin sensores, auto puesta en marcha, actualización de la estimación de los parámetros.
  • Realización de una reducción del ruido acústico y rizado del par avanzado.
  • Proporciona supervisión diagnóstico con análisis del espectro. Observando el espectro de frecuencia de vibraciones mecánicas, los modos de fallo pueden predecirse en las etapas más tempranas.
  • Produce filtros de corte afilado que eliminan la resonancia mecánica de banda estrecha.

Biblioteca de control de motor digital (DMC)
La literatura distingue dos tipos de control FOC para motores de inducción.
  • Control FOC directo: En este caso, se intenta una estimación directa del flujo del rotor basado en mediciones de los voltajes y corrientes terminales.
  • Control FOC indirecto: En este caso, el propósito es estimar el flujo del motor basándonos en el modelo del motor en condición FOC y recalculan el ángulo del flujo del motor a partir de la integración del deslizamiento estimado y velocidades del motor medidas.

Texas Instruments dispone de una biblioteca de funciones representadas como bloques. Estos bloques se categorizan como transformaciones y estimadores, cálculos del voltaje de fase, resolver, calculadores de velocidad y flujo, control, variadores de periféricos (abstracción PWM para múltiples topologías y técnicas, variadores ADC, e interfaces de sensor de motores. Cada bloque es un macro de software modula separadamente documentado con código fuente, uso, y teoría técnica.
La implementación de un sistema total de control de motores de inducción trifásicos se representa en la figura con la que abrimos este artículo. El TMS320F2803x se usan para generar seis señales de modulación de anchura de pulso usando una técnica PWM de vector espacial, para seis dispositivos de conmutación de potencia en el inversor. Dos corrientes de entrada del motor de inducción (ia e ib) se miden del inversor al TMS320F28 vía dos ADCs.
Bibliografía:

Sensored Field Oriented Control of 3-Phase Induction Motors. Texas Instruments Application Report SPRABP8-July 2013
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