Control vectorial del par motor de un motor brushless

Abstract

[ES] Hoy en día los motores brushless -BLDC- se encuentran presentes en diferentes ámbitos como en la industria automóvil, la robótica, instrumentos médicos, vehículos eléctricos, etc. Esto se debe a la gran cantidad de ventajas que presentan frente a otro tipo de motores, como los DC con escobillas o los motores de inducción, como por ejemplo su alta eficiencia, mayor rango de velocidad, o su mayor vida útil, por enumerar algunos. Sin embargo, tienen la principal desventaja de ser más costosos, ya que requieren del uso de un inversor trifásico para su control. Idealmente, un BLDC motor presenta una fuerza contraelectromotriz trapezoidal y una fuente de tensión constante. Por lo tanto, en teoría, la corriente generada por la fuente debe de aumentar instantáneamente a un estado estable, en el motor, y producir un par motor sin rizado. Sin embargo, en la práctica las características de la corriente difieren del caso ideal, ya que la corriente está influenciada por la resistencia y la inductancia del bobinado del motor, y por lo tanto no puede alcanzar un estado estable de forma instantánea. En consecuencia, se genera una corriente de rizado que afecta directamente al par motor. Para solucionar este problema se ha planteado para este trabajo de fin de grado usar el método de control vectorial del par motor, que también es conocido como Control de Campo Orientado, FOC. Cuyo objetivo es controlar el par motor y a su vez la velocidad del motor. Para ello, se va a diseñar un circuito de control en lazo cerrado que estará formado por una etapa de control, y otra de medición, los cuales permitirán disminuir el rizado del par motor y en consecuencia aumentar el rendimiento del motor.

[EN] Nowadays brushless motors -BLDC- are present in different areas such as in the automobile industry, robotics, medical instruments, electric vehicles, etc. This is due to the large number of advantages they have compared to other types of engines, such as brushed DC or induction motors, for example its high efficiency, greater speed range, or longer service life, to list a few. However, they have the main disadvantage of being more expensive, since they require the use of a three-phase inverter.

Ideally, a BLDC motor exhibits a trapezoidal back EMF and a constant voltage source. Therefore, in theory, the current generated by the source should instantly rise to a steady state, in the motor, and produce a torque motor without any ripple. However, in practice the characteristics of the current differ from the ideal case, since the current is influenced by the resistance and inductance of the motor winding, and therefore cannot reach a steady state instantly. Consequently, a ripple current is generated that directly affects the engine torque.

To solve this problem, it has been proposed for this final degree project to use the vector control method to control the motor torque, which is also known as Field Oriented Control, FOC. The objective of this method is to control the motor torque and in turn the motor speed. To do this, we are going to design a closed-loop control circuit that will consist of a control stage with a feedback, which will reduce the ripple of the motor torque and consequently increase engine performance.

[CA] Hui dia els motors brushless -BLDC- es troben presents en diferents àmbits com en la indústria automòbil, la robòtica, instruments mèdics, vehicles elèctrics, etc. Això es deu a la gran quantitat d'avantatges que presenten en comparació amb altres tipus de motors, com els DC amb escombretes o els motors d'inducció, com per exemple la seua alta eficiència, major rang de velocitat, o la seua major vida útil, per enumerar alguns. No obstant això, tenen el principal desavantatge de ser més costosos, ja que requereixen de l'ús d'un inversor trifàsic per al seu control. Idealment, un BLDC motor presenta una força contraelectromotriu trapezoidal i una font de tensió constant. Per tant, en teoria, el corrent generat per la font ha d'augmentar instantàniament a un estat estable, en el motor, i produir un parell motor sense arrissat. No obstant això, en la pràctica les característiques del corrent difereixen del cas ideal, ja que el corrent està influenciat per la resistència i la inductància del bobinatge del motor, i per tant no pot aconseguir un estat estable de manera instantània. En conseqüència, es genera un corrent d'arrissat que afecta directament el parell motor. Per a solucionar aquest problema s'ha plantejat per a aquest treball de fi de grau usar el mètode de control vectorial del parell motor, que també és conegut com a Control de Camp Orientat, FOC. L'objectiu del qual és controlar el parell motor i al seu torn la velocitat del motor. Per a això, es dissenyarà un circuit de control en llaç tancat que estarà format per una etapa de control, i una altra de mesurament, els quals permetran disminuir l'arrissat del parell motor i en conseqüència augmentar el rendiment del motor.