Cómo diseñar un controlador de bomba de agua PMSM controlado por FOC

1. Comprensión de las características motoras

• Parámetros del motor:

  • En primer lugar, es necesario comprender claramente los diversos parámetros del motor PMSM utilizado, incluidos la potencia nominal, la velocidad nominal, el par nominal, la resistencia del estator, la inductancia del estator, el enlace de flujo del imán permanente, los pares de polos, etc. Estos parámetros son cruciales para el diseño posterior del sistema de accionamiento y la selección de algoritmos de control.

  • Por ejemplo, se pueden seleccionar dispositivos de potencia adecuados en función de la potencia nominal y la velocidad del motor, y se puede calcular la frecuencia eléctrica del motor en función de los pares de polos y la velocidad nominal del motor, a fin de seleccionar un chip de control y una frecuencia de accionamiento adecuados.

2. Selección de dispositivos de potencia

• Tipos de tubos de conmutación:

  • Los transistores IGBT (transistores bipolares de puerta aislada) o MOSFET (transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico) se utilizan habitualmente como tubo de conmutación principal. Para el accionamiento de motores PMSM de bombas de agua de pequeña y mediana potencia, los MOSFET son más populares debido a su alta velocidad de conmutación y baja resistencia de encendido. Para aplicaciones de alta potencia, los IGBT pueden ser más adecuados, ya que soportan tensiones y corrientes más altas, pero su velocidad de conmutación es relativamente menor.

  • Los dispositivos de potencia deben seleccionarse según la tensión y la corriente nominales del motor, considerando un cierto margen. Generalmente, la tensión nominal del dispositivo seleccionado debe ser de 1,5 a 2 veces la tensión nominal del motor, y la corriente nominal, de 1,2 a 1,5 veces la corriente nominal del motor.

• Diseño de disipación de calor:

  • Durante el funcionamiento de los dispositivos de potencia se genera una gran cantidad de calor, por lo que se requiere un buen diseño de disipación térmica. Se pueden utilizar disipadores de calor, refrigeración por aire o por agua. En sistemas de accionamiento de alta densidad de potencia, puede ser necesaria la refrigeración por agua para garantizar que la temperatura de unión de los dispositivos de potencia no supere su temperatura nominal, evitando así la degradación del rendimiento o incluso daños por sobrecalentamiento.

3. Diseño del circuito de accionamiento

• Voltaje y corriente de accionamiento:

  • El circuito de control debe proporcionar suficiente voltaje y corriente para garantizar la conducción y el apagado rápidos y fiables de los dispositivos de potencia. Generalmente, los IGBT requieren un voltaje de control de entre 15 V y 20 V, mientras que los MOSFET pueden requerir un voltaje de control de entre 5 V y 15 V, según el modelo.

  • El circuito de accionamiento debe ser capaz de proporcionar una corriente pico lo suficientemente grande para garantizar que los dispositivos de potencia se enciendan o apaguen completamente en un período breve para reducir las pérdidas de conmutación.

• Aislamiento:

  • Para garantizar el aislamiento eléctrico entre el circuito de control y el circuito de potencia, evitar interferencias y garantizar la seguridad, el circuito de accionamiento suele necesitar técnicas de aislamiento, como el aislamiento por optoacoplador o el aislamiento magnético. El circuito de aislamiento por optoacoplador es sencillo, pero presenta retrasos de transmisión y limitaciones de ancho de banda; el aislamiento magnético (como el aislamiento por transformador) puede lograr una mayor velocidad de transmisión y respuesta en frecuencia, pero su coste puede ser mayor.

4. Estrategia de control

• Control orientado al campo (FOC):

  • El control de campo (FOC) es una de las estrategias de control más utilizadas para motores PMSM. Descompone la corriente del estator en un componente de corriente de par y un componente de corriente de campo, y logra un control preciso del motor mediante el control de estos dos componentes. En el control de campo, se utilizan transformaciones de rotación (como la transformación de Clark y la transformación de Park) para convertir la corriente en el sistema de coordenadas estacionario trifásico en la corriente en el sistema de coordenadas rotatorio para un control más cómodo.

  • La transformación de coordenadas debe implementarse con precisión de acuerdo con los parámetros del motor, y la corriente de torque y la corriente de campo deben controlarse mediante controladores PI a través de un control de circuito cerrado para lograr un control preciso de la velocidad y el torque.

  • Por ejemplo, en la región de torque constante, la salida de torque del motor se puede controlar con precisión ajustando el componente de corriente de torque; en la región magnética débil, el funcionamiento a alta velocidad del motor se puede lograr ajustando el componente de corriente de campo.

• Control sin sensores:

  • En algunos escenarios de aplicación, para reducir costos y mejorar la confiabilidad del sistema, se pueden utilizar técnicas de control sin sensores. Entre los métodos comunes de control sin sensores se incluyen el método de fuerza contraelectromotriz, el método del observador en modo deslizante, el método adaptativo de referencia del modelo, etc.

  • El método de fuerza contraelectromotriz se basa en la relación entre la fuerza contraelectromotriz del motor y la velocidad, pero la fuerza contraelectromotriz es débil a bajas velocidades, lo que afectará la precisión de la medición; el método del observador de modo deslizante construye un observador de estado del motor para estimar la posición y la velocidad del rotor, y tiene cierta robustez a los cambios de parámetros, pero puede causar fluctuaciones del sistema; el método adaptativo de referencia del modelo estima la posición y la velocidad del rotor a través de un algoritmo adaptativo basado en el modelo matemático del motor, el algoritmo es relativamente complejo, pero tiene un buen rendimiento a velocidades medias y bajas.

5. Funciones de protección

• Protección contra sobrecorriente:

  • Se debe instalar un circuito de protección contra sobrecorriente en el circuito del variador. Cuando la corriente detectada supera el umbral establecido, el dispositivo de potencia debe apagarse a tiempo para evitar daños al motor y a los dispositivos de potencia debido a la sobrecorriente. Se pueden utilizar sensores de corriente Hall o resistencias shunt para detectar la corriente, y la función de protección contra sobrecorriente se puede implementar mediante comparadores y circuitos lógicos.

  • Por ejemplo, cuando la corriente excede entre 1,5 y 2 veces la corriente nominal, el mecanismo de protección debe activarse inmediatamente, la señal de accionamiento debe apagarse y debe emitirse una señal de alarma.

• Protección contra sobretensión:

  • Incluye protección contra sobretensiones de la fuente de alimentación y contratensiones de la fuerza contraelectromotriz del motor. En caso de sobretensiones de la fuente de alimentación, se puede usar un comparador de tensión para monitorear la tensión de entrada; en caso de sobretensiones de la fuerza contraelectromotriz del motor, se puede evaluar monitoreando la tensión del bus de CC y la tensión de fase del motor.

  • Cuando el motor desacelera o frena rápidamente, puede generarse una fuerza contraelectromotriz excesiva y se deben tomar medidas de protección correspondientes en ese momento, como usar circuitos de sujeción activos o pasivos para limitar la fuerza contraelectromotriz dentro de un rango seguro.

• Protección contra subtensión:

  • Cuando la tensión de entrada es demasiado baja, el funcionamiento normal del sistema de accionamiento puede verse comprometido, lo que afectará el rendimiento del motor e incluso provocará la pérdida de pasos. Por lo tanto, es necesario configurar una protección contra subtensión. Cuando la tensión de entrada es inferior al límite inferior establecido, el motor debe detenerse y se activará una alarma.

6. Diseño de compatibilidad electromagnética (EMC)

• Circuitos de filtro:

  • Se deben agregar filtros apropiados en los extremos de entrada y salida, como el uso de filtros de modo común y de modo diferencial en el extremo de la fuente de alimentación de entrada para suprimir la interferencia introducida por la fuente de alimentación y suprimir la interferencia del sistema de accionamiento en la red eléctrica; agregar inductores de filtro y capacitores en el extremo de salida para suprimir los armónicos de alta frecuencia generados por el corte PWM y reducir la interferencia electromagnética en el motor.

  • Se pueden utilizar filtros LC o LCL y se deben seleccionar parámetros de inductor y capacitor adecuados según la potencia nominal del motor y la frecuencia de accionamiento.

• Blindaje y cableado:

  • La placa de circuito de accionamiento debe estar protegida y la parte de alimentación y la parte de control deben colocarse por separado para reducir la influencia de la interferencia electromagnética en el circuito de control.

  • Al realizar el cableado, se debe prestar atención a mantener el bucle de corriente lo más pequeño posible, evitando la intersección de bucles de alta corriente y bucles de señal, y utilizando cables blindados para señales de alta frecuencia y conductores de alta corriente para reducir la radiación electromagnética y el acoplamiento.

Al diseñar el accionamiento del motor PMSM para bombas de agua, es necesario considerar los aspectos anteriores de manera integral y optimizar el diseño de cada enlace de acuerdo con los escenarios de aplicación específicos y los requisitos de rendimiento para lograr un sistema de accionamiento del motor de alto rendimiento, alta confiabilidad y rentable.