Contribuciones en el campo de la detección de la posición y velocidad de motores "Brushed DC" y "Brushless DC" mediante técnicas sensorless

Abstract

- INTRODUCCIÓN: Entre los motores eléctricos de corriente continua, se tienen los motores con escobillas (brushed DC, BDC), que emplean escobillas para conmutar la corriente, y los motores sin escobillas (brushless DC, BLDC), que emplean un inversor electrónico para realizar la conmutación de fases. La revisión de la literatura relacionada con motores BLDC (Artículo 1 del compendio) y BDC sugiere que en el control de los mismos utilizando sensores de posición, como codificadores digitales (encoders) o sondas de efecto Hall, puede reducirse el coste y aumentar la fiabilidad mediante la sustitución de dichos sensores por técnicas sin sensores (sensorless). - OBJETIVOS: El objetivo general de la tesis comprende el análisis, desarrollo y validación de diversas técnicas sensorless para la detección de la posición y velocidad de motores BDC y BLDC. Para la consecución de este objetivo se han propuesto cuatro técnicas. La primera está basada en el análisis las ondulaciones o rizado (ripple) de la corriente en motores BDC (patente ES 2334551 A1). La segunda se fundamenta también en la componente ripple de la corriente para motores BDC, pero utilizando reconocimiento de patrones con clasificadores (Artículo 2 del compendio). La tercera está basada en la derivada de los voltajes de fase para motores BLDC (Artículo 3 del compendio). La cuarta aplica redes neuronales artificiales a motores BLDC (Artículo 4 del compendio).- MÉTODOS: La primera técnica permite determinar la posición y velocidad de un motor BDC mediante la detección de las ondulaciones que aparecen en la corriente del motor, utilizando la comparación entre las muestras de la corriente. En la segunda técnica, se estima la posición y velocidad de motores BDC utilizando reconocimiento de patrones con clasificadores de tipo Máquina Vectores de Soporte (Support Vector Machine, SVM). En la tercera técnica, se detecta la información de posición y velocidad de un motor BLDC a través de la derivada de los voltajes de fase con respecto a un punto neutro virtual, empleando un hardware versátil basado en una matriz de puertas programable en campo (FPGA). En la cuarta técnica, se estima la posición y velocidad de un motor BLDC mediante dos ANNs de tipo Perceptron Multicapa (Multilayer Perceptron, MLP). - RESULTADOS: En la primera técnica, se han obtenido unos errores absolutos medios de posición y velocidad inferiores a 17,75 rad y 4,64 rpm, respectivamente, en un rango entre 5.000 rpm y 7.000 rpm en condiciones de velocidad constante o con variación lenta. En la segunda técnica, se han obtenido unos errores absolutos medios de posición y velocidad inferiores a 19 rad y 18 rpm, respectivamente, en un rango entre 500 rpm y 11.000 rpm, en condiciones como aceleración constante y saltos abruptos de velocidad. En la tercera técnica, se han obtenido unos errores cuadráticos medios de posición entre 10º y 30º, y de velocidad inferiores a 3 rpm con el motor BLDC sin carga; así como de posición entre 10º y 15º, y de velocidad inferiores a 1 rpm en condiciones de plena carga, en un rango entre 5 rpm y 1.500 rpm con aceleración constante y saltos bruscos de velocidad. En la cuarta técnica, se ha obtenido un error de posición absoluto medio de 6,47º y un error de velocidad relativo medio de 4,87% en un rango entre 125 rpm y 1.500 rpm con una aceleración constante a plena carga. -CONCLUSIONES: Los resultados muestran que las cuatro técnicas propuestas permiten detectar la posición y velocidad, tanto en motores BDC como BLDC, con una aceptable precisión, inmunidad al ruido y coste computacional sobre un amplio rango de velocidades. En base a ello, puede considerarse que las técnicas desarrolladas representan una alternativa fiable respecto a técnicas de detección basadas en sensores y frente a técnicas sensorless básicas.