Los motore corriente continua sin escobillas (BLDC) han ganado popularidad en una amplia gama de industrias debido a su eficiencia, confiabilidad y capacidad para brindar un control preciso. Uno de los desafíos comunes que se enfrentan al usar motores BLDC basados ​​en sensores de efecto Hall es la ráfaga de velocidad que se produce al arrancar. Este problema puede ser problemático en aplicaciones donde el funcionamiento controlado y suave del motor es fundamental. En este artículo, exploraremos las causas de las ráfagas de velocidad al arrancar y brindaremos varias estrategias para mitigar o eliminar el problema.

Comprensión de las ráfagas de velocidad en motores BLDC de efecto Hall

Las ráfagas de velocidad en un motor BLDC ocurren cuando el motor acelera rápidamente más allá de la velocidad deseada durante la fase de arranque inicial. Esta aceleración repentina puede causar estrés mecánico, reducción del control y daño a la carga conectada al motor. Por lo general, esto sucede debido a una sincronización incorrecta entre la posición del rotor y la conmutación electrónica proporcionada por los sensores Hall. Para mantener la velocidad correcta del motor, el controlador modifica la corriente y el voltaje en función de la retroalimentación de los sensores Hall en un motor BLDC, que detectan la posición del rotor. Sin embargo, durante el arranque, puede haber un desfase en las señales del sensor Hall, lo que provoca una conmutación inexacta y una ráfaga de velocidad.

Causas de aumento repentino de velocidad en el arranque

Detección incorrecta de la posición inicial del rotor: en un motor BLDC basado en un sensor Hall, es posible que no se detecte correctamente la posición inicial del rotor, lo que genera secuencias de conmutación incorrectas. Esta desalineación hace que el motor se sobrepase o acelere sin control antes de alcanzar la velocidad deseada.

1. Alto voltaje/corriente de arranque: cuando un motor arranca, requiere un voltaje/corriente inicial para generar suficiente par para superar la inercia. Si el voltaje/corriente de arranque es demasiado alto, puede resultar en una aceleración excesiva y una explosión repentina de velocidad.
2. Retardo del algoritmo del controlador: el controlador puede introducir un retraso al leer la retroalimentación del sensor Hall durante el arranque. El tiempo de respuesta lento puede hacer que el motor reciba señales de corriente incorrectas, lo que resulta en condiciones de sobrevelocidad temporal.
3. Algoritmos de control de arranque inadecuados: muchos controladores de motores BLDC están diseñados con algoritmos de control de arranque simplificados que no tienen en cuenta el comportamiento dinámico del motor durante el arranque. Sin un aumento cuidadoso de la velocidad del motor, esto puede provocar ráfagas de velocidad.
4. Alta inercia de carga: una carga pesada conectada al motor también puede provocar una ráfaga de velocidad durante el arranque. El motor intenta superar la inercia de la carga rápidamente, lo que provoca un aumento inicial de la velocidad.

Soluciones para abordar las ráfagas de velocidad en motores BLDC de tipo Hall

Se pueden emplear varias técnicas para evitar picos de velocidad en el arranque y garantizar un funcionamiento más uniforme del motor. A continuación se enumeran algunas de las soluciones más exitosas:

Implementación de un algoritmo de arranque suave

Una de las formas más eficaces de mitigar las ráfagas de velocidad es incorporar un algoritmo de arranque suave en el sistema de control del motor. Este método implica aumentar gradualmente la potencia suministrada al motor durante el arranque, lo que permite un aumento controlado de la velocidad.

• Control de rampa: al implementar un control de rampa ascendente, el voltaje o la corriente del motor se incrementan gradualmente. Esto evita un aumento repentino del par y, en consecuencia, de la velocidad. Se suele utilizar un tiempo de rampa típico de 200 a 500 milisegundos, según las especificaciones del motor.
• Control de bucle cerrado: al utilizar un mecanismo de retroalimentación de bucle cerrado, el controlador puede controlar la velocidad del rotor y ajustar la potencia en consecuencia. Este ajuste en tiempo real ayuda a evitar picos repentinos de velocidad.

Los datos han demostrado que, al utilizar un enfoque de control de rampa, se puede reducir el exceso de velocidad hasta en un 80 %, lo que da como resultado un arranque más suave. Por ejemplo, una prueba realizada en un motor BLDC de 200 W mostró que la velocidad máxima durante el arranque se redujo de 3000 RPM a 600 RPM con la implementación del control de rampa.

Detección de posición y alineación del rotor

La alineación inicial adecuada del rotor es fundamental para minimizar las ráfagas de velocidad. En el arranque, el controlador debe determinar con precisión la posición inicial del rotor para garantizar que el primer ciclo de conmutación genere una ondulación de par mínima.

• Preposicionamiento: un paso de preposicionamiento, en el que el rotor se mantiene en una posición específica antes de iniciar la rotación, puede reducir los picos de par. Esto garantiza que el rotor y el estator estén alineados de tal manera que el flujo de corriente inicial genere un par controlado.
• Calibración del sensor Hall: la calibración de los sensores Hall puede ayudar aún más a minimizar los retrasos en la detección de la posición, lo que conduce a una mejor conmutación y a una reducción de los picos de velocidad.

En un estudio que involucró un motor BLDC Hall de 150 W, la implementación del preposicionamiento redujo la ondulación del torque de arranque en aproximadamente un 50%, lo que se tradujo directamente en un perfil de velocidad más estable.

Limitación de corriente en el arranque

Se pueden aplicar técnicas de limitación de corriente durante la fase de arranque para evitar corrientes de entrada repentinas, que a menudo provocan ráfagas de velocidad.

• Controlador de corriente: al emplear un controlador de corriente que limite la corriente máxima permitida en el arranque, se puede proteger al motor de la generación excesiva de par. Por ejemplo, el uso de un controlador proporcional-integral (PI) para regular la corriente durante los primeros 100-200 milisegundos puede suavizar significativamente la secuencia de arranque.
• Conmutación suave: las técnicas de conmutación suave, en las que el ciclo de trabajo PWM se aumenta gradualmente, ayudan a controlar la corriente de entrada. Esto también garantiza que el par generado sea proporcional a la velocidad requerida, lo que evita el sobreimpulso.

Los datos de experimentos en un motor BLDC de 300 W mostraron que la limitación de corriente durante el arranque redujo la corriente máxima de 15 A a 8 A, lo que resultó en una aceleración más controlada y la eliminación de la ráfaga de velocidad.

Control de comunicación mejorado

La comunicación precisa es vital para garantizar un funcionamiento sin problemas en el arranque. Se puede mejorar el proceso de comunicación mediante técnicas avanzadas de sensores y algoritmos de control refinados.

• Técnicas de control sin sensores: si bien los sensores Hall se utilizan comúnmente, la incorporación de técnicas de control sin sensores como complemento puede proporcionar una estimación más precisa de la posición del rotor, en particular durante el arranque. Esto garantiza que la conmutación se produzca precisamente cuando sea necesaria, lo que minimiza los picos de par.
• FOC (control orientado al campo): el control orientado al campo es una estrategia de control avanzada que proporciona un control preciso sobre el campo magnético del motor, lo que da como resultado un mejor control del par. Aunque requiere más recursos computacionales, el FOC puede eliminar virtualmente las ráfagas de velocidad al alinear el campo del estator perfectamente con la posición del rotor durante el arranque.

En pruebas que comparan la conmutación tradicional de seis pasos y la FOC, un motor BLDC de 400 W experimentó una reducción del 60 % en la ráfaga de velocidad cuando se utilizó FOC, lo que demuestra la eficacia de este enfoque.

Ajuste de frecuencia PWM

La frecuencia de modulación por ancho de pulso (PWM) desempeña un papel fundamental a la hora de determinar la suavidad del arranque del motor. Una frecuencia PWM más alta da como resultado un control más preciso de la corriente suministrada a los devanados, lo que reduce las posibilidades de una ráfaga de velocidad. Frecuencia optimizada: aumentar la frecuencia PWM a un rango entre 20 kHz y 30 kHz puede mejorar significativamente la resolución del control de corriente, lo que conduce a un arranque más suave. Sin embargo, se debe tener en cuenta la contrapartida, ya que las frecuencias más altas pueden dar como resultado mayores pérdidas de conmutación. Una prueba realizada en un motor BLDC de 250 W indicó que aumentar la frecuencia PWM de 10 kHz a 25 kHz redujo la ráfaga de velocidad en un 40 %, lo que garantiza una aceleración más gradual.

Ejemplo práctico: combinación de técnicas para un rendimiento óptimo

Para ilustrar mejor la implementación de estas soluciones, consideremos un ejemplo que involucra un motor Hall BLDC de 300 W utilizado en una aplicación de ventilador industrial. El problema inicial observado fue una ráfaga de velocidad que alcanzaba las 3500 RPM en 100 milisegundos, lo que causaba estrés mecánico y ruido audible. Se aplicaron las siguientes soluciones:

1. Algoritmo de arranque suave: se implementó un aumento gradual de voltaje de más de 500 milisegundos, lo que redujo el pico de velocidad inicial a 800 RPM.
2. Preposicionamiento del rotor: el controlador del motor se programó para alinear el rotor antes del arranque, lo que reduce la ondulación del par.
3. Limitación de corriente: se aplicó un límite de corriente de 10 A durante el arranque, en comparación con los 18 A anteriores, lo que redujo el par pico generado.
4. Conmutación mejorada con FOC: se integró un control orientado al campo, lo que suavizó aún más la secuencia de arranque y redujo la ráfaga inicial a niveles insignificantes.

Después de implementar estas soluciones, los datos indicaron una reducción significativa en el exceso de velocidad, con el motor alcanzando su velocidad objetivo de 3000 RPM de manera controlada durante 1,5 segundos, sin ninguna explosión repentina. La tensión mecánica se redujo y la confiabilidad general del sistema mejoró. La solución del problema de las ráfagas de velocidad al inicio de un motor BLDC de efecto Hall implica una combinación de técnicas de control avanzadas, ajuste cuidadoso de parámetros y soluciones de hardware y software optimizadas. Los sistemas de control de bucle cerrado, los mecanismos de arranque suave, el control orientado al campo (FOC) y la detección precisa de la posición del rotor son algunas de las estrategias más efectivas para mitigar las ráfagas de velocidad. Al implementar estas técnicas, los ingenieros pueden lograr un funcionamiento más suave del motor, mejorar el rendimiento y extender la vida útil tanto del motor como de la carga conectada.