Como projetar um driver de bomba de água PMSM controlado por FOC

1. Compreensão das características motoras

• Parâmetros do motor:

  • Primeiramente, é necessário entender claramente os vários parâmetros do motor PMSM usado, incluindo potência nominal, velocidade nominal, torque nominal, resistência do estator, indutância do estator, ligação de fluxo de ímã permanente, pares de polos, etc. Esses parâmetros são cruciais para o projeto subsequente do sistema de acionamento e a seleção de algoritmos de controle.

  • Por exemplo, dispositivos de energia apropriados podem ser selecionados com base na potência e velocidade nominais do motor, e a frequência elétrica do motor pode ser calculada com base nos pares de pólos e na velocidade nominal do motor, de modo a selecionar um chip de controle e uma frequência de acionamento adequados.

2. Seleção de dispositivos de energia

• Tipos de tubos de comutação:

  • IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ou MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) é geralmente usado como o tubo de comutação principal. Para o acionamento de motores PMSM de bombas de água de pequena e média potência, o MOSFET é mais popular devido à sua rápida velocidade de comutação e baixa resistência; para aplicações de alta potência, o IGBT pode ser mais adequado porque pode suportar tensões e correntes mais altas, mas a velocidade de comutação é relativamente mais lenta.

  • Os dispositivos de energia devem ser selecionados de acordo com a tensão e corrente nominais do motor, e uma certa margem deve ser considerada. Geralmente, a tensão nominal do dispositivo de energia selecionado deve ser de 1,5 a 2 vezes a tensão nominal do motor, e a corrente nominal deve ser de 1,2 a 1,5 vezes a corrente nominal do motor.

• Projeto de dissipação de calor:

  • Uma grande quantidade de calor será gerada durante a operação de dispositivos de energia, e um bom projeto de dissipação de calor é necessário. Dissipadores de calor, resfriamento a ar ou resfriamento a água podem ser usados. Para sistemas de acionamento de alta densidade de energia, o resfriamento a água pode ser necessário para garantir que a temperatura de junção dos dispositivos de energia não exceda sua temperatura nominal, evitando degradação do desempenho ou mesmo danos devido ao superaquecimento.

3. Projeto do circuito de acionamento

• Tensão e corrente de acionamento:

  • O circuito de acionamento precisa fornecer tensão e corrente suficientes para garantir a condução rápida e confiável e o desligamento de dispositivos de energia. Geralmente, o IGBT requer uma tensão de acionamento de cerca de 15 V - 20 V, e o MOSFET pode exigir uma tensão de acionamento de 5 V - 15 V, dependendo dos diferentes modelos.

  • O circuito de acionamento deve ser capaz de fornecer uma corrente de pico suficientemente grande para garantir que os dispositivos de energia sejam totalmente ligados ou desligados em um curto espaço de tempo para reduzir perdas de comutação.

• Isolamento:

  • Para garantir o isolamento elétrico entre o circuito de controle e o circuito de energia e evitar interferências e garantir a segurança, o circuito de acionamento geralmente precisa adotar técnicas de isolamento, como isolamento de optoacoplador ou isolamento magnético. O circuito de isolamento de optoacoplador é simples, mas há atrasos de transmissão e limitações de largura de banda; o isolamento magnético (como isolamento de transformador) pode atingir maior velocidade de transmissão e resposta de frequência, mas o custo pode ser maior.

4. Estratégia de controle

• Controle Orientado a Campo (FOC):

  • FOC é uma das estratégias de controle mais comumente usadas para motores PMSM. Ela decompõe a corrente do estator em um componente de corrente de torque e um componente de corrente de campo, e realiza o controle preciso do motor controlando esses dois componentes. Em FOC, transformações de rotação (como transformação de Clark e transformação de Park) são usadas para converter a corrente no sistema de coordenadas estacionárias trifásicas na corrente no sistema de coordenadas rotativas para controle conveniente.

  • A transformação de coordenadas deve ser implementada com precisão de acordo com os parâmetros do motor, e a corrente de torque e a corrente de campo devem ser controladas por controladores PI por meio de controle de malha fechada para obter controle preciso de velocidade e torque.

  • Por exemplo, na região de torque constante, a saída de torque do motor pode ser controlada com precisão ajustando o componente de corrente de torque; na região magnética fraca, a operação de alta velocidade do motor pode ser realizada ajustando o componente de corrente de campo.

• Controle sem sensor:

  • Para alguns cenários de aplicação, para reduzir custos e melhorar a confiabilidade do sistema, técnicas de controle sem sensor podem ser usadas. Métodos comuns de controle sem sensor incluem método de força eletromotriz reversa, método de observador de modo deslizante, método adaptativo de referência de modelo, etc.

  • O método da força eletromotriz reversa é baseado na relação entre a força eletromotriz reversa do motor e a velocidade, mas a força eletromotriz reversa é fraca em baixas velocidades, o que afetará a precisão da medição; o método do observador de modo deslizante constrói um observador de estado do motor para estimar a posição e a velocidade do rotor e tem certa robustez a mudanças de parâmetros, mas pode causar trepidação do sistema; o método adaptativo de referência do modelo estima a posição e a velocidade do rotor por meio de um algoritmo adaptativo baseado no modelo matemático do motor, o algoritmo é relativamente complexo, mas tem bom desempenho em velocidades médias e baixas.

5. Funções de proteção

• Proteção contra sobrecorrente:

  • Um circuito de proteção contra sobrecorrente deve ser definido no circuito de acionamento. Quando a corrente detectada excede o limite definido, o dispositivo de energia deve ser desligado a tempo para evitar danos ao motor e aos dispositivos de energia devido à sobrecorrente. Sensores de corrente Hall ou resistores shunt podem ser usados ​​para detectar a corrente, e a função de proteção contra sobrecorrente pode ser realizada por meio de comparadores e circuitos lógicos.

  • Por exemplo, quando a corrente excede 1,5 - 2 vezes a corrente nominal, o mecanismo de proteção deve ser acionado imediatamente, o sinal de acionamento deve ser desligado e um sinal de alarme deve ser emitido.

• Proteção contra sobretensão:

  • Inclui a proteção contra sobretensão da fonte de alimentação e sobretensão da força eletromotriz de retorno do motor. Para sobretensão da fonte de alimentação, um comparador de tensão pode ser usado para monitorar a tensão de entrada; para sobretensão da força eletromotriz de retorno do motor, pode ser julgado monitorando a tensão do barramento CC e a tensão da fase do motor.

  • Quando o motor desacelera ou freia rapidamente, pode ser gerada uma força eletromotriz reversa excessiva, e medidas de proteção correspondentes devem ser tomadas neste momento, como usar circuitos de fixação ativos ou passivos para limitar a força eletromotriz reversa dentro de uma faixa segura.

• Proteção contra subtensão:

  • Quando a tensão de alimentação de entrada estiver muito baixa, a operação normal do sistema de acionamento pode não ser garantida, o que afetará o desempenho do motor e até mesmo fará com que ele perca etapas. Portanto, a proteção contra subtensão precisa ser definida. Quando a tensão de alimentação estiver abaixo do valor limite inferior definido, o motor deve ser parado e um alarme deve ser emitido.

6. Projeto de compatibilidade eletromagnética (EMC)

• Circuitos de filtro:

  • Filtros apropriados devem ser adicionados nas extremidades de entrada e saída, como usar filtros de modo comum e modo diferencial na extremidade da fonte de alimentação de entrada para suprimir a interferência introduzida pela fonte de alimentação e suprimir a interferência do sistema de acionamento na rede elétrica; adicionar indutores e capacitores de filtro na extremidade de saída para suprimir os harmônicos de alta frequência gerados pelo corte PWM e reduzir a interferência eletromagnética no motor.

  • Podem ser usados ​​filtros LC ou LCL, e parâmetros apropriados de indutor e capacitor devem ser selecionados de acordo com a potência nominal do motor e a frequência de acionamento.

• Blindagem e fiação:

  • A placa de circuito de acionamento deve ser blindada, e a parte de potência e a parte de controle devem ser dispostas separadamente para reduzir a influência da interferência eletromagnética no circuito de controle.

  • Ao fazer a fiação, deve-se prestar atenção para manter o loop de corrente o menor possível, evitando a interseção de loops de alta corrente e loops de sinal e usando fios blindados para sinais de alta frequência e condutores de alta corrente para reduzir a radiação eletromagnética e o acoplamento.

Ao projetar o acionamento do motor PMSM para bombas de água, é necessário considerar os aspectos acima de forma abrangente e otimizar o projeto de cada elo de acordo com cenários de aplicação específicos e requisitos de desempenho para obter um sistema de acionamento do motor de alto desempenho, alta confiabilidade e baixo custo.