Conmutación sin sensores: sacando los accionamientos BLDC del laboratorio

La conmutación sin sensores está prácticamente resuelta sobre el papel. Los esquemas de fuerza contraelectromotriz, los observadores y los trucos de inyección funcionan. Lo que sigue acabando con los proyectos no es la falta de teoría, sino los detalles de medición, el comportamiento de arranque y cómo se degrada el algoritmo en los extremos. Trátelos como problemas de diseño de primera clase y casi cualquier método moderno alcanzará sus especificaciones. Si los ignora, obtendrá reinicios aleatorios, MOSFET calientes y tickets de soporte técnico.

Lo que la mayoría de los artículos pasan por alto

Si lees contenido típico sobre control sin sensores, normalmente encontrarás el mismo patrón: definir BLDC, comparar con sensores y sin sensores, mostrar un diagrama claro de EMF inversa y luego señalar uno o dos algoritmos. Algunas notas de aplicación profundizan más en el filtrado y los puntos neutros virtuales, pero siguen deteniéndose donde el hardware y el firmware comienzan a discutir entre sí.

Los trabajos recientes y las notas de los proveedores van más allá: conmutación de tensión terminal sin detección de neutro, esquemas de enlace CC sin filtro, observadores de modo deslizante, inyección de alta frecuencia e incluso estimadores de redes neuronales. Pero suelen describirse como opciones de un menú, no como piezas de una cadena de producción que tiene que compartir silicio, ancho de banda y límites de compatibilidad electromagnética.

Por lo tanto, esto no es un tutorial. Es una visión sesgada por la experiencia práctica de lo que realmente determina si la conmutación sin sensores es aburridamente fiable o está permanentemente “bajo investigación”.”

Dos problemas ocultos bajo la “conmutación sin sensores”

Nunca se diseña realmente la “conmutación sin sensores” como un único bloque. Se diseñan dos regímenes separados y una capa de arbitraje que simula que son iguales.

A velocidad cero y muy baja, la fuerza contraelectromotriz no es medible. Los esquemas clásicos de cruce por cero y la mayoría de los observadores de fuerza contraelectromotriz son ciegos en este caso. O bien se ejecuta un bucle abierto (conmutación forzada con una posición del rotor supuesta), se inyecta una señal de sondeo o se acepta un piso de velocidad incómodo.

Una vez que el rotor se mueve lo suficientemente rápido, el problema cambia de carácter. Ya no se pregunta “¿dónde está el rotor?”, sino “¿cuánto retraso tiene mi estimador y cuán estable es con respecto a la corriente, la temperatura y el suministro?”. En esta región, casi todos los algoritmos sensatos funcionan si las señales son limpias. El diferenciador es cuán predecibles son los modos de retraso y fallo.

El traspaso entre estos regímenes es donde muchos sistemas fallan. Un antipatrón común es pegar una rampa de bucle abierto rudimentaria a un estimador sofisticado de alta velocidad y asumir que un único umbral de velocidad los mantendrá alejados el uno del otro. Suele funcionar en el banco de pruebas, pero falla con combinaciones extrañas de carga y tensión de alimentación que no estaban contempladas en el plan de pruebas.

Elegir un método: no solo “FOC frente a seis pasos”

La mayoría de las entradas de blog plantean la elección como binaria: conmutación por bloques con detección simple de fuerza contraelectromotriz o control totalmente orientado al campo con algún observador. Los proveedores publican comparaciones claras sobre la ondulación del par, el ruido y la eficiencia. La realidad es más detallada.

A continuación se ofrece una visión general de las principales familias que se utilizan actualmente, incluidas las técnicas que aparecen en artículos recientes y notas de aplicación más recientes.

La cuestión no es que una fila sea “la mejor”. Lo que ocurre es que la mayoría de los productos reales acaban combinando al menos dos de estos comportamientos en cuanto a velocidad, y a veces tres. Por ejemplo, un accionamiento de gama media para electrodomésticos puede utilizar alineación y rampa de bucle abierto, luego un esquema de conmutación línea a línea y, finalmente, pasar a FOC completo con un observador de fuerza contraelectromotriz una vez que la velocidad y la relación señal-ruido lo hacen conveniente.

La fontanería de medición lo decide casi todo.

Los documentos y el material de marketing suelen mostrar formas de onda limpias con pendientes suaves. Su PCB no lo hará. Toda la pila sin sensores se basa en lo que el ADC o el comparador ven realmente después del tiempo muerto, los picos de recuperación de los diodos, la ondulación de la alimentación, el rebote de tierra y las derivaciones baratas.

Algunos patrones se repiten con frecuencia.

Si utiliza comparadores para la detección de cruce por cero, los tiempos de histéresis y supresión no son ajustes menores. Programan directamente cuánto error de sincronización eléctrica se tolera a diferentes velocidades. Si la histéresis es demasiado pequeña, el comparador vibra en los flancos PWM. Si es demasiado alta, el umbral de cruce efectivo se desvía con la corriente. El borrado que oculta los flancos de conmutación también puede ocultar el verdadero cruce por cero a alta velocidad. Los proveedores lo insinúan, pero el ajuste sigue tendiendo a ser un proceso de prueba y error, a menos que se calcule explícitamente el error de fase en todo el rango de velocidad y corriente.

Si se basa en el muestreo ADC de la fuerza contraelectromotriz, la interacción entre los instantes de muestreo y los patrones PWM se convierte en el problema principal. El PWM alineado al centro, el PWM alineado al borde y la modulación vectorial espacial crean diferentes ventanas “limpias” para medir una fase flotante. Si se desplaza el ISR de muestreo solo unos pocos ciclos de CPU, se cambia el sesgo del estimador. La mayoría de los casos en los que “funciona en una compilación pero no en otra” se deben a este acoplamiento temporal, más que a errores en las ecuaciones del algoritmo.

En el caso de los observadores utilizados con FOC, la calidad de la detección de corriente también determina silenciosamente la calidad de la conmutación. La deriva de offset en las derivaciones, la mala reconstrucción en los diseños de derivación única o los amplificadores saturados durante los picos de corriente se reflejan directamente en la posición estimada del rotor. Esto se traduce en ondulaciones de par o ruido acústico y se atribuye fácilmente a la estrategia de modulación.

Por lo tanto, si desea una regla práctica: trate el front-end analógico y el programa de muestreo como parte del algoritmo de conmutación, no como una simple conexión. Dibújelos en el mismo diagrama. Anote sus retrasos en grados eléctricos a varias velocidades y corrientes. Ajuste el código hasta que los números sean explícitos, no estimados.

Arranque y baja velocidad: elige tu ficción

En reposo, debe tomar una decisión: o bien asume una posición del rotor y aplica un patrón, o bien altera el motor y lee su respuesta. Ambas son aproximaciones. La cuestión es cuál de las dos aproximaciones falla de forma más elegante en su aplicación.

La alineación y la rampa de bucle abierto son sencillas y económicas. Se activa un vector conocido durante el tiempo suficiente para alinear el rotor y, a continuación, se acelera la conmutación con un perfil fijo hasta que la fuerza contraelectromotriz o un observador tengan señal suficiente para tomar el control. Esto funciona bien cuando el par de carga es predecible y se conoce la inercia. Se vuelve frágil cuando la carga puede bloquearse, invertirse o aplicar un par escalonado al arrancar. En ese caso, es posible que el rotor no siga la trayectoria prevista y no hay forma de saberlo hasta que se alcancen los límites de corriente o el estimador deje de coincidir repentinamente.

Los métodos de inyección de alta frecuencia evitan deliberadamente esa ficción al tratar el motor de baja velocidad como un sistema magnético cuasiestático. Una pequeña señal de sondeo revela la saliencia o anisotropía del rotor, lo que le proporciona una estimación de la posición incluso con una velocidad media cero. Esto mejora el control del par a baja velocidad y la robustez del arranque, pero añade un fondo constante de energía inyectada y complejidad algorítmica. También hay que aceptar que las firmas acústicas y EMI cambian; a veces eso está bien, otras veces el departamento de marketing lo considerará un problema.

Un diseño híbrido suele funcionar mejor: alineación determinista corta, rampa de bucle abierto mínima y, a continuación, HFI solo en la región estrecha donde la estimación basada en la fuerza contraelectromotriz aún no es cómoda. El uso discontinuo de la inyección reduce el impacto acústico y el cálculo, pero sigue proporcionando al estimador algo a lo que aferrarse durante transitorios incómodos, como arranques lentos o calados parciales.

El error de sincronización, y no el nombre del algoritmo, provoca pérdidas y ruido.

Los debates sobre la eficiencia y el rendimiento acústico suelen comparar el control de seis pasos con el FOC, como si el estilo de conmutación fuera el único factor que determinara el resultado. En la práctica, el factor dominante es el error de alineación de fase entre el flujo del rotor y la corriente, y no si el código escribe tres ciclos de trabajo o dos más un vector cero.

Con la conmutación por bloques básica, cualquier error de sincronización constante en los instantes de conmutación empuja la ondulación del par y aumenta las pérdidas en el cobre y el núcleo. La conmutación con avance insuficiente desperdicia el par potencial y produce un rugido característico a determinadas velocidades y cargas. El avance excesivo aumenta la corriente para la misma carga y puede calentar el motor y el inversor de forma desproporcionada. La misma lógica se aplica en el FOC continuo, solo que se expresa como un error de ángulo en el observador o el codificador.

Por eso, las características específicas de su estimador sin sensores importan menos que su varianza y sesgo en los distintos puntos de funcionamiento. Un esquema de cruce por cero rudimentario con un retraso cuidadosamente caracterizado y una tabla de avance simple dependiente de la velocidad puede ofrecer una eficiencia real mejor que un observador sofisticado que se desplaza varios grados cada vez que el bus de CC da un salto porque se ha activado un compresor.

Por lo tanto, un objetivo concreto es cuantificar el error del ángulo eléctrico en función de la carga, la velocidad y el voltaje del bus. Si puede mantenerlo dentro de un rango estrecho que conoce, puede compensarlo. Si ni siquiera puede medirlo, solo está intercambiando algoritmos y esperando.

Utilizar ideas más novedosas sin reconstruir toda la pila.

Las publicaciones recientes sobre conmutación sin sensores aportan técnicas que pueden utilizarse de forma incremental, en lugar de como sustituciones totales.

Los métodos de modulación de enlace CC sin filtro demuestran que es posible evitar los filtros RC clásicos y seguir consiguiendo instantes de conmutación limpios mediante el modelado de la conmutación del inversor para simplificar lo que se mide. No es necesario copiar la modulación exactamente para aprender de esto; incluso unas restricciones modestas en los patrones de conmutación en determinados sectores pueden hacer que las ventanas de medición sean más predecibles y reducir la dependencia de los filtros analógicos.

La conmutación basada en el voltaje terminal, incluidos los esquemas que solo utilizan dos voltajes terminales en relación con un neutro virtual, puede reducir el número de componentes y, en ocasiones, mejorar la tolerancia a las perturbaciones de modo común. También obliga a considerar el motor y el inversor como una única red distribuida, ya que las capacitancias dependientes de la disposición afectan de forma repentina y directa a la detección. Esto resulta menos cómodo, pero proporciona un modelo más fiel a la realidad.

Los observadores de modo deslizante y otras técnicas robustas similares suelen presentarse como componentes de todo o nada, pero pueden coexistir con estimadores más sencillos. Una forma práctica de hacerlo es ejecutar en paralelo un estimador básico de fuerza contraelectromotriz y un observador más avanzado, y luego utilizar la lógica de confianza para seleccionar cuál de los dos alimenta el ángulo de conmutación en cada punto de funcionamiento. Esto resulta especialmente útil cuando el estimador avanzado es potente bajo carga dinámica, pero menos fiable cerca de combinaciones específicas de velocidad y ondulación del bus de CC.

Los estimadores basados en el aprendizaje automático aún son recientes en este ámbito, pero algunos trabajos ya combinan tensiones terminales y variables de enlace de CC para impulsar modelos neuronales para la sincronización de la conmutación. Aunque nunca envíe un estimador neuronal, los modelos offline entrenados con datos de laboratorio pueden ayudarle a comprender la estructura de sus errores de fase y diseñar una compensación basada en reglas más eficaz.

Una ruta de ajuste práctica que no persigue fantasmas eternamente.

En un nuevo diseño, resulta tentador implementar toda la pila sin sensores de una sola vez. Sin embargo, esto suele ocultar los problemas en lugar de ahorrar tiempo. Una estrategia más prudente consiste en utilizar una complejidad por etapas y un registro riguroso.

En primer lugar, realice el inversor y la detección de corriente con control por sensores o un patrón de bucle abierto conocido y válido. Verifique que las lecturas de corriente, las temperaturas y el comportamiento EMI coincidan con lo esperado. Si este paso es débil, cualquier método sin sensores heredará esa debilidad y la amplificará.

En segundo lugar, implemente el método de detección de conmutación más sencillo posible que pueda ejecutarse en su hardware, incluso si sabe que no cumplirá los requisitos finales. Para muchos sistemas, se trata de una detección de paso por cero con comparador sin procesar y retrasos fijos. Para otros, podría ser un estimador ADC básico de fuerza contraelectromotriz sin filtrado sofisticado. Utilícelo para recopilar datos de error angulares con respecto a una referencia externa, como un codificador o un anillo sensor Hall temporal.

En tercer lugar, a partir de esos datos, cree tablas de corrección o modelos compactos dependientes de la velocidad y la carga. Solo después de poder explicar la forma de esas correcciones tiene sentido introducir observadores, filtros digitales o esquemas híbridos. De lo contrario, solo estará apilando compensadores a ciegas.

Por último, trate las transiciones como características de primera clase. Defina exactamente a qué velocidad y en qué condiciones se cambia de bucle abierto al estimador A, del estimador A al estimador B, o de seis pasos a FOC. Registre esas transiciones de forma explícita y hágales hincapié en las pruebas: saltos de bus, pasos de carga repentinos, comandos de inversión, caídas de tensión.

Nada de esto es exótico. Es simplemente metódico. Y tiende a producir impulsos que se comportan de la misma manera los lunes y los viernes, en unidades calientes y frías, en toda la gama de producción.

Depuración por síntomas en lugar de por teoría

En la práctica, normalmente se parte del comportamiento del motor, no de ecuaciones. Ciertos síntomas se corresponden claramente con determinados tipos de problemas de conmutación sin sensores. Algunos ejemplos ilustran esta forma de pensar.

Si el motor arranca correctamente cuando está frío, pero falla cuando está caliente, sospeche que hay cambios dependientes de la temperatura en los umbrales del comparador, las compensaciones de derivación o los parámetros del motor utilizados en los observadores. Puede verificarlo registrando el ángulo estimado con respecto a un codificador a medida que el sistema se calienta desde la temperatura ambiente hasta su estado estable.

Si el accionamiento es silencioso y eficiente a baja y alta velocidad, pero presenta una banda estrecha y ruidosa en el rango medio, sospeche de retrasos en el filtro dependientes de la velocidad, cuantificación del temporizador o interacción PWM. Los métodos basados en la fuerza contraelectromotriz (FCE) que dependen de redes RC y temporizadores suelen mostrar estas “bandas ruidosas” cuando sus supuestos de retraso fijo no se ajustan bien a la frecuencia eléctrica del motor.

Si el accionamiento funciona bien con una carga constante, pero falla durante los pasos de par rápidos, compruebe el ancho de banda del observador y la saturación de la detección de corriente. Muchos estimadores de modo deslizante o basados en PLL asumen que las señales de corriente se mantienen dentro de rangos lineales y que la fluctuación de muestreo es moderada. Cuando estas suposiciones se rompen, el estimador se retrasa y el ángulo de conmutación puede saltar varios grados.

Disponer de un catálogo con pares de síntomas y mecanismos dentro de tu equipo suele acortar el proceso de depuración más que cualquier otro nuevo estimador.

Notas finales

La conmutación sin sensores no necesita otra explicación genérica sobre la fuerza contraelectromotriz. Necesita una visión honesta de lo que realmente determina si el accionamiento es estable, eficiente y reproducible en toda una línea de producción. Los algoritmos son importantes, pero la combinación de la cadena de medición, la estrategia de arranque, la lógica de transición y los márgenes de error de sincronización explícitos es aún más importante.

Si diseñas esas piezas con el mismo cuidado con el que eliges el estimador, la mayoría de los debates clásicos sobre seis pasos frente a FOC, o back-EMF frente a observadores, pierden gran parte de su intensidad. El resultado es un sistema cuyo comportamiento de conmutación es predecible, explicable y tan complejo como realmente lo requiere tu aplicación.