Contribución en el ámbito de la tecnología sensorless para la detección de velocidad y posición en motores dc monitorizando úicamente la corrientemejora en la precisión, minimización del coste computacional y aplicabilidad a motores de alta potencia

Résumé

Los motores eléctricos son sistemas que transforman la energía eléctrica en energía mecánica. En muchas aplicaciones es necesario controlar alguna magnitud de salida del motor como pueden ser la velocidad y la posición. Para controlar estas magnitudes es necesario primeramente medirlas con un observador. Existen dos tipos de observadores: los observadores convencionales y los observadores sensorless. Los observadores convencionales son sistemas mecánicos acoplados al eje del motor sobre el que miden las magnitudes de interés. Algunos ejemplos son tacómetros, encoders y potenciómetros. Los observadores senorless son métodos o técnicas que monitorizan únicamente la tensión y/o corriente del motor para estimar la magnitud deseada. Los observadores sensorless presentan una serie de ventajas con respecto a los observadores convencionales: no requieren acoplar al motor elementos mecánicos, reducen el número de conexiones, tienen un menor número de fallos, requieren de un menor mantenimiento y facilitan la miniaturización del sistema. Los observadores sensorless en motores DC se dividen en tres grupos: los basados en el modelo dinámico del motor DC, los basados en la componente ripple y los basados en la combinación de la componente ripple y el modelo dinámico. Debido a diferentes problemas, los observadores sensorless en motores DC no han sustituido todavía a los sensores convencionales. En este trabajo se pretende resolver alguno de los problemas que presentan las técnicas sensorless aplicadas a la detección de la velocidad y/o posición en motores DC midiendo únicamente la corriente del motor DC. Por ello, se proponen tres métodos donde cada método intenta resolver una problemática diferente. Uno de los problemas que tienen los observadores sensorless es el efecto adverso que tiene sobre ellos la existencia de ruido. El ruido provoca que la corriente y la tensión se vean alteradas y que los métodos sensorless no funcionen correctamente. En el caso de los observadores sensorless basados en la componente ripple, la magnitud que se mide es la corriente. Sobre la corriente se detecta las ondulaciones de la componente ripple y con ellas se estima la velocidad y la posición. El ruido provoca en la componente ripple falsas ondulaciones y ondulaciones fantasmas. Éstas hacen que no se detecten correctamente las ondulaciones reales y por tanto se realice una estimación errónea de la velocidad y la posición. El primer método propuesto pretende minimizar el efecto del ruido y mejorar la precisión en la estimación de la velocidad y la posición en motores DC de baja potencia midiendo únicamente la corriente basándose en la componente ripple. Para conseguir esto, este método se basa en un sistema de reconocimiento de patrones para detectar correctamente las ondulaciones reales, descartar las falsas ondulaciones e incluir las ondulaciones fantasmas. El problema de los métodos sensorless que intentan minimizan el ruido y maximizar la precisión, es que tienen un alto coste computacional como consecuencia de las comprobaciones extras que realizan para asegurar la inmunidad. Ello hace que no puedan ser implementados en sistema hardware con limitación en su capacidad de cálculo. El segundo método propuesto pretende minimizar el coste computacional sin afectar en exceso a la precisión en la estimación sensorless de la velocidad y la posición en motores DC de baja potencia basándose en la componente ripple. De esta forma, este método realiza un análisis en tiempo del comportamiento de la corriente para la detección de las ondulaciones, y posteriormente estima la velocidad y la posición. Cuando se pretende estimar la velocidad en motores DC midiendo únicamente la corriente, los métodos que actualmente existen están basados en la componente ripple. La componente ripple es una componente alterna producida principalmente por la rectificación no ideal de la fuerza electromotriz inducida en las bobinas. Cuando el número de bobinas es grande, la rectificación de la fuerza electromotriz se acerca a la ideal y la componente ripple no es apreciable. En esta situación, no es posible utilizar la componente ripple para la detección de la velocidad. Esto ocurre en motores DC de alta potencia. Por tanto, en motores DC de alta potencia actualmente no existen métodos para la estimación de la velocidad midiendo únicamente la corriente. El tercer método propuesto pretende estimar la velocidad en motores DC de alta potencia midiendo únicamente la corriente. En este método, primeramente es necesario realizar un estudio de las componentes presentes en la corriente de un motor DC y de su relación con la velocidad. Posteriormente, el método propuesto se basa en el estudio previo para la estimación de la velocidad midiendo únicamente la corriente. El tercer método propuesto no pertenece a ninguno de los tres grupos de los observadores sensorless existentes y mencionados anteriormente, por lo que se incluye en un nuevo grupo. Los tres métodos propuestos han sido testeados y medida su precisión en diferentes condiciones de funcionamiento. El primer método propuesto reduce el ruido eficazmente y estima correctamente la velocidad y la posición en diferentes situaciones de funcionamiento: cuando la velocidad es constante, cuando cambia lentamente y cuando varía rápidamente. El segundo método propuesto tiene un bajo coste computacional y estima la velocidad correctamente cuando la velocidad es constante y cuando varía lentamente. En contra cuando la velocidad cambia bruscamente o el ruido presente es alto, el método no funciona correctamente. El tercer método propuesto estima correctamente la velocidad en motores DC de alta potencia con una alta precisión en diferentes situaciones de funcionamiento: cuando la velocidad es constante, cuando cambia lentamente y cuando cambia bruscamente. Por tanto, los tres métodos propuestos cumplen con los objetivos marcadas para cada uno de ellos.