La frecuencia de muestreo de un controlador: un equilibrio entre calor, ruido y precisión

Un controlador corta la tensión de la batería en pulsos, miles de veces por segundo, para producir la corriente del motor. El número de ciclos por segundo se llama frecuencia de conmutación, o frecuencia PWM. Este ajuste discreto influye en el calentamiento del controlador, el del motor, el ruido y la calidad de la conducción. No existe un valor universalmente bueno: solo un compromiso que debe encontrarse para cada combinación de controlador-motor.

Lo que hace el proceso de segmentación

Cada fase del motor se conecta alternativamente al polo positivo y al polo negativo de la batería. La proporción de tiempo que se pasa en cada lado determina el voltaje promedio. Los bobinados, gracias a su inductancia, suavizan estos impulsos: la corriente sube un poco durante un impulso y baja durante el siguiente. De esta manera, mantiene una pequeña ondulación en forma de dientes de sierra alrededor del valor deseado. Consulte el interior de un controlador y la modulación vectorial.

Aumentar la frecuencia: ventajas y desventajas

Lo que obtenemos

• Menor ondulación de corriente: La corriente tiene menos tiempo para fluctuar entre dos pulsos. Las pérdidas en el motor causadas por esta ondulación disminuyen.
• Menos ruido audible: por encima de aproximadamente 20,000 ciclos por segundo, el límite del oído humano, el silbido de la segmentación ya no es audible.
• Un control más preciso: el controlador mide y corrige en cada ciclo; cuanto más ciclos, más precisa es la regulación de corriente, lo que puede resultar en una respuesta más rápida.

Lo que pagamos

• Menos pérdidas por conmutación: en cada conmutación, un transistor disipa una pequeña cantidad de energía. Duplicar la frecuencia duplica estas pérdidas. A altas corrientes, esto puede obligar a reducir la corriente admisible.
• Mayor carga de procesamiento: el microcontrolador debe ejecutar toda la instrucción en cada ciclo.
• Mayor cantidad de interferencias electromagnéticas, que deben ser controladas mediante el diseño del circuito.

El papel de la inductancia del motor

La ondulación de corriente depende directamente de la inductancia del motor: cuanto menor es la inductancia, más rápido varía la corriente en cada pulsación. Los motores muy potentes y compactos, con baja inductancia, requieren una frecuencia más alta para mantener una ondulación razonable. Por el contrario, un motor de buje para patinetes, con una inductancia mayor, se contenta con una frecuencia más baja.

Es una de las razones por las que no se conecta cualquier motor a cualquier controlador sin una verificación previa: un motor con una inductancia muy baja conectado a un controlador de baja frecuencia puede experimentar picos de corriente significativos.

La conexión con la velocidad del motor

Para reproducir correctamente una onda sinusoidal, se necesita un número suficiente de ciclos de conmutación por revolución eléctrica. Sin embargo, la frecuencia eléctrica aumenta con la velocidad y el número de polos (ver nuestra guía sobre Kv, el Kt y los polos). A velocidades muy altas en un motor con muchos polos, una frecuencia de conmutación demasiado baja degrada el control.

Encontrar el equilibrio

En los controladores de vehículos eléctricos pequeños, la frecuencia generalmente se encuentra entre una decena y decenas de miles de ciclos por segundo. La elección se realiza considerando:

• la temperatura de los transistores del controlador de alta corriente;
• la temperatura del motor a velocidad constante;
• el ruido, especialmente a baja velocidad;
• La calidad de la respuesta al acelerador a la velocidad máxima.