¿Cuál es la manera más eficaz de conmutar un motor de CC sin escobillas?

Por Jason Kelly, Electromechanical Design Engineer, CUI Devices

Motores de CC sin escobillas

Los motores eléctricos de corriente continua sin escobillas o motores de CC sin escobillas, para abreviar, son motores conmutados electrónicamente y alimentados por una fuente de CC a través de un controlador de motor externo. A diferencia de sus parientes con escobillas, los motores de CC sin escobillas se basan en controladores externos para lograr la conmutación. En pocas palabras, la conmutación es el proceso de conmutar la corriente en las fases del motor para generar movimiento. Los motores con escobillas tienen escobillas físicas para lograr este proceso dos veces por rotación, mientras que los motores de CC sin escobillas no tienen esto, de ahí el nombre. Debido a la naturaleza de su diseño, pueden tener cualquier número de pares de polos para la conmutación.

Los motores de CC sin escobillas ofrecen ventajas significativas sobre los motores tradicionales con escobillas. Por lo general ofrecen un aumento del 15 al 20 % en eficiencia , requieren menos mantenimiento sin escobillas que se desgasten físicamente y proporcionan una curva de par de torción plana a todas las velocidades nominales. Si bien los motores de CC sin escobillas no son una invención nueva, su adopción generalizada ha sido lenta debido a la necesidad de complicados circuitos de control y retroalimentación. Sin embargo, los recientes avances en la tecnología de semiconductores, mejores electroimanes permanentes y la creciente demanda de mayor eficiencia han llevado a que los motores de CC sin escobillas reemplacen a los motores con escobillas en muchas aplicaciones. Los motores de CC sin escobillas han encontrado su nicho en muchas industrias, como en artículos del hogar, automóviles, aplicaciones aeroespaciales consumidores, usos médicos, equipos de automatización industrial e instrumentación.

Con la industria que avanza en una dirección que requiere motores de CC sin escobillas en más aplicaciones, muchos ingenieros tienen que cambiar a esta tecnología. Y mientras que los fundamentos del diseño del motor todavía se aplican, la adición del circuito de control externo ha agregado otro conjunto de consideraciones del diseño a la ecuación. Lo más importante en la lista de preguntas de diseño es cómo obtener retroalimentación para la conmutación de motor.

Conmutación de motor

Antes de profundizar demasiado en las opciones de retroalimentación de los motores de CC sin escobillas, es importante entender por qué son necesarios. Los motores de CC sin escobillas vienen en configuraciones monofásicas, bifásicas y trifásicas. La configuración más común es la trifásica. El número de fases coincide con el número de bobinados en el estátor mientras que los polos del rotor pueden tener cualquier número de pares según la aplicación. Debido a que el rotor de un motor de CC sin escobillas está influenciado por los polos giratorios del estátor, la posición del polo del estátor debe ser rastreada para poder controlar con eficacia las 3 fases del motor. Por lo tanto, se utiliza un controlador de motor para generar un patrón de conmutación de 6 pasos en las 3 fases del motor. Estos 6 pasos o fases de conmutación mueven un campo electromagnético que hace que los electroimanes permanentes del rotor muevan el eje del motor.

Diagram of six-step pattern for BLDC motor commutation 

Figura 1: Patrón de seis pasos para la conmutación del motor de CC sin escobillas.

Al utilizar esta secuencia de conmutación de motor estándar, el controlador del motor puede utilizar una señal modulada de ancho de pulso (PWM) de alta frecuencia para reducir eficazmente el voltaje promedio observado por el motor, de esta manera se modifica la velocidad del motor. Esta configuración también proporciona una gran flexibilidad en el diseño al permitir que se use una fuente de voltaje para una amplia gama de motores, incluso si la fuente de voltaje de CC es mucho mayor que el voltaje nominal del motor. Para que este sistema mantenga sus ventajas de eficiencia sobre la tecnología con escobillas, se requiere un bucle de control muy ajustado entre el motor y el controlador. Aquí es donde la tecnología de retroalimentación se vuelve importante. Para que el controlador mantenga un control preciso del motor, siempre debe conocer la posición exacta del estátor en relación con el rotor. Cualquier desalineación o cambio de fase en la posición esperada y actual puede dar como resultado un comportamiento indeseable y una disminución en el rendimiento. Hay muchas maneras de lograr esta retroalimentación para la conmutación de motores de CC sin escobillas, pero las más comunes son los sensores de efecto Hall, los codificadores o los resolucionadores. Además, algunas aplicaciones se basan en técnicas de conmutación sin sensor.

Retroalimentación sobre la posición

Desde los inicios del motor sin escobillas, los sensores de efecto Hall han sido el arma indispensable de la retroalimentación de conmutación. Para el control trifásico, solo se requieren tres sensores y con un costo por unidad muy bajo, son la opción más económica para lograr la conmutación desde una perspectiva de costo de BOM pura. Los sensores Hall están integrados en el estátor del motor para detectar la posición del rotor, que se utiliza para conmutar los transistores en el puente trifásico para accionar el motor. Las tres salidas del sensor de efecto Hall se indican comúnmente como los canales U, V y W. Mientras que los sensores Hall son una solución efectiva para conmutar los motores de CC sin escobillas, solo abordan la mitad de las necesidades de un sistema de CC sin escobillas.

Diagrama del circuito del controlador del puente trifásico

Figura 2: Circuito del controlador del puente trifásico.

Los sensores de efecto Hall permitirán que un controlador accione un motor de CC sin escobillas, pero desafortunadamente, los controles se limitan a la velocidad y dirección. Con un motor trifásico, los sensores de efecto Hall solo pueden proporcionar una posición angular dentro de cada ciclo eléctrico. A medida que aumenta el número de pares de polos, aumenta el número de ciclos eléctricos por revolución mecánica, y el uso de CC sin escobillas se vuelve más común, por lo que aumenta la necesidad de una detección precisa de la posición. Para asegurar una solución robusta y completa, el sistema de CC sin escobillas debe proporcionar información de posición en tiempo real, de modo que el controlador pueda rastrear no solo la velocidad y la dirección, sino también la distancia recorrida y la posición angular.

La solución más común para abordar la necesidad de una información de posición más estricta ha sido añadir un codificador giratorio incremental al motor de CC sin escobillas. A menudo se agregan codificadores graduales además de los sensores de efecto Hall dentro del mismo sistema de bucle de retroalimentación de control. Los sensores Hall se utilizan para la conmutación del motor, y el codificador se utiliza para rastrear la posición, rotación, velocidad y dirección con una precisión mucho mayor. Dado que los sensores Hall solo proporcionan nueva información de posición en cada cambio de estado de Hall, su precisión se limita a seis estados por revolución eléctrica; para un motor de dos polos, esto resulta en solo seis estados por revolución mecánica. En comparación con los codificadores incrementales que ofrecen resoluciones en miles de PPR (pulsos por revolución), que pueden ser decodificados en cambios de estado cuatro veces mayores, se hace obvio por qué ambos son necesarios.

Diagrama de salidas de efecto Hall de seis pasos y fases trapezoidales del motor

Figura 3: Diagrama de salidas de efecto Hall de seis pasos y fases del motor.

Sin embargo, debido a que los fabricantes de motores tienen que poner sensores de efecto Hall y codificadores incrementales en sus motores, muchos fabricantes de codificadores han pasado a ofrecer codificadores incrementales con salidas de conmutación, a menudo simplemente llamados codificadores de conmutación. Estos codificadores están diseñados para proporcionar canales tradicionales en cuadratura A y B (y a veces un canal Z de impulsos de índice de una vez por turno) junto con las señales de conmutación estándar U, V y W requeridas por la mayoría de los impulsores de motores de CC sin escobillas. Esto ahorra a los diseñadores de motores el paso innecesario de instalar sensores de efecto Hall y un codificador incremental.

Aunque las ventajas de este enfoque son convincentes, existe una compensación significativa con este método. Como se ha indicado anteriormente, para que un motor de CC sin escobillas se conmute eficientemente, se deben conocer las posiciones del rotor y del estátor. Esto significa que se debe tener mucho cuidado para asegurar que los canales U/V/W del codificador de conmutación estén correctamente alineados con las fases del motor de CC sin escobillas.

Para los codificadores ópticos que tienen patrones fijos en sus discos ópticos y los sensores de efecto Hall que tienen que colocarse manualmente, el proceso para lograr la alineación correcta de un motor de CC sin escobillas es iterativo y requiere mucho tiempo. El método implica equipos adicionales que incluyen un segundo motor y un osciloscopio. Para alinear un codificador óptico o un conjunto de sensores de efecto Hall, el motor de CC sin escobillas debe ser accionado por un segundo motor; entonces, cuando el segundo motor haga girar el motor a una velocidad constante, se usa un osciloscopio para supervisar la fuerza contraelectromotriz (también conocida como fuerza electromotriz posterior o EMF posterior) de las tres fases del motor. Las señales U/V/W resultantes del codificador o de los sensores Hall se deben comprobar con la forma de onda de la EMF posterior presentada en el osciloscopio. Si hay alguna variación entre los canales U/V/W y la forma de onda de la EMF posterior, se debe realizar un ajuste. Este proceso puede tardar más de 20 minutos por motor, requiere amplias instalaciones de laboratorio y es una fuente importante de frustración cuando se usan motores de CC sin escobillas. Aunque los codificadores ópticos de conmutación consolidan la carga para instalar solo una tecnología, la desventaja de la implementación de un codificador óptico de conmutación es su falta de versatilidad. Debido a que los codificadores ópticos utilizan patrones fijos en sus discos ópticos, se debe conocer el número de polos del motor, la resolución de cuadratura y el tamaño del eje del motor antes de hacer el pedido.

Diagrama de la alineación deseada de los canales de conmutación y las fases del motor

Figura 4: Alineación deseada de los canales de conmutación y las fases del motor.

Codificadores de conmutación capacitivos

CUI Devices ha abordado ambos problemas al ofrecer un codificador de conmutación mejorado que se basa en la tecnología capacitiva patentada utilizada en su familia de productos AMT. Los codificadores ópticos utilizan LED muy pequeños para transmitir luz a través de un disco con muescas a intervalos específicos para generar patrones de salida. Los codificadores AMT pueden describirse de una manera similar; pero en lugar de transmitir luz a través de LED, se transmite un campo eléctrico. En el lugar de un disco óptico, cuenta con un rotor de PCB que contiene un trazo metálico de forma sinusoidal que modula el campo eléctrico. El extremo de recepción de la señal modulada se envía de regreso al transmisor, donde se compara con el original a través de un producto estándar específico para los clientes (ASIC) patentado. Esta tecnología utiliza el mismo principio que el calibrador digital Vernier, que es conocido por su confiabilidad y precisión.

Diagrama del funcionamiento del codificador capacitivo

Figura 5: Funcionamiento del codificador capacitivo.

El codificador de conmutación de la serie AMT31 proporciona salidas incrementales A/B/Z, así como las salidas de conmutación U/V/W. Con un diseño que incluye un ASIC capacitivo y MCU integrado, el codificador genera sus salidas digitalmente. Esto es importante porque permite al usuario establecer digitalmente la posición cero del codificador con solo presionar un botón. Basta con bloquear el motor de CC sin escobillas en el estado de fase deseado y poner a cero el codificador AMT31 con el módulo AMT One Touch Zero™ o la GUI de programación de AMT Viewpoint™. Esto elimina la necesidad accionar el motor o de ver cualquiera de las señales de salida con el osciloscopio, lo cual ahorra efectivamente 20 minutos del proceso de montaje.

Debido a la tecnología capacitiva, la resolución de cuadratura y las salidas de conmutación se pueden ajustar dinámicamente. Los usuarios simplemente conectan el codificador AMT31 a la GUI de AMT Viewpoint, seleccionan entre una lista de 20 resoluciones de cuadratura (hasta 4096 PPR) y 7 opciones de pares de polos estándar (hasta 20 polos) y pulsan "Programar". Esto tiene ventajas en el desarrollo, lo que permite que los ingenieros realicen cualquier cambio de forma rápida y sencilla en los prototipos y, también, ayuda a la producción de la administración de la cadena de suministro. Esto hace que se utilice una sola unidad de mantenimiento de stock (SKU) para múltiples controles de motor de diferentes resoluciones y varios números de polos de motores de CC sin escobillas. Además de cada unidad que soporta diferentes resoluciones y varios números de pares de polos, el receptáculo del codificador está diseñado para un fácil montaje mientras ofrece varias opciones de montaje y múltiples tamaños de manguito para adaptarse a los diámetros del eje del motor comúnmente utilizados.

La GUI de AMT Viewpoint también aporta un nivel sin precedentes de soporte de diseño al codificador de la serie AMT31. Cuando se conecta a AMT Viewpoint, se pueden descargar y utilizar los datos de diagnóstico del codificador AMT31 para evitar posibles fallas y tiempos de inactividad en el campo.

Conclusión

Un bucle de control ajustado con alta precisión permite a los motores de CC sin escobillas sobresalir en muchas áreas. Una mayor exactitud significa menos desperdicio de energía, mayor precisión y más control del usuario final sobre la operación del motor de CC sin escobillas. Los motores de CC sin escobillas se están implementando actualmente en una amplia gama de aplicaciones, como robots quirúrgicos, automóviles sin conductores y automatización de la línea de montaje, y pronto encontrarán su lugar en muchos otros campos aún no concebidos. A medida que crece el mercado de los motores de CC sin escobillas, los requisitos siguen siendo los mismos: motores robustos y eficientes que ofrecen una retroalimentación de detección de posición de bajo costo y alta precisión.  Cuando se empareja con un motor de CC sin escobillas, el codificador de la serie AMT31 es capaz de ofrecer valiosos ahorros de tiempo durante la instalación, mientras que simplifica el desarrollo y la fabricación. Con su alta versatilidad, su capacidad de programación y configuración en segundos, y su compatibilidad con la GUI de AMT Viewpoint, el codificador AMT31 está bien alineado para satisfacer las necesidades del mercado de rápido crecimiento de los motores de CC sin escobillas.

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Jason Kelly, Electromechanical Design Engineer, CUI Devices