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Conozca mejor un BLDC: Control de motor de CC sin escobillas sin sensores

Conozca los controladores de motor CC sin escobillas sin sensores, algunos circuitos integrados de ejemplo y algunas desventajas de usar dichos motores.
Una revisión rápida de motores de CC cepillados y sin escobillas
Los motores DC sin escobillas (BLDC) se han vuelto extremadamente populares con respecto a su predecesor, el motor de CC cepillado (consulte la figura a continuación). Como su nombre lo indica, los motores de corriente continua "cepillados" usan cepillos y un conmutador para controlar el movimiento del rotor del motor.





Figura 1. Los motores de CC cepillados usan cepillos y un conmutador. Imagen cortesía de la Universidad de Clemson.



Nuevamente, como su nombre lo implica, los motores DC sin escobillas no utilizan escobillas; el movimiento del motor se controla por medio de señales de accionamiento cuidadosamente diseñadas. En comparación con los motores cepillados, los motores sin escobillas ofrecen una confiabilidad mejorada, una vida más larga, un tamaño más pequeño y un peso más bajo. Los motores BLDC se han vuelto más populares en aplicaciones donde la eficiencia es una preocupación crítica y, en términos generales, un motor BLDC se considera un motor de alto rendimiento capaz de proporcionar grandes cantidades de torque en un amplio rango de velocidad.

Algunos motores BLDC usan sensores de efecto Hall para detectar la posición del rotor del motor con respecto al estator del motor (consulte la Figura 2 a continuación).





Figura 2. Motor BLDC que usa sensores de efecto Hall. Imagen cortesía de Nidec.com.



Otros motores no tienen sensores; se los conoce como motores BLDC sin sensores. En lugar de usar sensores de efecto Hall para determinar la posición y / o velocidad del rotor, se emplea un fenómeno llamado EMF de retorno (ver Figura 3 a continuación).





Figura 3. Control de motor BLDC sin sensor usando EMF trasero. Imagen cortesía de Microchip (página 4).



Control de motor BLDC sin sensor
El control del motor BLDC sin sensores -a veces llamado control trapezoidal sin sensores de motores BLDC- utiliza EMF (BEMF) para determinar la ubicación del rotor del motor (la parte giratoria del motor) con respecto al estator del motor (la parte estacionaria).

Una tensión aplicada a través del devanado de un motor fuerza al rotor del motor a girar. El movimiento del rotor a través del campo magnético del motor, sin embargo, es análogo al comportamiento de un generador, y consecuentemente el motor no solo recibe un voltaje aplicado sino que también genera su propio voltaje. Este voltaje se conoce como fuerza contraelectromotriz, o EMF de respaldo, y es proporcional a la velocidad de rotación del motor. La parte posterior EMF se puede usar para determinar la velocidad y la posición del rotor del motor; no se requieren sensores. Controlar un motor por medio de una EMF trasera no es una tarea simple; la mayoría de los motores BLDC sin sensores se controlan mediante un microcontrolador, un procesador de señal digital o un controlador IC dedicado. La figura siguiente muestra un controlador de motor BLDC sin sensor típico.





Figura 4. Unidad de motor BLDC sin sensor típica.



El DRV10983 de Texas Instruments es un controlador de motor sin sensores trifásico con MOSFET de potencia integrados capaces de proporcionar una corriente continua de accionamiento de hasta 2 A. Está altamente integrado y requiere pocos componentes externos.





Figura 5. Controlador de control de motor BLDC sin sensor DRV10983 de TI. Imagen cortesía de Texas Instruments (página 1).



No todos los controladores de motor BLDC sin sensores tienen MOSFET integrados. Considere, por ejemplo, el A4964 de Allegro. Esta parte requiere el uso de MOSFET de potencia de canal N externo; puede funcionar junto con un microcontrolador o como un controlador de motor de un solo chip independiente.





Figura 6. El controlador BLDC sin sensores A4964 de Allegro puede operar con un microcontrolador o como un controlador de motor independiente. Imagen tomada de la hoja de datos A4964.



Como se mencionó anteriormente, el término trapezoidal se usa a veces cuando se describen controladores de motor BLDC sin sensores. Y al ver la figura a continuación, es fácil ver por qué: las formas de onda de voltaje para cada una de las tres fases del motor tienen una forma trapezoidal.





Figura 7. AN970 de Microchip que muestra las formas de onda del sensor de efecto Hall y las correspondientes formas de onda trapezoidales de retroceso EMF. Imagen cortesía de Microchip (página 3).



Desventajas de los controladores de motor BLDC sin sensor
Cuando el rotor de un motor BLDC sin sensores está girando, su esquema sin sensores puede funcionar perfectamente. Sin embargo, este no es el caso cuando el rotor del motor está parado, y esto nos lleva a una gran desventaja de usar motores BLDC sin sensores. Cuando el rotor del motor no gira, no se genera EMF de respaldo. Sin el respaldo EMF, los circuitos del variador carecen de la información que necesita para controlar adecuadamente el motor.

Para este problema, Texas Instruments ofrece dos soluciones como se indica en su hoja de datos DRV10983 (página 17):

Utilice la función de detección de posición inicial (IPD) del DRV10983 para determinar la posición del rotor "en función de la variación de la inductancia determinística, que a menudo está presente en los motores BLDC".
O bien, use la técnica de alineación y avance. Con este método, se aplica un voltaje a través de una de las fases para forzar al rotor a una alineación conocida.
Otra desventaja del uso de motores BLDC sin sensores se relaciona con la relación entre la EMF trasera y la velocidad angular. Una menor velocidad significa menos retroceso de EMF y, en consecuencia, los motores BLDC de efecto Hall podrían ser más efectivos que los motores BLDC sin sensor en aplicaciones de baja velocidad.



En conclusión
Los motores de corriente continua sin escobillas ofrecen ventajas significativas sobre los motores cepillados estándar. Las implementaciones de CC sin escobillas pueden ser sin sensor o basadas en sensores de efecto Hall integrados en el motor (una tercera opción es el uso de un sensor de posición angular externo). Los sistemas sin sensores reducen los costos y requieren menos interconexiones entre el módulo del controlador y el motor; pueden ser algo complejos, pero los circuitos integrados de alto rendimiento ayudan a simplificar la tarea de diseño. Aunque los sistemas sin sensores son usualmente preferibles, el uso de sensores de efecto Hall puede ser una mejor opción para aplicaciones de baja velocidad.

Fuente de : allaboutcircuits.com
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