Desde su exitoso desarrollo en la década de 1960, se ha demostrado que los motores de corriente continua sin escobillas (BLDC) son más eficientes y tienen una vida útil más larga que los motores de corriente continua (CC) con escobillas anteriores. Junto con el cambio hacia motores síncronos de corriente alterna (CA) en aplicaciones industriales de alta potencia, muchas otras aplicaciones también han comenzado a utilizar motores BLDC.
Hoy en día, los motores BLDC han penetrado en todos los aspectos de la vida diaria de los consumidores. Se pueden encontrar en herramientas que funcionan con baterías, como taladros y sopladores, electrodomésticos como lavadoras e impresoras, así como bicicletas y automóviles eléctricos. En entornos industriales, los motores BLDC se han utilizado para aplicaciones de control de movimiento y manipulación de materiales. Los motores BLDC también proporcionan energía para vehículos terrestres no tripulados (UGV), drones y vehículos aéreos no tripulados (UAV) similares, así como para robots quirúrgicos y exoesqueletos de asistencia.
Los motores de CC con escobillas dependen de escobillas del conmutador de metal o carbono para suministrar energía eléctrica a los devanados del motor, mientras que los motores BLDC no tienen contacto. Debido a la ausencia de fricción y desgaste, es más eficiente, requiere menos mantenimiento y tiene una mayor vida útil del motor. El rendimiento del BLDC también es mejor, con una velocidad más rápida, mayor par y una mayor relación potencia-peso. Con la ayuda de sistemas de control avanzados, los motores BLDC pueden cambiar casi instantáneamente la velocidad o el par y proporcionar un posicionamiento preciso para garantizar la seguridad.
El excelente rendimiento demostrado por los controladores de motor BLDC avanzados hace que estos motores y sus sistemas de control sean muy atractivos para los ingenieros que diseñan aplicaciones modernas de robots y drones, que normalmente requieren características como miniaturización, alta velocidad, alta precisión, alta seguridad y bajos requisitos de mantenimiento.
Principio básico del motor BLDC
El motor BLDC tiene una estructura de tres partes tan simple que es simplemente increíble. El estator estacionario está equipado con de dos a ocho juegos de devanados de cobre, distribuidos en una circunferencia rodeada o paralela al rotor equipado con imanes permanentes (Figura 1). El controlador del motor está conectado al estator para obtener datos de posición y suministrar energía al devanado.
Controlador para motor BLDC trifásico
Figura 1: El controlador del motor BLDC trifásico cambia la dirección del campo magnético del estator cambiando el estado energizado y la polaridad actual de los devanados del estator (fases U, V, W). El rotor (parte azul) con imanes permanentes incorporados gira en consecuencia, manteniendo así la misma dirección que el campo magnético del estator. (Fuente de la imagen: Qorvo)
La aplicación de electricidad a un conjunto de devanados del estator generará un campo magnético y el imán permanente del rotor responderá a este campo magnético. La atracción entre polos magnéticos opuestos hace que el rotor gire. Antes de alinear el rotor con el campo magnético del estator, el controlador cambiará el devanado energizado, cambiará la dirección del campo magnético y mantendrá el rotor girando continuamente.
De hecho, el pulso de corriente enviado por el controlador al estator cambiará de conducción a desconexión y cambiará de polaridad a una determinada frecuencia para representar la corriente utilizando una determinada forma de onda. El esquema de conmutación que se muestra en la Figura 1 está representado por ondas trapezoidales. Otros tipos de motores, incluidos los motores síncronos de imanes permanentes (PMSM), tienen ondas sinusoidales. Este tipo de motor es estructuralmente similar a un motor BLDC, pero hace que el campo magnético gire a través de corrientes variables y el rotor permanece sincronizado y bloqueado con el campo magnético. Ajustar la amplitud y la fase de estas ondas puede cambiar la velocidad del motor y el par disponible.
El controlador también puede recibir información de retroalimentación continua de sensores de posición como sensores de efecto Hall o codificadores fotoeléctricos. En los motores BLDC sin sensores, el valor medido de la fuerza electromotriz inversa (BEMF), la corriente generada por el campo magnético generado por el devanado energizado en el devanado no energizado, se puede utilizar para determinar la posición del rotor.
Desarrollo de controladores de motores
Dado que el monitoreo, el suministro de energía y el control de los motores BLDC requieren estructuras complejas, no es sorprendente que los controladores de motores BLDC anticuados que utilizan dispositivos electrónicos de estado sólido en entornos industriales requieran espacio de gabinete independiente y cables voluminosos de alimentación y datos para conectar los motores. Los circuitos integrados (CI) cada vez más sofisticados están impulsando la miniaturización continua de los controladores de motores, hasta que puedan integrarse en placas de circuito impreso (PCB). A pesar de lograr la miniaturización, la funcionalidad de los controladores de motores actuales continúa ampliándose.
Por ejemplo, el controlador de motor BLDC trifásico ACT72350 de Qorvo (Figura 2). Este controlador integra una interfaz analógica configurable (AFE), un módulo de administración de energía adaptado a varias configuraciones de energía y un controlador de motor dedicado (ASPD) en un dispositivo de montaje en superficie cuadrado, plano y sin cables (QFN) de 9 mm x 9 mm.
Controlador de motor BLDC trifásico integrado Qorvo ACT72350
Figura 2: El controlador de motor BLDC trifásico integrado ACT72350 integra circuitos AFE y funcionalidad de administración de energía configurable en un paquete compacto de montaje en superficie. (Fuente de la imagen: Qorvo)
El AFE configurable de ACT72350 está equipado con tres amplificadores de ganancia programables diferenciales, cuatro amplificadores de ganancia programables de un solo extremo, dos convertidores analógicos a digitales de 10 bits y diez comparadores, lo que lo convierte en un puente que conecta sensores y circuitos de control. Este AFE también puede recibir señales de control de modulación de ancho de pulso (PWM) desde un microcontrolador externo (MCU) a través de una interfaz periférica en serie (SPI).
El módulo de administración de energía configurable permite que el ACT72350 acepte voltajes de entrada de CC que van desde 25 V a 160 V, incluidos hasta 20 segundos de capacidad de la batería (voltaje nominal de 72 V u 84 V cuando está completamente cargada). La fuente de alimentación conmutada de alto voltaje de este módulo puede proporcionar un voltaje de salida estable de 12 V o 15 V y también puede proporcionar una fuente de alimentación estable de 5 V y 200 mA para módulos y MCU ACT72350.
El ASPD de ACT72350 puede utilizar arquitectura de medio puente, puente H o trifásica para accionar el motor (Figura 3). Tres controladores de puerta lateral de alto voltaje con un voltaje de 160 V y tres controladores de puerta lateral de bajo voltaje con un voltaje de 20 V, cada controlador tiene una capacidad de accionamiento de puerta de 2 A (corriente de tracción)/2 A (corriente de vertido), lo que puede lograr un rendimiento de conmutación rápido para mejorar la velocidad del motor.