Una mejor manera de conmutar motores BLDC

Los motores eléctricos de corriente continua sin escobillas o motores de CC sin escobillas son motores conmutados electrónicamente y alimentados por una fuente de corriente continua a través de un controlador de motor externo. A diferencia de sus parientes con escobillas, los motores BLDC dependen de un controlador externo para lograr la conmutación, que es el proceso de conmutación de 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 BLDC no, y debido a la naturaleza de su diseño, pueden tener cualquier número de pares de polos para la conmutación. En este artículo se repasan los conceptos básicos de los motores BLDC, se examinan los métodos habituales de conmutación de motores BLDC y se presenta una nueva solución para recopilar información de posición.

Conceptos básicos de la conmutación de motores BLDC

La configuración más común de los motores BLDC es trifásica. El número de fases coincide con el número de devanados del estator, mientras que los polos del rotor pueden ser de cualquier número de pares en función de la aplicación. Dado que el rotor de un motor BLDC está influido por los polos giratorios del estator, es necesario seguir la posición de los polos del estator para accionar eficazmente las tres fases del motor. Por lo tanto, se utiliza un controlador de motor para generar un patrón de conmutación de 6 pasos en las tres fases del motor. Estos seis pasos, o fases de conmutación, mueven un campo electromagnético que hace que los imanes permanentes del rotor muevan el eje del motor (Figura 1).

Figura 1: Patrón de 6 pasos para la conmutación del motor BLDC. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Para que el controlador conmute eficazmente el motor, debe disponer siempre de información precisa sobre la posición del rotor. Los sensores de efecto Hall han sido la elección popular para la retroalimentación de conmutación desde el inicio del motor sin escobillas. En un escenario típico, se necesitan tres sensores para el control trifásico. Los sensores de efecto Hall están integrados en el estator 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 de los sensores se denominan comúnmente canales U, V y A. Desgraciadamente, este método de retroalimentación de posición presenta algunos inconvenientes. Aunque el coste BOM de los sensores de efecto Hall es bajo, el coste de integración de estos sensores en el BLDC puede duplicar el costo total del motor. Además, el controlador solo obtiene una imagen parcial de la posición del motor a partir de los sensores de efecto Hall, lo que puede causar problemas en sistemas que requieren una realimentación precisa de la posición para funcionar correctamente.

Los encóderes ofrecen mayor precisión

En el mundo actual, los sistemas que requieren motores BLDC necesitan mucha más precisión que nunca en la medición de la posición. Para ello, además de los sensores de efecto Hall, se pueden acoplar codificadores incrementales al motor BLDC. Esto presenta un sistema que proporciona una retroalimentación de posición mejorada, pero ahora requiere que el fabricante del motor añada ambos sensores Hall en el motor, junto con un codificador incremental después del ensamblaje. Una opción mejor es prescindir por completo de los sensores de efecto Hall y sustituir el encóder incremental por un encóder de conmutación. Estos encóderes de conmutación, como los de las series AMT31 o AMT33 de Same Sky, tienen salidas incrementales para un seguimiento preciso de la posición, junto con salidas de conmutación que coinciden con la configuración de polos específica del motor. Los codificadores de conmutación de Same Sky, al ser digitales, permiten programar estos parámetros, incluido el recuento de polos, la resolución y la dirección. Esto proporciona al ingeniero flexibilidad durante la creación de prototipos y pruebas, así como un menor número de SKU de codificadores en múltiples diseños.

Alineación de un motor de conmutación

Cuando se aplica corriente a un motor, este gira, y a la inversa, cuando se hace girar un motor, este genera corriente. Si hiciera girar un motor BLDC, vería salidas en las 3 fases similares a las de la Figura 2 siguiente. Para alinear correctamente un codificador de conmutación o incluso sensores de efecto Hall con un motor BLDC, la forma de onda de conmutación resultante debe alinearse con el EMF de fondo. Tradicionalmente, esto da lugar a un proceso iterativo que requiere un segundo motor para accionar el primero y un osciloscopio para observar las formas de onda. Esto puede llevar mucho tiempo y añadir costes significativos durante el proceso de fabricación.

Figura 2: Salidas de conmutación y fases del motor (Fuente de la imagen: Same Sky)

Con un codificador capacitivo AMT, el proceso de alineación es casi instantáneo y solo requiere una fuente de alimentación. Una vez montado el encóder, el usuario solo tiene que aplicar alimentación a las dos fases que corresponden a la posición inicial deseada del encóder AMT y enviar el comando de alineación. Al hacerlo, el usuario ha fijado esencialmente la posición inicial de la forma de onda de conmutación del encóder y la forma de onda de EMF de retroceso del motor.

Además de la facilidad de alineación, las señales de conmutación del encóder AMT se alinean con mucha más precisión con los polos del motor. Alinear un encéder de conmutación a un motor sólo establece la posición de inicio (es decir, donde comienza la forma de onda de conmutación). Si se hace correctamente, la forma de onda de conmutación debe coincidir perfectamente con la forma de onda de la EMF de retorno del motor. Sin embargo, esto no siempre es posible. Una alineación típica con sensores Hall o un codificador óptico es del orden de ±1 grados eléctricos. En cambio, los encóderes AMT pueden alcanzar una precisión mucho mayor, normalmente de ±0.1 grados eléctricos. La forma de onda del encóder AMT comienza cuando U y W están ambos altos (tercer estado en la forma de onda anterior); consulte al fabricante de su motor para obtener el diagrama EMF posterior apropiado para determinar qué fases deben energizarse durante la alineación.

Ajustes de dirección para encóders de conmutación AMT

Además del recuento de polos y la resolución programables, la serie AMT ofrece un ajuste de dirección para aplicaciones de conmutación, una opción exclusiva que no ofrecen la mayoría de fabricantes de encóderes de conmutación. En pocas palabras, la dirección indica en qué sentido debe girar el eje del encóder para que avancen las señales de conmutación. Normalmente, los encóders de conmutación se colocan en el eje trasero del motor. En este escenario, las señales de conmutación avanzan por sus estados cuando el motor gira hacia la izquierda (visto desde la parte trasera del motor). Sin embargo, si colocas el encóder en el eje delantero, básicamente le ha dado la vuelta y ahora, cuando gira el motor hacia la izquierda (visto desde atrás), el eje del encóder en realidad está girando hacia la derecha (visto desde arriba hacia abajo en el encóder). Esto significa que los polos del motor giran en sentido contrario a los polos del encóder, como se muestra en la figura 3. Otras tecnologías que no incluyen esta opción programable requieren el intercambio físico del disco del encóder o de los canales U, V, A para realizar la misma tarea. Para aplicaciones que utilizan varios motores BLDC con requisitos direccionales variables, esta función programable puede resultar especialmente útil.

Imagen 3: Forma de onda de conmutación opuesta a la FEM trasera (Fuente de la imagen: Same Sky)

Conclusión:

El uso de motores BLDC sigue creciendo y pueden sobresalir en muchas aplicaciones cuando se les proporciona un bucle de control ajustado y una retroalimentación de detección de posición de alta precisión. Los sensores de efecto Hall han sido la solución preferida durante muchos años debido a su bajo costo de BOM, pero a menudo no proporcionan una imagen completa de la posición de un motor a menos que se combinen con un encóder incremental. Sin embargo, los encóderes de conmutación AMT de Same Sky proporcionan una solución todo en uno que elimina por completo la necesidad de sensores de efecto Hall y encóderes incrementales. Los encóderes de conmutación AMT31 o AMT33 de Same Sky son las opciones más versátiles del mercado gracias a su flexible programabilidad y sencilla instalación. Una comprensión básica de los principios de los encóderes de conmutación, como se describe en este artículo, puede convertirlos en una opción convincente para un próximo proyecto de motor BLDC.