Los motores BLDC y los controladores de motor integrados son la clave de la eficiencia en robótica y drones

Desde su desarrollo en la década de 1960, los motores de corriente continua sin escobillas (BLDC) han demostrado ser más eficientes y duraderos que los motores de corriente continua (CC) con escobillas que los precedieron. Mientras que las aplicaciones industriales de alta potencia recurrieron a los motores síncronos de corriente alterna (CA), muchas otras aplicaciones utilizan ahora motores BLDC.

En la actualidad, los motores BLDC forman parte de la vida cotidiana de los consumidores. Se pueden encontrar en herramientas que funcionan con baterías, como taladros y sopladores de hojas, en electrodomésticos como lavadoras e impresoras, y en bicicletas eléctricas y automóviles eléctricos. En entornos industriales, los motores BLDC se utilizan en aplicaciones de control de movimiento y manipulación de materiales. Los motores BLDC también propulsan vehículos terrestres no tripulados (UGV), drones y vehículos aéreos no tripulados (UAV) similares, así como robots quirúrgicos y exoesqueletos de asistencia.

Mientras que los motores de CC con escobillas dependían de escobillas conmutadoras metálicas o de carbono para conducir la energía a los devanados del motor, los motores BLDC no tienen contacto. La ausencia de fricción y desgaste las hace más eficaces, reduce las necesidades de mantenimiento y prolonga la vida útil del motor. También rinden más, con velocidades más altas, pares más elevados y una mayor relación potencia-peso. Los sofisticados sistemas de control permiten a los motores BLDC cambiar casi instantáneamente de velocidad o par, además de proporcionar un posicionamiento preciso y garantizar la seguridad.

Las prestaciones que ofrecen los sofisticados controladores de motores BLDC hacen que estos motores y sus sistemas de control resulten atractivos para los ingenieros que diseñan modernas aplicaciones robóticas y de drones que requieren miniaturización, velocidad, precisión, seguridad y un mantenimiento mínimo.

Conceptos básicos del motor BLDC

La composición de tres componentes de los motores BLDC es engañosamente sencilla. Un estator estacionario alberga de dos a ocho juegos de bobinados de cobre distribuidos alrededor de una circunferencia que está rodeada, circundada o paralela a un rotor que contiene imanes permanentes (figura 1). Un controlador del motor se conecta al estator, accede a los datos de posición y alimenta los bobinados.

Figura 1: El controlador de un motor BLDC trifásico conmuta qué devanados del estator (U, V y W) están energizados y su polaridad, cambiando la orientación del campo magnético. El rotor con imanes permanentes (en azul) gira para alinearse con el campo magnético del estator. (Fuente de la imagen: Qorvo)

Al energizar un conjunto de bobinados en el estator se crea un campo magnético al que reaccionan los imanes permanentes del rotor. La atracción entre polos magnéticos opuestos hace que el rotor gire. Antes de que el rotor pueda alinearse con el campo magnético del estator, el controlador conmuta los devanados que reciben energía, cambiando la orientación del campo magnético para mantener el rotor en movimiento.

En la práctica, los impulsos de corriente que el regulador envía al estátor cambian de encendido a apagado y cambian de polaridad con una frecuencia tal que la corriente puede representarse mediante una forma de onda. El esquema de conmutación de la figura 1 se representa mediante una onda trapezoidal. Otros motores, incluidos los motores síncronos de imanes permanentes (PMSM), similares en su construcción a los motores BLDC pero que utilizan una corriente variable para hacer girar un campo magnético al que se fija el rotor, tienen formas de onda sinusoidales. Los ajustes en la amplitud y la fase de estas ondas alteran la velocidad del motor y el par disponible.

El controlador también recibe información constante de los sensores de posición, como los sensores de efecto Hall o los codificadores ópticos. En los motores BLDC sin sensores, la medición de la fuerza electromotriz de retroceso (BEMF), la corriente generada en los devanados no energizados por el campo magnético producido por los devanados energizados, se utiliza para determinar la posición del rotor.

Desarrollo de controladores motores

Dada la compleja arquitectura necesaria para supervisar, alimentar y controlar los motores BLDC, no es de extrañar que los antiguos controladores de motores BLDC que utilizaban electrónica de estado sólido requirieran su propio espacio en el armario y gruesos cables de alimentación y datos que llegaban hasta los motores en entornos industriales. Los circuitos integrados (CI), cada vez más sofisticados, han permitido la reducción del tamaño de los controladores de motores hasta hacerlos caber en una placa de circuito impreso (placa CI). A pesar de la miniaturización, las capacidades de los controladores de motor actuales siguen ampliándose.

Un ejemplo es el controlador de motor BLDC trifásico ACT72350 de Qorvo (figura 2), que combina un front-end analógico configurable (AFE), un módulo de gestión de la alimentación que se adapta a una gran variedad de configuraciones de suministro y un controlador de motor específico de la aplicación (ASPD) en un único dispositivo de montaje superficial plano cuádruple sin plomo (QFN) de 9 mm por 9 mm.

Figura 2: El controlador de motor BLDC trifásico integrado ACT72350 combina circuitos AFE con gestión de potencia configurable en un encapsulado compacto de montaje superficial. (Fuente de la imagen: Qorvo)

El AFE configurable del ACT72350 tiene tres amplificadores diferenciales de ganancia programable, cuatro amplificadores de ganancia programable de un solo extremo, dos convertidores de digital a analógico de 10 bits y diez comparadores que le permiten actuar como puente entre los sensores y los circuitos de control. También recibe señales de control de modulación por ancho de pulsos (PWM) de una unidad de microcontrolador externa (MCU) a través de una interfaz periférica serial (SPI).

El módulo de gestión de la alimentación configurable permite al ACT72350 aceptar tensiones de entrada de CC entre 25 V y 160 V, incluida la alimentación de la batería hasta un estándar 20S (nominalmente 72 V u 84 V cuando está totalmente cargada). Su fuente de alimentación conmutada de alto voltaje proporciona una tensión de salida estable de 12 V o 15 V. También suministra una alimentación estable de 5 V y 200 mA a los módulos del ACT72350 y a la MCU.

Los ASPD del ACT72350 pueden accionar el motor con una arquitectura de medio puente, puente en H o trifásica (figura 3). Tres controladores de compuerta de lado alto a 160 V y tres controladores de compuerta de lado bajo a 20 V cada uno tienen capacidades de conducción de compuerta de 2 A (fuente)/2 A (sumidero) para permitir una conmutación rápida para una mayor velocidad del motor.

Figura 3: El diagrama de bloques del módulo ASPD del ACT72350 muestra los controladores de puerta de lado alto y de lado bajo. El pin nBRAKE es activado por un controlador externo para detener la rotación del motor por razones de seguridad. (Fuente de la imagen: Qorvo)

El ACT72350 reduce el número de componentes electrónicos necesarios para controlar un motor BLDC. La unidad combina módulos que gestionan las entradas de señales analógicas, aceptan y normalizan las entradas de potencia y accionan el motor en un único y compacto paquete de montaje superficial. Al mismo tiempo, el ACT72350 preserva la flexibilidad de diseño al permitir que cualquier MCU elegida proporcione señales de control a través de SPI.

Implementación de drones

Simplificar la electrónica de control de los motores BLDC en un paquete integrado más una MCU es clave para aplicaciones en las que el espacio y el peso son primordiales, como los aviones teledirigidos y otros vehículos aéreos no tripulados. Los diseñadores de estos sistemas eligen los motores BLDC para aprovechar al máximo cada milímetro cuadrado de espacio y cada gramo de peso, y los controladores del motor deben contribuir a ello. La elevada relación par-peso de los motores BLDC significa que son relativamente ligeros para la potencia que proporcionan a los rotores o hélices de los drones. Su eficiencia energética de más del 85% significa que pueden transportar mayores cargas útiles o volar más tiempo con una sola carga de batería.

Un excitador de motor que ocupa poco espacio como el ACT72350 combina múltiples funciones en un pequeño paquete a la vez que proporciona un rendimiento del motor de alta calidad. En lugar de necesitar un armario de control y cables gruesos y pesados, los diseñadores de drones y vehículos aéreos no tripulados pueden emplear varios ACT72350, un paquete de baterías y la MCU de su elección, todo ello implementado en el vehículo. Los controladores de puerta de alto voltaje del ACT72350 soportan la conmutación de alta velocidad para un funcionamiento suave, liberando a la MCU de la tarjeta de control de vuelo para instrucciones de vuelo de mayor nivel.

Puede que la eficiencia en cuanto a espacio y peso no sea tan importante para los UGV, pero sus diseñadores siguen eligiendo los motores BLDC por su gran capacidad de par en aplicaciones de propulsión y su capacidad para ofrecer un movimiento preciso en aplicaciones de dirección. Los motores BLDC también son apreciados en estas aplicaciones por sus requisitos de bajo mantenimiento, una consideración especialmente importante en entornos exteriores.

Reimaginar la robótica

Un motor BLDC de bajo mantenimiento también es ventajoso en robótica, donde garantiza la fiabilidad a largo plazo en aplicaciones de ciclos elevados. Los motores BLDC mueven articulaciones en brazos robóticos industriales, exoesqueletos, pinzas y manipuladores de materiales, prótesis y robots humanoides de compañía.

En todas estas aplicaciones, el diseño ligero y compacto de los motores BLDC contribuye a su funcionamiento eficaz, su alta precisión y la amplitud de movimiento que permiten. La elevada relación par-peso que beneficia a los drones también permite a los motores BLDC alimentar robots sin añadir peso ni volumen. Con su AFE integrado que proporciona hasta 2 A cada uno de capacidad de accionamiento de fuente y sumidero, el ACT72350 está preparado para aceptar señales de múltiples sensores de posición del rotor o para medir la BEMF, lo que garantiza un control preciso de la velocidad en una aplicación robótica.

La seguridad también es primordial en estas aplicaciones, en las que los equipos suelen funcionar cerca de personas o cerca de bienes o equipos de gran valor. El AFE permite que el sistema reaccione instantáneamente a condiciones de sobretemperatura, sobretensión y sobrecorriente que podrían suponer una amenaza para los componentes electrónicos o las personas cercanas. El ACT72350 también puede suministrar frenado de emergencia a través del pin nBRAKE de su ASPD. Una señal de 50 µseg desde la MCU o una MCU de seguridad redundante al pin nBRAKE desactiva todos los controladores de puerta de lado alto, mientras que los controladores de puerta de lado bajo realizan el frenado y se ignoran las entradas PWM.

Conclusión

Los diseñadores eligen los motores BLDC para muchas aplicaciones en campos como la medicina, los productos de consumo, la automoción, el ocio y la industria, entre otros. Para aprovechar la eficiencia, la capacidad de par, las altas velocidades, la precisión y los bajos requisitos de mantenimiento de los motores BLDC, los diseñadores también deben elegir controladores de motor que puedan manejar la compleja combinación de entradas de sensores analógicos, comandos digitales de la MCU, fuentes de alimentación con tensiones y corrientes variadas y los impulsos de corriente de conmutación rápida necesarios para alimentar los devanados del motor. Los controladores de motor como el ACT72350 de Qorvo, que combinan estas capacidades en un paquete compacto, contribuyen al éxito de los motores BLDC en aplicaciones avanzadas.