Conmutación de seis pasos de un motor BLDC: sensores Hall, inversor y FCEM

Por qué un motor BLDC necesita conmutación electrónica

En un motor con escobillas, el colector mantiene el campo del inducido unos 90° por delante del campo de los imanes. En un motor BLDC los papeles se intercambian: los imanes permanentes están en el rotor y los devanados fijos en el estator. No hay escobillas que entreguen la corriente, así que otra cosa debe decidir qué devanado recibe corriente en cada instante.

Ese otro elemento es el controlador y su etapa de potencia. Necesita saber dónde está el rotor, porque el par solo es alto cuando el campo del estator es aproximadamente perpendicular al del rotor. Si el campo del estator fuera fijo, el rotor se alinearía con él y se detendría. Por eso el controlador hace avanzar el campo del estator alrededor del motor en saltos discretos, justo por delante de los imanes, y el rotor lo sigue.

La misma idea cabe en una frase: un motor BLDC es un motor de CC con escobillas dado la vuelta, con el colector hecho en electrónica.

El inversor trifásico y los seis pasos

Un puente trifásico tiene seis interruptores, uno superior y otro inferior para cada una de las fases U, V y W. En el funcionamiento de seis pasos solo conducen dos interruptores a la vez: uno superior conecta una fase al bus de CC positivo, y uno inferior conecta una segunda fase al bus negativo. La tercera fase queda abierta, o flotante.

Por tanto la corriente circula por dos devanados en serie, y el campo magnético combinado de esos dos devanados apunta en una dirección fija. Cuando el rotor ha girado 60 grados eléctricos, el controlador pasa al par siguiente. Tras seis pasos el campo ha girado 360 grados eléctricos, una revolución eléctrica. La secuencia, con la fase que recibe corriente positiva indicada primero, es:

• Paso 1: U positiva, V negativa, W abierta
• Paso 2: U positiva, W negativa, V abierta
• Paso 3: V positiva, W negativa, U abierta
• Paso 4: V positiva, U negativa, W abierta
• Paso 5: W positiva, U negativa, V abierta
• Paso 6: W positiva, V negativa, U abierta

Cada paso se elige mediante uno de seis códigos Hall. Los códigos 000 y 111 no aparecen nunca en un motor sano, así que sirven para detectar un fallo de cableado o de sensor. La correspondencia exacta entre Hall y paso depende de dónde estén montados los sensores respecto a los devanados, por lo que se toma de la hoja de datos del motor. Para invertir el sentido se usa la secuencia espejo, y la velocidad se controla troceando los interruptores que conducen con PWM, que fija la tensión media.

Sensores Hall y conmutación sin sensores

Tres sensores de efecto Hall, normalmente separados 120 grados eléctricos, se sitúan junto a los imanes del rotor o junto a un pequeño anillo magnético en el eje. Cada uno da un 1 o un 0 lógico según pase un polo norte o un polo sur, de modo que juntos forman un código de 3 bits que cambia cada 60 grados eléctricos. Es exactamente la resolución que necesita el control de seis pasos.

Los sensores Hall dan información de posición fiable incluso en reposo, lo que facilita arrancar con carga. Sus inconvenientes son el coste, los cables adicionales (cinco para los sensores y tres para las fases), la sensibilidad a la temperatura y a los errores de colocación, y un componente más que puede fallar.

FCEM trapezoidal y rizado del par

El motor se bobina y sus imanes se conforman para que la FCEM de cada fase sea trapezoidal: sube, se mantiene plana unos 120 grados eléctricos, baja y se mantiene plana negativa otros 120 grados. Durante cada intervalo de seis pasos, las dos fases que conducen están en un tramo plano de su FCEM, así que una corriente constante da un par casi constante:

T = Kt × I

donde Kt es la constante de par. Cada conmutación, sin embargo, traslada la corriente bruscamente de una fase a otra. La inductancia del devanado frena el cambio de corriente, y por eso el par sufre una breve caída en cada paso. Este rizado de conmutación, a seis veces la frecuencia eléctrica, es la principal desventaja del método y la razón por la que los accionamientos suaves y silenciosos usan control sinusoidal.

La velocidad se relaciona con la frecuencia eléctrica como f_e = rpm × p / 60, donde p es el número de pares de polos. Un motor con 4 pares de polos a 4000 rpm tiene una frecuencia eléctrica de unos 267 Hz y realiza 1600 pasos de conmutación por segundo.

Conmutación sin sensores. Los sensores Hall pueden eliminarse observando la fase flotante. Mientras conducen las otras dos fases, la tensión en la fase abierta es igual a su propia FCEM, que pasa por cero cuando pasa el imán del rotor. El controlador detecta ese cruce por cero respecto al punto neutro del motor (o a un neutro virtual construido con resistencias), espera unos 30 grados eléctricos y entonces conmuta.

Funciona bien de velocidad media hacia arriba y es habitual en ventiladores, bombas y motores de drones. Falla a muy baja velocidad porque la FCEM es proporcional a la velocidad y es demasiado pequeña para medirse, de modo que el motor debe arrancarse en lazo abierto: se fuerza su alineación en una posición conocida y luego se aumenta la velocidad hasta que la FCEM es lo bastante grande para tomar el relevo. Por eso los accionamientos sin sensores tienen dificultades con un alto par de arranque y para mantener la posición a velocidad cero.

BLDC frente a un motor de CC con escobillas

• Mantenimiento: el BLDC no tiene escobillas que se desgasten, por lo que su vida la limitan los rodamientos; un motor con escobillas requiere mantenimiento de escobillas.
• Rendimiento y calor: el BLDC no tiene rozamiento de escobillas ni su caída de tensión; los devanados están en el estator, desde donde el calor fluye directamente a la carcasa.
• Intervalo de velocidades: sin el límite del colector, los motores BLDC alcanzan velocidades mucho mayores.
• Ruido: no hay arcos de escobillas ni ruido eléctrico por chispas.
• Coste y complejidad: el BLDC necesita un inversor trifásico y sensado de posición, mientras que un motor con escobillas puede funcionar desde una batería o un solo transistor.
• Comportamiento del par: ambos dan un par casi proporcional a la corriente y una velocidad casi proporcional a la tensión, de modo que la recta característica es igual.

Ejemplo resuelto. Tome un motor de 24 V con Kt = Ke = 0,05 N·m/A y una resistencia de devanado de 0,28 Ω. Con un ciclo de trabajo PWM del 50 % la tensión media es 12 V. Con una carga que necesita 5 A, la FCEM es 12 − 5 × 0,28 = 10,6 V, así que la velocidad es 10,6 / 0,05 = 212 rad/s, es decir, unas 2020 rpm. Si se duplica el ciclo de trabajo al 100 % se obtienen 24 − 1,4 = 22,6 V y unas 4300 rpm con la misma corriente.

Cómo modela el simulador un motor BLDC

El simulador del motor de CC sin escobillas de Curvo Studio es un modelo educativo compacto. El PWM se representa por su tensión media aplicada, que es la tensión del bus de CC multiplicada por el ciclo de trabajo. Kt y Ke se tratan como numéricamente iguales en unidades del SI. A partir de la carga, el simulador halla la corriente de fase necesaria para el par (más una pequeña corriente en vacío), resta la caída resistiva de la tensión aplicada para obtener la FCEM, y divide por Kt para obtener la velocidad. La corriente se limita al menor valor entre 4,5 veces la corriente nominal y la corriente de calado, y cuando la carga necesita más que eso el motor se marca como calado.

El modelo 3D tiene por defecto un rotor de imanes permanentes de ocho polos (cuatro pares de polos), devanados U, V y W fijos en el estator y una placa con tres sensores Hall. Una línea en vivo sobre el modelo 3D muestra el código Hall actual y qué fases conducen y cuál está abierta, y las fases se resaltan en secuencia mientras gira el rotor. El simulador no modela en detalle el método sin sensores por FCEM, el rizado del par de conmutación ni la conmutación del inversor.

Pruébelo en el simulador del motor BLDC

Abra el simulador del motor de CC sin escobillas y pruebe estos experimentos.

• Observe la línea en vivo sobre el modelo 3D: el código Hall cambia cada 60 grados eléctricos y el par de fases que conduce se mueve con él, con una fase siempre abierta.
• Fije el ciclo de trabajo pwm en 100 % y luego en 50 %, y lea la Velocidad del rotor. Escala con la tensión media.
• Cambie el voltaje del bus de CC para ver el mismo efecto desde el otro lado.
• Suba el control deslizante de Carga mecánica para ver subir la Corriente de fase y el Par y hundirse ligeramente la velocidad. Sobrecárguelo hasta que el motor se cale.
• Cambie la Secuencia de conmutación entre ABC y ACB y el rotor se invierte.
• Compruebe la lectura de Frecuencia eléctrica y compárela con velocidad × pares de polos / 60. Cambie los pares de polos en la placa de características y vea cómo cambia el rotor 3D.
• Active la capa de Campo magnético en la vista en corte para ver cómo el campo del estator salta por delante de los imanes del rotor.

Pruébalo en el simulador