Cómo Funcionan los Motores Brushless DC y ESCs: Visión Técnica General

En este tutorial aprenderemos cómo funcionan el motor brushless y el ESC. Este artículo es la primera parte del siguiente vídeo, donde aprenderemos el principio de funcionamiento de un motor brushless DC y ESC (Controlador Electrónico de Velocidad), y en la segunda parte aprenderemos cómo controlar un motor BLDC usando Arduino.

Puedes ver el siguiente vídeo o leer el tutorial escrito a continuación.

Cómo Funciona

Un motor BLDC consta de dos partes principales: un estator y un rotor. Para esta ilustración, el rotor es un imán permanente con dos polos, mientras que el estator consiste en bobinas dispuestas como se muestra en la imagen de abajo.

Todos sabemos que si aplicamos corriente a través de una bobina generará un campo magnético y las líneas de campo magnético o los polos dependen de la dirección de la corriente.

Así que si aplicamos la corriente apropiada, la bobina generará un campo magnético que atraerá el imán permanente del rotor. Ahora si activamos cada bobina una tras otra, el rotor seguirá girando debido a la interacción de fuerza entre el imán permanente y el electroimán.

Para aumentar la eficiencia del motor, podemos enrollar dos bobinas opuestas como una sola bobina de manera que generen polos opuestos a los del rotor, así obtendremos el doble de fuerza de atracción.

Con esta configuración podemos generar los seis polos en el estator con solo tres bobinas o fases. Podemos aumentar aún más la eficiencia energizando dos bobinas al mismo tiempo. De esa manera, una bobina atraerá y la otra repelerá al rotor.

Para que el rotor haga un ciclo completo de 360 grados, necesita seis pasos o intervalos.

Si miramos la forma de onda de la corriente, podemos notar que en cada intervalo hay una fase con corriente positiva, una fase con corriente negativa y la tercera fase está apagada. Esto da la idea de que podemos conectar los puntos libres de cada una de las tres fases juntos y así compartir la corriente entre ellas o usar una sola corriente para energizar dos fases al mismo tiempo.

Aquí hay un ejemplo. Si elevamos la fase A a High, o la conectamos al voltaje DC positivo, con algún tipo de interruptor, por ejemplo un MOSFET, y por el otro lado conectamos la fase B a tierra, entonces la corriente fluirá desde VCC, a través de la fase A, el punto neutro y la fase B, a tierra. Así, con solo un flujo de corriente único generamos los cuatro polos diferentes que causan que el rotor se mueva.

Con esta configuración en realidad tenemos una conexión en estrella de las fases del motor, donde el punto neutro está conectado internamente y los otros tres extremos de las fases salen del motor y por eso los motores brushless tienen tres cables saliendo de ellos.

Así que, para que el rotor haga un ciclo completo solo necesitamos activar los dos MOSFETs correctos en cada uno de los 6 intervalos y eso es en lo que consisten realmente los ESCs.

Cómo Funciona un ESC (Controlador Electrónico de Velocidad)

Un ESC o Controlador Electrónico de Velocidad controla el movimiento o la velocidad del motor brushless activando los MOSFETs apropiados para crear el campo magnético rotativo de modo que el motor gire. Cuanto mayor sea la frecuencia o más rápido el ESC pase por los 6 intervalos, mayor será la velocidad del motor.

Sin embargo, aquí viene una pregunta importante: ¿cómo sabemos cuándo activar qué fase? La respuesta es que necesitamos saber la posición del rotor y hay dos métodos comunes usados para determinar la posición del rotor.

El primer método común es usando sensores de efecto Hall integrados en el estator, dispuestos equitativamente a 120 o 60 grados entre sí.

A medida que los imanes permanentes del rotor giran, los sensores de efecto Hall detectan el campo magnético y generan un "high" lógico para un polo magnético o "low" lógico para el polo opuesto. Según esta información, el ESC sabe cuándo activar la siguiente secuencia de conmutación o intervalo.

El segundo método común usado para determinar la posición del rotor es a través de la detección de la fuerza electromotriz inversa o back EMF. El back EMF ocurre como resultado del proceso exactamente opuesto a la generación de un campo magnético o cuando un campo magnético móvil o cambiante pasa a través de una bobina, induce una corriente en la bobina.

Así que cuando el campo magnético móvil del rotor pasa a través de la bobina libre, o la que no está activa, inducirá un flujo de corriente en la bobina y como resultado ocurrirá una caída de voltaje en esa bobina. El ESC captura estas caídas de voltaje a medida que ocurren y basándose en ellas predice o calcula cuándo debería tener lugar el siguiente intervalo.

Ese es el principio de funcionamiento básico de los motores brushless DC y los ESCs y es el mismo incluso si aumentamos el número de polos tanto del rotor como del estator. Seguiremos teniendo un motor trifásico, solo que el número de intervalos aumentará para completar un ciclo completo.

Aquí también podemos mencionar que los motores BLDC pueden ser inrunners ou outrunners. Un motor brushless inrunner tiene los imanes permanentes dentro de los electroimanes, y viceversa, un motor outrunner tiene los imanes permanentes fuera de los electroimanes. De nuevo, usan el mismo principio de funcionamiento y cada uno tiene sus propias fortalezas o debilidades.

Ok, basta de teoría, ahora demostremos y veamos en la vida real lo que explicamos arriba. Para ese propósito conectaremos las tres fases de un motor brushless a un osciloscopio. Conecté 3 resistencias en un solo punto para hacer un punto neutro virtual y en el otro lado las conecté a las tres fases del motor BLDC.

Lo primero que podemos notar aquí son las tres ondas senoidales. Estas ondas senoidales son en realidad el back EMF generado en las fases cuando no están activas.

Podemos ver que a medida que cambiamos el RPM del motor, la frecuencia de las ondas senoidales cambia así como su amplitud. Cuanto mayor el RPM, mayor son la frecuencia y la amplitud de las ondas senoidales de back EMF. Sin embargo, lo que impulsa el motor son en realidad estos picos, que son las fases activas que generan el campo magnético cambiante.

Podemos notar que en cada intervalo hay dos fases activas y una inactiva. Por ejemplo, aquí tenemos la fase A y B activas, mientras que la fase C está inactiva. Luego tenemos la fase A y C activas, mientras que la fase B está inactiva, y así sucesivamente.

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La pantalla es de 7 pulgadas y es realmente bonita y brillante. Cuenta con varias funciones matemáticas, filtros paso bajo y paso alto, decodificación SPI e I2C y mucho más. Así que de nuevo, muchas gracias a Banggood.com y asegúrate de revisar este osciloscopio en su tienda.

Sin embargo, ese es el principio de funcionamiento básico del motor brushless. En caso de que quieras algunos ejemplos más de la vida real y aprender cómo controlar motores brushless usando Arduino, deberías revisar la segunda parte de este tutorial.

Espero que hayas disfrutado este tutorial y aprendido algo nuevo. Siéntete libre de hacer cualquier pregunta en la sección de comentarios a continuación y no olvides revisar mi colección de proyectos de Arduino.