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Control de motores de corriente continua con escobillas con modulación de anchura por impulsos

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La popularidad duradera de los motores de CC sin escobillas se debe a la combinación de su sencillez de diseño, sus rápidas respuestas transitorias, sus insignificantes pérdidas en el hierro y su facilidad de control

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Como la velocidad es proporcional a la tensión aplicada, el motor puede accionarse simplemente con una fuente de alimentación de regulación lineal continua. Pero, ¿es ésta siempre la mejor solución?

El Dr. Sunil Kedia, director de NPD del mercado principal de Portescap, analiza las ventajas de utilizar un accionamiento PWM como alternativa y examina la frecuencia óptima, el rizado de la corriente y las consideraciones relativas a la vida útil para controlar los motores de CC con escobillas.

Desde la robótica y la automatización industrial hasta los electrodomésticos e incluso los juguetes, hay muchas aplicaciones para los motores miniatura de CC con escobillas que exigen accionar el motor en más de un punto de carga o a través de ciclos de carga específicos. Si bien esto puede lograrse con fuentes de alimentación de regulación lineal continua, éstas suelen ser ineficientes y voluminosas, dos características que suponen una desventaja especial en los equipos alimentados por baterías.

Una alternativa es la regulación de tensión por modulación de ancho de pulso (PWM). En este caso, la potencia de entrada al motor se enciende y apaga continuamente a una alta frecuencia de funcionamiento: la combinación de la inductancia de la bobina y la inercia del motor sirve para suavizar la velocidad, de manera que el motor se comporta como si viera una tensión continua pura. La velocidad del motor está definida por el ciclo de trabajo, es decir, la relación entre el tiempo de encendido y el tiempo de apagado de la tensión aplicada.

El control a través de la regulación de tensión PWM resuelve los dos principales inconvenientes de la regulación de tensión lineal continua, con accionamientos compactos que son muy eficientes. El par de salida puede controlarse con mayor precisión y, con un diseño correcto, se pueden minimizar los efectos de las corrientes parásitas resultantes (una contrapartida inherente al uso de PWM con un motor), lo que permite accionar el motor de forma óptima. La mayor eficiencia del accionamiento PWM reduce el calentamiento de los componentes electrónicos y, en las aplicaciones alimentadas por baterías, aumenta la vida útil de éstas.

Por lo tanto, el argumento para optar por el control PWM es sólido. Sin embargo, hay una serie de consideraciones de diseño que hay que tener en cuenta cuando se utiliza un accionamiento PWM con motores de CC con escobillas, con parámetros como la frecuencia PWM y el ciclo de trabajo que tienen un impacto en el rendimiento y la vida útil del motor.

Consideraciones sobre el diseño

El motor de CC con escobillas puede modelarse de forma sencilla como un circuito de resistencia/inductor (RL) en serie. En cualquier circuito de este tipo, cuando se aplica una tensión a través de él, la corriente aumenta en una curva hacia el valor de estado estacionario. Y cuando se elimina la tensión, la corriente sigue una curva inversa hacia cero. La constante de tiempo del circuito RL define la tasa máxima de cambio de la tensión aplicada en el circuito.

Cuando se utiliza el PWM para accionar el motor, la corriente a través del motor sube y baja con cada periodo del PWM. Ignorando el EMF posterior del motor, el aumento de la corriente es una función de la inductancia del motor y la resistencia total. La intuición ideal para el diseño es decidir la frecuencia del PWM de forma que permita un tiempo suficiente para que la corriente alcance su estado estable en cada ciclo. Pero no siempre es el enfoque correcto.

Si la frecuencia PWM se incrementa más allá de este valor umbral, no hay tiempo suficiente para que la corriente alcance su estado estable, y la corriente oscila entre dos valores de estado no estable, dando lugar a un rizado de corriente. El ripple es directamente proporcional a la frecuencia aplicada y, a medida que la frecuencia del PWM se incrementa más, el efecto del ripple se reduce a un rango aceptable. Este rizado de corriente tiene una serie de efectos perjudiciales en el rendimiento del motor, incluido el comportamiento no lineal del par, ya que el par de salida es proporcional a la corriente. Por lo tanto, la frecuencia se elige de forma que el rizado del par no afecte al rendimiento de la aplicación

Además, el calentamiento resistivo en el bobinado del motor es proporcional al cuadrado de la corriente. Una corriente de ondulación excesiva aumentará el calentamiento en el paquete de devanados, con lo que disminuirá el rendimiento del motor y afectará a su vida útil.

En el caso de los motores de CC con escobillas que no utilizan láminas de hierro, las pérdidas por corrientes de Foucault e histéresis en el circuito magnético son directamente proporcionales a la ondulación de la corriente, por lo que un exceso de ondulación de la corriente reduciría el rendimiento general del motor

La ondulación de la corriente también tiene un impacto directo en la conmutación del motor. En el caso de la conmutación de metales preciosos, la electroerosión de las escobillas durante los picos de corriente puede ser un problema grave, siendo la electroerosión proporcional al cuadrado de la corriente efectiva que pasa por el devanado. El desgaste de las escobillas ya representa el modo de fallo dominante en los motores de CC con escobillas, y un aumento de la electroerosión sólo acelerará su desgaste.

En el caso de la conmutación de las escobillas de carbón, los altos niveles de ondulación de la corriente aumentan la acumulación de pátina, la capa de óxido de cobre que se forma en la superficie del conmutador de la escobilla de carbón. Aunque una película fina es ventajosa para mejorar la conmutación y reducir la fricción, a medida que aumenta el tamaño de la película se deteriora el contacto de la escobilla. A velocidades moderadas o altas, esto podría no afectar al rendimiento del motor de forma significativa, pero sin duda empezaría a tener un efecto notable a velocidades de funcionamiento más bajas.

Reducción de la corriente de rizado

Dado que la corriente de rizado tiene un impacto tan grande en el rendimiento y en la vida útil del motor, ¿cómo podemos minimizarla? En primer lugar, hay que tener en cuenta que el rizado de corriente es máximo cuando el ciclo de trabajo es del 50%, por lo que el objetivo debe ser hacer funcionar el motor lejos del ciclo de trabajo del 50%.

Además, como hemos visto, la corriente de rizado está directamente relacionada con la frecuencia PWM. Ciertamente, es aconsejable mantener la frecuencia PWM fuera del rango del oído humano (20 Hz - 20 kHz), ya que un rizado de corriente en ese rango de frecuencia puede introducir ruido durante el funcionamiento del motor. Pero si consideramos que un objetivo de referencia es reducir el rizado de corriente a menos del 10% para optimizar el rendimiento y maximizar la vida útil del motor, esto puede significar un rango de frecuencia PWM tan alto como 40-120 kHz

Portescap recomienda ponerse en contacto con un ingeniero experto para discutir los detalles de la aplicación, ya que las interdependencias entre los requisitos de la aplicación, las características de rendimiento del motor y el diseño resultante o la especificación del accionamiento PWM son complejas. Conocer bien estas dependencias es aún más importante en las aplicaciones alimentadas por batería, en las que el requisito de maximizar el rendimiento de la aplicación viene acompañado de la necesidad de prolongar la vida útil de la batería