BLDC, paso a paso, servo y la conmutación electrónica
En un BLDC, ¿qué sustituye al colector y las escobillas?
Un motor de corriente continua seguía girando en un sentido solo porque el conmutador y las escobillas invertían la corriente del inducido giratorio en el momento justo. El motor BLDC intercambia los lugares, pone el imán en el rotor y el devanado en el estátor, y luego elimina esta conmutación mecánica. Al girar el rotor con el deslizador, las bobinas del estátor se encienden una tras otra según su posición; qué hace ahora el trabajo del conmutador y las escobillas es la pregunta de esta lección.
Un BLDC es una máquina de CC del revés
Un motor de corriente continua invertía la corriente de su devanado de inducido giratorio con un conmutador y escobillas para dar par en un solo sentido. El motor BLDC le da la vuelta a esta estructura: el imán permanente que crea el flujo va en el rotor, y el devanado por el que circula la corriente va en el estátor. Un sensor, como un sensor Hall, lee la posición del rotor, y el inversor envía corriente solo a los devanados del estátor que empujan el rotor hacia delante, cambiando de devanado por turnos a medida que el rotor gira. Un BLDC real suele energizar dos fases a la vez y cambiar la combinación cada 60° eléctricos en un esquema de 6 pasos, pero la figura lo simplifica encendiendo una sola bobina. Su comportamiento par-velocidad se parece al de un motor de corriente continua; al no tener escobillas desaparecen el desgaste y las chispas, y como el devanado está en el estátor exterior, también es fácil evacuar el calor.
Un paso a paso cuenta posición en pulsos
Un motor paso a paso mueve su rotor una muesca, un ángulo de paso fijo, por cada pulso. El ángulo de paso es una vuelta completa de 360° dividida entre el número de pasos, así que el motor común de 1,8° da 200 pasos por vuelta. Contando pulsos se conoce la posición, y con la frecuencia de los pulsos, la velocidad, sin ningún sensor (lazo abierto), por eso se usan donde algo debe moverse una cantidad fija con precisión, como en impresoras y máquinas CNC. Sin embargo, si la carga supera el par que puede dar el motor, se salta un paso y pierde la posición, y en lazo abierto no hay forma de recuperar ese desfase.
Un servo lo afina con realimentación
Un servomotor mide la posición y la velocidad con un codificador, devuelve esa señal al controlador (lazo cerrado) y reduce a 0 el error entre el objetivo y el valor real. El motor suele ser un BLDC o un motor síncrono de imanes permanentes, pero el núcleo de un servo está más en el control realimentado que en el motor. Se usa en articulaciones de robots y máquinas herramienta que requieren respuesta rápida y alta precisión. Si se ponen las tres máquinas lado a lado, todas son una familia que gobierna la corriente de los devanados con la información de la posición del rotor, y solo difieren en su objetivo: par continuo el BLDC, posición discreta el paso a paso y precisión en lazo cerrado el servo. La idea de conmutación que nació con el conmutador de la máquina de corriente continua se encontró con la electrónica y los sensores y llevó a las máquinas de hoy que gobiernan la posición.
De vuelta a la primera pantalla
Lo que sustituyó al conmutador y las escobillas fue un sensor de posición y un inversor. El motor BLDC le da la vuelta a la máquina de corriente continua, con el imán en el rotor y el devanado en el estátor, y elimina el contacto mecánico mediante la conmutación electrónica, en la que el inversor envía corriente al devanado adecuado según la posición del rotor. El paso a paso convierte la misma idea de posición en posiciones discretas, una muesca por pulso, y el servo realimenta esa posición con un codificador para sujetarla en lazo cerrado. Los tres salen de un mismo tronco, gobernar la corriente de los devanados con la posición del rotor, y apuntan respectivamente al par continuo, la posición discreta y la precisión en lazo cerrado; la historia de este curso, que partió del conmutador de la máquina de corriente continua, llega a las máquinas de hoy que gobiernan la posición al encontrarse con la electrónica y los sensores.
Sea BLDC o servo, el corazón es el inversor que envía la corriente adecuada a los devanados del estátor según la posición del rotor. Cómo ese inversor convierte la corriente continua en alterna del módulo y la frecuencia deseados, es decir, los fundamentos de la conmutación y del PWM, es el tema de la última unidad. El control V/f de la máquina de inducción, la velocidad variable de la máquina síncrona y la conmutación electrónica del BLDC funcionan sobre el mismo inversor (MC-E2).