Introducción al control del motor CC sin escobillas

Por Steven Keeping

Colaboración de Electronic Products
27-03-2013

El motor CC sin escobillas (BLDC) es cada vez más popular en sectores, como el automotriz (especialmente en
vehículos eléctricos [EV]), HVAC, electrodomésticos e industria, porque, tal como lo indica su nombre, no necesita de
las escobillas que tienden al desgaste (estas escobillas se utilizan en los motores tradicionales) y las remplaza con un
dispositivo electrónico que mejora la fiabilidad y la durabilidad de la unidad.
Además, un motor BLDC puede ser más pequeño y liviano que un motor de escobilla con la misma salida de
potencia por lo que es ideal para aplicaciones donde el espacio es reducido.
La desventaja es que los motores BLDC sí necesitan administración electrónica para funcionar. Por ejemplo, se
necesita un micro-controlador, que utiliza una entrada de sensores que indican la posición del rotor, para energizar las
bobinas del estator en el momento correcto. El tiempo preciso permite un control preciso de velocidad y torsión así
como garantiza que el motor funcione con el pico de eficiencia.
Este artículo explica los principios básicos del funcionamiento del motor BLDC y describe el circuito de control
típico para la operación de una unidad trifásica. También se analizan algunos de los módulos integrados, que el
diseñador puede seleccionar para facilitar el diseño del circuito y que están diseñados especialmente para el control
del motor BLDC.

VENTAJAS DE LA OPERACIÓN SIN ESCOBILLAS

Las escobillas de un motor convencional transmiteN la potencia a las bobinas del rotor que gira en un campo
magnético fijo cuando está energizado. La fricción entre las escobillas fijas y un contacto de metal giratorio en el rotor
de rotación provoca el desgaste. Además, la potencia se puede perder si hay un contacto escaso entre la escobilla y el
metal y la formación de arco eléctrico.
Como un motor BLDC realiza la distribución mediante las escobillas, en vez de utilizar un «conmutador
electrónico», la fiabilidad y la eficiencia del motor mejora al eliminar la fuente de desgaste y la pérdida de potencia.
Los motores BLDC ofrecen muchas otros beneficios en comparación con motores CC con escobilla y motores de
inducción, entre ellos mejor velocidad en comparación con torsión, respuesta dinámica más rápida, operación sin
1
ruido y mayores rangos de velocidad.
Además, la proporción de torque que se proporciona en relación con el tamaño del motor es mayor, por lo que es
una buena opción para aplicaciones como máquinas lavadoras y EV, donde se necesita una potencia alta, pero el
tamaño compacto y el peso son factores esenciales. (No obstante, se debe tener en cuenta que los motores CC de tipo
escobilla tienen mayor torque de inicio).
Un motor BLDC se conoce por ser «sincrónico» porque el campo magnético generado por el estator y el rotor gira
a la misma frecuencia. Un beneficio de este arreglo es que los motores BLDC no ejercen el «deslizamiento» típico de
los motores de inducción.
Si bien los motores pueden ser monofásicos, bifásicos o trifásicos, el último es el tipo más común y es la versión
que se analizará aquí.
El estator del motor BLDC compromete las láminas de acero, con ranuras axiales para alojar la misma cantidad de
bobinados en la periferia interna (Figura 1). Si bien el estator del motor BLDC se asemeja a un motor de inducción, el
bobinado se distribuye de manera diferente.
 Figura 1: Estator de un motor BLDC que muestran un anillo de acero ranurado con bobinados axiales. (Cortesía de Microchip.)

El rotor está construido de imanes permanentes con pares de polo N-S de dos a ocho. La mayor cantidad de pares
de imanes aumentan la torsión y disminuyen el denominado rizado de torsión, que equilibra la potencia que llega del
motor. La desventaja es un sistema de control más complejo, mayor costo y menor velocidad máxima.
Tradicionalmente, los imanes de ferrita se utilizaron como imanes permanentes, pero las unidades actuales
tienden a usar imanes de tierra rara. Si bien estos imanes son más costosos, generan mayor densidad de flujo,
permitiendo que el rotor sea más pequeño para un par de torsión dado. El uso de estos imanes poderosos es un
motivo clave por el que los motores BLDC ofrecen mayor potencia que el motor CC de escobilla del mismo tamaño.
Podrá encontrar información detallada sobre la construcción y la operación de los motores BLDC en una
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interesante nota de aplicación (AN885) publicada por Microchip Technology.

PRINCIPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMIENTO

El conmutador electrónico del motor BLDC energiza de manera secuencial las bobinas del estator generando un
campo eléctrico giratorio que "arrastra" al rotor a su alrededor. Las N «revoluciones eléctricas» equivalen a una
revolución mecánica, donde N es el número de pares de imanes.
Para los motores trifásicos, tres sensores de efecto Hall se integran en el estator para indicar las posiciones
relativas del estator y del rotor con respecto al controlador para que puede energizar el bobinado en la secuencia
correcta y en el momento correcto. Los sensores Hall se montan generalmente en el extremo no impulsor de la unidad
(Figura 2).

Figura 2: Los sensores de efecto Hall están integrados en el estator de un motor BLDC para determinar la
secuencia de alimentación del bobinado. (Cortesía de Microchip.)
 Cuando los polos magnéticos del rotor, pasan por los sensores de efector Hall, se genera un señal más alta (para
un polo) o más baja (para el polo opuesto). Tal como se analiza en detalle a continuación, la secuencia exacta de
conmutación se puede determinar al combinar las señales de tres sensores.
Todos los motores eléctricos generan un potencial de voltaje debido al movimiento del bobinado a través del
campo magnético asociado. Este potencial se conoce como fuerza electromotriz y conforme a la ley de Lenz, genera
una corriente en el bobinado con un campo magnético opuesto al cambio original en el flujo magnético. En pocas
palabras, esto significa que el EMF tiende a resistir la rotación del motor y, por lo tanto, se denomina EMF
«regenerado» (BEMF). Para un motor dado del flujo magnético fijo y una cierta cantidad de bobinados, el EMF es
proporcional a la velocidad angular del rotor.
No obstante, el BEMF puede utilizarse para obtener un beneficio mientras agrega un poco de «resistencia» al
motor. Al monitorear el BEMF, un microcontrolador puede determinar las posiciones relativas del estator y del rotor
sin la necesidad de sensores de efecto Hall. Esto simplifica la construcción del motor, reduciendo el costo y eliminando
el bobinado y las conexiones adicionales al motor que se necesitarán para apoyar a los sensores. Esto mejora la
fiabilidad cuando hay suciedad y humedad presentes.
No obstante, un motor fijo no genera BEMF, por lo que es imposible que el microcontrolador determine la posición
de las piezas del motor en el arranque. La solución es encender el motor en una configuración de bucle abierto hasta
que se genere suficiente EMF para que el microcontrolador pueda tomar control de la supervisión del motor. Estos
motores BLDC denominados «sin sensores» están ganando popularidad.

CONTROL DE UN MOTOR BLDC

Si bien los motores BLDC son mecánicamente simples, necesitan dispositivos electrónicos de control sofisticados y
fuentes de alimentación reguladas. El diseñador debe enfrentar el desafío de lidiar con un sistema de alta potencia y
trifásico que demanda un control preciso para funcionar de manera efectiva.
La figura 3 muestra un arreglo típico para impulsar un motor BLDC con sensores de efecto Hall. (El control de un
motor BLDC sin sensores que utiliza la medición BEMF se cubrirá en otro artículo). Este sistema muestra las tres
bobinas del motor dispuestas en forma de «Y», un microcontrolador PIC18F2431 de Microchip, un controlador,
transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) y un inversor trifásico con seis IGBT (los transistores de efecto de
campo con semiconductores de óxido metálico (MOSFET) también se pueden utilizar para la conmutación de alta
potencia). La salida del microcontrolador (reflejado por el controlador IGBT) incluye señales moduladas de ancho de
pulso (PWM) que determinan el promedio de voltaje y el promedio de corriente en las bobinas (y por lo tanto, la
velocidad y par de torsión del motor). El motor utiliza tres sensores de efecto Hall (A, B y C) para indicar la posición del
rotor. El rotor utiliza dos pares de imanes permanentes para generar el flujo magnético.

Figura 3: Sistema de control de fuente de alimentación BLDC que utiliza un microcontrolador de 8 bits.
(Cortesía de Microchip.)

El sistema emplea una secuencia de conmutación de seis pasos para cada revolución eléctrica. Como el motor
tiene dos pares de imanes, se necesitan dos revoluciones eléctricas para hacer girar el motor una vez.
La figura 4 muestra el flujo de corriente en un arreglo idéntico de bobinas conectadas al motor que en la Figura 3
(este tiempo se etiqueta como U, V y W) para cada uno de los seis pasos y la Figura 5 muestra las salidas subsiguientes
del sensor de efecto Hall y los voltajes de la bobina.
 Figura 4: Secuencia de alimentación de la bobina para
una revolución eléctrica de un motor BLDC trifásico.
(Cortesía de Atmel.)

Figura 5: El estado de los sensores de efecto Hall determinan cuándo

y cómo se energizan las bobinas. Un par de sensores de efecto Hall
está conectado a cada bobina. (Cortesía de Atmel.)

Un par de sensores de efecto Hall determina cuando el microcontrolador energiza una bobina. En este ejemplo, los
sensores H1 y H2 determinan la conmutación de la bobina U. Cuando H2 detecta un polo magnético N, la bobina U se
energiza positivamente; cuando H1 detecta un polo magnético N, la bobina U se abre; cuando H2 detecta un polo
magnético S, la bobina U se torna negativa; y por último, cuando H1 detecta un polo magnético S, la bobina U se
vuelve abrir. De manera similar, los sensores H2 y H3 determinan si se energiza la bobina V con H1 y H3 cuidando de la
bobina W.
En cada paso, dos fases están activas con una fase alimentando la corriente al motor y la otra ofreciendo una ruta
de retorno de la corriente. La otra fase está abierta. El microcontrolador controla que dos de los interruptores en el
inversor trifásico estén cerrados para energizar de manera positiva o negativa las dos bobinas activas. Por ejemplo,
conmutar Q1 en la Figura 3 energiza positivamente la bobina A y conmutar Q2 negativamente energiza la bobina B
para ofrecer una ruta de retorno. La bobina C permanece abierta.
Los diseñadores pueden experimentar con kits de desarrollo basados en micro-controladores para probar los
regímenes de control antes de comprometerse con el diseño de un motor de tamaño completo. Por
ejemplo, Atmel ha producido un kit de inicio asequible, el ATAVRMC323, para el control del motor BLDC basado en el
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microcontrolador ATxmega128A1 de 8 bits. Otros proveedores ofrecen kits similares.

IMPULSAR UN MOTOR BLDC

Si bien un microcontrolador de 8 bits conectado a un inversor trifásico es un buen comienzo, no es suficiente para
un sistema de control de motor BLDC completo. Para completar el trabajo, se requiere una fuente de alimentación
regulada para impulsar el IGBT o MOSFET (el «controlador IGBT» se muestra en la figura 3). Por suerte, el trabajo se
facilita porque varios de los principales proveedores de semiconductores han diseñado especialmente chips de
controlador integrado para el trabajo.
 Estos dispositivos generalmente incluyen un convertidor reductor (para alimentar el microcontrolador y otros
requisitos de alimentación del sistema), control del controlador de compuerta y administración de fallas además de
lógica de control y sincronización. El precontrolador DRV8301 de Texas Instruments es un buen ejemplo (figura 6).

Figura 6: El controlador de motor DRV8301 de

Texas Instruments integra un regulador
reductor, un controlador de compuerta, una
lógica de control en un solo paquete.

Este precontrolador admite una capacidad de disipación de hasta 2.3 A de y de corriente máxima de 1.7 A y sólo
necesita una sola fuente de alimentación con un rango amplio de 8 a 60 V. El dispositivo utiliza un agitador automático
cuando los IGBT de lado alto o bajo o los MOSFET está conmutando para evitar picos de corriente.
ON Semiconductor ofrece un chip similar, el LB11696V. En este caso, un circuito del controlador del motor con la
potencia de alimentación deseada (voltaje y corriente) se puede implementar al agregar transistores discretos en los
circuitos de salida. El chip también ofrece un complemento completo de circuitos de protección, por lo que son
ideales para aplicaciones que deben demostrar una alta fiabilidad. Este dispositivo está diseñado para motores BLDC
grandes como aquellos utilizados en los aires acondicionados y calentadores de agua a demanda.

EN RESUMEN
Los motores BLDC ofrecen varios beneficios en comparación con los motores convencionales. La extracción de las
escobillas de un motor elimina una pieza mecánica que de otra manera reduciría la eficiencia, se desgastaría o podría
ser catastrófica. Además, el desarrollo de imanes de tierra rara poderosos ha permitido la producción de motores
BLDC que pueden producir la misma potencia que los motores con escobilla y a su vez pueden caber en lugares más
pequeños.
Una desventaja notable es que los motores BLDC, a diferencia de los motores con escobillas, necesitan de un
sistema electrónico para supervisar la secuencia de energización de las bobinas y ofrecer otras funciones de control.
Sin el sistema electrónico, los motores no pueden operar.
No obstante, la proliferación de dispositivos electrónicos sólidos y asequibles diseñados para el control del motor
significa que diseñar un circuito es relativamente simple y económico. De hecho, un motor BLDC se puede configurar
para que funcione en una configuración simple sin tener que usar un microcontrolador al usar un generador trifásico
de onda cuadrada o sinusoide. Fairchild Semiconductor, por ejemplo, ofrece su chip FCM8201 para esta aplicación y
5
ha publicado una nota de aplicación sobre cómo configurar dispositivos.
De la misma manera, el controlador del motor BLDC MC33033 de ON Semiconductor integra un decodificador de
posición del rotor en el chip para que el microcontrolador no tenga que completar el sistema. El dispositivo se puede
utilizar para controlar un motor BLDC trifásico o de cuatro fases.
No obstante, utilizar un microcontrolador de 8 bits (programado con código suministrado de fábrica o el software
propiedad del desarrollador) agrega muy poco costo al sistema de control, e incluso ofrece al usuario mucho más
control para garantizar que funciona con una eficiencia óptima además de ofrecer salida de par de torsión, velocidad o
posicionamiento más precisa.
REFERENCIAS:

1. “Brushless DC Motor Primer,” Muhammad Mubeen, julio de 2008.

2. “Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals,” Padmaraja Yedamale, nota de aplicación de Microchip Technology
AN885, 2003.
3. “Using the PIC18F2431 for Sensorless BLDC Motor Control,” Padmaraja Yedamale, Nota de aplicación de
Microchip Technology AN970, 2005.
4. “AVR1607: Brushless DC Motor (BLDC) Control in Sensor mode using ATxmega128A1 and ATAVRMC323,” nota
de aplicación de Atmel, 2010.
5. “FCM8201 Three-Phase Sine-Wave motor bldc Controlador,” Nota de aplicación de Fairchild Semiconductor AN-
8201, 2011.
Control de los motores BLDC sin sensores a través de la fuerza
contraelectromotriz
Por Steven Keeping
Colaboración de Electronic Products
2013-06-19

El motor CC sin escobillas (BLDC) es cada vez más popular porque, tal como lo indica su nombre, no necesita de las
escobillas que tienden al desgaste que se utilizan en los motores tradicionales, ya que los remplaza con un controlador
electrónico que mejora la fiabilidad de la unidad. Además, un motor BLDC puede ser más pequeño y liviano que un
motor de escobilla con la misma salida de potencia por lo que es ideal para aplicaciones donde el espacio es reducido.
Dado que no hay contacto mecánico o eléctrico entre el estator y el rotor del motor BLDC, se requieren arreglos
alternativos para indicar las posiciones relativas de las piezas del componente para facilitar el control del motor. Los
motores BLDC utilizan uno de los dos métodos para lograrlo, ya sea mediante sensores Hall o midiendo la fuerza
contra-electromotriz.
En artículos anteriores se ha tratado el control basado en sensores de efecto Hall: Consulte, por ejemplo, el
artículo de TechZone “Using Closed Loop Control in BLDC Systems” (Uso del control de bucle cerrado en sistemas
BLDC); en este artículo se detalla el método alternativo de fuerza contra-electromotriz.
Al liberarse de los sensores, un motor BLDC se desliga de los componentes sujetos al desgaste que conforman el
conmutador mecánico de una unidad convencional (mejora la confiabilidad). Además, los motores BLDC ofrecen una
relación de torsión alta/tamaño del motor, respuesta dinámica rápida y funcionamiento prácticamente silencioso.
Los motores BLDC están clasificados como dispositivos sincrónicos porque los campos magnéticos del estator y
rotor rotan a la misma frecuencia. El estator compromete las láminas de acero, con ranuras axiales para alojar la
misma cantidad de bobinados en la periferia interna. El rotor está construido de imanes permanentes con pares de
polo N-S de dos a ocho.
El conmutador electrónico del motor BLDC energiza de manera secuencial las bobinas del estator generando un
campo eléctrico giratorio que "arrastra" al rotor a su alrededor. Se logra una operación eficiente al garantizar que las
bobinas están energizadas en el tiempo exacto.
Los sensores funcionan bien, pero agregan costos, aumentan la complejidad (debido al cableado adicional) y
reducen la fiabilidad (debido en parte a los conectores del sensor que están sujetos a la contaminación producida por
la suciedad y la humedad). El control sin sensores soluciona estos problemas.

APROVECHAR LOS BENEFICIOS DE LA FUERZA CONTRA-ELECTROMOTRIZ

Los bobinados de un motor eléctrico funcionan como un generador cuando cortan a través de las líneas de campo
magnético. Se genera un potencial en el bobinado medido en voltios y se denomina fuerza electromagnética (EMF).
Conforme a la ley de Lenz, este EMF genera un segundo campo magnético opuesto al cambio original en el flujo
magnético impulsando la rotación del motor. En términos simples, el EMF resiste el movimiento natural del motor y se
denomina "fuerza contra-electromotriz. Para un motor dado del flujo magnético fijo y una cierta cantidad de
bobinados, la magnitud del EMF es proporcional a la velocidad angular del rotor.
Los fabricantes de motores BLDC especifican un parámetro conocido como la constante de la fuerza
contra-electromotriz que se puede usar para calcular la fuerza contra-electromotriz para una velocidad dada. El
potencial en un bobinado se puede calcular al sustraer el valor de la fuerza contra-electromotriz del voltaje de
suministro. Los motores están diseñados de manera que cuando funcionan a velocidad nominal, la diferencia de
potencial entre la fuerza contra-electromotriz y el voltaje de suministro hará que el motor baje la corriente nominal y
proporcione el par de torsión nominal.
Al impulsar el motor más allá de la velocidad nominal, aumenta la fuerza contra-electromotriz sustancialmente,
disminuyendo la diferencia de potencial en los bobinados y, a su vez, reduciendo la corriente y disminuyendo el par de
torsión. Al impulsar el motor más rápido, se generará una fuerza contra-electromotriz (más pérdidas del motor) que
igualará exactamente al voltaje de suministro y en ese punto la corriente y el par de torsión serán igual a cero.
Dado que la fuerza contra-electromotriz disminuye el par de torsión del motor, que a veces se considera una
desventaja, en el caso de los motores BLDC, los ingenieros han revertido la situación a su favor.
 Cada etapa de la secuencia de conmutación para un motor BLDC trifásico se logra al energizar una de las bobinas
de manera positiva, una segunda de manera negativa y la tercera se deja abierta. La figura 1 muestra un esquema
simplificado de la primera secuencia de conmutación de seis etapas para un motor de ese tipo.

Figura 1: El primero de un ciclo eléctrico de seis etapas

para un motor BLDC. La bobina A se energiza de manera
positiva, la B está abierta y la C se energiza de manera
negativa (cortesía de Microchip).

Un motor BLDC con sensores Hall utiliza la salida de los dispositivos, controlado por una MCU y operado a través
de un controlador, para encender los transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) Los transistores se activan (y
las bobinas se energizan) cuando la salida del sensor Hall cambia el estado.¹
En la variante sin sensor del motor BLDC, no hay sensores de efecto Hall. A su vez, cuando el motor gira, la fuerza
contra-electromotriz en las tres bobinas varía en una forma de onda trapezoidal (líneas de guiones) tal como se indica
en la Figura 2. A modo de comparación, la misma figura también muestra las salidas de los sensores Hall de un motor
configurado de manera similar.

Figura 2: Salida del sensor Hall comparada con la fuerza contraelectromotriz para el motor BLDC trifásico. Observe de qué manera la
conmutación de la salida del sensor Hall coincide con el cruce de la fuerza contraelectromotriz de la bobina respectiva al punto cero en
un motor sin sensor (Cortesía de Microchip).

Una combinación de todos los tres puntos de cruce cero para las bobinas se utiliza para determinar la secuencia de
activación de la bobina. Tenga en cuenta que hay una diferencia de fase entre una salida de cambio del sensor Hall
individual en un motor BLDC convencional y el punto de cruce cero de la fuerza contra-electromotriz para una bobina
individual en una unidad sin sensores de 30 grados. En consecuencia, en un circuito de control del motor sin sensores,
después de detectar el punto de cruce cero, un desfase de 30 grados en el firmware después de que se active la
siguiente acción en la secuencia de excitación. En la figura 2, las líneas con guiones cortes indican la corriente en las
bobinas.
 La figura 3 muestra un circuito de control para un motor BLDC trifásico sin sensores. En este caso, el circuito utiliza
una MCU Microchip PIC18FXX31 de 8 bits de para generar que las salidas del ancho de pulso modulado (PWM) activen
los IGBT o MOSFET en el puente del inversor trifásico. La MCU reacciona para alimentarse de un circuito de detección
de cruce cero de la fuerza electromotriz.

Figura 3: Circuito de control para motores BLDC trifásicos y sin sensores (Cortesía de Microchip).

MÉTODOS PARA DETECTAR LA FUERZA CONTRAELECTROMOTRIZ

Existen distintas técnicas para medir la fuerza contra-electromotriz. Lo más simple es comparar la fuerza
contra-electromotriz con la mitad del voltaje de bus de CC utilizando un comparador. La figura 4a muestra una
esquema de un sistema de ese tipo. En este caso, el comparador se conecta a la bobina B, un sistema completo tendrá
un comparador conectado a cada bobina. En la figura, la bobina A se activa de manera positiva, la bobina de manera
negativa y la bobina C queda abierta. La fuerza contra-electromotriz aumenta y baja a medida que se implementa la
secuencia de activación para esta fase.
El principal problema de este método de comparación simple es que es posible que las tres bobinas no tengan las
mismas características por lo que resulten un cambio de fase positivo o negativa del punto de cruce cero actual. El
motor es posible que continúe funcionando, pero debe de consumir corriente excesiva.
La solución es generar un punto neutral virtual tal como se indica en la Figura 4b al usar tres redes de resistencias
conectadas en paralelo con las bobinas del motor. La fuerza contra-electromotriz se compara con el punto neutral
virtual.
Un tercer método es emplear convertidores analógicos a digitales (ADC) (Figura 4c). Muchas MCU disponibles para
el control del motor BLDC incluyen ADC de alta velocidad apropiados para este fin. Con este método, la fuerza
contra-electromotriz se atenúa para que se pueda alimentar directamente el MCU. El ADC toma una muestra de la
señal y luego la compara con un valor digital correspondiente al punto cero. Cuando los dos valores coinciden, la
secuencia de activación de la bobina se indexa al siguiente paso. Esta técnica ofrece algunas ventajas, como el uso de
filtros digitales para quitar componentes de conmutación de alta frecuencia de la señal de la fuerza
contra-electromotriz.²

Figura 4a: Circuito del comparador simple para medir la fuerza de contra-electromotriz (Cortesía de Microchip).
 Figura 4b: El circuito del comparador simple se pueden mejorar al implementar un punto neutral y virtual (Cortesía de Microchip).

Figura 4c: El ADC toma una muestra de la señal y luego la compara con un valor digital correspondiente al punto cero. (Cortesía de
Microchip).

Existe una desventaja importante en el control del motor BLDC sin sensores; cuando el motor está fijo, no se
genera fuerza contra-electromotriz, evitando que la MCU reciba información sobre la posición del estator y del rotor.
La solución es encender el motor en una configuración de bucle abierto al activar las bobinas en una secuencia
predeterminada. Cuando el motor no pueda funcionar correctamente, comenzará a girar. De vez en cuando, la
velocidad será adecuada para generar suficiente fuerza de contraelectromotriz para que el sistema de control cambie
al funcionamiento del bucle cerrado normal (y eficiente).
Dado que la fuerza contra-electromotriz es proporciona a la velocidad de la rotación, es posible que los motores
BLDC sin sensores no sean una buena elección en aplicaciones que requieren velocidades muy bajas. En este caso, es
posible que los motores BLDC con sensores de efecto Hall sean una mejor opción para el trabajo.

SISTEMAS DE CONTROL DEL MOTOR BLDC SIN SENSORES

Gracias a la creciente popularidad de los motores BLDC sin sensores, los proveedores de semiconductores han
desarrollado chips especialmente diseñados para el trabajo de control y alimentación de dichas unidades. El sistema
de control del motor generalmente cuenta con un MCU con un controlador IGBT o MOSFET.
Existen varias MCU disponibles para el control del motor BLDC sin sensores que abarcan dispositivos simples de 8
bits y de bajo costo a dispositivos de 32 bits y 16 bits de mayor rendimiento; en todos estos casos los dispositivos
utilizan la mínima cantidad de periféricos para impulsar el motor. Estos periféricos incluyen PWM trifásico, ADC y
comparadores para la protección de sobrecorriente.³
Zilog ofrece la familia Z16FMC de MCU de 16 bits para un control del motor BLDC sin sensores. La empresa afirma
que el trabajo necesita una MCU con respuesta de interrupción rápida para manejar las actualizaciones del PWM en
tiempo real. El Z16FMC ofrece una interoperación automática entre el ADC y el temporizador y entre las salidas del
comparador y del PWM. La figura 5 muestra un diagrama de bloque de la MCU de control del motor Zilog.
 Figura 5: Diagrama de bloques de la MCU de control del motor Z16FMC de Zilog.

PIC18F2431 de Microchip también es una MCU popular para el control del motor BLDC sin sensores. El chip utiliza
un procesador de 8 bits y se puede operar a velocidades de hasta 16 MIPS. Las variantes en la familia PIC18F incluyen
un periférico PWM de control del motor trifásico con un máximo de ocho salidas y un ADC de 10 o 12 bits.
Para esta parte, Texas Instruments (TI) ofrece un kit de evaluación de control del motor para unidades BLDC
trifásicas. Según la empresa, el DRV8312-C2-KIT (Figura 6) que se basa en el impulsor del motor PWM DRV8312 es un
control orientado al campo (FOC) sin sensores y una plataforma de conmutación trapezoidal con y sin sensores que
acelera el desarrollo para agilizar la comercialización en el mercado. Las aplicaciones incluyen motores sin escobillas
sub 50 V y 7 A para accionar bombas médicas, compuertas, elevadores y bombas pequeñas así como robots y
automatización industrial y de consumo.

Figura 6: El kit de evaluación del motor BLDC trifásico de TI se basa en el impulsor del motor PWM DRV8312.

UNA MULTITUD DE APLICACIONES

Los motores BLDC sin sensores son más simples y posiblemente más confiables que las unidades que utilizan
sensores de efecto Hall, especialmente si se utiliza en un entorno sucio y húmedo. Los motores dependen de la
medición de la fuerza contra-electromotriz para determinar las posiciones relativas del estator y el rotor para que la
secuencia correcta de activación de la bobina se pueda implementar.
Una desventaja es que ninguna fuerza contra-electromotriz se genera cuando el motor está fijo por lo que el
encendido se ve afectado por el funcionamiento en bucle abierto. En consecuencia, el motor puede demorar un poco
en asentarse y funcionar correctamente. Una segunda desventaja es que la fuerza contra-electromotriz a baja
velocidad es pequeña y difícil de medir por lo que puede resultar en una operación ineficiente. Se debería tener en
cuenta el uso de los motores BLDC equipados con sensores en estas aplicaciones.
 No obstante, para otras aplicaciones, los ingenieros pueden aprovechar los motores BLDC sin sensores compactos
y potentes. Al usar chips de controlador de IGBT o MOSFET y MCU diseñados especialmente para el trabajo, se
simplifica el proceso de diseño. El desarrollo se puede simplificar aún más al aprovechar los kits de evaluación de los
principales proveedores que ofrecen circuitos de referencia para soluciones de motor BLDC sin sensores.

REFERENCIAS:

1. “Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals,” Padmaraja Yedamale, nota de aplicación de Microchip Technology
AN885, 2003.
2. “Using the PIC18F2431 for Sensorless BLDC Motor Control,” Padmaraja Yedamale, Nota de aplicación de
Microchip Technology AN970, 2005.
3. “The Need for Autonomous Peripheral Interoperation in Sensorless BLDC Applications,” Dave Coulson,
documento técnico de Zilog WP002003-0111, 2011