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MOTOR BRUSHLESS DCPatricio Guaraca, Luis Calle, Andrés Guzhñay

Ingeniería Electronica, Universidad Politécnica SalesianaCuenca-Ecuador

pguaracam@est.ups.edu.eclcallea@est.ups.edu.ec

aguzhnay@est.ups.edu.ec

Abstract—Este documento esta orientado a la explicaciónbásica sobre caracteristicas y funcionamiento de un motor sinescobillas, permite al lector obtener una clara explicación sobrecada uno de los detalles antes mencionados los mismos quecon ayuda de gráficos de la caracterización de estos motoresse llegarán a estos resultados esperados.

I. INTRODUCCIÓN

Los motores brushless han derivado de los motores delos CD ROM, los DISCOS RIGIDOS y los ventiladores decomputación, son motores trifásicos de alto rendimiento y bajopeso. Básicamente, hay dos tipos de motores brushless, losinrunner y los outrunner. Los primeros son de más velocidad,su torque máximo lo tienen a muy altas revoluciones, por loque se usan con engranajes-poleas reductoras o con ductedfuns. Los outrunner tienen su torque máximo a baja velocidad,por lo que no necesitan reductores,

II. HISTORIA MOTOR BRUSHLESS

Figure 1. Motor Brushless

En 1832 William Sturgeon y Thomas Davenport diseñaronun motor eléctrico en el cual el mayor problema era lograrconmutar la corriente por el magneto. Un motor eléctrico sinescobillas es un motor eléctrico que no emplea escobillas pararealizar el cambio de polaridad en el rotor.

Los motores eléctricos solían tener un colector de delgaso un par de anillos rozantes. Estos sistemas, que producenrozamiento, disminuyen el rendimiento, desprenden calor yruido, requieren mucho mantenimiento y pueden producirpartículas de carbón que manchan el motor de un polvo que,además, puede ser conductor.

BRUSHLESS DC (motores DC sin escobillas), tambiénllamados motores DC síncronos, que por su construcciónofrecen ventajas frente a otros motores eléctricos.

III. MOTOR DC SIN ESCOBILLAS

Los motores DC con escobillas son altamente eficientes ytienen grandes características para hacerlos funcionar comoservo-motores. Pese a estas grandes ventajas, cuenta con unconmutador y con unas escobillas las cuales están sujetas aldesgaste y por esta razón, se hace necesario un calendario demantenimiento de las mismas.

La característica principal de los motores DC sin escobillases que realiza la misma función de un motor DC normalpero remplazando el conmutador y las escobillas por switchesde estado sólido que funcionan con una lógica para la con-mutación de los embobinados. Se puede concluir que la granventaja de los motores DC sin escobillas, frente a los demásmotores de alimentación continua, es que no requieren de unmantenimiento periódico. [6]

A. Estructuras Básicas

La construcción de motores DC sin escobillas modernos esmuy similar a la de los motores AC, que es mostrada en laFigura. 2

Figure 2. Despiece de Motor Brushless DC

El rotor es un elemento magnético permanente, y el estatorestá formado por embobinados al igual que un motor ACde varias fases. La gran diferencia entre estos dos tipos demotores es la forma de detectar la posición del rotor, parapoder saber como se encuentran los polos magnéticos y asígenerar la señal de control mediante switches electrónicos.

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Este sensado de la ubicación de los polos magnéticos en losmotores DC sin escobillas normalmente se hace con sensoresde efecto Hall, aunque existen modelos que utilizan sensoresópticos, que funcionan de manera similar a los encoders.

B. DC sin escobillas vs DC con escobillas

A continuación se presenta en la Tabla I, en la cual secomparan las características principales de cada uno de estosmotores:

Comparación Motor DC normal Motor DC sinEscobillas

Estructura Mecánica Elementosmagnéticos en el

estator

Elementosmagnéticos en el

rotorPrincipales

CaracterísticasRespuesta rápida y

excelentecontrolabilidad

Fácil mantenimiento

Conexión de losBobinados

Conexión Triángulo Conexióntriángulo-estrella

Método deConmutación

Contacto mecánicoentre las escobillas y

el conmutador

Conmutaciónelectrónica por medio

de transistoresDetección de la

Posición del MotorDetectada

automáticamente porlas escobillas

Sensor de efectoHall, encoder óptico,

etc.Método de Reversa Cambiando la

polaridad del voltajeCambiando la lógica

Table IDC CONVENCIONAL VS DC BRUSHLESS

C. Lógica de funcionamiento

Como ejemplo para explicar la lógica de funcionamiento deun motor DC sin escobillas, se utilizó un motor con un rotor(elemento magnético), tres embobinados en el estator y tresfoto-transistores encargados de la detección de la posición delrotor.

El rotor del motor se encuentra sujeto a una especie delámina que va girando con éste y que es el objeto queobstruye la luz a los foto-transistores, con lo que se obtienelos estados de los sensores, que determinan las variables deentrada a la lógica que realiza el movimiento. Esto se ve mejorrepresentado en la Figura 3

Figure 3. Sensores de Efecto Hall

Por ejemplo, en la gráfica se puede observar que mientrasPT1 está recibiendo luz, PT2 y PT3 están tapados por lalámina, y de está forma se sabe en qué posición se encuentrael rotor al momento de la toma de datos.

Una vez se conoce la posición del rotor, se comienza aseguir la lógica secuencial para moverlo a una velocidaddeterminada, esto se logra energizando las bobinas del estatoren diferentes tiempos. Para alimentar los embobinados se usaun control, seguido de una etapa de salida compuesta portransistores, que cumplan con los requerimientos de velocidady potencia, y se hace pasar corriente por las fases dependiendode la posición del rotor, este esquema se observa en la Figura

Es decir, para el ejemplo que se tomó anteriormente dePT1 prendido, mientras PT2 y PT3 se encuentran apagados,la lógica decide por cual embobinado hacer pasar corrientepara que gire en uno u otro sentido. [2]

Figure 4. Acople sencillo de sensores y fases

Figure 5. Diagrama de Tiempos de un Motor Brushless

IV. TÉCNICAS DE CONTROL PARA MOTORES BRUSHLESS:COMPARATIVA ENTRE CONMUTACIÓN TRAPEZOIDAL,CONMUTACIÓN SINUSOIDAL Y CONTROL VECTORIAL

Los bobinados de un motor brushless (también llamadoBLDC) están distribuidos a lo largo del estátor en múltiplesfases. Dichos motores constan normalmente de tres fases conuna separación de 120º entre ellas.

A diferencia de los motores brushed convencionales dondela conmutación entre sus fases se realiza internamente deforma mecánica, en los motores brushless las corrientes yvoltajes aplicados a cada uno de los bobinados del motordeben ser controlados independientemente mediante una con-mutación electrónica. El dispositivo encargado de realizar estatarea se denomina controlador de motor.[5]

Para generar par motor el controlador debe excitar contin-uamente los bobinados adecuados de forma que generen uncampo magnético perpendicular a la dirección del rotor.

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Existen dos grandes familias de controladores de motordiferenciadas principalmente en la utilización (sensored) o no(sensorless) de algún sensor para determinar la posición delrotor. Los controladores sensorless no son motivo de estudioen este documento si bien todos los resultados presentados sonextrapolables a ellos.

Las técnicas de control para motores brushless se puedenclasificar según el algoritmo de conmutación implementado.Las más utilizadas actualmente son: • Conmutación trapezoidal(también llamada 6-steps mode o basada en sensores hall).

• Conmutación sinusoidal.• Control vectorial (Field Oriented Control).

Estas técnicas tienen básicamente como objetivo estimar laexcitación óptima de cada una de las fases del motor y se difer-encian principalmente por su complejidad de implementación,que se traduce en un incremento de prestaciones.[4]

A continuación se describen algunas de las característicasmás relevantes de cada técnica de control.

A. Control basado en Conmutación trapezoidal

Uno de los métodos más simples de control de motoresbrushless es el llamado conmutación trapezoidal o 6-stepsmode.

En este esquema se controla la corriente que circula porlos terminales del motor, excitando un par simultáneamente ymanteniendo el tercer terminal desconectado. Sucesivamentese va alternando el par de terminales a excitar hasta completarlas seis combinaciones posibles.

Figure 6. Esquema de los seis posibles caminos de circulación de corrienteen el control trapezoidal

Tres sensores de efecto hall situados en el motor sonutilizados para proporcionar la posición aproximada del rotoral controlador y que éste pueda determinar el próximo par determinales a excitar. La siguiente figura muestra el diagrama debloques de un controlador trapezoidal típico con lazo cerradode corriente.

Figure 7. Esquema de un controlador con conmutación trapezoidal

La corriente que circula por el par de terminales activoses comparada con la corriente deseada y el error resultante esaplicado a un Filtro PI (Proporcional - Integrador). La salida deeste filtro intenta corregir la desviación y por tanto minimizarel error. Con esta técnica se consigue mantener constantela corriente que circula por cualquiera de los bobinados delmotor.[3]

Existen distintas técnicas de modulación orientadas a lageneración de señales de excitación para motores Brushlesmediante las cuales, se puede aumentar la eficiencia delsistema.

Debido a que en todo momento las corrientes de dosbobinados son iguales en magnitud y la tercera siempre esnula, el vector de corrientes del estátor o resultado de la sumavectorial de las corrientes que circulan por las bobinas, sólopuede apuntar a 6 direcciones discretas.

Figure 8. Ejemplo de cálculo del vector de corrientes del estátor y espaciode posibles direcciones de dicho vector.

Dado que el vector de corrientes sólo puede apuntar enseis direcciones se produce una desalineación entre éstas yla posición real del rotor. En el peor de los casos, es decircuando el rotor se encuentre en la posición intermedia de unode los 6 sectores, la desalineación puede llegar a ser a ser de30 grados.

Esta desalineación genera un rizado en el par del motorde aproximadamente el 15% (1-cos30º) a una frecuencia seisveces la velocidad de rotación del motor.

Figure 9. Rizado del par motor respecto a la posición del rotor en unaconmutación trapezoidal.

Este rizado dificulta el control de motores brushless. Enaplicaciones que demanden movimientos a baja velocidad se

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hace especialmente notable provocando una disminución en laprecisión de dichos movimientos.

Además puede ocasionar desgaste mecánico, vibraciones oruido audible reduciendo las prestaciones y el tiempo de vidadel motor.

No obstante gracias a su fácil implementación, esta técnicade conmutación viene siendo muy utilizada desde el inicio delos motores brushless especialmente en aplicaciones de bajocosto.

B. Control basado en Conmutación sinusoidal

La conmutación sinusoidal es vista como un control másavanzado y exacto que el trapezoidal, ya que intenta controlarla posición del rotor continuamente.

Esta continuidad se consigue aplicando simultáneamentetres corrientes sinusoidales desfasadas 120º a los tres bobi-nados del motor. La fase de estas corrientes se escoge deforma que el vector de corrientes resultante siempre estéen cuadratura con la orientación del rotor y tenga un valorconstante.

Como consecuencia de este procedimiento se obtiene unpar más preciso y sin el rizado típico de la conmutacióntrapezoidal.

No obstante, para poder generar dicha modulación sinu-soidal es necesaria una medida precisa de la posición del rotor.

Debido a que los sensores de efecto hall solo proporcionanuna posición aproximada es necesario el uso de otro dispos-itivo que aporte mayor precisión angular como puede ser unencoder.

La siguiente Figura muestra el diagrama de bloques típicode un controlador con conmutación sinusoidal.

Figure 10. Esquema de un controlador con conmutación sinusoidal

Según la ley de Kirchoff la suma de dos de las tres corrientesentrantes a un nodo es igual al valor negativo de la tercera (ia+ ib = −ic ) . Por tanto, controlando dos de las corrientesaplicadas al motor se controla implícitamente la tercera o loque es lo mismo la tercera corriente no puede ser controladade forma independiente.[1]

En el caso que nos aplica:

ia = iS×sin(θe) (1)

ib = iS×sin(θe−120º) (2)

ic = iS×sin(θe−240º) = −(ia+ ib) (3)

Gracias a la información de la posición del rotor pro-porcionada por el encoder se sintetizan las dos sinusoidalesdeseadas, normalmente mediante el uso de una LUT3. Éstasson comparadas con las medidas de las corrientes que circulanpor el motor y el error resultante aplicado a dos Filtros PI queintentan corregir las desviaciones.

La salida de los filtros es utilizada como entrada del gener-ador de excitación que en la mayoría de los casos incorporaun modulador PWM.

La conmutación sinusoidal soluciona los problemas de efi-ciencia que presenta la conmutación trapezoidal. Sin embargo,presenta problemas a altas velocidades de rotación del motordebido a la limitación frecuencial del bucle de corriente (FiltroPI) A mayor velocidad de rotación, mayor error y por tantomayor desalineación entre el vector de corrientes y la direcciónde cuadratura del rotor. Este hecho provoca una progresivadisminución del par motor.

Figure 11. Par Motor en función de la velocidad de rotación

Para mantener el par constante se necesita aumentar lacorriente que circula por el motor provocando una disminuciónde la eficiencia.

Este deterioro de la eficiencia aumenta al incrementarse lavelocidad hasta llegar a un punto en el que el desfase entre elvector de corrientes y la dirección de cuadratura puede llegara 90º produciendo un par motor completamente nulo.

C. Control vectorialEl control vectorial es el más complejo y el que requiere

mayor potencia de cálculo de las tres técnicas. A su veztambién es la que mejor control proporciona.

El problema principal que presenta la conmutación sinu-soidal es que intenta controlar directamente las corrientes quecirculan por el motor, las cuales son intrínsecamente variantesen el tiempo. Al aumentar la velocidad del motor, y por tantola frecuencia de las corrientes, empiezan a aparecer problemas.

El control vectorial o Field Oriented Control (FOC) solu-ciona el problema controlando el vector de corrientes direc-tamente en un espacio de referencia ortogonal y rotacional,llamado espacio D-Q (Direct- Quadrature).

Dicho espacio de referencia está normalmente alineado conen el rotor de forma que permite que el control del flujoy del par del motor se realice de forma independiente. Lacomponente directa permite controlar el flujo y la componenteen cuadratura el par.

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Debido a que el vector de corrientes en el espacio dereferencia D-Q es estático los filtros PI trabajan en continuay se eliminan por tanto los problemas frecuenciales de laconmutación sinusoidal.[5]

Figure 12. Comparativa entre el espacio estático de la bobinas y el espaciorotacional D-Q

Para poder realizar este control es necesario transformarmatemáticamente las medidas de las tres corrientes referidas alespacio estático de las bobinas del motor al espacio rotacionalD-Q.

Aunque esta transformación puede implementarse en unúnico paso educacionalmente se divide en dos transforma-ciones

• Transformada de Clarke: Transformación de un sistemade 3-fases equiespaciados (a,b,c) a uno de 2-fases ortog-onales (α, β).

Figure 13. Transformada de Park

Al igual que en la conmutación sinusoidal es importanteconocer la posición del rotor con exactitud. Un error en laestimación de ésta provocará que la componente directa y lacomponente cuadratura no estén totalmente desacopladas.

Una vez aplicadas las dos transformaciones el control delmotor se simplifica considerablemente. Dos Filtros PI sonutilizados para controlar la componente directa y la cuadraturade forma independiente.

La componente en cuadratura es la única que proporcionapar útil, por tanto, la referencia de la componente directa suelefijarse a cero. De esta forma se fuerza al vector de corrientesa situarse en la dirección de la componente de cuadraturamaximizando la eficiencia del sistema.

Posteriormente se realizan las transformadas inversas pararegresar al espacio estacionario de las bobinas y se aplica laexcitación correspondiente a cada una de las fases mediantemodulación.

El diagrama de bloques del control vectorial es el siguiente:

Figure 14. Esquema de controlador con control vectorial

Este tipo de control mantiene las mismas característicasde par que la conmutación sinusoidal pero eliminando lalimitación frecuencial.

V. ESTRUCTURA DE CONEXIÓN DE UN MOTORBRUSLESSH

Figure 15. Partes Constructivas

Figure 16. Diagrama de conexión de tres polos en el estator y 2 o 4 polosen el rotor, conexión estrella (Der) y conexión triangulo (Izq), en tres simplesfases

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Figure 17. Diagramas de conexión seis polos en el estator, en configuraciónen triangulo, este tipo de estructura no admite una conexión en estrella

Figure 18. 9 polos en el estator y 12 polos en el rotor

Figure 19. Conexión seis polos en estator y rotoe polos en el rotor (Der) yconexión seis polos en estator y 10 polos en el rotor

VI. CONCLUSIONES

El motor brushless, tiene muchas aplicaciones ya a estemotor de corriente continua se lo puede maniobrar de bariasmaneras, su sistema de control es algo complejo pero de tal

forma que se puede manipular la velocidad y dirección de girosin necesidad de cambiar el sistema de control.

La conmutación trapezoidal proporciona una primera aprox-imación al control de motores brushless. Gracias a su sencillaimplementación y a los pocos recursos utilizados es amplia-mente usada en aplicaciones de muy bajo costo. No obstantedebido a su alto rizado de par en todo el espectro frecuencialla hace desaconsejable para cualquier aplicación que demandeuna mínima precisión o eficiencia.

La conmutación sinusoidal soluciona el problema del rizadodel par a cambio de aumentar la complejidad del control y deincorporar un sensor de mayor precisión. Sin embargo, debidoa que trabaja en el espacio variante del tiempo presenta unalimitación de control a altas velocidades.

El control vectorial soluciona los problemas de amboscontroles consiguiendo una alta eficiencia y control del partanto a bajas como a altas velocidades.

REFERENCES

[1] Máquinas eléctricas y sistemas de potencia. 2004.[2] Steven J. Chapman. Máquinas Eléctricas 3º Ed. Prentice Hall, México

DF.[3] Manuel Cortés Cherta. Máquinas síncronas y motores c.a. 2004.[4] Chester L. Dawes. Electricidad Industrial. 2004.[5] W. Pflüger S. Appelt H. Hübscher, J. Klaue. Electrotecnia Curso

Elemental GTZ. Barcelona España, editorial Reverté, S.A, 1983.[6] José Fraile Mora. Máquinas Eléctricas 5º Ed. Mcgraw-

Hill/Interamericana de España S.A.U, 2005.