Conmutación en 6 pasos en motores BLDC: lo que realmente importa en un accionamiento real

La conmutación de seis pasos no es sofisticada, pero mueve muchos productos. Si se consigue la tabla de conmutación, la detección y la sincronización correctas, normalmente se envía. Si se falla en cualquiera de estos aspectos, ninguna teoría puede solucionar el ruido, los pasos perdidos o los reinicios aleatorios en el banco.

¿Por qué los ingenieros siguen eligiendo 6 pasos cuando saben que existe FOC?

Los libros de texto y las presentaciones de los proveedores siguen señalando el control orientado al campo como el estado final. Luego, al examinar un electrodoméstico, una herramienta eléctrica, un ventilador, una bomba o un robot de bajo costo, se observa un puente trifásico simple, un pequeño MCU, tres líneas Hall y una tabla de 6 pasos grabada en la memoria flash. El control trapezoidal (conmutación en bloque de 120°, 6 pasos) sigue utilizándose porque realiza algunas funciones muy bien: alta velocidad máxima, baja carga computacional y manejo simple de fallas.

Las notas de Microchip y Onsemi dicen lo mismo con un lenguaje ligeramente diferente: seis posiciones discretas del campo del estator por ciclo eléctrico, solo dos fases accionadas a la vez, una fase flotante y el imán del rotor simplemente persiguiendo ese campo. TI añade entonces un detalle obvio, pero a menudo ignorado: este método suele proporcionar la velocidad máxima más alta y una complejidad muy baja del controlador de puerta, a costa de la ondulación del par y el ruido acústico.

Si estás leyendo esto, probablemente ya sabes todo eso. El valor ahora está en los detalles que no suelen aparecer en los documentos de “introducción a BLDC”: cómo construir y depurar la tabla de conmutación, cómo elegir un esquema PWM que se adapte a tu hardware y cómo hacer que el sensorless de 6 pasos no funcione mal a baja velocidad.

Sectores eléctricos, pares de polos y por qué tus cálculos angulares siguen fallándote

La documentación de Microchip explica claramente la convención: seis sectores por ciclo eléctrico, 60 grados eléctricos por sector y un ciclo eléctrico por par de polos del rotor por revolución mecánica. Conoces la fórmula, pero en el software tiene la mala costumbre de ser “más o menos correcta” y luego desviarse.

Si el motor tiene (N_p) pares de polos, una revolución mecánica equivale a (N_p) ciclos eléctricos. Por lo tanto, una transición del sensor Hall cada 60 grados eléctricos se convierte en cada 360/(6Np​) grados mecánicos. Es fácil sobre el papel. En el firmware, aquí es donde los ingenieros añaden discretamente constantes hasta que la estimación de la velocidad coincide con el tacómetro.

La lógica de seis pasos en sí misma no se preocupa por el ángulo absoluto en grados. Solo necesita un índice de sector del 1 al 6 (o del 0 al 5) y una dirección de rotación deseada. Esa es la ventaja de los métodos rudimentarios: sin transformación de Park, solo “estamos en el sector 3, queremos avanzar, así que activamos estas dos fases en esta polaridad y dejamos la tercera fase en alto Z”. El conjunto de bloques de control de motores de MathWorks formaliza esto esencialmente en un bloque que asigna el estado Hall al sector y luego cambia los estados, con un objetivo de ángulo de par de aproximadamente 90° ± 30°.

Si tratas el índice del sector como el estado central y dejas que todo lo demás se derive de él, tu código suele acabar siendo más sencillo que si sigues llevando ángulos.

Una práctica tabla de conmutación de 6 pasos que realmente puedes codificar.

Todas las notas de aplicación de los proveedores incluyen una tabla de seis pasos en alguna de sus versiones. La nota sobre conmutación basada en Hall de TI muestra claramente el patrón: tres señales digitales Hall, seis estados válidos, una asignación de ese estado a las polaridades de fase y una fase flotante. MathWorks muestra entonces casi la misma asignación, pero en términos de comandos de puerta AA′, BB′ y CC′.

Aquí hay una versión compacta que puede incorporar directamente a una tabla de consulta. Se supone que las fases se denominan U, V, W y los salones son A, B, C. La asignación es para una dirección de rotación; al invertir el orden de los pasos en el firmware se invierte la dirección.

De esta tabla se desprenden dos observaciones breves pero importantes.

En primer lugar, los códigos Hall no válidos (000 o 111, o cualquier patrón que no figure en la tabla si el cableado es irregular) deben tratarse como fallos o estados de “sin conmutación”. TI recomienda explícitamente utilizar los estados Hall como índices en una tabla de consulta de software y tratar los valores inesperados como condiciones de error, no como intentos de accionamiento “en el mejor de los casos”. Permitir que patrones aleatorios se asignen a estados de puerta arbitrarios es una forma sutil de destruir los MOSFET.

En segundo lugar, la tabla asume una alineación concreta entre la posición mecánica del rotor y las transiciones Hall. Si los sensores Hall están cableados de forma diferente, o si el imán del rotor está pegado en una orientación diferente a la esperada, la secuencia de estados girará o se invertirá. En ese caso, habrá que volver a cablear las fases, reasignar las líneas Hall o girar la tabla del firmware. Aquí es donde muchos diseños pierden una tarde entera.

Usar la tabla como firmware, no solo como un dibujo.

Lo bueno de una tabla de 6 pasos es que puede utilizarse tanto para la etapa de potencia como para la lógica de control. Los bits Hall sin procesar forman un índice de 3 bits. Ese índice proporciona tres cosas a la vez: qué puerta del lado alto se debe aplicar al PWM, qué puerta del lado bajo se debe aplicar al PWM o al clamp, y qué fase es alta Z para la medición potencial de BEMF en un diseño sin sensores.

Es tentador codificar solo la fase alta e inferir el resto. Resista esa tentación. Colocar el patrón completo de la puerta en la tabla por paso facilita la depuración: puede imprimir o registrar el patrón completo y compararlo con las formas de onda esperadas de los diagramas del proveedor. El ejemplo de MathWorks establece explícitamente los bits de secuencia de conmutación por sector; copiar ese patrón en una estructura C o LUT es lo más seguro que se puede hacer.

Una vez que la tabla está en su lugar, la mayor parte del código de control se reduce a tres operaciones: decodificar Hall al sector, seleccionar la fila para la dirección, aplicar el ciclo de trabajo PWM a las patas activas. Toda la “teoría de control” se encuentra un nivel más arriba, decidiendo cuál debe ser el ciclo de trabajo para cumplir con los objetivos de velocidad o corriente.

Esquemas PWM para 6 pasos: elegir el compromiso menos malo

La documentación sobre control de motores de Microchip resume tres esquemas PWM muy comunes para la conmutación de seis pasos. El texto parece publicitario, pero las ventajas e inconvenientes son reales:

Un esquema impulsa el lado alto de una fase activa y el lado bajo de la otra a la vez, con encendido/apagado fijo en las patas opuestas. Es sencillo, tiene una baja pérdida de conmutación y no necesita tiempo muerto entre dispositivos complementarios, pero tiende a producir una alta ondulación de corriente.

Otro esquema utiliza PWM complementario en una fase activa mientras mantiene el lado bajo de la otra fase completamente activado. Esto mantiene baja la pérdida de conmutación en una rama, pero ahora hay que gestionar el tiempo muerto y lidiar con formas de onda de corriente más complejas.

El tercer esquema acciona ambas fases activas con PWM complementario. Esto reduce la ondulación de corriente y puede proporcionar una mayor suavidad del par, pero a costa de una mayor pérdida de conmutación global y una gestión más estricta del tiempo muerto.

Renesas añade una variante que denominan “PWM equilibrado”, en la que tanto los polos positivos como los negativos de una fase determinada comparten la tarea de corte en cada periodo de conducción, lo que equilibra la tensión de conmutación y reduce la ondulación del par. La idea es sencilla: si un dispositivo conmuta significativamente más que su compañero a lo largo de la vida mecánica del producto, ese dispositivo envejece más rápidamente. Los esquemas equilibrados tienen como objetivo distribuir la tensión de forma más uniforme.

En la práctica, en un controlador de ventilador de baja potencia, el primer esquema suele ser más que suficiente. En una herramienta eléctrica de mayor intensidad o en una bomba automotriz, el tercer esquema, o el equilibrado, tiende a funcionar mejor, y la complejidad del tiempo muerto es pequeña en comparación con el coste de la ondulación audible de la corriente o los problemas de interferencia electromagnética.

6 pasos con sensor: cableado Hall, calibración y dirección

Los diseños más prácticos de 6 pasos siguen comenzando con sensores Hall. TI, NXP, Microchip, NXP de nuevo; todos muestran el mismo arquetipo: tres latches Hall digitales separados 120 grados eléctricos entre sí (o separados mecánicamente de forma correspondiente), que alimentan tres GPIO.

Los problemas interesantes no son los dispositivos Hall en sí mismos, sino el cableado y la calibración:

En primer lugar, los tres cables de fase del motor y las tres salidas Hall se pueden cablear en seis permutaciones cada uno. Monolithic Power Systems incluso muestra una tabla clara con las seis configuraciones posibles de los cables de fase del motor (A-B-C, C-A-B, B-C-A, etc.). Si se combina esto con las conexiones arbitrarias de los conectores Hall, se obtiene un rompecabezas en el que el software ve un patrón válido de seis estados, pero el orden en que aparecen esos estados en el ciclo eléctrico puede no coincidir con la tabla “ideal”.

En segundo lugar, para obtener un par limpio, es necesario que las transiciones Hall se produzcan aproximadamente 30 grados eléctricos antes o después del instante de conmutación ideal, dependiendo del avance de fase elegido. MathWorks sugiere explícitamente un procedimiento de “calibración de la secuencia del sensor Hall” para descubrir la secuencia real y alinearla con el patrón de conmutación. En el laboratorio, esto suele significar hacer girar lentamente el motor con un dispositivo de fijación u otro motor, registrar los estados Hall y los voltajes de fase, y construir la secuencia real a partir de mediciones en lugar de suposiciones.

La dirección es principalmente una cuestión de contabilidad. Si el motor gira en la dirección incorrecta, puede intercambiar dos cables de fase, invertir la bandera de dirección en el firmware o invertir el orden en el que recorre los seis pasos. Intercambiar dos fases y dejar el cableado Hall tal cual es la solución instintiva de hardware; invertir la tabla es la solución de firmware de menor riesgo.

6 pasos sin sensores: detección de BEMF, supresión y precipicio de baja velocidad.

Las notas de los proveedores TI, ST y Renesas muestran todas la misma imagen de 6 pasos sin sensores: la fase no accionada lleva una tensión inducida (EMF inversa), el controlador compara esa tensión con alguna referencia (a menudo la mitad del bus de CC) y el paso por cero marca el momento adecuado para conmutar.

En el hardware real, unos pocos detalles determinan si funciona o solo emite un zumbido:

En cada conmutación, la bobina que estaba conduciendo necesita tiempo para desmagnetizarse. Durante este intervalo de desmagnetización, la fase “flotante” no está realmente flotando; el voltaje terminal oscila porque la corriente en las otras fases está cambiando. La nota de aplicación de ST muestra cómo el lado bajo de la envolvente de voltaje aumenta a medida que cambia la polaridad de la BEMF, y por qué un muestreo demasiado temprano conduce a una detección incorrecta del cruce por cero. El tiempo de supresión después de cada conmutación no es superfluo, sino esencial.

El PWM complica aún más las cosas. Si se detecta BEMF durante el tiempo de apagado del lado bajo (alta impedancia real en el terminal), la ventana de muestreo efectiva se reduce con el ciclo de trabajo. Algunos diseños, en cambio, detectan durante el tiempo de encendido utilizando una referencia a la mitad del bus de CC, como señala ST, lo que compensa la complejidad del circuito analógico con una ventana de detección más amplia en ciclos de trabajo elevados.

Luego está el problema de la baja velocidad. Sin rotación, no hay BEMF. Las diapositivas de formación de TI lo explican claramente: los métodos sin sensores de seis pasos no funcionan cuando se necesita par a velocidad cero o cercana a ella. Las estrategias de arranque se convierten en un subsistema independiente: alinear el rotor forzando un campo estático, arrancar a ciegas con una rampa de bucle abierto o inyectar brevemente pulsos de alta frecuencia para inferir la posición inicial. Es posible que nunca se muestre esa lógica en un diagrama de bloques, pero suele ser la diferencia entre “arranca de forma fiable” y “a veces da tirones”.”

Bucles de velocidad y corriente en la parte superior de 6 pasos

El propio Six-step solo define qué transistores están activados. No le importa si el motor funciona a 300 rpm o a 30 000 rpm. De eso se encargan los bucles de control superiores.

El caso más sencillo es el control de ciclo de trabajo en bucle abierto: se trata el ciclo de trabajo como un indicador aproximado del par y se acepta cualquier velocidad que permitan la carga y el suministro. Para ventiladores y algunas bombas, eso es suficiente.

Cualquier elemento que requiera una velocidad o un par regulados añade al menos un bucle de retroalimentación. Un patrón común en las notas de aplicación es un bucle de velocidad externo (controlador PI que se cierra en la velocidad medida desde los bordes Hall) que actualiza una referencia de par o de servicio, y un bucle de corriente interno o esquema de protección que mantiene la corriente de fase dentro de los límites. La documentación sobre control de motores de Microchip describe los enfoques de bucle abierto y bucle cerrado e incluye soporte de hardware, como la limitación de corriente ciclo por ciclo en el módulo PWM.

El control estricto de la corriente no es obligatorio para todos los accionamientos de seis pasos. La inercia mecánica y la tolerancia de carga a veces ocultan muchas imperfecciones eléctricas. Pero una vez que se alcanza una mayor densidad de par o se desea una respuesta transitoria predecible, un bucle de corriente básico alrededor del ciclo de trabajo PWM empieza a parecer menos un lujo y más la única forma de mantener el sistema dentro de los límites térmicos y de EMI.

Depuración en 6 pasos en el banco: una rutina que realmente encuentra fallos

La mayoría de los problemas de 6 pasos se pueden resumir en una breve lista: secuencia de salas incorrecta, fases muertas o intercambiadas, tiempo muerto perdido, sincronización BEMF incorrecta y problemas de suministro o conexión a tierra. Se pueden ver todos ellos si se observan las señales correctas.

Una rutina práctica es algo así, aunque no la pongas por escrito. Primero, comprueba el bus de CC y la alimentación del controlador de la puerta para asegurarte de que la etapa de potencia funciona a un nivel básico. Luego, examina las líneas Hall mientras giras mecánicamente el rotor; deberías ver seis estados limpios, sin ningún código ilegal que se mantenga durante más de unos pocos microsegundos. Si ve que 000 o 111 permanecen, tiene problemas de cableado o de sensores antes incluso de que se ejecute cualquier algoritmo de control.

A continuación, superponga el voltaje de fase (o voltaje fase a fase) con las transiciones Hall. Las transiciones deben producirse en posiciones consistentes en relación con la secuencia de seis pasos que se muestra en los diagramas del proveedor; si se desplazan una cantidad constante, puede corregir el ángulo de conmutación en el software. Si el patrón se gira o se invierte, corrija el cableado o gire la tabla de consulta.

En el caso de los accionamientos sin sensores, también se observa la fase no accionada y la salida del comparador, verificando que los cruces por cero detectados coincidan con los puntos medios esperados de las regiones planas en la envolvente de tensión de fase, como en las figuras de ST y Renesas. Cuando la sincronización se desvía con la temperatura o la carga, el problema suele estar en el front-end analógico, no en el código de la MCU.

Cuando todo eso parezca razonable, pase a la corriente. Mida la ondulación de la corriente de fase para cada esquema PWM que pruebe; compárela con las ventajas e inconvenientes que se enumeran en las notas de Microchip y Renesas. Por lo general, descubrirá que el esquema más barato en código no es el más barato en magnetismo y filtros EMI.

Dónde encaja el método de 6 pasos frente al sinusoidal y el FOC

La presentación “Desmitificando la conmutación BLDC” de TI establece la jerarquía: trapezoidal (6 pasos) en el extremo simple, sinusoidal en el medio y FOC en el extremo complejo. Podemos reformular la versión práctica sin gráficos.

Si la aplicación se preocupa principalmente por el coste, tiene requisitos acústicos modestos y puede aceptar la ondulación del par, seis pasos suelen ser suficientes. Gana en carga computacional y, a menudo, en velocidad eléctrica máxima alcanzable, especialmente cuando se implementa con controladores de puerta y MCU sencillos. La nota de aplicación de Onsemi se hace eco de esto: el control trapezoidal es uno de los métodos más sencillos disponibles y ofrece un buen rendimiento máximo para muchas cargas industriales.

Cuando se necesita un menor nivel de ruido, una mayor eficiencia con carga parcial o un par más suave, el control sinusoidal empieza a resultar más atractivo. Cuando se necesita un control preciso del par en un amplio rango de velocidades, un debilitamiento del campo o la máxima eficiencia energética, se acaba entrando en el territorio del FOC y el modo de seis pasos se convierte en el modo de reserva o de arranque, y no en el método principal.

No se trata tanto de qué método es globalmente “mejor”, sino más bien de a qué aspectos del comportamiento motor presta realmente atención su producto.

Resumen para tu próximo diseño

Si se aborda el método de 6 pasos como “la opción sencilla”, tiende a comportarse mal en todos los aspectos habituales. Si se trata como un algoritmo de control discreto y basado en el estado, con restricciones específicas de tiempo y medición, parece más bien un subconjunto robusto de métodos más avanzados.

Cree su tabla de conmutación a partir de datos reales de Hall o BEMF, no solo a partir de un diagrama. Elija un esquema PWM que se ajuste a sus límites magnéticos y térmicos, no solo al bloque temporizador de su MCU. Trate el arranque sin sensores y el comportamiento a baja velocidad como un problema de diseño independiente, no como un pequeño ajuste. Y mantenga una rutina de banco estándar para verificar los patrones de Hall, los voltajes de fase y la sincronización de BEMF antes de culpar a cualquiera de los bucles de control.

La conmutación en seis pasos deja entonces de ser un truco rápido y se convierte en una elección de diseño deliberada. Que es de donde suelen provenir los productos fiables.