Conmutación del motor BLDC: elegir cómo se ve y se comporta el par motor
La conmutación del motor BLDC es donde se decide discretamente cómo sonará el producto, qué sensación de suavidad transmitirá, cuánto durará el silicio y lo complicado que será el proceso de depuración cinco meses antes del lanzamiento. Todo lo demás en el accionamiento se reorganiza en mayor o menor medida en torno a esa decisión.
Índice
¿Qué significa realmente “conmutación” para ti?
La documentación oficial explica que la conmutación consiste simplemente en cambiar las fases del estator en sincronía con el rotor. Útil, pero un poco demasiado educado.
En la práctica, el esquema de conmutación determina las características de todo el accionamiento: cuánta ondulación de par se acepta, cuántos cálculos matemáticos debe realizar la MCU, cómo se somete a tensión el condensador del enlace de CC, qué tipo de sensores de corriente se adquieren y cuán difícil resulta el funcionamiento a baja velocidad. Los esquemas trapezoidales, sinusoidales y orientados al campo no son solo “tres métodos”, sino que definen diferentes envolventes de funcionamiento.
Si se parte del motor, su forma de fuerza contraelectromotriz, la disposición de los imanes y la elección de ranuras/polos ya inclinan la balanza hacia un estilo de conmutación. Un motor bobinado para una fuerza contraelectromotriz relativamente plana tolera bien la conmutación por bloques de seis pasos; una máquina con una fuerza contraelectromotriz sinusoidal limpia pide silenciosamente un control sinusoidal o FOC, aunque se le pueda forzar a funcionar con un accionamiento por bloques.
Bloqueo / conmutación de seis pasos: cuando solo se desea movimiento
Conmutación por bloques, seis pasos, trapezoidal, conducción de 120 grados; diferentes nombres, misma idea. Cada 60 grados eléctricos se cambia cuáles de las tres fases conducen, dejando la tercera fase flotando. Una mesa Hall o un detector de paso por cero de la fuerza contraelectromotriz detecta el estado.
Este método mantiene la simplicidad de la electrónica de control: un puente trifásico, algunos controladores de puerta, unos pocos comparadores o entradas Hall y un firmware modesto. Esa simplicidad explica por qué las herramientas eléctricas, los ventiladores y las bombas siguen incorporando grandes volúmenes de accionamientos BLDC con conmutación por bloques.
El coste es bien conocido y, en ocasiones, se subestima. El par muestra una estructura clara de seis pulsos por revolución eléctrica, lo que se traduce directamente en vibraciones, ruido acústico y tensión en los cojinetes. Existen motivos para que haya artículos de investigación que traten la “supresión de la ondulación del par de conmutación” como un tema específico.
Si se opta por la conmutación por bloques, el interesante trabajo de ingeniería pasa de “qué esquema” a “cómo podemos hacer que este esquema funcione de forma limpia”. Eso suele significar: ajustar la colocación del sensor Hall, ajustar el avance de la conmutación bajo carga, dar forma al aumento de corriente con la resistencia de puerta y el tiempo muerto adecuados, y estabilizar el enlace de CC para que la caída de tensión en un paso no amplifique la ondulación del par. El material de aplicación de Qorvo y otras notas similares vuelven una y otra vez a la misma idea: la sincronización correcta del interruptor lo domina todo.
El funcionamiento a baja velocidad suele ser el punto débil. Los algoritmos de cruce por cero sin sensores necesitan suficiente fuerza contraelectromotriz para funcionar, por lo que se simula con conmutación forzada, alineación de pulsos o esquemas híbridos con y sin sensores. Si su producto funciona en tiempo real por debajo de unos pocos cientos de rpm eléctricas, suele merecer la pena tratar esa región como un modo de funcionamiento independiente.
Conmutación sinusoidal y FOC: el par como magnitud continua
La conmutación sinusoidal simplemente intenta hacer coincidir las corrientes de fase con la fuerza contraelectromotriz sinusoidal, manteniendo el par casi constante durante una revolución eléctrica. Eso por sí solo ya reduce la ondulación del par y los artefactos acústicos, especialmente a baja velocidad, donde la conmutación por bloques es peor.
El control orientado al campo toma la misma idea y la traslada a un marco de referencia giratorio. En lugar de hacer malabarismos con tres corrientes con desplazamientos en el espacio y el tiempo, se regulan dos componentes ortogonales alineados y ortogonales al campo del rotor. El método se asemeja a la conmutación sinusoidal en el exterior, pero ahora se pueden controlar directamente los canales de par y flujo, añadir límites de corriente y aplicar la dinámica de una forma mucho más estructurada.
El precio ya no depende principalmente de los ciclos de la CPU; los MCU modernos manejan las transformadas de Clarke/Park de forma rutinaria. El coste más molesto es la infraestructura: detección precisa y rápida de la corriente en al menos dos fases, posición del rotor razonablemente precisa (interpolación Hall, codificador u observador avanzado), cálculo cuidadoso de la latencia entre el muestreo y las actualizaciones PWM, y disciplina del firmware.
El FOC empieza a tener sentido cuando al menos una de estas afirmaciones es cierta. Su aplicación tiene límites acústicos estrictos a baja velocidad. Su bucle de control necesita exprimir la eficiencia en un amplio rango de velocidades. El motor está sobredimensionado mecánicamente, pero tiene limitaciones térmicas, por lo que el control de la corriente se convierte en el cuello de botella. O bien, desea que la misma pila de control sea compatible con máquinas de tipo BLDC y PMSM en una plataforma común.
Conmutación con y sin sensores: cómo saber dónde está el rotor
Todos los esquemas de conmutación fallan si te equivocas con la posición del rotor. La elección es fácil de escribir: usa sensores o deduce la posición a partir del comportamiento eléctrico; la implementación es menos sencilla.
Los sensores Hall proporcionan tres señales digitales con una resolución de 60 o 120 grados. Son fáciles de conmutar por bloques y siguen siendo útiles para el FOC como anclajes gruesos interpolados por observadores. La documentación de múltiples proveedores coincide en lo mismo: los sensores Hall integrados son comunes, económicos y eliminan la mayoría de los problemas relacionados con el arranque y el par a baja velocidad.
Los enfoques sin sensores sustituyen los sensores físicos por detección de fuerza contraelectromotriz, observadores basados en modelos o inyección de alta frecuencia. Los métodos de cruce por cero de la fuerza contraelectromotriz siguen siendo los más comunes para los accionamientos sensibles al coste, pero requieren una velocidad mínima y una detección limpia de la tensión de fase. Los observadores más avanzados combinan modelos de motores con mediciones de corriente y tensión para estimar la posición y la velocidad; los artículos de investigación modernos se parecen más a libros de texto de teoría de control que a notas sobre motores.
Una regla práctica: si la aplicación debe proporcionar un par determinista desde el reposo contra una carga desconocida (articulaciones de robots, cardanes, ejes servo), algún tipo de esquema con sensores o híbrido suele simplificar las cosas. Si se trata de un ventilador, una bomba o un soplador que arranca contra una carga relativamente predecible, un sistema sin sensores con una rutina de arranque cuidadosamente diseñada ofrece un mejor coste.
Cómo se manifiesta la conmutación en forma de ondulación de par, EMI y ruido
Los usuarios no ven su diagrama de bloques; ven fluctuaciones de par, ruido acústico y, en ocasiones, fallos en las pruebas de interferencias electromagnéticas. Todos estos factores están estrechamente relacionados con el método de conmutación y con la limpieza con la que se implementa.
La ondulación del par en los instantes de conmutación es un tema frecuente en el ámbito académico e industrial. Se produce cuando la inductancia, la corriente y la fuerza contraelectromotriz no realizan una transición sincronizada durante un evento de conmutación. En los accionamientos BLDC con una capacitancia de enlace de CC ajustada, la interacción entre la conmutación y la ondulación del suministro cobra tanta importancia que se proponen estrategias explícitas de refuerzo del enlace de CC durante los intervalos sin conmutación, con el único fin de mantener la ondulación bajo control.
Las amplias reseñas sobre los problemas de fiabilidad de los motores BLDC enumeran conjuntamente la ondulación del par, las interferencias electromagnéticas, el ruido acústico y los fallos de conmutación. Esa agrupación no es casual: la conmutación brusca de corrientes rectangulares y tensiones de fase excita naturalmente las resonancias mecánicas y las irradia. Los esquemas sinusoidales y FOC sustituyen esos bordes rectangulares por formas de onda más suaves, lo que tiende a reducir tanto el contenido acústico como las interferencias electromagnéticas, aunque el diseño y la disposición de la puerta de control siguen siendo importantes.
A la hora de decidir sobre un esquema de conmutación, suele ser útil partir de la peor restricción del sistema. Si la EMI conducida ya se encuentra cerca de los márgenes reglamentarios, o si el conjunto mecánico amplifica un determinado armónico, eso inclinará fuertemente la elección hacia perfiles de corriente más suaves, incluso si el MCU parece ligeramente sobredimensionado sobre el papel.
Comparación de los principales estilos de conmutación de un vistazo
La tabla siguiente resume los tres esquemas dominantes en un formato que se ajusta más a las conversaciones reales sobre diseño que a las presentaciones de marketing. Es intencionadamente subjetiva.
| Estilo de conmutación | Señales de control típicas | Requisito de posición del rotor | Principales ventajas en la práctica | Principales sanciones en la práctica | Donde tiende a ganar |
|---|---|---|---|---|---|
| Bloque / seis pasos (trapezoidal) | Seis estados de fase discretos con conducción de 120 grados, PWM simple en interruptores superiores o inferiores. | Sensores Hall o detección simple de fuerza contraelectromotriz con lógica de paso por cero | Controlador de puerta sencillo, MCU modesto, fácil de entender en un osciloscopio, tolerante con motores bruscos. | Ondulación de par pronunciada, mayor contenido acústico, comportamiento extraño a muy baja velocidad, EMI con bordes afilados. | Ventiladores, bombas, sopladores, herramientas eléctricas, compresores pequeños, movimiento de bajo coste donde “gire de forma fiable” es el requisito principal. |
| Sinusoidal (sines trifásicos) | Corrientes sinusoidales analógicas o sintetizadas por PWM en todas las fases. | Interpolación de Hall, codificador u observador sin sensores preciso. | Par mucho más suave, mejor control a baja velocidad, menor estrés acústico y mecánico, control EMI más fácil que el bloque. | Control de corriente más complejo, requiere una mejor detección de corriente y estimación de posición, mayor complejidad del firmware. | Aparatos que deben sonar moderados, robótica de gama media, bombas de potencia media, accionamientos en los que importan tanto la eficiencia como la comodidad. |
| FOC / control vectorial | Bucles de corriente d-q con desacoplamiento, control de par alineado con el campo, a menudo con PWM de vector espacial. | Retroalimentación de posición de alta calidad (codificador, resolvers o estimadores sin sensores) y sincronización de control precisa. | Control directo del par, limitación de corriente robusta, buena respuesta dinámica, una plataforma de control para muchas variantes de motor. | Requiere una estructura de firmware disciplinada, una cadena de detección precisa, un manejo más complejo de los fallos y más parámetros de ajuste. | Servomotores, cobots, cardanes, auxiliares para vehículos eléctricos, sistemas de tracción, cualquier cosa que se acerque a los límites del rendimiento. |
Los límites exactos son difusos. Muchos productos exitosos se encuentran en los espacios intermedios: conmutación de bloques con modelado inteligente de la corriente, accionamientos sinusoidales con un trabajo mínimo de DSP, FOC que funciona en MCU baratos con solo retroalimentación Hall e interpolación. Los productos reales no siguen las divisiones de los libros de texto.
Adaptación de la conmutación a las restricciones de la aplicación
En lugar de preguntar “qué conmutación es la mejor”, a menudo resulta más productivo plantear una serie de preguntas ligeramente incómodas. ¿Qué nivel de ondulación de par es aceptable en el peor punto de funcionamiento? ¿Qué nivel de ruido genera la trayectoria mecánica desde el motor hasta la mano o el oído del usuario? ¿Qué nivel de medición de corriente puede soportar la lista de materiales sin generar discusiones?.
Para un ventilador HVAC sencillo que funciona principalmente cerca de un punto de funcionamiento, la conmutación por bloques puede ser totalmente suficiente, especialmente si la estructura mecánica ya filtra los armónicos superiores. Un accionamiento de lavadora con límites acústicos estrictos y velocidad variable a lo largo de un ciclo de lavado suele acabar con un control sinusoidal o FOC, simplemente porque la conmutación por bloques obligaría a hacer concesiones en todos los demás aspectos. Las bombas, compresores y auxiliares de automoción suelen utilizar enfoques con sensores o híbridos: deben arrancar con cargas inciertas, cumplir las normas EMC e integrarse en un entorno eléctrico saturado.
La idea es dejar que las limitaciones a nivel del sistema determinen el estilo de conmutación y, a continuación, diseñar el resto de los componentes electrónicos en función de esa elección, y no al revés.
Depuración de problemas de conmutación sin perderse
Cuando un sistema BLDC “funciona de forma irregular” o vibra, es tentador sospechar que se trata de errores exóticos del firmware. En muchos casos reales, la causa principal es más sencilla: orden de fase incorrecto entre el motor y el puente, tabla de conmutación errónea, sensores Hall desalineados o sincronización de conmutación que nunca se revisó después de un cambio de motor. Las guías de resolución de problemas industriales destacan repetidamente los errores de secuencia de fase y la sincronización incorrecta como primeras comprobaciones para un funcionamiento irregular.
Un enfoque útil consiste en tratar la conmutación como un problema de diagrama de temporización antes de tratarla como un problema de software. Se verifica que las tensiones de fase, la fuerza contraelectromotriz y las señales de posición se alineen en el ángulo eléctrico esperado. Se confirma que los sensores de tensión y corriente del enlace de CC no se saturan durante los eventos de conmutación. Se comprueba que el tiempo muerto no merme silenciosamente la tensión efectiva en determinadas condiciones de carga. Solo una vez que todo esto sea correcto, tiene sentido ajustar los observadores, los bucles de velocidad y los comandos de par.
En los accionamientos sin sensores, el arranque es donde se manifiestan la mayoría de los problemas latentes. Si el motor se cala o vibra durante la alineación en bucle abierto, suele ser un indicio de parámetros eléctricos incompatibles, no de errores de control profundos. La implementación de una estrategia sólida de alineación y rampa suele resolver los “misteriosos” fallos de velocidad cero.
Una ruta de migración práctica: del bloque al “casi FOC”
Muchos equipos comienzan con una conmutación de seis pasos, consiguen un prototipo que funciona y luego alcanzan los límites acústicos o de control. Descartar todo eso y pasar directamente al FOC completo parece arriesgado, por lo que el sistema sigue siendo ruidoso durante otro ciclo de producto. Hay una ruta más tranquila.
Una opción habitual es mantener el hardware del puente y los sensores Hall existentes, pero empezar a añadir modulación sinusoidal al patrón de conmutación, moldeando gradualmente las corrientes para que se acerquen más a lo que realmente quiere la fuerza contraelectromotriz. Esto reduce la ondulación sin obligar a un cambio inmediato en la arquitectura.
El siguiente paso es introducir la regulación actual en el marco estacionario y, una vez que esté satisfecho con la calidad y la sincronización de las mediciones, pasar a un marco de referencia giratorio. Para cuando implemente el control d-q completo, gran parte de la infraestructura de bajo nivel ya estará probada. La transición se convierte en una serie de pequeños cambios en lugar de una única reescritura.
Reflexiones finales
La conmutación del motor BLDC no es solo una opción de configuración en una biblioteca; es una elección estructural sobre cómo interactúan el motor, la mecánica y la electrónica a lo largo de toda la vida útil del producto. Los esquemas de bloque, sinusoidal y FOC tienen casos de uso sólidos, y las investigaciones modernas sobre la reducción de la ondulación del par, el manejo de las interferencias electromagnéticas y la estimación sin sensores simplemente perfeccionan esas herramientas en lugar de sustituirlas.
Si considera la conmutación como una decisión de diseño que se toma una vez al principio y luego se revisa periódicamente a medida que el sistema madura, evitará la trampa habitual de elegir el esquema solo para hacer girar el primer rotor. El motor girará en cualquier sentido; la cuestión es si lo hace de una manera que se ajusta a las limitaciones del sistema a las que se enfrenta realmente.
