Los pequeños motores eléctricos están en todo lo que utilizamos en nuestras actividades diarias. Al moler nuestro café, al hacer circular el aire en nuestras casas y oficinas, al darle vida a los juguetes de nuestros niños y, tal vez, al limpiar con un robot nuestros pisos.
Según el motor, necesitará los controladores (MCD) adecuados para encenderlo y apagarlo, regular la velocidad y la torsión, y alcanzar la mayor eficiencia u confiabilidad.
Según los requerimientos de diseño y las consideraciones de costos, si se trata de un diseño de baja potencia, lo más seguro es que elija entre tres tipos de motores.
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CC con escobillas (BDC)
CC sin escobillas (BLDC)
De pasos
Motores con escobillas (BDC).
Los motores de CC con escobillas son los más sencillos de los tres tipos y los primeros que estudiamos en la escuela. Estos motores cuentan con bobinados en el rotor o la armadura, e imanes permanentes o bobinados de campo en el estator, por lo que necesitan conmutadores y escobillas para cambiar la polaridad del bobinado durante el giro, a fin de que la torsión se desarrolle continuamente en una sola dirección. Debido a que estos motores son relativamente fáciles de fabricar y controlar, suelen ser más baratos y, aunque normalmente se utilizan en juguetes y otras aplicaciones económicas, también pueden aparecer en ciertos artículos para el hogar, como persianas y seguros eléctricos.
El control de los motores de CC con escobillas es relativamente simple: el cambio de la tensión promedio aplicada al motor modifica su velocidad, y esto se puede lograr con un puente en H y un microcontrolador. Sin embargo la selección de los circuitos integrados de los controladores puede requerir cierto cuidado.
Esto se simplifica con la gran variedad de tensiones de operación del TB67H450FNG,EL de Toshiba. Su tensión operativa va desde 4,5 V hasta 44 V para los dispositivos de mayor corriente (menos de 3,5 A), como el equipo de automatización para oficinas, terminales bancarias, artículos para el hogar, incluidos los productos de baterías, como aspiradoras robóticas, seguros electrónicos y robots pequeños, y los dispositivos que utilizan suministros de energía USB de 5 V. El controlador utiliza solamente 1 μA en el modo de espera y viene incluido en el paquete pequeño de montaje sobre superficie HSOP8 de 8 pines.
Vea nuestro video del TB67H450FNG.
Si necesita una tensión de operación más bajo pero una mayor corriente, el TC78H653FTG,EL es un circuito integrado de controlador de doble puente H que ofrece el rango de tensión de operación de 1,8 V a 7,5 V y dos modos de corriente: el modo de corriente pequeña con un pico de CC de 2,5 A en dos canales y el modo de mayor corriente con un pico de CC de 5,0 A en un canal combinado. Su bajo nivel de resistencia al estar encendido permite un mayor flujo de corriente por el motor, lo que genera una mayor torsión. Si su proyecto incluye dispositivos móviles, como cámaras y aparatos portátiles que utilizan baterías de iones de litio de 3,6 V, o artículos para el hogar, como actuadores de estufas de gas, medidores inteligentes, seguros electrónicos u otras aplicaciones que utilizan dos baterías secas de 1,5 V, la combinación de características de este controlador lo convierte en una opción ideal para este tipo de aplicación.
Si se necesita un controlador BDC de doble canal para una tensión de operación de hasta 16 V, el nuevo circuito integrado del controlador de motor de puente H TC78H660FTG, que se basa en el proceso DMOS de última generación de la empresa, puede entregar una corriente controlada por PWM de 2 A (máximo). Mantener una eficiente operación de energía, tiene requerimientos de corriente ultrabaja cuando está en modo de espera, cerca de 0,1 µA. Para mantener la utilización del PCB al mínimo, este circuito integrado viene en un paquete QFN16 compacto de 3 mm x 3 mm. TC78H660FNG es una variante del mismo circuito integrado del controlador en un paquete TSSOP16.
Toshiba ofrece más dispositivos para los motores de CC con escobillas, algunos de los cuales tienen pines compatibles con los controladores de motor con escobillas comunes, por lo que los ingenieros pueden intercambiar partes sin modificar el diseño de forma significativa, lo que les permite responder a los requerimientos cambiantes del mercado.
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Motores de CC sin escobillas (BLDC)
Los motores de CC sin escobillas son más simples que los motores con escobillas en cuanto a su mecánica, pues normalmente tienen los imanes permanentes en el rotor y los bobinados del estator. Los motores de CC sin escobillas eliminan la conmutación mecánica ruidosa, que tiende a generar chispas y limita la torsión, al mismo tiempo que ofrecen mayores niveles de torsión y velocidad. Sin embargo, requieren un control preciso para alcanzar la mayor eficiencia que prometen para diferentes aplicaciones, desde pequeños ventiladores hasta servomecanismos en equipos industriales.
El control de la polaridad y la magnitud de la corriente que fluye por las bobinas y su sincronización con el rotor se logra al medir la posición de los imanes con los sensores de efecto Hall, o al detectar el paso por cero de la fuerza contraelectromotriz en los motores de CC sin escobillas ni sensores y enviar esta información de regreso mediante los controladores del motor. Sin embargo, los ajustes repetidos de las diferencias de fase entre la tensión y la corriente del motor son necesarios en la gama de velocidad de rotación para alcanzar las características óptimas de eficiencia. Aún así, la corriente tiende a retrasarse en los controladores de alta velocidad debido a la inductancia en altas frecuencias.
Una tecnología patentada de control de fase inteligente de Toshiba hace que el control del motor BLDC sea más simple y más preciso. Esta tecnología compara la fase de la corriente del motor con la fase de la tensión del motor desde la señal de Hall y envía el resultado de regreso al control de corriente del motor. El ajuste de la diferencia de fase entre la tensión y la corriente del motor se realiza, de forma automática, en una gran variedad de velocidades del motor con solo una configuración inicial. Esto reduce considerablemente la carga de desarrollo en el proceso de diseño.
Toshiba tiene cuatro nuevas soluciones de control de motores BLDC trifásicos que utilizan esta tecnología, las partes del controlador TC78B041FNG,EL, alojadas en un paquete SSOP30 y el TC78B042FTG en un paquete VQFN32, el controlador totalmente integrado TC78B025FTG, y el controlador con accionador de compuerta integrado TC78B027FTG. Los dispositivos de control de motor utilizan un sistema de impulso de onda senoidal para generar una corriente con forma de onda suave, lo que permite reducir el ruido y la vibración en los motores de alta velocidad para diferentes aplicaciones, como aires acondicionados, ventiladores, purificadores de aire, bombas y equipo industrial.
ElTC78B025FTG y TC78B027FTG también cuentan con una función de control de velocidad de bucle cerrado, que regula y mantiene la velocidad rotacional del motor durante las fluctuaciones dinámicas de potencia y las variaciones de carga. Esta es una característica valiosa para aplicaciones cruciales como ventiladores de servidores y otras aplicaciones de enfriamiento. El ajuste preciso de un perfil de velocidad se realiza mediante la memoria no volátil (NVM) incorporada y, como resultado, se elimina la necesidad de una MCU externa para el control de la velocidad en bucle cerrado.
Toshiba también ofrece dispositivos de control de motor para operaciones sin sensores, si su proyecto permite el uso de motores de CC sin escobillas y sin sensores para reducir los costos del motor. El TC78B009FTG es uno de estos controladores trifásicos de modulación por ancho de pulsos (PWM) que controlan la velocidad del motor al cambiar el ciclo de trabajo de modulación por ancho de pulsos (PWM). Con una capacidad máxima de 30 V para el suministro de energía, ofrece conmutación superpuesta a 120°, 135° y 142,5°, conmutación de software seleccionable, configuración de inicio ajustable, protección de sobrecorriente, apagado térmico y bloqueo por subtensión. Gracias a la parte del controlador de compuerta integrada, el TC78B009FTG ofrece a los diseñadores la flexibilidad de dimensionar los MOSFET de etapa de potencia adecuados para las aplicaciones. El TC78B009FTG también dispone de un monitor de corriente de motor integrado para permitir que el MCU pueda hacer ajustes en tiempo real. Además, el controlador del motor incluye una función de control de velocidad de bucle cerrado con una memoria no volátil (NVM) integrada, que permite el funcionamiento sin una MCU externa.
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Motores de pasos
El tercer tipo de motor, que también puede considerar, es el motor de pasos. Este motor se utiliza en los diseños que requieren un movimiento angular de alta precisión, como los diseños de impresoras de escritorio, impresoras 3D, cámaras de seguridad, lentes de cámaras, escáneres médicos, iluminación inteligente y fresadoras CNC.
Los motores de pasos se administran al controlar el ancho de pulso, el ciclo de trabajo o el periodo de pulsos de entrada. El desafío para controlar un motor de pasos yace en evitar retrasos, pues los motores o los componentes electrónicos se pueden quemar. Si se pierde la sincronización durante la sobrecarga, o si se genera un cambio rápido de velocidad, el motor se retrasa mientras el controlador sigue trabajando a toda potencia. Esto genera la necesidad de proporcionar un margen de corriente suficiente para prevenir cambios intensos repentinos en la torsión. Por otro lado, esta configuración representa una reducción de eficiencia y un aumento en la generación de calor.
La corriente adicional se puede reducir para evitar este sacrificio al implementar el ajuste de corriente mediante el monitoreo en tiempo real de la torsión y la retroalimentación de corriente con la adición de sensores y microcontroladores. Sin embargo, esto hace que el diseño sea más complejo y costoso.
La tecnología de control activo de ganancia (AGC) de Toshiba intenta resolver este problema al optimizar automáticamente la corriente del motor según la torsión necesaria. Esto evita que el motor se retrase y ofrece un control óptimo para proporcionar la mayor eficiencia y la menor generación de calor posible.
Obtenga más información sobre AGC en el video.
El
TB67S128FTG,EL de Toshiba, que es un controlador bipolar de motor de pasos que ofrece uno ultrasuave de 128 micropasos (por cuarto de ciclo) contra los 32 que son convencionales, utiliza la tecnología AGC. Su índice de 50 V/5 A ofrece un control de alta potencia para diferentes aplicaciones, como impresoras 3D, cámaras de vigilancia y equipos de automatización de oficinas.
Además, el TB67S128FTG utiliza la tecnología de decaimiento mixto dinámico avanzado (ADMD) de Toshiba que descarga la corriente del motor inductiva de forma más eficaz y rápida que el modo convencional de decaimiento mixto. La tecnología ADMD puede estirar un motor de pasos de velocidad baja general hasta su límite sin saltar ningún paso. Este componente también aprovecha la tecnología del sistema de detección de corriente avanzada (ACDS) de Toshiba para detectar el límite de la corriente sin los resistores externos de detección de corriente, lo que, a su vez, reduce el espacio, la cantidad de componentes y el costo de la lista de materiales (BOM).
Para la aplicación que se alimenta con dos baterías secas de 1,5 V o una sola de Li-Ion de 3,6 V y que, por lo mismo, requiere una tensión de operación más baja, el TC78H670FTG es una solución ideal. Su funcionamiento puede ir de 2,5 V hasta 16 V y tiene una capacidad de hasta 2 A (pico). Cuenta con la tecnología del sistema de detección de corriente avanzada (ACDS) de Toshiba y un diminuto paquete QFN de 3 mm x 3 mm para reducir drásticamente el espacio y el costo de la placa. El tamaño del paquete se ha reducido en un 44 % en comparación con la generación anterior. La corriente de reserva ultrabaja de solo 0,1 µA la convierte en la elección perfecta para aplicaciones con espacio restringido y baterías, como las impresoras fiscales.
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