Los motores eléctricos se utilizan en muchas herramientas y vehículos. En drones y aeronaves eléctricas, lo más común es controlarlos mediante un controlador de aceleración y un ESC.
Cuando aumentas la aceleración en el controlador, lo que haces es aumentar la cantidad de energía eléctrica que se extrae de la fuente de alimentación (es decir, la batería) y se suministra al motor a través del ESC. Si quieres reducir la velocidad del motor, disminuye la potencia; si quieres aumentar la velocidad del motor, aumenta la potencia.
Pero ¿cuál es el mecanismo que permite controlar la velocidad del motor?
En este artículo trataremos:
- Cómo aumentar (o disminuir) la velocidad de un motor eléctrico
- Fórmula de la velocidad de un motor eléctrico
- La velocidad del motor en función del ciclo de trabajo PWM y el voltaje de salida del ESC
- Cálculo de las RPM a partir del KV del motor
Figura 1: Motor Xoar T110 montado en un banco de pruebas de empuje
Cómo aumentar (o disminuir) la velocidad de un motor eléctrico
Controlar la velocidad de un motor eléctrico es tan «sencillo» como controlar la cantidad de energía eléctrica que se suministra al motor. En el siguiente artículo, vamos a suponer que estamos analizando una condición de estado estacionario en la que no hay aceleración.
Para ser más precisos, para una carga mecánica (o resistencia) determinada, es el aumento del voltaje lo que provoca el aumento de la velocidad. Alternativamente, podemos reducir la carga del motor.
Fórmula de la velocidad de un motor eléctrico
Si observamos esta ecuación para la velocidad angular:
ω = velocidad angular
Podemos ver que la velocidad angular, o sea, la velocidad del motor eléctrico, o sea, las RPM, es proporcional al voltaje e inversamente proporcional al par motor.
Por lo tanto, si queremos aumentar la velocidad del motor, podemos a) aumentar el voltaje suministrado o b) disminuir el par motor. Dado que disminuir el par motor requeriría cambiar el diseño o la carga, es mucho más sencillo aumentar el voltaje.
La ecuación también demuestra que, a un voltaje constante, un par motor más alto da como resultado unas RPM más bajas.
También debemos señalar que existen algunas pérdidas menores dentro del ESC, por lo que el voltaje de entrada es superior al voltaje de salida al motor, aunque normalmente solo por unos pocos por ciento.
La velocidad del motor en función del ciclo de trabajo PWM y el voltaje de salida del ESC
También podemos describir este proceso de cambio de la velocidad del motor en función de los protocolos del ESC utilizados para suministrar la potencia.
Con PWM, por ejemplo, el valor enviado desde el controlador (en µs) corresponde a un porcentaje del voltaje máximo que se puede enviar al motor y al ESC.
El valor PWM en µs estará entre 1000 (sin aceleración) y 2000 (aceleración máxima). Todos los valores intermedios tienen una duración de señal en µs que corresponde a un ciclo de trabajo entre 0 y 100%.
Al 0%, no se suministra potencia al ESC ni al motor. Al 100%, se suministra potencia constantemente al ESC y al motor.
Figura 2: Motor Xoar TA130 montado en un banco de pruebas
La implementación de este sistema varía según el fabricante del ESC. Sin embargo, la relación entre el ciclo de trabajo y la velocidad del motor suele ser aproximadamente equivalente al voltaje de salida promedio del ESC.
El ESC aproxima una salida de onda senoidal en cada fase. Con una salida del ESC al 50%, la onda senoidal tendrá aproximadamente la mitad de la amplitud que la onda senoidal con una salida del ESC al 100%. Tenga en cuenta que los controladores electrónicos de la mayoría de los ESC solo tienen un estado de encendido/apagado, por lo que la señal real no es tan suave como una onda senoidal perfecta.
Existen muchas variaciones entre los fabricantes de motores y ESC, y los componentes electrónicos pueden introducir no linealidades. Para aplicaciones prácticas, lo mejor es caracterizar el motor y el ESC utilizando un dinamómetro.
El futuro de la tecnología ESC
Como se mencionó anteriormente, los motores eléctricos funcionan mediante señales eléctricas que alternan entre estados de encendido/apagado para generar rotación.Los ESC convencionales dependen de semiconductores a base de silicio que presentan limitaciones físicas inherentes. A medida que las frecuencias de conmutación aumentan con RPM más altas, los componentes de silicio generan una cantidad significativa de energía térmica debido a las pérdidas por conmutación. Este calor limita la eficiencia y la velocidad máxima del sistema, ya que el material no puede soportar la carga eléctrica y térmica a RPM más altas.
El nitruro de galio (GaN) es un semiconductor que ofrece un umbral de voltaje y temperatura superior al del silicio. Tiene una conductividad eléctrica más alta, lo que permite velocidades de conmutación más rápidas y una menor resistencia eléctrica durante el funcionamiento. Estas características permiten que los controladores basados en GaN mantengan un rendimiento estable en entornos donde, de otro modo, el silicio fallaría debido a una sobrecarga térmica o eléctrica..
El microDRIVE LP de Hargrave Technologies es una aplicación temprana de esta tecnología en la industria de los UAV. Aunque actualmente estos dispositivos no superan el rendimiento de los ESC de alto rendimiento a base de silicio, representan un campo en desarrollo con potencial para aumentar la densidad de potencia de los ESC.
Figura 3: ESC compacto y ligero basado en GaN (fuente: Hargrave Technologies)
Haga clic aquí para obtener más información sobre el funcionamiento interno de un ESC.
Los protocolos digitales como Dshot y Oneshot utilizan el mismo concepto de ciclo de trabajo, pero con una transmisión de señal mucho más rápida y patrones de transmisión de señal diferentes.
También puede ver el ciclo de trabajo expresado como un valor entre 0 y 1024. Esto se basa en el hecho de que la tecnología se desarrolló en torno a controladores de 8 bits. 2 opciones (encendido/apagado) con un sistema de 8 bits → 2¹⁰ → 1024.
Este sistema también puede utilizarse para determinar el voltaje de salida del ESC.
Por ejemplo, 796 → 78 % de «encendido» en relación con una salida del 100 %.
Cálculo de las RPM a partir del KV del motor
En condiciones sin carga, puede utilizar el valor KV del motor para estimar la velocidad del motor en función del voltaje suministrado.
Como se explica en nuestro artículo sobre cómo calcular el KV del motor, podemos sustituir la fuerza contraelectromotriz por el voltaje de entrada en esta ecuación para estimar la velocidad de rotación de nuestro motor eléctrico.
Utilicemos como ejemplo el motor M50C35 EEE 9 KV de MAD Components. Tiene un voltaje máximo de 400 V y una clasificación KV de 9 KV. Al introducir estos números en la fórmula, obtenemos una velocidad máxima de:
Por lo tanto, con aceleración máxima, este motor girará a 3600 RPM. Si aplicáramos solo un 75 % de aceleración, correspondiente a 300 V, giraría a una velocidad de 2700 RPM.
Conclusión
Como se ha demostrado en este artículo, hay varias formas de aumentar la velocidad del motor.
La forma más práctica es aumentar el voltaje suministrado al motor incrementando la aceleración. También puede disminuir el par motor, pero esto generalmente altera más el diseño o el propósito del UAV.
Si tiene más preguntas sobre cómo funcionan los motores eléctricos y los UAV, consulte nuestros otros artículos o déjenos un comentario a continuación.