Entre los motores eléctricos más populares en diversos sectores, como electrodomésticos, industria y automoción, se encuentran los motores de CC con escobillas. Son especialmente populares por su diseño sencillo, su rentabilidad y su capacidad para proporcionar un alto par de arranque.

Existen varios métodos para controlar los motores de CC con escobillas, cada uno con ventajas específicas. La elección del método de control depende de factores como los requisitos de la aplicación, el coste, la complejidad y las necesidades de rendimiento. Este artículo explora cuatro métodos de control comunes para motores de CC con escobillas, analiza sus ventajas y desventajas, y ofrece orientación para seleccionar el más adecuado para su aplicación.

Introducción a los Motores de CC con Escobillas

Un motor de CC con escobillas (BCC) consta de un estator, un rotor (inducido), un conmutador y escobillas. Su funcionamiento se basa en el contacto mecánico entre las escobillas y el conmutador, que invierte la corriente en los devanados del rotor y genera un campo magnético giratorio. Esta simplicidad hace que los motores BCC sean adecuados para diversas aplicaciones, pero también implica que requieren estrategias de control específicas para garantizar un rendimiento óptimo, especialmente en términos de velocidad, par y dirección.

Cuatro Métodos de Control Comunes para Motores de CC con Escobillas

El control de los motores de CC con escobillas generalmente implica la regulación del voltaje aplicado al motor, lo que a su vez controla su velocidad, par y dirección. A continuación, se presentan cuatro métodos ampliamente utilizados para controlar estos motores:

• Control de Encendido/Apagado (Control de Conmutación)
• Control de Modulación por Ancho de Pulso (PWM)
• Control Analógico
• Control de Lazo Cerrado (Control de Retroalimentación)

Control de encendido/apagado (Control de conmutación)

El control de encendido/apagado, también conocido como control binario o de conmutación, es el método más básico para controlar un motor de CC con escobillas. Consiste en aplicar tensión completa al motor o desconectarlo completamente de la fuente de alimentación. Este método se utiliza generalmente en aplicaciones sencillas donde no se requiere un control preciso de la velocidad y la dirección del motor.

Cómo funciona:

• El motor puede estar encendido (con tensión completa) o apagado (sin tensión).
• El funcionamiento del motor se controla mediante un simple interruptor o relé, que conmuta la alimentación al motor.
• No se requiere retroalimentación ni modulación de la velocidad del motor.

Ventajas:

• Simplicidad: El control de encendido/apagado es el método más sencillo y económico, ya que requiere un mínimo de componentes.
• Económico: Este método requiere muy pocos circuitos, lo que lo hace muy asequible.
• Ideal para aplicaciones sencillas: Ideal para tareas que requieren que el motor esté completamente encendido o apagado, como en juguetes, ventiladores básicos o pequeños electrodomésticos.

Desventajas:

• Falta de precisión: No ofrece control sobre la velocidad ni el par motor.
• Alto desgaste: El motor funciona a plena velocidad o no funciona, lo que puede generar tensión en el motor y un mayor desgaste.

Aplicaciones:

• Juguetes y aparatos básicos.
• Electrodomésticos sencillos que no requieren velocidad variable.

Control de Modulación por Ancho de Pulso (PWM)

Al encender y apagar rápidamente la fuente de alimentación del motor, la PWM regula el voltaje promedio que se suministra al motor. El voltaje promedio y, en consecuencia, la velocidad y el par del motor se determinan mediante el ciclo de trabajo, o la relación entre el tiempo de encendido y el tiempo de apagado.

Cómo funciona:

• La potencia del motor se pulsa a una frecuencia fija, y la proporción de tiempo que la potencia está encendida se varía para controlar la velocidad del motor.
• El ciclo de trabajo del pulso determina el voltaje efectivo. Por ejemplo, un ciclo de trabajo del 50% aplica el 50% del voltaje máximo al motor.
• La frecuencia de la señal PWM permanece constante y la velocidad del motor se determina ajustando el ciclo de trabajo.

Ventajas:

• Control eficiente de la velocidad: La PWM permite un control eficiente de la velocidad del motor sin desperdiciar energía en pérdidas resistivas.
• Control mejorado del par: Al ajustar el ciclo de trabajo, es posible controlar el par de salida del motor con mayor eficacia.
• Calentamiento reducido: La alta velocidad de conmutación del PWM reduce los problemas de calentamiento que suelen causar las pérdidas resistivas.
• Bajas pérdidas de potencia: Dado que el motor solo recibe la potencia necesaria, el PWM reduce el desperdicio de energía.

Desventajas:

• Complejidad: El PWM requiere componentes adicionales, como generadores de pulsos y controladores, lo que aumenta la complejidad en comparación con el control de encendido/apagado.
• Interferencia electromagnética (EMI): La conmutación de alta frecuencia puede provocar EMI, que podría interferir con componentes electrónicos sensibles.

Aplicaciones:

• Robótica y automatización.
• Ventiladores y motores de CC con control de velocidad variable.
• Vehículos eléctricos (VE) y patinetes eléctricos.
• Bombas y cintas transportadoras de velocidad ajustable.

Control Analógico

En el control analógico, se utiliza un voltaje variable para regular la velocidad del motor de CC con escobillas. Al modificar el voltaje de entrada, se puede modificar la velocidad del motor. Este método proporciona una forma sencilla de controlar el motor, aunque presenta limitaciones en comparación con el control PWM.

Cómo funciona:

• Se utiliza una resistencia variable, un potenciómetro o un regulador de voltaje para ajustar el voltaje suministrado al motor.
• A medida que aumenta el voltaje de entrada, la velocidad del motor aumenta proporcionalmente, y viceversa.
• Este método es menos eficiente que el PWM porque el motor puede funcionar a niveles de voltaje inferiores a los óptimos para ciertas tareas.

Ventajas:

• Implementación sencilla: Los circuitos de control analógico son relativamente simples y rentables.
• Control suave: El control analógico permite ajustes de velocidad suaves y continuos sin las transiciones abruptas del control de encendido/apagado.

Desventajas:

• Menos eficiente: Este método implica el desperdicio de energía en forma de calor debido a las pérdidas resistivas.
• Control limitado: El control analógico no proporciona ajustes de velocidad precisos ni granulares, ni control de par.
• Dependencia del voltaje: Se requiere una fuente de alimentación estable para lograr un control preciso del motor.

Aplicaciones:

• Aplicaciones sencillas de control de velocidad, como ventiladores y bombas eléctricas pequeñas.
• Aplicaciones donde la eficiencia energética no es una prioridad.

Control de Lazo Cerrado (Control de Retroalimentación)

El control de lazo cerrado, o control de retroalimentación, utiliza sensores para monitorear el rendimiento del motor y ajusta la señal de entrada según corresponda para mantener la velocidad o el par deseados. Este enfoque es más sofisticado que los demás, ya que ofrece modificaciones continuas basadas en datos recopilados en tiempo real, lo que resulta en un control del motor más preciso y confiable.

Cómo funciona:

• Se utiliza un dispositivo de retroalimentación (por ejemplo, un codificador, un tacómetro o un sensor Hall) para medir la velocidad o la posición del motor.
• La retroalimentación se retroalimenta a un controlador, que compara la velocidad real con la velocidad deseada y ajusta la entrada del motor según corresponda.
• El controlador ajusta continuamente la potencia suministrada al motor, garantizando una velocidad o un par constantes bajo cargas variables.

Ventajas:

• Control de precisión: El control de lazo cerrado permite una gestión precisa de la velocidad, el par y la posición.
• Adaptabilidad: El motor puede responder a cambios en la carga y las condiciones externas, lo que lo hace ideal para aplicaciones que requieren un rendimiento constante.
• Mayor eficiencia: Los sistemas de retroalimentación garantizan que el motor funcione a niveles óptimos, minimizando el desperdicio de energía.

Desventajas:

• Complejidad y costo: Este método requiere sensores adicionales y un controlador más sofisticado, lo que aumenta la complejidad y el costo.
• Consumo de energía: La necesidad de sensores y circuitos adicionales puede aumentar el consumo de energía.

Aplicaciones:

• Robots y máquinas CNC donde se requiere velocidad y ubicación precisas.
• Automatización industrial y aplicaciones de alto rendimiento.
• Aplicaciones automotrices como dirección asistida y motores de elevalunas.

Comparación de los cuatro métodos de control

Cómo elegir la mejor técnica de control para su caso de uso

Es fundamental tener en cuenta los siguientes elementos al elegir la mejor estrategia de control para un motor de CC con escobillas:

Requisitos de la aplicación:

• Si su aplicación requiere un control sencillo de encendido/apagado, como en juguetes o electrodomésticos básicos, el control de encendido/apagado puede ser suficiente.
• El control PWM suele ser la mejor opción para aplicaciones que requieren un control preciso de la velocidad, como ventiladores o robótica.
• Si la simplicidad y el bajo coste son factores cruciales, el control analógico podría ser la opción más sencilla.
• El control de lazo cerrado es la opción ideal para aplicaciones que requieren un alto grado de precisión, como robots industriales o máquinas CNC.

Necesidades de eficiencia:

Para aplicaciones donde la eficiencia energética es importante, el control PWM y el control de lazo cerrado son preferibles, ya que proporcionan un rendimiento del motor preciso y optimizado.

Complejidad y coste:

Para aplicaciones con presupuesto ajustado donde la complejidad es un factor importante, el control de encendido/apagado o el control analógico son soluciones rentables.
Para aplicaciones de alto rendimiento, el control de lazo cerrado justifica la inversión adicional.

Control de Velocidad y Par:

El control PWM y el control de lazo cerrado son ideales para lograr un control preciso de la velocidad y el par en entornos dinámicos.

Mantenimiento y Durabilidad:

El control PWM y el control de lazo cerrado son más adecuados para aplicaciones donde el motor se utiliza continuamente, ya que prolongan su vida útil y reducen el desgaste.

Resumen

La elección del método de control adecuado para su motor de CC con escobillas depende de los requisitos de la aplicación, incluyendo la eficiencia, la precisión, el coste y la complejidad. Si bien el control de encendido/apagado es sencillo y rentable, métodos más avanzados como el control PWM, analógico y de lazo cerrado ofrecen un control más preciso de la velocidad, el par y el rendimiento general del motor. Al considerar cuidadosamente las necesidades específicas de la aplicación, puede seleccionar el método de control que garantice un rendimiento óptimo del motor y una larga vida útil.

En los últimos años, los avances en los sistemas de control de movimiento han impulsado el desarrollo de dos tipos cruciales de motores: el motor paso a paso síncrono híbrido y el servomotor paso a paso híbrido.

Ambos tipos tienen características y aplicaciones distintas, pero comprender sus diferencias clave puede ayudar a ingenieros y diseñadores a seleccionar el motor adecuado para aplicaciones específicas. Esta comparación detallada explora las diferencias en rendimiento, eficiencia y aplicaciones, y ofrece una guía clara para elegir entre ambos.

¿Qué es un motor paso a paso síncrono híbrido?

Los motores paso a paso que combinan las características de los motores paso a paso de reluctancia variable y de imán permanente se conocen como motores paso a paso síncronos híbridos. Funcionan mediante un campo magnético fijo generado por el estator, que interactúa con el campo magnético del rotor para producir movimientos incrementales precisos. El ángulo de paso del motor es fijo, lo que significa que el rotor se mueve en pasos pequeños y discretos.

En general, los motores paso a paso síncronos híbridos se diseñan para aplicaciones que requieren una colocación precisa y un funcionamiento fiable. Entre sus usos más comunes se incluyen máquinas CNC, robótica y diversas herramientas de precisión. Estos motores son ampliamente utilizados porque ofrecen un alto par a bajas velocidades, lo que los hace ideales para tareas que requieren un movimiento constante sin deslizamiento.

¿Qué es un servomotor paso a paso híbrido?

Por otro lado, un servomotor paso a paso híbrido integra un motor paso a paso con un sistema de servocontrol, ofreciendo precisión y retroalimentación continua para controlar el movimiento con mayor precisión que los motores paso a paso tradicionales. Este motor híbrido cuenta con las ventajas de los sistemas de retroalimentación de bucle cerrado, lo que lo convierte en una opción más eficiente para aplicaciones de alto rendimiento.

Un servomotor paso a paso híbrido combina los pasos fijos del motor paso a paso con el control dinámico del servomotor para garantizar un funcionamiento fluido con mínimos errores. Generalmente, estos motores se emplean en situaciones donde la eficiencia energética, el control de velocidad y el rendimiento dinámico son esenciales. Algunos ejemplos incluyen líneas de montaje automatizadas, máquinas de envasado y robótica avanzada.

Distinciones importantes entre motores paso a paso servo híbridos y motores paso a paso síncronos híbridos

Ventajas de los motores paso a paso síncronos híbridos

• Rentables: Los motores paso a paso síncronos híbridos son más económicos que sus homólogos servo híbridos. Su diseño sencillo y su control de lazo abierto los convierten en una opción más económica para aplicaciones estándar.
• Par fiable a bajas velocidades: Estos motores ofrecen un par excepcional a bajas velocidades, crucial para aplicaciones como CNC o sistemas de impresión 3D que requieren una potencia constante con poca variación.
• Simplicidad: El diseño del sistema de lazo abierto facilita su uso y reduce la complejidad, lo que facilita la configuración y la resolución de problemas.

Ventajas de los motores paso a paso servo híbridos

• Mayor eficiencia: Los motores paso a paso servo híbridos cuentan con control de lazo cerrado, lo que les permite ajustarse dinámicamente a las condiciones de carga, mejorando la eficiencia y reduciendo el consumo de energía.
• Control preciso de velocidad: Estos motores proporcionan una regulación de velocidad precisa y suave, crucial en aplicaciones con velocidades y condiciones de carga variables.
• Mejor gestión del calor: Gracias al sistema de retroalimentación, los servomotores híbridos tienden a generar menos calor durante su funcionamiento, lo que los hace ideales para aplicaciones de alto rendimiento y uso continuo.
• Rendimiento mejorado: La retroalimentación continua de un servomotor paso a paso híbrido garantiza un movimiento más preciso y estable, lo que lo hace ideal para aplicaciones de alta sensibilidad donde la precisión es crucial.

Aplicaciones de los motores paso a paso síncronos híbridos

• Máquinas CNC: Los motores paso a paso síncronos híbridos se utilizan ampliamente en aplicaciones de mecanizado CNC gracias a su capacidad para gestionar movimientos precisos y trabajar a bajas velocidades.
• Impresoras 3D: Estos motores proporcionan el control preciso necesario para las aplicaciones de impresión 3D, donde la precisión en la deposición de capas es fundamental.
• Robótica: Cuando se requieren movimientos incrementales precisos para tareas como el control de brazos robóticos, los motores paso a paso síncronos híbridos ofrecen una solución fiable.

Aplicaciones de los servomotores paso a paso híbridos

• Maquinaria de envasado: El servomotor paso a paso híbrido es ideal para aplicaciones como sistemas de envasado de alta velocidad, donde la velocidad y la precisión son esenciales.
• Sistemas transportadores: Estos motores son ideales para sistemas de cintas transportadoras de fábrica, ya que ofrecen un control preciso del par y la velocidad.
• Robótica avanzada: Los servomotores paso a paso híbridos destacan en robótica, donde se requiere un movimiento preciso y continuo para tareas de alto rendimiento.

Conclusión

Tanto los motores paso a paso síncronos híbridos como los servomotores paso a paso híbridos ofrecen ventajas únicas para diferentes tipos de aplicaciones. Los motores paso a paso síncronos híbridos son ideales para tareas de precisión rentables y de baja velocidad, mientras que los servomotores paso a paso híbridos destacan en sistemas dinámicos de alto rendimiento que requieren retroalimentación y eficiencia constantes.

La decisión final entre estos dos tipos de motor se basa en las necesidades específicas de la aplicación, incluyendo restricciones presupuestarias, velocidad, precisión y eficiencia energética. Comprender estas diferencias garantiza que los ingenieros puedan elegir el mejor motor para su sistema con conocimiento.

En muchos sistemas que requieren un movimiento preciso y regulado, los motores paso a paso son componentes esenciales. Numerosos dispositivos, como la robótica, las máquinas CNC y las impresoras 3D, utilizan estos motores.

Según el voltaje de funcionamiento, los motores paso a paso se dividen generalmente en dos tipos principales: bajo voltaje y alto voltaje. Conocer las diferencias entre estos dos tipos de motores le permitirá elegir el que mejor se adapte a sus necesidades específicas.

Motores paso a paso de bajo voltaje

Los motores paso a paso de bajo voltaje se utilizan comúnmente en sistemas donde se prioriza el bajo consumo de energía, la compacidad y la eficiencia energética. Estos motores son ideales para aplicaciones más pequeñas y menos exigentes, y suelen funcionar entre 3 y 24 voltios.

Ventajas de los motores paso a paso de bajo voltaje

• Eficiencia energética: En comparación con sus homólogos de alto voltaje, los motores de bajo voltaje consumen menos energía. Son ideales para aplicaciones que requieren un consumo mínimo de energía y dispositivos que funcionan con baterías.
• Diseño compacto: Los motores de bajo voltaje suelen ser más pequeños y ligeros, lo que los hace adecuados para sistemas compactos o dispositivos con espacio limitado.
• Control simple: Estos motores son relativamente más fáciles de controlar con una electrónica de accionamiento sencilla, lo que los convierte en una buena opción para proyectos con necesidades de control básicas.
• Menor generación de calor: Debido a su menor voltaje de funcionamiento, estos motores producen menos calor, lo que reduce la necesidad de sistemas de refrigeración complejos en la mayoría de las aplicaciones.

Desventajas de los motores paso a paso de bajo voltaje

• Par menor: Los motores paso a paso de bajo voltaje producen menos par en comparación con los motores de alto voltaje, lo que limita su idoneidad para aplicaciones de alta carga.
• Velocidad limitada: Estos motores tienden a tener velocidades máximas más bajas y no son ideales para aplicaciones que requieren movimiento a alta velocidad.
• No aptos para aplicaciones de alto rendimiento: Los motores paso a paso de bajo voltaje pueden tener dificultades para funcionar eficientemente en aplicaciones de alto rendimiento o que requieren un alto par a altas velocidades.

Motores paso a paso de alto voltaje

Los motores paso a paso de alto voltaje están diseñados para aplicaciones que requieren mayor potencia, velocidad y par. Estos motores suelen operar a voltajes de 48 V o superiores, lo que los hace ideales para aplicaciones industriales y de alto rendimiento.

Ventajas de los motores paso a paso de alto voltaje

• Mayor par: Los motores paso a paso de alto voltaje pueden producir un mayor par, lo que los hace ideales para aplicaciones que requieren alta potencia, como máquinas CNC y robots industriales.
• Mayores velocidades: Estos motores pueden operar a velocidades más altas, lo que los hace adecuados para sistemas que requieren movimientos rápidos y precisos.
• Mejor rendimiento a altas velocidades: Los motores de alto voltaje funcionan mejor a altas velocidades, manteniendo la eficiencia y el rendimiento durante largos periodos de uso.
• Mejor disipación del calor: Estos motores están diseñados para soportar mayores niveles de calor y mantener la eficiencia operativa incluso en condiciones de trabajo exigentes.

Desventajas de los motores paso a paso de alto voltaje

• Mayor consumo de energía: Los motores de alto voltaje consumen más energía, lo que puede generar mayores costos operativos, especialmente en aplicaciones de larga duración.
• Mayor tamaño: Debido a su mayor capacidad de potencia, estos motores suelen ser más grandes y voluminosos, lo que requiere mayor espacio de instalación.
• Sistemas de control complejos: Los motores paso a paso de alto voltaje requieren sistemas de control más avanzados y complejos, lo que puede incrementar tanto el costo como la complejidad de la instalación.
• Mayor generación de calor: Si bien pueden soportar mayor calor, estos motores tienden a generar más calor que los motores de bajo voltaje, lo que requiere soluciones de refrigeración eficaces para evitar el sobrecalentamiento.

Motores paso a paso de bajo voltaje vs. alto voltaje: Una visión comparativa

La siguiente tabla resume las principales diferencias entre los motores paso a paso de bajo y alto voltaje:

Elección del motor adecuado para su aplicación

Al elegir entre motores paso a paso de bajo y alto voltaje, es necesario tener en cuenta varios aspectos. La decisión debe basarse en las necesidades específicas de su sistema, como los requisitos de potencia, la velocidad, el par, las limitaciones de tamaño y el coste.

• Eficiencia energética: Si su aplicación es sensible al consumo de energía, como un dispositivo portátil que funciona con baterías, los motores paso a paso de bajo voltaje son la opción preferida debido a su menor consumo.
• Requisitos de par y velocidad: Si su aplicación exige alto par y velocidad, como en máquinas CNC o automatización industrial, los motores paso a paso de alto voltaje proporcionarán la potencia necesaria.
• Restricciones de tamaño y espacio: Para sistemas con espacio limitado, los motores paso a paso de bajo voltaje suelen ser más pequeños y fáciles de integrar en espacios reducidos.
• Requisitos de control: Los motores paso a paso de bajo voltaje son más fáciles de controlar, mientras que los motores de alto voltaje pueden requerir electrónica y controladores más avanzados, lo que añade complejidad al sistema.

Aplicaciones de los motores paso a paso de bajo voltaje

Los motores paso a paso de bajo voltaje se emplean frecuentemente en entornos donde el tamaño compacto y la eficiencia energética son esenciales. Algunos casos de uso típicos incluyen:

• Impresoras 3D: Estos motores son ideales para impresoras 3D, ya que proporcionan un control de movimiento preciso sin un consumo excesivo de energía.
• Robótica: Los motores paso a paso de bajo voltaje se utilizan en robots pequeños y sistemas automatizados que requieren movimientos eficientes y precisos.
• Dispositivos médicos: Los motores de bajo voltaje se utilizan en equipos médicos como bombas, actuadores y herramientas quirúrgicas robóticas, donde el diseño compacto y la eficiencia energética son esenciales.
• Electrónica de consumo: Los motores de bajo voltaje se utilizan en impresoras, escáneres y otros aparatos domésticos que requieren un control preciso sin un consumo elevado de energía.

Aplicaciones de los motores paso a paso de alto voltaje

Los motores paso a paso de alto voltaje se utilizan a menudo en aplicaciones que requieren mayor par, velocidad y potencia. Casos de uso comunes:

• Automatización industrial: Estos motores son esenciales para maquinaria industrial, como máquinas CNC, brazos robóticos y líneas de montaje automatizadas, donde se requiere mayor par y velocidad.
• Robótica: Los motores paso a paso de alto voltaje se utilizan en robots industriales y brazos robóticos que necesitan manipular cargas pesadas y realizar tareas a alta velocidad.
• Sistemas de transporte: Los motores de alto voltaje se utilizan para alimentar sistemas de transporte que mueven artículos pesados ​​de forma rápida y eficiente en plantas de fabricación y almacenes.
• Vehículos eléctricos: Para proporcionar la potencia necesaria para un control preciso del movimiento, los sistemas de vehículos eléctricos emplean motores paso a paso de alto voltaje.

Conclusión

En conclusión, tanto los motores paso a paso de bajo como de alto voltaje presentan ventajas distintivas según la aplicación. Los motores paso a paso de bajo voltaje son energéticamente eficientes, compactos y fáciles de controlar, lo que los hace ideales para sistemas pequeños alimentados por batería. Por otro lado, los motores paso a paso de alto voltaje son más potentes y capaces de ofrecer mayor par y velocidad, lo que los convierte en la mejor opción para aplicaciones industriales y de alto rendimiento.

Al considerar cuidadosamente los requisitos de su sistema, incluida la potencia, el espacio y el rendimiento, puede elegir el motor paso a paso adecuado para satisfacer sus necesidades.