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

Característica	Control de Voltaje	Control PWM	Control de Resistencia de Armadura	Control de Campo
Complejidad	Simple	Moderada	Simple	Alta
Eficiencia	Baja	Alta	Baja	Moderada
Costo	Bajo	Moderado	Bajo	Alto
Precisión	Baja	Alta	Moderada	Alta
Mantenimiento	Bajo	Moderado	Bajo	Alto
Rango de Control de Velocidad	Limitado	Amplio	Limitado	Amplio
Generación de Calor	Alta	Baja	Alta	Moderada

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.