Motor27 de febrero de 202611 min de lectura

Control de motores de corriente continua: explicación de PWM, controladores y codificadores

Guía completa para controlar motores de corriente continua con PWM: seleccionar el controlador de puente en H correcto, dimensionar el MOSFET y cerrar el ciclo con un codificador.

Introducción

El control del motor de corriente continua parece simple: varíe el voltaje, varíe la velocidad. Sin embargo, los sistemas reales deben soportar la corriente de entrada, los campos electromagnéticos inversos, los límites térmicos y la precisión de la posición. Esta guía describe cada capa de la pila de control.

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El modelo de motor DC

Un motor de corriente continua con escobillas se puede modelar como una fuente de voltaje (contraEMF) en serie con una resistencia (resistencia de armadura) y un inductor (inductancia de armadura):

V_{supply} = I_a R_a + L_a \frac{dI_a}{dt} + V_{emf}

donde

V_{emf} = K_e \cdot \omega

(contraEMF proporcional a la velocidad) y el par

T = K_t \cdot I_a

En estado estacionario:

\omega = \frac{V_{supply} - I_a R_a}{K_e}

Utilice la [calculadora de velocidad del motor de corriente continua] (/calculators/motor/dc-motor-speed) para explorar esta relación de forma interactiva.

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Fundamentos de PWM

La PWM (modulación por ancho de pulso) controla el voltaje del motor encendiendo y apagando rápidamente la fuente de alimentación:

V_{eff} = D \times V_{supply}

donde

D

es el ciclo de trabajo (0— 100%). Con un ciclo de trabajo del 75% con un suministro de 12 V,

V_{eff}

= 9 V.

La elección de la frecuencia PWM implica ventajas y desventajas:

Frecuencia	Ventajas	Contras
1—5 kHz	Bajas pérdidas de conmutación	Zumbido audible
20—50 kHz	Silencioso y eficiente	Mayores pérdidas de conmutación
> 100 kHz	Respuesta muy rápida	Problemas de EMI, alta pérdida de conmutación

Regla empírica: Utilice entre 20 y 25 kHz para la mayoría de las aplicaciones de motores de corriente continua con escobillas. Esto está por encima del rango audible y hace que las pérdidas de conmutación sean manejables.

Utilice la [calculadora PWM Duty Cycle] (/calculators/motor/pwm-duty-cycle-motor) para calcular la tensión efectiva y estimar la corriente de bloqueo.

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Controladores H-Bridge

Para accionar un motor de forma bidireccional, necesita un puente en H: cuatro interruptores dispuestos para que pueda aplicar voltaje en cualquier dirección.

Discreto frente a integrado

Los controladores integrados (DRV8833, TB6612, L298N) son los más sencillos. Gestionan internamente la protección contra tiempos muertos, apagones térmicos y sobrecorriente. Los MOSFET discretos ofrecen una mayor eficiencia y permiten impulsar corrientes más altas, pero requieren controladores de compuerta, circuitos de arranque y un diseño cuidadoso.

Selección de MOSFET

Las especificaciones críticas para los MOSFET de puente en H:

1. V_DS: debe superar la tensión de alimentación con un margen: $V_{DS} \geq 1.5 \times V_{supply}$ 2. I_D: debe superar la corriente máxima (de entrada): $I_D \geq 1.5 \times I_{inrush}$ 3. R_ {DS (on)} — cuanto más bajo, mejor (menos pérdida de conducción) 4. Q_g: carga de compuerta, determina la velocidad y la pérdida de conmutación

Pérdida de conducción por MOSFET: $P_{cond} = I^2 \times R_{DS(on)} \times D$ Utilice la [calculadora de selección de puentes en H] (/calculators/motor/h-bridge-selection) para calcular la corriente máxima y los valores mínimos de MOSFET, y la [calculadora de potencia del controlador del motor] (/calculators/motor/motor-driver-power) para estimar las pérdidas totales.

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Corriente de entrada y arranque

Al arrancar, el motor está estacionario (ω = 0), por lo que la contraEMF = 0. La corriente inicial es:

I_{inrush} = \frac{V_{supply}}{R_a}

Para un motor con

R_a

= 0,5 Ω a 12 V, la entrada es de 24 A, incluso si la corriente nominal es de solo 2 A. Se trata de un multiplicador de entrada de 12 veces.

Estrategias de mitigación:

Acelere el ciclo de trabajo del PWM (arranque suave)
Utilice un controlador limitador de corriente (el DRV8434 tiene un corte de corriente incorporado)
Ajuste el puente en H a la corriente de entrada, no a la corriente nominal

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Codificadores para control de bucle cerrado

El control de velocidad PWM de circuito abierto es suficiente para ventiladores y bombas. Para controlar la posición o regular la velocidad con precisión, necesitas la información de un codificador.

Tipos de codificadores

Incremental óptico (cuadratura AB): cuenta los pulsos a medida que gira el eje. La más común es de 100 a 10 000 PPR.
Magnético (efecto Hall) : Resistente a la contaminación. Se utiliza en motores industriales.
Absoluto: emite la posición absoluta; no se requiere ninguna referencia.

Decodificación en cuadratura

Dos canales A y B, desfasados en 90°. Al detectar todos los bordes ascendentes y descendentes de ambos canales, obtienes una resolución 4 veces mayor:

\text{CPR} = 4 \times \text{PPR}

Un codificador de 1000 PPR proporciona 4000 conteos por revolución con una resolución de 0,09°.

Utilice la [calculadora de resolución del codificador] (/calculadoras/motor/resolución del codificador) para calcular la RCP, la resolución angular y la frecuencia máxima de pulso de su contador.

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Control de velocidad PID

Una vez que tengas los comentarios del codificador, puedes cerrar el bucle con un controlador PID:

u(t) = K_p e(t) + K_i \int e(t)\,dt + K_d \frac{de(t)}{dt}

donde

e(t) = \omega_{setpoint} - \omega_{measured}

Afinación de Ziegler-Nichols

Un punto de partida práctico que utiliza la respuesta escalonada en bucle abierto:

1. Aplica una entrada escalonada y mide la ganancia del proceso $K$ , el tiempo muerto $L$ y la constante de tiempo $\tau$ 2. Aplique las fórmulas de Ziegler-Nichols: - $K_p = 1.2\tau / (K \cdot L)$ - $K_i = K_p / (2L)$ - $K_d = K_p \times 0.5L$ Usa la [calculadora de ajuste PID] (/calculators/motor/pid-tuning) para calcular las ganancias derivadas de la respuesta medida a los pasos.

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Gestión térmica

Los motores generan calor en las bobinas ( $P = I^2 R_a$ ) y en el impulsor ( $P = I^2 R_{DS(on)}$ ). Una sobrecarga sostenida provoca una reducción de la potencia térmica y, en última instancia, un fallo.

Calcule la temperatura de funcionamiento:

T_{motor} = T_{ambient} + P_{loss} \times R_{\theta}

La resistencia de las bobinas de cobre aumenta con la temperatura (TCR ≈ 0,39% /°C), por lo que la resistencia en caliente aumenta y el par disminuye. Comprueba la curva de reducción térmica del motor.

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Resumen

1. Modele el motor: utilice $V = IR + K_e\omega$ para predecir la velocidad y la corriente 2. Seleccione el controlador: tamaño para la corriente de entrada (5-10 veces nominal), no solo para la corriente nominal 3. Elija la frecuencia PWM: 20—25 kHz para aumentar el silencio y la eficiencia 4. Añadir comentarios: el codificador de cuadratura ofrece una resolución de 4 veces 5. Ajustar PID: comience con Ziegler-Nichols, refine empíricamente 6. Compruebe la térmica: temperatura del motor y del controlador con la carga máxima

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