Que pasa locos, bienvenidos de nuevo
Esto será un proyecto complicado
Espero ser capaz de explicar
todos los problemas en construir un ESC
Espero que sepas que es un motor sin escobillas
...y si no, os explicaré un poco sobre estos motores
Ante todo es un motor DC
pero no un motor DC normal...
tiene una entrada de triple fase
lo que significa que tiene 3 cables de entrada
en comparación con un motor DC normal, que solo tiene dos
así que no podemos aplicarle directamente un potencial DC
...es un poco más complicado
este diagrama nos enseña exactamente
el voltaje a aplicar en cada momento
para girar el motor
Entonces, tenemos nuestras 3 entradas
que crean 3 bobinas dentro del motor
Sabemos las bases de rotación de un motor básico DC
Las bobinas crean un campo magnetico
...y el motor gira debido a las fuerzas repulsivas
dentro del motor y unos imanes permanentes
Pero tenemos que cambiar la polaridad del voltaje aplicado
para cambiar la dirección del campo magnetico cuando sea necesario
En un motor DC normal esto es hecho gracias al eje rotativo del motor
que tendrá conectores de cobre que conmutarán el voltaje al girar
en caso de un motor sin escobillas, un dispositivo electronico
...tendrá que cambiar la polaridad de las 3 entradas
Tal como apunta la flecha en este diagrama
empezamos aplicando un voltaje positivo en la entrada C
y tierra en la entrada A
dejamos la entrada B libre
el rotor gira unos cuantos grados
despues de poco tiempo cambiamos la entrada B a tierra
el rotor gira un poco más
...después cambiamos igual la entrada A y así para adelante
Existe una secuencia especial a seguir
para girar el motor y veremos porque y cual es esa secuencia durante este tutorial
Tal como dije, necesitamos un dispositivo electronico
que realice rapidamente la conmutacion del voltaje
y eso es un ESC o electronic speed controller
y eso será lo que construiremos hoy
Pero para saber como construirlo
primero se debe entender lo que se busca obtener
Para eso miremos esta animación
Tenemos nuestro motor sin escobillas con 6 bobinas en este caso
...para dejarlo fácil
Estas son las entradas del motor
Podemos ver el cable rojo, negro y azul
En verdad todos los cable son negros
pero azul representa tierra
rojo es voltaje en alto y negro es una entrada libre
A la izquierda tenemos la secuencia que hemos hablado
La linea vertical azul representa el ángulo de rotación
Empezamos en ángulo cero
Estas son todas la fases de una rotación completa
La parte superior representa una entrada en alto
La parte baja representa entrada con valor bajo
y la parte del medio representa una entrada libre
hablaremos más de esta dicha entrada "libre" después
Empezamos con la entrada B en alto
y C en bajo
Eso quiere decir que la corriente fluirá
desde las bobinas B a las bobinas C
creando dos campos magneticos opuestos en polaridad
Observamos la polaridad sur en rojo
y polaridad norte con azul, en las bobinas del motor
tambien se observa que el eje interior
tiene imánes permanentes
los campos creados por las bobinas
empujaran o estiraran el rotor
en una u otra dirección
En este caso la polaridad roja estirará el imán norte
y empujará el sur
la bobina azul hará todo lo contrario
Eso girará el rotor hacia la derecha
tal como enseña la flecha
fijemonos atentamente en esta bobina
justo en el momento en que el imán pasa por delante de la bobina
tendremos que conmutar las entradas para seguir el giro
Si no cambiamos las entradas el motor se parará en esta posición
Pero justo en ese momento conmutamos la entrada Aa nivel bajo
Y C a libre
dejamos B en alto
aun tenemos polo sur en estas dos bobinas
que empujarán los imanes sur y atraen los imánes norte
en el siguiente paso conmutamos C a alto y Aa bajo
y una vez más los los campos sur empujaran los imanes debido a fuerzas opuestas
haremos estos cambios seis veces para una rotación completa
y la secuancia no dependerá del numero de bobinas que tiene el motor
hay motores sin escobillas con 4, 6, 9 o más bobinas
pero la secuencia es la misma
eso es debido a la entrada triple fase
y que cada una estará en alto o bajo en cierto momento
eso nos da un total de 6 parejas de valores en alto y bajo
si tuvieramos más bobinas para nuestro motor
repetiríamos más veces la misma secuancia
para obtener una rotación completa
si conmutamos las entradas lo bastante rápido el rotor girará tal como se observa aqui
Esto es lo que debemos hacer en este proyecto
Vale, ahora sabemos que conmutando las entradas
en exactamente esta secuencia podemos girar el motor
y en cuanto más rápido conmutamos
más rápido girará el motor
pero hay un problema...
y eso será la parte chunga...
¿como sincronisamos la rotación real del motor
con la conmutación electronica de las entradas?
Con este esquema no sabriamos cuando conmutar de un estado al otro
porque no sabemos la posición real del rotor
tal como se observa, si cambiamos una feacción
de segundo antes o despues del momento perfecto
el motor podria pararse
o girar en sentido contrario, lo que desincronizaría el motor
¿como detectamos ese momento perfecto de conmutación?
Pues, es bastante fácil...
¿Os acordáis que en cada estado dejamos una entrada "libre"?
"libre" significango ni en estado alto ni bajo
esa entrada estará en alta impedáncia
y aquí está la cosa guay
todos sabemos la ley de Faraday de inducción electromagnetica
sabemos que cambiando el flujo magnético dentro de una bobina
se inducirá una corriente dentro de la bobina
En cuanto mayor es el cambio de flujo, mayor sera la corriente
Tenemos un iman que creará el campo magnetico
y también una bobina
y estos dos elementos juntos crean un simple sensor magnético
vamos a trabajar en el primer estado de la secuencia
cuando B esta en alto y C en bajo
La entrada A es libre
y con alta impedáncia
Estas son las bobinas de la entrada A
Y este es ek imán polarizado sur que creará
el cambió de flujo magnetico dentro de dicha bobina
Es obvio que en cuanto más centrado esta el imán
mayor será el flujo que pasa a travez de la bobina
Estas flechas simulan el campo magnetico creado por el imán
justo en esta posicion se observan unas cuantas flechas
atravesando la bobina
al girar, cada vez más flechas atraviesan la bobina
tendremos un pico de máximo flujo cuando la bobina
estará exactamente en el medio de la bobina
y eso es genial
Si se induce corriente, habrá una caida de potencial en dicha entrada
La buena noticia es que podemos medir esa caida de potencial
y si detectamos un pico máximo
conmutaremos al siguiente estado de la secuencia
Esta es la mejor manera de controlar la posición del rotor
y nos será facil teniendo en cada estado una entrada "libre"
y solo tendremos que medir la caida de potencial en dicha entrada
para hacer los calculos y saber cuando conmutar al siguiente estado
pero se pone un poco más complicado que eso
Midiendo una sola entrada no podemos saber directamente el momento de conmutación
para entender mejor miremos esta gráfica
Tenemos los estados altos y bajos de las entradas A, B y C
El back EMF es la fuerza electromotriz devuelta
que es basicamente lo que hemos hablado anteriormente
Es la representación de la fuerza del campo magnético sobre cada bobina
En este caso será representado por una caida de potencial
Podemos ver un voltaje positivo y negativo
de caida para cada entrada
Tambien se observa que cada caida de tensión
tiene una fase diferente con un desfase de 120 grados
So observa que cada señal pasa por un punto "cero"
al subir de valores negativos a positivos o al revés
Este punto es exactamente el punto de conmutación
¿?como podemos saber ese punto "cero"?
...porque no serán cero voltios...
si nos fijamos atentamente en cada estado
la suma de las 3 señales nos dará
el punto cero
Fijemonos en este primer estado
La suma de la señal A con la señal B
Nos dara un voltaje constante positivo
al ser la suma de dos rampas opuestas
Si sumamos ahora el valor constante negativo de la entrada C
obtenemos nuestero cero virtual
y esto pasa en todos los estados
todo lo que tenemos que hacer es sumar las 3 señales
para obtener ese punto cero
y despues cada vez que una de las señales
cruza ese valor, haremos la conmutación
Esto es llamado control con detección de back EMF
y cruce del cero virtual
y este será el circuito a montar hoy
usaremos un micro controlador para medir la caida de voltaje
en cada entrada y para conmutar
el estado de cada una de esas entradas
Obviamente, como siempre utilizaremos arduino
porque lo hace todo fácil
Antes de empezar hablemos un poco de las partes
que tiene un controlador electronico de velocidad
Tenemos el microcontrolador, el cerebro del módulo entero
luego tenemos un puente trifásico hecho por seis transistores
tendremos que conmutar estos seis transistores
para crear las trese señales de entrada para nuestro motor sin escobillas
Los transitores de arriba estan conectados a potencial positivo
en este caso 11.1 voltios de una batería LiPo
Los transitores de abajo estan conectados a tierra
Por ejemplo, si queremos conmutar la entrada A
a estado alto y B a bajo
tendremos que conmutar estos dos transitores
Una corriente fluirá desde aqui a traves de la entrada A
y acabarfa en tierra a traves de la entrada B
Basicamente se tienen que controlar dos transitores
en cada estado para crear nuestra secuqncia para el motor sin escobillas
El problema es el uso de transitores MOSFET
al querer una alta corriente que fluya a través de las bobinas
Hay ESCs que pueden dar de 6 hasta más de 100 amperios
un MOSFET es como un interruptor
aplicamos una tensión en su puerta y nos dara una tensión en su fuente
pero la tensión aplicada en la puerta tiene que ser
mayor que una tensión umbral
que suele ser 0.7 voltios
Y el pronblema siguiente es el hecho que un MOSFET no puede dar
una tensíon mayor que la tensión aplicada en la puerta
Por ejemplo, si tenemos una batería de 11 voltios
conectada al drenador de este transistor
y aplicamos 5 voltios en la puerta
La tensión máxima en la fuente sería
la tensión en la puerta menos la tensión umbral
que en este caso serían 4.3 voltios
pero queremos 11 voltios en la fuente
asi que debemos aplicar 11 voltios en la puerta
y aquí esta el primer problema
La máxima tensión que nos puede dar el arduino son 5 voltios
asi que necesitaremos algo entre el puente trifásico
y el micro controlador
aquel "algo" es un controlador
el controlador recibe una señal de baja tensión
y dara la misma señal en su salida
pero con tensión mayor
Aplicamos los 5V de conmutación al controlador
y el driver aplicará 11 voltios a los MOSFETs
Seguro os preguntaréis...
Porque aplicar 11 voltios a los MOSFETs
para obtener también 11 voltios en la salida del transitor?
Pues, es sencillo
Un microcontrolador o un controlador, nunca podrán
dar una alta corriente para nuestro motor
normalmente la salida de corriente máxima de un microcontrolador
es de tal vez unos 100 mili amperios
Un motor sin escobillas es una bestia que consume una enorme cantidad de corriente
Y por eso utilizamos MOSFETs, para 11V y alta corriente
Vale, ahiora sabemos las bases de un controlador electronico de velocidad
y también el circuito que debemos construir
He conectado unos LEDs a cada una de las 6 salidas
de un Arduino para simualr un  puente trifásico
a bajas velocidades se observa como cada LED conmuta
Cambiuamos la velocidad con el potenciometro
La conmutación es ahora más rápida
Lo mismo pasará en el caso de los transistores
He diseñado mi PCB en Design Spark
Dejare toda ka documentación en un enlace en la descripción
Si quieres aprender como usar Design Spark
puedes ver mi video tutorial sobre Design Spark
He usado un microcontrolador Arduino NANO
...tres IR2301 controladores de MOSFET
...seis transistores MOSFET IRF3205
y todos estos componentes extra
Puedes encontrar una lista completa en la descripcion
También useremos capacidades, reguladores de tensión y unas resisténcias
Este es el esquemático para este proyecto
Lo encontrarás también en un enlace en la descripción
Esta es la configuración básica de un controlador dual de MOSFET
Siempre repasa las hojas de especificaciones antes de diseñar la PCB
Observa el esquematico de la PCB
y atentamente realiza las conexiones del arduino a los controladores
y de los controladores a los MOSFETs
Ten mucho cuidado
El voltaje máximo de entrada a los ADC del Arduino es 5 voltios
Pero las salidas de A, B y C tendrán unos 11 voltios
y eso quemaría el microcontrolador
Por eso añadí un divisor de tensión para cada entrada analógica
Que bajará el voltaje de 11 voltios a menos de 5 voltios
Este es mi diseño final de la PCB
Lo puedes diseñar como te de la gana...
...o utilizar una PCB agujereada de fábrica para hacer las conexiones
para el controlador electronico de velocidad
Pero estas son mis recomendaciones
Las pistas entre la fuente principal de voltaje y los MOSFETs
..y entre el motor tienen que ser muy anchas
Tambuién rellené esas pistas con estaño porque de lo contrario...
...las pistas se quemarán debido a alta corriente
Rellena con estaño los pies del transistor y añade disipadores de calor
He utilizado el tamaño de 0805 de componentes SMD
He utilizado el regulador de tensión AMS1117 de 5 voltios
...para alimentar el Arduino NANO
La entrada principal necesita una capagidad enorme
He utilizado una capacidad de 16 voltios y 480 micro faradios
He utilizado este potenciometro para controlar la velocidad manualmente
Este es el diseño final y estos los resultados
Esto no es un proyecto fácil
...y no funcionará perfectamente desde la primera prueba
Durante 3 meses he hecho pruebas para hacerlo funcionar
Tendrás que hacer mucha recerca sobre cada componente
Leer más de 100 hojas de especificaciones
Comprobar la fuerz de BEMF de cada salida
Cambiar el código 100 veces y tal...
De todos modos, ahora toca programar el Arduino
El código es fácil de entender
Puedes descargarlo de un enlace abajo
Primero medimos la caida de potencial en cada una de las tres
entradas y hacemos la suma de esos tres valores
Esta suma será nuestro punto "cero"
Contamos el tiempo utilizando la función "micros"
Para controlar la velocidad de la secuencia
queremos ejecutar la secuencia cada tiempo de retardo
Este valor de retardo es ontrolado con el potenciometro que hemos hablado anteriormente
Este es el caso de conmutación
En cada caso conmutamos en alto solo dos transistores
del puente trifásico
El resto de pines se dejan en bajo
Este valor "delta" es muy importante
Sabemos que podríamos tener un cruce del punto "cero"
de valores negativos a positivos
o de positivos a negativos
Usamos el "delta actual" y el "delta anterior" para controlar eso
Si el "delta anterior" era negativo y el "delta actual"
es positivo, claramente tenemos
un cruce del punto "cero" de valores negativos a positivos
Si las deltas están al revés tenemos un cruce de poitivos a negativos
Tendremos seis casos
Cuando alcanzamos el sexto caso, volvemos al primero
Ya está...
Esta es nuestra secuencia
Compila y subelo al Arduino
Conecta una alimentación a la entrada principal de la placa
y cambia la velocidad con el potenciómetro
Podrías cambiar el código para cambiar la velocidad utilizando señal PWM
También podrías diseñar tu PCB solo con componentes SMD
para hacerla muy pequeña, ya que la mia es gigante
Esta placa podría subministrar hasta 60 amperios de corriente
Esto es un motor sin escobillas
tal como se observa, tiene tres cables de entrada
Conecto las entradas A, B y C a mi placa
Ahora al conectar la fuente, el motor gira
tiene bastante poténcia de giro
En la descripción encontrarás también un código
que no utiliza la detección del BEMF
Con ese código alcanzas velocidades superiores pero baja poténcia
Utilizando este código, al parar el motor con las manos
el motor no arancaría otra ves solo
Esa es la parte guay de la detección del EMF
Cambia la velocidad en función de la posición real del motor
y eso lo mantiene todo sincronizado
Ahora ya sabes como funciona un controlador electrónico de velocidad
y como construir uno
Si tienes alguna pregunta, publicala en la zona de comentarios abajo
o en mi página de preguntas y respuestas
Espero que hayas disfrutado este video
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Gracias y hasta luego!
