Un control electrónico de velocidad ( ESC ) es un circuito electrónico que controla y regula la velocidad de un motor eléctrico . También puede proporcionar inversión del motor y frenado dinámico . Los controles de velocidad electrónicos en miniatura se utilizan en modelos controlados por radio accionados eléctricamente . Los vehículos eléctricos de tamaño completo también tienen sistemas para controlar la velocidad de sus motores de propulsión.
Un control de velocidad electrónico sigue una señal de referencia de velocidad (derivada de una palanca del acelerador, un joystick u otra entrada manual) y varía la velocidad de conmutación de una red de transistores de efecto de campo (FET). [1] Al ajustar el ciclo de trabajo o la frecuencia de conmutación de los transistores, se cambia la velocidad del motor. La rápida conmutación de la corriente que fluye a través del motor es lo que hace que el propio motor emita su característico gemido agudo, especialmente perceptible a velocidades más bajas.
Se requieren diferentes tipos de controles de velocidad para motores de CC con escobillas y motores de CC sin escobillas . Se puede controlar la velocidad de un motor con escobillas variando el voltaje en su armadura. (Industrialmente, los motores con devanados de campo electromagnético en lugar de imanes permanentes también pueden controlar su velocidad ajustando la intensidad de la corriente del campo del motor). Un motor sin escobillas requiere un principio de funcionamiento diferente. La velocidad del motor se varía ajustando la sincronización de los pulsos de corriente entregados a los diversos devanados del motor.
Los sistemas ESC sin escobillas básicamente crean energía CA trifásica , como un variador de frecuencia , para hacer funcionar motores sin escobillas . Los motores sin escobillas son populares entre los aficionados a los aviones controlados por radio debido a su eficiencia, potencia, longevidad y peso ligero en comparación con los motores con escobillas tradicionales. Los controladores de motores de CC sin escobillas son mucho más complicados que los controladores de motores con escobillas. [2]
La fase correcta de la corriente alimentada al motor varía con la rotación del motor, que el ESC debe tener en cuenta: por lo general, se utiliza la fuerza electromagnética inversa de los devanados del motor para detectar esta rotación, pero existen variaciones que utilizan imanes separados ( Sensores de efecto Hall o detectores ópticos. Los controles de velocidad programables por computadora generalmente tienen opciones especificadas por el usuario que permiten establecer límites de corte de bajo voltaje, sincronización, aceleración, frenado y dirección de rotación. También se puede invertir la dirección del motor cambiando dos de los tres cables del ESC al motor.
Los ESC normalmente están clasificados según la corriente máxima , por ejemplo, 25 amperios (25 A). Generalmente, cuanto mayor es la clasificación, más grande y pesado tiende a ser el ESC, lo cual es un factor al calcular la masa y el equilibrio en los aviones. Muchos ESC modernos admiten baterías de hidruro metálico de níquel , polímero de iones de litio y fosfato de hierro y litio con una variedad de voltajes de entrada y corte. El tipo de batería y la cantidad de celdas conectadas es una consideración importante al elegir un circuito eliminador de batería (BEC), ya sea integrado en el controlador o como una unidad independiente. Una mayor cantidad de celdas conectadas dará como resultado una potencia nominal reducida y, por lo tanto, una menor cantidad de servos admitidos por un BEC integrado, si utiliza un regulador de voltaje lineal. Un BEC bien diseñado que utilice un regulador de conmutación no debería tener una limitación similar.
La mayoría de los ESC modernos contienen un microcontrolador que interpreta la señal de entrada y controla adecuadamente el motor mediante un programa incorporado o firmware. En algunos casos, es posible cambiar el firmware integrado de fábrica por un firmware alternativo de código abierto, disponible públicamente. Esto generalmente se hace para adaptar el ESC a una aplicación particular. Algunos ESC se fabrican en fábrica con la capacidad de firmware actualizable por el usuario. Otros requieren soldadura para conectar un programador. Los ESC generalmente se venden como cajas negras con firmware propietario. En 2014, un ingeniero sueco llamado Benjamin Vedder inició un proyecto ESC de código abierto que más tarde se llamaría VESC. [3] Desde entonces, el proyecto VESC ha atraído la atención por sus opciones avanzadas de personalización y su precio de construcción relativamente razonable en comparación con otros ESC de alta gama. [4]
Los ESC grandes y de alta corriente se utilizan en automóviles eléctricos, como el Nissan Leaf , el Tesla Roadster (2008) , el Model S , el Model X , el Model 3 y el Chevrolet Bolt . El consumo de energía se suele medir en kilovatios (el Nissan Leaf, por ejemplo, utiliza un motor de 160 kW que produce hasta 340 Nm de par). La mayoría de los automóviles eléctricos producidos en masa cuentan con ESC que capturan energía cuando el automóvil se detiene o frena, utilizando el motor como generador y desacelerando el automóvil. La energía captada se utiliza para cargar las baterías y así ampliar la autonomía del coche (esto se conoce como frenada regenerativa ). En algunos vehículos, como los producidos por Tesla, esto se puede utilizar para reducir la velocidad con tanta eficacia que los frenos convencionales del coche sólo son necesarios a velocidades muy bajas (el efecto de frenado del motor disminuye a medida que se reduce la velocidad). En otros, como el Nissan Leaf, sólo hay un ligero efecto de "arrastre" al circular por inercia, y el ESC modula la captura de energía en conjunto con los frenos convencionales para detener el automóvil.
Los ESC utilizados en los coches eléctricos producidos en masa suelen tener capacidad de marcha atrás, lo que permite que el motor funcione en ambas direcciones. Es posible que el automóvil solo tenga una relación de transmisión y el motor simplemente funcione en la dirección opuesta para hacer que el automóvil vaya en reversa. Algunos coches eléctricos con motores de CC también tienen esta característica, utilizando un interruptor eléctrico para invertir la dirección del motor, pero otros hacen funcionar el motor en la misma dirección todo el tiempo y utilizan una transmisión manual o automática tradicional para invertir la dirección (normalmente esto es más fácil, ya que el vehículo utilizado para la conversión ya tiene la transmisión y el motor eléctrico simplemente se instala en lugar del motor original).
Un motor utilizado en una aplicación de bicicleta eléctrica requiere un par inicial elevado y, por lo tanto, utiliza sensores de efecto Hall para medir la velocidad. Los controladores de bicicletas eléctricas generalmente utilizan sensores de aplicación de frenos y sensores de rotación del pedal, y proporcionan velocidad del motor ajustable por potenciómetro, control de velocidad de circuito cerrado para una regulación precisa de la velocidad, lógica de protección para sobretensión, sobrecorriente y protección térmica. A veces, los sensores de par del pedal se utilizan para permitir la asistencia del motor proporcional al par aplicado y, a veces, se proporciona soporte para el frenado regenerativo ; sin embargo, las frenadas poco frecuentes y la baja masa de las bicicletas limitan la energía recuperada. En un documento técnico de Zilog se describe una implementación sobre un controlador de motor de cubo de bicicleta eléctrica [5] para un motor eléctrico de CC sin escobillas (BLDC) de 200 W y 24 V. [6]
PAS o PAS puede aparecer dentro de la lista de componentes de los kits de conversión eléctrica para bicicletas, lo que implica Sensor de asistencia al pedaleo o en ocasiones Sensor de asistencia al pedaleo por impulsos . El pulso generalmente se relaciona con un imán y un sensor que mide la velocidad de rotación de la manivela. Los sensores de presión del pedal debajo de los pies son posibles pero no comunes. [7]
Un ESC puede ser una unidad independiente que se conecta al canal de control del acelerador del receptor o se incorpora al propio receptor, como es el caso en la mayoría de los vehículos R/C de juguete. Algunos fabricantes de R/C que instalan productos electrónicos patentados para aficionados en sus vehículos, embarcaciones o aviones de nivel básico utilizan productos electrónicos a bordo que combinan los dos en una sola placa de circuito .
Los controles electrónicos de velocidad para vehículos modelo RC pueden incorporar un circuito eliminador de batería para regular el voltaje del receptor , eliminando la necesidad de baterías separadas para el receptor. El regulador puede ser de modo lineal o conmutado . Los ESC, en un sentido más amplio, son controladores PWM para motores eléctricos. El ESC generalmente acepta una señal de entrada de servo PWM nominal de 50 Hz cuyo ancho de pulso varía de 1 ms a 2 ms. Cuando se le suministra un pulso de 1 ms de ancho a 50 Hz, el ESC responde apagando el motor conectado a su salida. Una señal de entrada de 1,5 ms de ancho de pulso impulsa el motor aproximadamente a la mitad de su velocidad. Cuando se le presenta una señal de entrada de 2,0 ms, el motor funciona a máxima velocidad.
Los ESC diseñados para uso deportivo en automóviles generalmente tienen capacidad de marcha atrás; Los controles deportivos más nuevos pueden tener la capacidad de revertir anulada para que no se pueda usar en una carrera. Los controles diseñados específicamente para carreras e incluso algunos controles deportivos tienen la ventaja adicional de la capacidad de frenado dinámico. El ESC obliga al motor a actuar como generador colocando una carga eléctrica a través de la armadura. Esto, a su vez, hace que sea más difícil girar la armadura , lo que ralentiza o detiene el modelo. Algunos controladores añaden el beneficio del frenado regenerativo .
Los ESC diseñados para helicópteros de radiocontrol no requieren una función de frenado (ya que el rumbo unidireccional lo haría inútil de todos modos) ni requieren dirección inversa (aunque puede ser útil ya que a menudo puede ser difícil acceder y cambiar los cables del motor). una vez instalada).
Muchos ESC de helicópteros de alta gama proporcionan un " modo de gobernador " que fija las RPM del motor a una velocidad establecida, lo que ayuda enormemente al vuelo basado en CCPM . También se utiliza en cuadricópteros.
Los ESC diseñados para aviones de radiocontrol suelen contener algunas características de seguridad. Si la energía proveniente de la batería es insuficiente para continuar haciendo funcionar el motor eléctrico, el ESC reducirá o cortará la energía al motor mientras permite el uso continuo de los alerones , el timón y la función de elevador . Esto permite al piloto mantener el control del avión para planear o volar a baja potencia para estar seguro.
Los ESC diseñados para embarcaciones son necesariamente impermeables. La estructura hermética es significativamente diferente de la de los ESC de tipo no marino, con un recinto más compacto que atrapa el aire. Por lo tanto, surge la necesidad de enfriar el motor y el ESC de manera efectiva para evitar fallas rápidas. La mayoría de los ESC de grado marino se enfrían mediante agua circulada impulsada por el motor o por vacío de hélice negativo cerca de la salida del eje de transmisión. Al igual que los ESC de automóviles, los ESC de barcos tienen capacidad de frenado y marcha atrás.
Los controladores electrónicos de velocidad (ESC) son un componente esencial de los cuadricópteros modernos (y de todos los multirotores) y ofrecen alimentación de CA trifásica de alta potencia, alta frecuencia y alta resolución a un motor en un paquete en miniatura extremadamente compacto. Estas embarcaciones dependen completamente de la velocidad variable de los motores que impulsan las hélices. El control fino de la velocidad en un amplio rango de velocidad del motor/hélice brinda todo el control necesario para que un cuadricóptero (y todos los multirotores) vuele.
Los ESC de cuadricóptero generalmente pueden utilizar una velocidad de actualización más rápida en comparación con la señal estándar de 50 Hz utilizada en la mayoría de las otras aplicaciones RC. Se utiliza una variedad de protocolos ESC más allá de PWM para los multirrotores modernos, incluidos Oneshot42, Oneshot125, Multishot y DShot. DShot es un protocolo digital que ofrece ciertas ventajas sobre el control analógico clásico, como mayor resolución, sumas de comprobación CRC y falta de deriva del oscilador (eliminando la necesidad de calibración). Los protocolos ESC modernos pueden comunicarse a velocidades de 37,5 kHz o más, y una trama DSHOT2400 solo tarda 6,5 μs. [8] [9]
La mayoría de los modelos de trenes eléctricos funcionan con electricidad transportada por los rieles o por un cable aéreo hasta el vehículo, por lo que no es necesario que el control electrónico de velocidad esté a bordo. Sin embargo, este no es el caso de los modelos de trenes con sistemas de dirección digitales que permiten que varios trenes circulen por la misma vía a diferentes velocidades al mismo tiempo.
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