Un control electrónico de velocidad ( ESC ) es un circuito electrónico que controla y regula la velocidad de un motor eléctrico . También puede proporcionar inversión de la marcha del motor y frenado dinámico . Los controles electrónicos de velocidad en miniatura se utilizan en modelos controlados por radio con propulsión eléctrica . Los vehículos eléctricos de tamaño completo también tienen sistemas para controlar la velocidad de sus motores de accionamiento.
Un control electrónico de velocidad sigue una señal de referencia de velocidad (derivada de una palanca de aceleración, 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 modifica 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 zumbido 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 . Un motor con escobillas puede controlar su velocidad 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 de campo del motor). Un motor sin escobillas requiere un principio operativo diferente. La velocidad del motor varía ajustando la sincronización de los pulsos de corriente entregados a los diversos devanados del motor.
Los sistemas ESC sin escobillas básicamente crean energía de CA trifásica , como un variador de frecuencia , para hacer funcionar los motores sin escobillas . Los motores sin escobillas son populares entre los aficionados a los aviones de control remoto 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 que se alimenta al motor varía con la rotación del motor, que el ESC debe tener en cuenta: por lo general, se utiliza la fuerza contraelectromotriz de los devanados del motor para detectar esta rotación, pero existen variaciones que utilizan sensores magnéticos ( de efecto Hall ) o detectores ópticos independientes. Los controles de velocidad programables por computadora generalmente tienen opciones especificadas por el usuario que permiten configurar 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 se clasifican según la corriente máxima , por ejemplo, 25 amperios (25 A). Generalmente, cuanto mayor sea la clasificación, más grande y pesado tiende a ser el ESC, lo que 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 un rango de voltajes de entrada y de 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 clasificación de potencia 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 apropiadamente el motor mediante un programa integrado o firmware. En algunos casos, es posible cambiar el firmware integrado de fábrica por un firmware alternativo, disponible públicamente y de código abierto. Esto se hace generalmente para adaptar el ESC a una aplicación particular. Algunos ESC se construyen de fábrica con la capacidad de un 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 luego se denominó VESC. [3] Desde entonces, el proyecto VESC ha atraído la atención por sus opciones de personalización avanzadas y su precio de construcción relativamente razonable en comparación con otros ESC de alta gama. [4]
Los ESC de gran tamaño y alta corriente se utilizan en los coches 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 mide normalmente en kilovatios (el Nissan Leaf, por ejemplo, utiliza un motor de 160 kW que produce hasta 340 Nm de par). La mayoría de los coches eléctricos producidos en serie cuentan con ESC que capturan energía cuando el coche se desvía o frena, utilizando el motor como generador y reduciendo la velocidad del coche. La energía capturada se utiliza para cargar las baterías y, por tanto, ampliar la autonomía del coche (esto se conoce como frenado regenerativo ). En algunos vehículos, como los producidos por Tesla, esto se puede utilizar para reducir la velocidad de forma tan eficaz que los frenos convencionales del coche solo 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 avanzar por inercia, y el ESC modula la captura de energía junto con los frenos convencionales para detener el coche.
Los ESC que se utilizan en los coches eléctricos de producción en serie suelen tener capacidad de marcha atrás, lo que permite que el motor funcione en ambas direcciones. Es posible que el coche solo tenga una relación de transmisión y el motor simplemente funcione en la dirección opuesta para hacer que el coche vaya marcha atrás. Algunos coches eléctricos con motores de corriente continua también tienen esta función, 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 alto y, por lo tanto, utiliza sensores de efecto Hall para medir la velocidad. Los controladores de bicicletas eléctricas generalmente utilizan sensores de aplicación de freno y sensores de rotación de pedal, y proporcionan velocidad del motor ajustable por potenciómetro, control de velocidad de bucle cerrado para una regulación precisa de la velocidad, lógica de protección para sobretensión, sobrecorriente y protección térmica. A veces, se utilizan sensores de par de pedal para habilitar la asistencia del motor proporcional al par aplicado y, a veces, se proporciona soporte para el frenado regenerativo ; sin embargo, el frenado poco frecuente 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 buje 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 pulsos . El pulso suele estar relacionado 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 habituales. [7]
Un ESC puede ser una unidad independiente que se conecta al canal de control del acelerador del receptor o puede estar incorporado al propio receptor, como es el caso de la mayoría de los vehículos de radiocontrol de nivel de juguete. Algunos fabricantes de radiocontrol que instalan electrónica patentada de nivel de aficionado en sus vehículos, embarcaciones o aeronaves de nivel básico utilizan electrónica de a bordo que combina los dos en una sola placa de circuito .
Los controles electrónicos de velocidad para vehículos RC modelo 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 ancho de 1 ms a 50 Hz, el ESC responde apagando el motor conectado a su salida. Una señal de entrada de ancho de pulso de 1,5 ms impulsa el motor a aproximadamente la mitad de la velocidad. Cuando se presenta una señal de entrada de 2,0 ms, el motor funciona a plena velocidad.
Los ESC diseñados para uso deportivo en automóviles generalmente tienen capacidad de reversa; los controles deportivos más nuevos pueden tener la capacidad de reversa 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 un generador al colocar una carga eléctrica a través de la armadura. Esto, a su vez, hace que la armadura sea más difícil de girar, lo que ralentiza o detiene el modelo. Algunos controladores agregan 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 los cables del motor a menudo pueden ser difíciles de acceder y cambiar una vez instalados).
Muchos ESC de helicópteros de alta gama ofrecen un " modo regulador " que fija las RPM del motor a una velocidad establecida, lo que facilita enormemente el 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 que proviene de la batería es insuficiente para que el motor eléctrico siga funcionando, el ESC reducirá o cortará la energía que llega al motor, permitiendo el uso continuo de los alerones , el timón y la función de profundidad . Esto permite al piloto mantener el control del avión para planear o volar con poca potencia de manera segura.
Los ESC diseñados para embarcaciones son necesariamente impermeables. La estructura hermética es significativamente diferente a 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 circulante que corre por el motor o mediante un vacío negativo de la hélice cerca de la salida del eje de transmisión. Al igual que los ESC de los automóviles, los ESC de los 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 multirrotores), ya que ofrecen alimentación de CA trifásica de alta potencia, alta frecuencia y alta resolución a un motor en un paquete en miniatura extremadamente compacto. Estas aeronaves dependen completamente de la velocidad variable de los motores que impulsan las hélices. El control preciso de la velocidad en un amplio rango de velocidades del motor y la hélice proporciona todo el control necesario para que un cuadricóptero (y todos los multirrotores) puedan volar.
Los ESC de cuadricópteros suelen utilizar una tasa de actualización más rápida en comparación con la señal estándar de 50 Hz que se utiliza en la mayoría de las demás aplicaciones RC. Se utilizan diversos protocolos ESC además de PWM para los multirotores modernos, incluidos Oneshot42, Oneshot125, Multishot y DShot. DShot es un protocolo digital que ofrece ciertas ventajas sobre el control analógico clásico, como una resolución más alta, 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 un cuadro DSHOT2400 solo tarda 6,5 μs. [8] [9]
La mayoría de los trenes eléctricos en miniatura funcionan con electricidad transportada por los raíles o por un cable aéreo hasta el vehículo, por lo que no es necesario que el control electrónico de la velocidad esté a bordo. Sin embargo, este no es el caso de los trenes en miniatura 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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