Un Controlador de Velocidad Electrónico (ESC, por sus siglas en inglés) es un componente fundamental en sistemas que utilizan motores DC, especialmente motores sin escobillas (BLDC). Su función principal es regular la velocidad de rotación del motor, adaptándola a las necesidades específicas de cada aplicación.
¿Qué es un ESC?
Un ESC es un dispositivo electrónico que recibe una señal de referencia de velocidad (proveniente de un acelerador, joystick u otra entrada manual) y la traduce en una señal de control para el motor. Este proceso se realiza mediante la variación de la frecuencia de conmutación de un conjunto de transistores de efecto de campo (FETs). Ajustando el ciclo de trabajo o la frecuencia de conmutación de los FETs, se modifica la velocidad del motor.
La rápida conmutación de la corriente que fluye a través del motor es lo que provoca el característico zumbido de alta frecuencia que emiten los motores, especialmente notable a bajas velocidades. Los ESC se clasifican según el tipo de motor al que se adaptan: motores DC con escobillas y motores DC sin escobillas.
ESC para Motores DC con Escobillas
La velocidad de un motor DC con escobillas puede controlarse variando el voltaje aplicado a su armadura. También se puede controlar la velocidad ajustando la intensidad de la corriente del campo magnético del motor.
ESC para Motores DC sin Escobillas (BLDC)
Los motores BLDC requieren un principio de funcionamiento diferente. La velocidad del motor se regula ajustando el tiempo de los pulsos de corriente que se envían a los diferentes devanados del motor. Los sistemas ESC para motores BLDC generan esencialmente energía trifásica de CA, similar a un variador de frecuencia, para accionar los motores BLDC.
Los motores BLDC son populares entre los aficionados a los aviones radiocontrolados debido a su eficiencia, potencia, longevidad y peso ligero en comparación con los motores tradicionales con escobillas. Los controladores de motores DC sin escobillas son mucho más complejos que los controladores de motores con escobillas.
Clasificación de los ESC
Los ESC suelen clasificarse según la corriente máxima que pueden soportar, por ejemplo, 25 amperios (25 A). Generalmente, cuanto mayor es la clasificación, más grande y pesado tiende a ser el ESC, un factor a considerar al calcular la masa y el equilibrio en los aviones.
Muchos ESC modernos son compatibles con baterías de níquel metal hidruro, polímero de ion litio y fosfato de hierro litio, con un rango de voltajes de entrada y de corte. El tipo de batería y el número 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.
Firmware de los ESC
La mayoría de los ESC modernos contienen un microcontrolador que interpreta la señal de entrada y controla el motor de manera adecuada mediante un programa integrado o firmware. En algunos casos, es posible cambiar el firmware integrado de fábrica por un firmware alternativo de código abierto disponible públicamente.
Esto se hace generalmente para adaptar el ESC a una aplicación particular. Algunos ESC se fabrican con la capacidad de actualizar el firmware por parte del usuario. Otros requieren soldadura para conectar un programador. Los ESC suelen venderse como cajas negras con firmware propietario.
Aplicaciones de los ESC
Vehículos Eléctricos
Los ESC grandes de alta corriente se utilizan en automóviles eléctricos, como el Nissan Leaf, Tesla Roadster (2008), Model S, Model X, Model 3 y el Chevrolet Bolt. La potencia extraída suele medirse 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 incorporan ESC que capturan energía cuando el automóvil circula en punto muerto o frena, utilizando el motor como generador y desacelerando el automóvil. La energía capturada se utiliza para cargar las baterías y, por lo tanto, ampliar la autonomía del automóvil (esto se conoce como frenado regenerativo).
En algunos vehículos, como los fabricados por Tesla, esto puede utilizarse para desacelerar tan eficazmente que los frenos convencionales del automóvil 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, solo hay un ligero efecto de "arrastre" cuando se circula en punto muerto, y el ESC modula la captura de energía en tándem con los frenos convencionales para detener el automóvil.
Los ESC utilizados en automóviles eléctricos producidos en masa suelen tener capacidad de marcha atrás, lo que permite que el motor funcione en ambas direcciones. El automóvil puede tener solo una relación de transmisión, y el motor simplemente funciona en la dirección opuesta para que el automóvil se mueva hacia atrás.
Bicicletas y Patinetes Eléctricos
Un motor utilizado en una aplicación de bicicleta eléctrica requiere un alto par inicial y, por lo tanto, utiliza sensores de efecto Hall para la medición de la velocidad. Los controladores de bicicletas eléctricas generalmente utilizan sensores de aplicación de freno y sensores de rotación del pedal, y proporcionan velocidad del motor ajustable mediante 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, los sensores de par de 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, el frenado poco frecuente y la baja masa de las bicicletas limitan la energía recuperada.
Aplicaciones de Control Remoto
Un ESC puede ser una unidad independiente que se conecta al canal de control del acelerador del receptor o incorporarse al propio receptor, como es el caso de la mayoría de los vehículos R/C de nivel básico.
Algunos fabricantes de R/C que instalan electrónica de grado 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 controladores de velocidad electrónicos para vehículos RC de modelismo pueden incorporar un circuito eliminador de batería para regular el voltaje para el receptor, eliminando la necesidad de baterías de receptor separadas.
Los ESC, en un sentido más amplio, son controladores PWM para motores eléctricos. El ESC generalmente acepta una señal de servo PWM nominal de 50 Hz cuya anchura de pulso varía de 1 ms a 2 ms. Cuando se suministra con 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 con una señal de entrada de 2,0 ms, el motor funciona a plena velocidad.
Automóviles
Los ESC diseñados para uso deportivo en automóviles generalmente tienen capacidad de marcha atrás; los controles deportivos más nuevos pueden tener la capacidad de marcha atrás anulada para que no se pueda utilizar en una carrera. Los controles diseñados específicamente para carreras e incluso algunos controles deportivos tienen la ventaja añadida de la capacidad de frenado dinámico.
El ESC fuerza al motor a actuar como un generador colocando una carga eléctrica en la armadura. Esto, a su vez, hace que la armadura sea más difícil de girar, lo que ralentiza o detiene el modelo. Algunos controladores añaden el beneficio del frenado regenerativo.
Helicópteros
Los ESC de drones diseñados para helicópteros radiocontrolados no requieren una función de frenado (ya que el rodamiento unidireccional lo haría inútil de todos modos) ni requieren marcha atrás (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 gama alta proporcionan un "modo gobernador" que fija las RPM del motor a una velocidad determinada, lo que ayuda mucho a la vuelo basado en CCPM. También se utiliza en cuadricópteros.
Aviones
Los ESC diseñados para aviones radiocontrolados suelen contener algunas funciones de seguridad. Si la potencia que proviene de la batería es insuficiente para continuar haciendo funcionar el motor eléctrico, el ESC reducirá o cortará la potencia al motor mientras permite el uso continuo de los alerones, el timón y el elevador.
Esto permite al piloto mantener el control del avión para planear o volar con poca potencia hasta un lugar seguro.
Barcos
Los ESC diseñados para barcos son, por necesidad, impermeables. La estructura estanca es significativamente diferente a la de los ESC de tipo no marino, con un recinto de atrapamiento de aire más compacto. De ahí surge la necesidad de enfriar el motor y el ESC de forma eficaz para evitar un fallo rápido.
La mayoría de los ESC de grado marino se enfrían mediante agua circulante impulsada por el motor o por 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.
Cuadricópteros
Los controladores de velocidad electrónicos (ESC) son un componente esencial de los cuadricópteros modernos (y todos los multirrotores), que ofrecen energía de CA trifásica de alta potencia, alta frecuencia y alta resolución a un motor en un paquete miniatura extremadamente compacto.
Estas aeronaves dependen totalmente de la velocidad variable de los motores que accionan las hélices. El control fino de la velocidad en un amplio rango de velocidad del motor/hélice proporciona todo el control necesario para que un cuadricóptero (y todos los multirrotores) vuele.
Los ESC de cuadricópteros generalmente pueden utilizar una tasa de actualización más rápida en comparación con la señal estándar de 50 Hz utilizada en la mayoría de las otras aplicaciones RC. Una variedad de protocolos ESC más allá de PWM se utilizan para los multirrotores modernos, incluyendo Oneshot42, Oneshot125, Multishot y DShot.
DShot es un protocolo digital que ofrece ciertas ventajas sobre el control analógico clásico, como una mayor resolución, sumas de comprobación CRC y la falta de deriva del oscilador (eliminando la necesidad de calibración). Los protocolos ESC modernos pueden comunicarse a velocidades de 37,5 kHz o superiores, con un cuadro DSHOT2400 que solo tarda 6,5 μs.
Trenes de Modelismo
La mayoría de los trenes de modelismo eléctricos son alimentados por electricidad transportada por los raíles o por un cable aéreo al vehículo, por lo que el control electrónico de velocidad no tiene que estar a bordo. Sin embargo, este no es el caso de los trenes de modelismo con sistemas de dirección digitales que permiten que varios trenes circulen por la misma vía con diferentes velocidades al mismo tiempo.
Por qué necesitas un ESC
Los sistemas de control electrónico de estabilidad (ESC, Electronic Stability Control) utilizan el frenado automático controlado por computadora de las ruedas individuales para ayudar al conductor a mantener el control del automóvil en situaciones críticas de conducción. El ESC ayuda a evitar que el vehículo “se deslice” o “salte” debido a la pérdida de tracción en la carretera causada por el deslizamiento de las ruedas.
¿Cuál es la salida de un ESC?
Los ESC convierten la energía de una fuente de alimentación de CC (por ejemplo, una batería) en una señal de voltaje variable para controlar la velocidad del motor. La salida de un ESC es, esencialmente, un voltaje de CA variable que impulsa el motor. La frecuencia y la amplitud de este voltaje se ajustan para controlar la velocidad y el par del motor.
Características de un ESC
Los ESC modernos suelen incorporar varias características avanzadas, como:
- Frenado Regenerativo : Permite que el motor funcione como un generador para recuperar energía durante el frenado, lo que aumenta la eficiencia y la autonomía del vehículo.
- Protección contra Sobrecarga : Protege el ESC y el motor contra daños causados por una corriente excesiva.
- Protección contra Sobretemperatura : Previene el sobrecalentamiento del ESC reduciendo la potencia del motor si la temperatura excede un límite preestablecido.
- Protección contra Sobrevoltaje : Protege la batería de sobrecargarse durante el frenado regenerativo.
- Telemetría : Proporciona información en tiempo real sobre el estado del motor, como la velocidad, la temperatura y la corriente.
Corriente de Bus vs Corriente de Fase
Un ESC tiene dos tipos principales de corriente: la corriente de bus y la corriente de fase. La corriente de bus es la corriente que proviene de la fuente de alimentación. La corriente de fase es la corriente que el ESC envía al motor.
Los ESC suelen estar clasificados por su capacidad de corriente de fase. Es importante entender esta distinción porque la corriente de fase es la que determina la potencia que el ESC puede entregar al motor.
Los ESC son componentes esenciales para el control de velocidad de los motores DC, especialmente los BLDC. Permiten un control preciso y eficiente de la velocidad, así como la incorporación de características avanzadas, como el frenado regenerativo y la protección contra sobrecarga. El conocimiento de los diferentes tipos de ESC, sus funciones y aplicaciones es fundamental para seleccionar el adecuado para cada proyecto.
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