La industria automovilística está viviendo una revolución silenciosa, impulsada no por la electrificación, la conducción autónoma o las carrocerías llamativas, sino por el silencioso zumbido de los motores de corriente continua sin escobillas (BLDC). Estos motores compactos, eficientes y silenciosos están sustituyendo a los motores CC con escobillas tradicionales en una amplia gama de subsistemas, desde limpiaparabrisas y techos solares hasta ventiladores de refrigeración y bombas. Pero, como ocurre con cualquier avance tecnológico, la transición conlleva una serie de retos, el principal es cómo controlar un motor sin conocer exactamente la posición de su rotor.
Los motores con escobillas no requieren la detección de la posición del rotor, porque la conmutación mecánica cambia automáticamente la corriente en los devanados del inducido, a medida que gira el rotor. Sin embargo, los motores BLDC exigen un enfoque más sofisticado. Aquí entra en juego el control sin sensores, un método que elimina los sensores físicos y, en su lugar, se basa en algoritmos de software para inferir la posición del rotor a partir del propio comportamiento eléctrico del motor. Es una solución inteligente, pero no exenta de limitaciones.
Control del arranque del motor y las velocidades lentas
A bajas velocidades o en reposo, la fuerza electromotriz inversa (EMF-Electromotive Force) generada por el rotor es demasiado débil para proporcionar datos de posición fiables. Esto hace que el arranque del motor sea innecesariamente complejo. Los métodos tradicionales de conmutación de 6 pasos pueden ponerlo en marcha. Sin embargo, introducen ondulaciones de par, lo que da lugar a vibraciones mecánicas y ruido audible, dos cosas que los ingenieros no desean en aplicaciones en las que la suavidad y el silencio son parámetros de diseño clave.
Para superar estos obstáculos en el control de motores, los ingenieros están recurriendo al control orientado al campo (FOC), también conocido como control vectorial. Al regular dinámicamente el campo magnético del estator para mantener un ángulo de avance constante de 90° con respecto al campo del rotor, el FOC proporciona un par de salida constante y mitiga la ondulación de velocidad, lo que da como resultado una aceleración más suave y un funcionamiento más silencioso. Sin embargo, su implementación es compleja.
El FOC requiere transformaciones en tiempo real de corrientes trifásicas en un marco de referencia bidimensional utilizando algoritmos de Clarke y Park. Exige un control preciso de las corrientes directas y en cuadratura (Id e Iq), una regulación proporcional-integral (PI) y una modulación por ancho de pulso (PWM) de alta resolución. Todo ello debe ser coordinado por un microcontrolador capaz de manejar matemáticas vectoriales y procesamiento de señales en tiempo real.
El FOC sin sensores añade otra capa de complejidad. Sin sensores físicos, el sistema debe extraer la información de la posición del rotor a partir de las propias señales eléctricas del motor, concretamente, la fuerza contraelectromotriz inducida en las bobinas del estator. Esto requiere técnicas avanzadas de filtrado y diferenciación de señales, especialmente cuando se utilizan métodos económicos de medición de corriente con una derivación. El resultado es una carga computacional que puede sobrecargar el MCU, aumentar el consumo de energía y elevar los costes del sistema. Entonces, ¿cómo resuelven los ingenieros este dilema?
Superar las limitaciones del FOC sin sensores
La respuesta de Toshiba es el controlador de motor SmartMCD™ TB9M003FG, una solución diseñada específicamente que integra una CPU Arm® Cortex®-M0 con un coprocesador vectorial dedicado. Este motor vectorial avanzado de cuarta generación (A-VEα) descarga la pesada tarea del FOC, gestionando el control de la corriente, las transformaciones de coordenadas, la estimación del ángulo del rotor y la generación de PWM con una intervención mínima de la CPU.
Las ventajas son considerables. Al liberar recursos de la CPU, los controladores de puerta SmartMCD controlan los MOSFET B6 externos, al tiempo que se comunican con otros nodos del vehículo a través de la interfaz LIN. También reduce la necesidad de CPU de alta frecuencia, lo que reduce el consumo de energía y mejora la compatibilidad electromagnética (EMC).
Pero el hardware es solo la mitad de la historia. Toshiba complementa el TB9M003FG con una sólida pila de software, que incluye un paquete de firmware modular de control de motor FOC (MC-FOC) y la herramienta para PC SmartMCD Motor Studio. Juntos, proporcionan un entorno de desarrollo completo para aplicaciones de motores BLDC sin sensores, desde el ajuste de parámetros y el control de la conducción hasta la supervisión en tiempo real. El resultado es una solución llave en mano que permite a los ingenieros automovilísticos aprovechar todo el potencial de los motores BLDC, ofreciendo eficiencia energética, un diseño compacto y un funcionamiento suave y silencioso.
Para obtener más información, lea el artículo completo sobre el control eficaz sin sensores de los motores BLDC para automóviles, escrito por Frank Malik y Klaus Neuenhueskes, de Toshiba Electronics Europe GmbH, y publicado en el número de noviembre de 2025 de la Revista Española de Electrónica.
