Enviar señales PWM al motor de CC de un actuador es un método común para ajustar la velocidad de desplazamiento; sin embargo, en algunos casos puede generar ruido acústico en forma de zumbido del motor. En algún momento de la fase de pruebas de tu proyecto, quizá notaste que ese mismo motor de CC produce zumbidos con distinta intensidad al conectarlo a diferentes controladores de velocidad. Esto puede deberse a las distintas frecuencias PWM configuradas en cada controlador o en el programa de Arduino. En este artículo, veremos las ventajas y desventajas de ajustar la frecuencia PWM y cómo afecta al zumbido del motor.
Preguntas comunes y frecuentes
A continuación, presentamos un resumen de las preguntas comunes y frecuentes que recibimos, para cubrir brevemente los conceptos básicos del ciclo de trabajo, el PWM y cómo los cambios en la frecuencia PWM afectan a los motores de CC.
- ¿Qué es el ciclo de trabajo?
Ciclo de trabajo es la relación entre el tiempo encendido y el tiempo apagado, generalmente expresada como porcentaje. Esto significa que si tu actuador se extiende y retrae durante 20 segundos y luego permanece 40 segundos en reposo antes de repetir el proceso, el “ciclo de trabajo” sería del 33 %. El tiempo que tarda un “ciclo completo” en este ejemplo será de 60 segundos.
Ciclo de trabajo = Tiempo encendido / (Tiempo encendido + Tiempo apagado)
- ¿Qué significa PWM?
La modulación por ancho de pulso (PWM) es una técnica comúnmente utilizada en el funcionamiento de motores en la que las señales eléctricas conmutan entre 0 % y 100 % de la tensión de alimentación aplicada al motor, de forma similar al encendido y apagado del ciclo de trabajo. Esto permite controlar el valor promedio de la tensión aplicada a un motor para ajustar su velocidad. Al controlar el ciclo de trabajo, es posible controlar el valor de tensión promedio para ajustar la velocidad del motor.
Ciclo de trabajo * Tensión de la fuente = Valor de tensión promedio
- ¿Qué es la frecuencia PWM y cómo afecta al rendimiento de un motor de CC?
La frecuencia PWM representa la rapidez con la que tu dispositivo de control de motor completa un ciclo PWM. No es raro que los motores de CC presenten un zumbido cuando el controlador de motor utilizado está configurado con frecuencias PWM bajas.
- ¿Es posible eliminar por completo el zumbido del motor, o es de esperar cierto nivel de ruido?
Esto puede variar, ya que los fabricantes suelen incluir tolerancias que ocasionan distintos rangos de ruidos y características de los motores. Ciertos diseños pueden tener rotores que generan algo de zumbido independientemente de la frecuencia PWM utilizada. Configurar la frecuencia PWM lo más alta posible en motores de CC en buen estado suele ayudar a reducir el zumbido (esto se tratará con más detalle más adelante).
- ¿Ajustar la frecuencia PWM para reducir el zumbido del motor puede tener efectos negativos en el motor o en el rendimiento del sistema?
Un aumento de la frecuencia PWM incrementa la pérdida de potencia en el puente en H usado con tu microcontrolador Arduino y puede provocar que la placa del controlador de motor se sobrecaliente. Los usuarios necesitarán un método para enfriar su puente en H o el controlador de motor para evitar daños en los componentes.
¿Qué causa el zumbido en los motores de CC?
Nos centraremos en el ruido acústico del motor, audible para el oído humano, y no en el ruido eléctrico. Arriba se muestra el circuito equivalente de un motor de CC en funcionamiento. Debido a la fuerza contraelectromotriz (FEM), se genera una tensión en sentido opuesto al flujo de corriente por el movimiento de las bobinas del motor respecto a un campo magnético. En reposo o a bajas velocidades, el circuito equivalente de un motor de CC con escobillas presenta poca o ninguna FEM y se asemeja al de un circuito RL de primer orden, como se ve a continuación.
El zumbido del motor que escuchamos está causado por el rizado de par generado a partir del rizado de corriente (i). También sabemos que la frecuencia de corte superior para un filtro pasa bajos RL tiene la fórmula que se muestra a continuación:
Frecuencia de corte = 1 / (2π𝜏)
Donde:
𝜏 = L / R
L = inductancia (H)
R = resistencia (Ω)
𝜏 = constante de tiempo (segundos)
La frecuencia PWM ideal teórica dependerá de la inductancia y la resistencia del circuito del motor, pero se espera que sea mayor o igual a 5 veces la frecuencia de corte. Este rango más alto de frecuencia PWM permitirá que la corriente que atraviesa el motor de CC alcance el 99,3 % (cerca del 100 %) del valor máximo de corriente, para evitar el rizado de corriente y reducir el zumbido del motor.
Pérdidas de potencia en el puente en H y disipación de calor
Durante la transición de un interruptor entre encendido y apagado, el voltaje y la corriente no son cero y se disipa potencia en los interruptores. En un puente en H hay tensión y corriente presentes durante la conmutación; por ello, aumentar la frecuencia de conmutación al subir la frecuencia PWM implica más calor y mayor potencia disipada. Se recomienda instalar disipadores o ventiladores en las placas de control de motor que no los incluyan de fábrica para evitar daños y garantizar un funcionamiento correcto.
Nuestro LC-81 MegaMoto GT H-bridge Arduino Shield cuenta con un ventilador de refrigeración y disipadores integrados para reducir aún más el sobrecalentamiento, lo que lo hace ideal para cargas altas de corriente. Para actuadores con requisitos de menor consumo, también ofrecemos el LC-80 MegaMoto Plus H-bridge for Arduino. Ambos puentes en H pueden usarse con Arduino y tienen especificaciones de frecuencia PWM de hasta 20 kHz para tensión de CC.
¿Cómo reducir el zumbido de un motor de CC ajustando la frecuencia PWM con Arduino?
La velocidad del reloj de un contador determina la frecuencia PWM de la señal de salida. En nuestro Arduino Uno más popular, el reloj del sistema se divide mediante un valor de prescalador para obtener el reloj del contador. CS02, CS01 y CS00 son los tres bits menos significativos de los registros del temporizador/contador que almacenan el valor de 3 bits del prescalador.
Configura o borra estos tres bits menos significativos en el registro TCCRnB correspondiente que se encuentra en el segmento void setup() de tu código de Arduino. Al modificar por código los prescaladores del temporizador, se puede ajustar la frecuencia PWM, como se muestra en este video de referencia.
Tutorial de PWM en Arduino n.º 1 - Cómo cambiar la frecuencia PWM:
El ser humano promedio suele oír sonidos entre 20 Hz y 20 000 Hz.
Frecuencia = ciclo/tiempo
1 Hz = 1 ciclo/segundo
20 Hz = 1 ciclo / (Tiempo)
20 Hz * (Tiempo) = 1 ciclo
Tiempo = 1 ciclo/ 20 Hz
Tiempo = 0,05 segundos
Tiempo = 50 ms
Para una frecuencia PWM de 20 Hz, un ciclo ocurrirá en un periodo de 50 milisegundos, como se muestra a continuación.
A frecuencias por encima de 20 kHz, cada ciclo se vuelve más corto que el tiempo de reacción promedio de una persona, por lo que la mayoría no escuchará ningún zumbido del motor. En general, un rango de frecuencia PWM de 16 kHz a 20 kHz resolverá la mayoría de los problemas de zumbido en motores de CC. Este rango puede usarse como punto de partida para las pruebas antes de realizar ajustes graduales y afinar la optimización de la frecuencia PWM específicamente para el comportamiento y las características de tu motor.
Frecuencia = ciclo/tiempo
20 kHz = 1 ciclo / (Tiempo)
20000 Hz * (Tiempo) = 1 ciclo
Tiempo = 1 ciclo/ 20000 Hz
Tiempo = 0,00005 segundos
Tiempo = 50 µs
Para una frecuencia PWM de 20 kHz, un ciclo ocurrirá en un periodo de 50 microsegundos, como se muestra a continuación.
EN RESUMEN
Ajustar la frecuencia PWM puede ayudar a minimizar el zumbido no deseado del motor; sin embargo, debemos ser conscientes de los pros y contras de hacerlo. Es importante encontrar la frecuencia PWM adecuada que logre el mejor equilibrio entre pérdidas de potencia del controlador de motor, disipación de calor y zumbido del motor, y que funcione para tu caso.
Esperamos que te haya resultado tan informativo e interesante como a nosotros, especialmente si querías saber más sobre el zumbido de los motores de CC a frecuencias PWM bajas. Si tienes alguna consulta o deseas hablar más sobre nuestros productos, ¡no dudes en ponerte en contacto con nosotros! Somos expertos en lo que hacemos y estaremos encantados de ayudarte en todo lo que podamos.
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