PWM: Control de Velocidad en motores eléctricos

La Modulación por Ancho de Pulso (PWM o Pulse Width Modulation) es una forma muy eficaz de establecer cantidades intermedias de potencia eléctrica entre la máxima potencia y apagado. Una fuente de alimentación con un interruptor de alimentación simple proporciona potencia solo cuando está activado. El PWM es una técnica relativamente reciente que se ha podido realizar gracias a los modernos interruptores electrónicos de potencia. Una de las aplicaciones típicas del PWM: control de velocidad en motores eléctricos.

En el pasado, cuando sólo se necesitaba potencia parcial (por ejemplo, para el motor de una maquina de coser), un reóstato (situada en el pedal de la máquina) conectado en serie con el motor ajustaba la cantidad de corriente que fluía a través del motor, pero también desperdiciaba potencia, convirtiéndola en calor debido al elemento de resistencia. Se trataba de un régimen ineficaz, pero tolerable, porque la potencia total era baja. Este fue uno de varios métodos de control, aunque había otros, algunos todavía en uso como autotransformadores variables incluyendo la marca Autrastat para iluminación teatral, y el Variac, para el ajuste general de Corriente Alterna. Estos eran muy eficientes, pero también relativamente costosos.

Reóstato Lincoln
Reóstato Lincoln 150 W – 64 Ohms
Durante casi un siglo algunos motores eléctricos de velocidad variable han tenido una eficiencia decente, pero eran más complejos que los motores de velocidad constantes. Estos motores requerían en ocasiones de un circuito eléctrico externo, como un banco de resistencias de potencia variable.

Sin embargo hay una gran necesidad de aplicación de potencia parcial en otras dispositivos, tales como estufas eléctricas, reguladores de luz de lámpara, y los servos de robótica. Un esquema PWM consiste básicamente en apagar y encender rápidamente el interruptor que permite el paso de energía. Por ejemplo: varias veces por minuto en una eléctrica estufa, 120 Hz en un regulador de luz, y así en las decenas o cientos de kHz en una fuente de alimentación (que tiene una salida regulada). Exceptuando el primero de los ejemplos anteriores (el de la estufa eléctrica cuya tasa de cambio es muy baja), la tasa de cambio de los restantes es tan elevada que la carga es incapaz de seguir dichas oscilaciones, y “ve” en cambio el valor medio de la misma.

La aplicación de la potencia máxima durante cortos periodos de tiempo -el intervalo del pulso en el que es aplicada- no causa ningún problema en la práctica. De hecho el PWM permite que se puedan aplicar potencias máximas superiores a las que se emplean cuando no se hace uso de un PWM, porque la carga a la que se le aplica esa potencia sufre dicho stress durante pequeños períodos, siempre que el valor medio que vea la carga sea inferior al permitido por el fabricante. El PWM puede ser muy práctico.

Se determina ciclo de trabajo al periodo de tiempo en cada intervalo en que el interruptor esta encendido y la energía se está transmitiendo. Un ciclo de trabajo bajo corresponde a poca potencia, porque el interruptor está apagado durante la mayor parte del tiempo. El ciclo de trabajo se expresa en tanto por ciento, el 100% significa que trabajará a máxima potencia.

PWM - duty cicle
El duty cicle o ciclo de trabajo se expresa en tanto por ciento, representado que porcentaje de tiempo estará el interruptor encendido permitiendo el paso de energia.
El PWM funciona bien con controles digitales, ya que pueden configurar fácilmente el ciclo de trabajo dada su naturaleza de encendido/apagado.

El PWM de una señal o fuente de alimentación consiste en la modulación de su ciclo de trabajo, ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o de controlar la cantidad de energía enviada a una carga.

El PWM usa una onda de pulso rectangular, cuyo ancho de pulso es modulado, dando como resultado la variación del valor medio de la forma de onda. Si consideramos una forma de onde de pulso f(t) con un valor bajo ymin, un valor alto ymax y un ciclo de trabajo D , el valor medio de la forma de onda es dado por la siguiente función:

formula PWM

PWM-Analog Comparación
Comparación de las señales análogicas y señales PWM
Otro ejemplo muy extendido del uso del PWM en electrónica es el del control de iluminación. Desde hace unos años se ha puesto de moda la iluminación con LEDs (Light Emitting Diodes). Un método de controlar la intensidad de iluminación de un LED es modificando su corriente, efecto que puede conseguirse introduciendo resistencias de valor variable en serie con el diodo, o haciendo uso de un regulador de tensión cuya tensión pueda ser programable. led-array El método anterior funciona muy bien cuando trabajamos únicamente con un LED, pero hay aplicaciones en las que es necesario trabajar con varios en paralelo, como en las luces de freno de un vehículo, en grandes paneles publicitarios (como los que vemos en los laterales de los campos de fútbol, los televisores actuales, etc.). Es en estos casos cuando nos encontramos con un nuevo problema: como no todos los LEDs son iguales debido a las tolerancias existentes en fabricación, observaremos que la intensidad que reproduce cada uno de ellos no es la misma. Esto produce una impresión óptica negativa, en especial cuando pretendemos emular un oscurecimiento del panel (dimming) y nos vemos obligados a trabajar con bajas corrientes. El trabajar con bajas corrientes tiene el efecto negativo porque nos alejamos de la intensidad de corriente recomendada por el fabricante. El problema de dejar de trabajar con las corrientes recomendadas se elimina en un PWM, en el que siempre que activamos el LED lo podemos hacer a la corriente recomendada. En este caso es el control del ciclo de trabajo que podemos programar el que producirá la sensación óptica de mayor o menor iluminación del panel.

En los robots LEGO Mindstorms NXT se puede ver muy bien el PWM, ya que diversas plataformas de programación del NXT como RobotC, LeJOS o el mismo NXT-G tienen funciones o métodos para controlar potencia o velocidades, que internamente se traducen como señales PWM. Nosotros mismos podemos programar un PWM. En posteriores artículos pondré algún ejemplo en varios lenguajes.

NXT-GPWM
Por último os dejo un vídeo de control de velocidad de un motor eléctrico mediante un circuito capaz de generar señales PWM. Se emplea un osciloscopio para presentar las señales eléctricas cuya forma de onda queremos observar.

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