Regulador electrónico de velocidad para coches eléctricos.

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Fundamentos.

A diferencia de los coches de explosión, que necesitan embrague, en los coches eléctricos se regula muy fácilmente la velocidad y la parada, y a veces la marcha atrás.

En los primeros coches eléctricos el control era muy simple: el servo de acelerador movía el cursor de un reostato, que incluso en un extremo cortocircuitaba el motor, frenando el coche, es decir, tal como el control usual en "slot". Pero parte de la energía se disipaba en el reostato, y siendo escasa la disponible, no era cuestión de perderla. Por tanto, aparecieron pronto los reguladores electrónicos (ESC o "electronic speed controller"), con la ventaja añadida de que el pulso para el servo de acelerador-freno es directamente la señal de control del regulador, con lo que se prescinde de dicho servo.

Un ESC simplificadamente funciona como sigue:

Si el interruptor I se abre, el motor estaría parado. Si se cierra, avanzaría a tope. Si se abre y cierra rápidamente, el motor avanza a velocidad intermedia. En un ESC, I es un transistor (o más bien varios en paralelo), que se abre y cierra (se hace que conduzca) a alta velocidad un porcentaje del tiempo. Para parar el motor se abriría, y si se cierra el motor iría a tope: cuanto más tiempo del total conduzca, mayor será la velocidad. Idealmente, pues, no hay pérdidas. El circuito de un ESC es, pues, un "chopper" (troceador).

En principio, hay que resolver dos problemas:

• Los transistores, por su naturaleza, introducen una caída de tensión, y al presentar una resistencia interna, caída de tensión que será tanto mayor cuanto lo sea el amperaje. Deberemos elegir un ESC en que el fabricante nos asegure, y se cumpla, que dicha caída será pequeña. Podemos medir dicha caída con el método sugerido aquí.
• Un cortocircuito externo puede destruir los transistores. Sin embargo, el funcionamiento normal, por las altas corrientes manejadas, se aproxima a un cortocircuito. Por ejemplo, una batería de 6 elementos de 2000 mAh descargada en 5 minutos supone una corriente media de 24A. Se emplean por ello cables de gran sección:
  • Conectores aptos para fuertes corrientes hacia la batería (ver conectores).
  • Conexiones firmemente soldadas en los cables al motor.

Los modernos ESC's resuelven todo ello con una electrónica sofisticada, y utilizando transistores FET ("field effect transistor") de potencia, dispuestos en paralelo.

Asimismo, los modernos ESC's, alimentados con el paquete de baterías de 6 elementos (7.2V) incluyen un regulador para suministrar 6V a receptor y servo de dirección: la batería de tracción es también la del equipo de radio, y mientras el coche se mueva habrá control (si la batería se agotara completamente, no habría control, pero el coche no se movería). Deberemos asegurarnos de que la corriente que suministra dicho regulador es suficiente: 1A puede ser escaso para un servo de dirección rápido; 2A debe ser suficiente.

Ajustes.

Hay que tener en cuenta que el ESC conoce sólo de forma aproximada la anchura de pulso. Por tanto debe al menos permitir ajustar:

• Anchura de pulso por debajo de la cual no conduce.
• Anchura de pulso por encima de la cual conduce continuamente.

Otro ajuste interesante es la limitación de par: en la práctica, es muy recomendable en las aceleraciones una limitación de par motor ("torque control") a través de una limitación de corriente, lo que hará que el coche sea más dócil y gobernable, y el paquete de pilas durará algunos segundos más.

Existen ESC's completamente programables, programándose estos y otros parámetros, incluso haciendo que varíen a lo largo del tiempo que dura el paquete de baterías.Por ejemplo, pueden programarse:

• Posiciones del mando de acelerador/freno:
  • Velocidad máxima.
  • Ajuste neutro (coche parado).
  • Frenada máxima.
• Arranque lento o brusco: limitación del fuerte par de arranque ("torque control") inherente a un motor eléctrico de corriente continua, particularmente en parado o a baja velocidad.
• Intensidad de frenada.

Otras consideraciones.

• Freno: el freno sencillo es por resistencia al motor, similar al usado en "slot"; el ESC introducirá dicha resistencia. Podemos regularlo desde la emisora, o puede que el ESC permita su regulación. Es concebible freno por recuperación de energía, pero ello requiere complicación electrónica; es posible que algún ESC la incorpore.
• Marcha atrás: obtenida por inversión de tensión, puede estar prohibida por reglamentación. No obstante, no sería posible con la disposición sencilla de transistores antes indicada. Si se utiliza un control del motor similar al del motor de un servo, se necesitarían más transistores y habría más caídas de tensión; por tanto, es preferible mejorar la conducción y no engancharse en los obstáculos. Una buena solución práctica es que el regulador electrónico inserte primero el freno y, si la acción en la emisora dura suficientemente, inserte marcha atrás.
• Disipación: por eficiente que sea el regulador, habrá unas pérdidas inevitables en sus transistores. Cuanto mejor sea su refrigeración, más nos durará el regulador. Asimismo, conviene vigilar su temperatura, pues una elevación de la misma puede indicar una avería del coche.
• Diodo "Scottky": es un diodo de baja caída que se suele soldar a los terminales del motor (cánodo, marcado con raya o similar en diodo, a positivo). Evita la brusca interrupción de corriente en el motor, por lo que protege al ESC de la inductancia inevitable asociada al motor.
• Condensadores supresores de interferencias: pareja de condensadores cerámicos a soldar una patilla a los terminales del motor, y la otra en común a la carcasa del motor. Previenen que el chisporroteo debido al colector interfiera al equipo de radio o al ESC.
• En la elección del ESC debemos considerar:
  • Si debe tener o no marcha atrás: no la tendrán los destinados a competición.
  • Adecuación al número de vueltas del motor: un motor de 7 vueltas requerirá un ESC de mayor capacidad de corriente que otro de 11 ó 13 vueltas.
  • Adecuación al número de elementos de la batería: los destinados a competición utlizarán batería de seis elementos (7.2V) pero en otros usos pueden utilizarse paquetes de baterías de más elementos, y los transistores del ESC deberán conmutar tensiones más elevadas.

    Equivalencia AWG - mm

    AWG	Diámetro  (mm)	Área (mm2)		AWG	Diámetro  (mm)	Área (mm2)
    1	7.35	42.40		16	1.29	1.31
    2	6.54	33.60		17	1.15	1.04
    3	5.86	27.00		18	1.024	0.823
    4	5.19	21.20		19	0.912	0.653
    5	4.62	16.80		20	0.812	0.519
    6	4.11	13.30		21	0.723	0.412
    7	3.67	10.60		22	0.644	0.325
    8	3.26	8.35		23	0.573	0.259
    9	2.91	6.62		24	0.511	0.205
    10	2.59	5.27		25	0.455	0.163
    11	2.30	4.15		26	0.405	0.128
    12	2.05	3.31		27	0.361	0.102
    13	1.83	2.63		28	0.321	0.0804
    14	1.63	2.08		29	0.286	0.0646
    15	1.45	1.65		30	0.255	0.0503
    AWG: American Wire Gauge

Mini RC.

Para modificaciones "Multi FET" como la aquí descrita Luis 607 994 819 (España).

a) Conexionado
b) Marcha alante	a) Marcha atrás

El regulador electrónico usado comúnmente en Mini RC incluye marcha atrás. Los transistores FET se conectan al motor en H según se indica en a); en b) y c) se indican los transistores que conducen para cada sentido de marcha. Los transistores se hacen conducir mediante pulsos de tensión en las puertas G, que son próximos a 0V para las puertas G2 de los transistores de canal P superiores, y próximos a 4.8V para las puertas G1 de los transistores de canal N inferiores. Para baja velocidad los pulsos serán de corta duración; si ésta se aumenta aumentará la velocidad, y si la conducción es continua la velocidad será máxima.

Cada dos transistores del circuito en H se contienen en un circuito integrado según se indica, denominado "doble transistor FET en canal N y P". El uso de motores potenciados requiere la sustitución de los transistores que vienen de serie por otros de menor resistencia, y a su vez se colocan varios en paralelo (normalmente 5+5). Colocar varios transistores en paralelo tiene las siguientes ventajas:

• Reparto de corriente. Si utilizamos un motor potenciado, posiblemente superemos las especificaciones de la corriente admitida por un solo transistor. Si ponemos dos en paralelo, la corriente por cada uno será la mitad (idealmente), si ponemos tres la tercera parte, etc. La corriente por cada transistor se reduce drásticamente.
• Menor resistencia efectiva del circuito (RP y RN se reducen en el circuito equivalente simplificado).

La tabla indica posibles componentes alternativos, indicando sus características en condiciones cercanas a las de utilización en Mini RC.

Probablemente, el componente utilizado de serie será el Hitachi HAT3004R. Nótese que el HAT3006R del mismo fabricante y el Infineon BSO215C darán mejoras marginales, particularmente poniendo varios en paralelo, pero es recomendable sustituirlos por el Fairchild FDS4501, Vishay Si4562DY, NEC µPA1792 ó el International Rectifier IRF7389.

a) Apariencia		b) Vista lateral	c) Vista frontal. Las soldaduras a las patillas 1 y 3 han de reforzarse.
d) IRF7389	e) Torres: patillas 1 a 4	e) Torres: patillas 5 a 8, que pueden soldarse entre sí		f) Torres soldadas

En las figuras anteriores se indica:

• a) Aspecto de estos integrados y la identificación de patillas (el punto indica la patilla 1); nótese que son componentes de montaje superficial de muy pequeño tamaño (separación de patillas 1.27 mm ó 0.05"), por lo que sólo debemos acometer la operación de sustitución si tenemos experiencia en soldadura con estaño.
• b) Aspecto de una torre de cinco en paralelo; se habrán de desdoblar las patillas de cuatro de ellos y soldarlos entre sí, cuidando de no invertir de posición ninguno de ellos.
• c) Vista frontal de la torre; si según el modelo no se tiene suficiente espacio, la torre deberá ser de cuatro integrados, y se doblarán las patillas de los integrados superiores. Es importante reforzar las soldaduras de las patillas 1 y 3, por soportar toda la corriente del motor; puede hacerse con dos hilos de cobre soldados de arriba a abajo.
• d) Aspecto real del IRF7389.
• e) Aspecto de la torre inclinada, patillas 1 a 4.
• f) Aspecto de la torre inclinada, patillas 5a 8; obsérvese que según el esquema eléctrico éstas son las patillas D (drenador), que pueden unirse entre sí.
• f) Se muestran las torres soldadas, sustituyendo a los integrados originales.

Para la operación de retirada de los componentes originales y soldadura de las torres deberemos disponer de un soldador de 10W de punta muy fina (o bien de equipo de soldadura de componentes de montaje superficial). Una vez preparadas las torres, procederemos como sigue:

• Se desoldarán los componentes originales, calentando primero las cuatro patillas de un lado y levantándolas. Se hará después lo mismo en el lado opuesto.
• Se retirará el estaño sobrante en los contactos con ayuda de trencilla absorbedora de estaño.
• Se deben soldar primero los integrados entre sí, y después el integrado inferior al circuito impreso. Nótese que las patillas 5, 6, 7 y 8 de los integrados de cada torre pueden soldarse entre sí. Para asegurar la soldadura de las patillas 1 a 4 conviene soldar uno o dos hilos de cobre en paralelo con las patillas del integrado inferior al superior; nótese que aunque por las patillas G 2 y 4 (puertas) la corriente será despreciable, por las patillas S 1 y 3 (fuente) circulará una corriente importante (la del motor), y si no se refuerza la soldadura será el integrado inferior el que soporte toda la corriente.
• Se soldarán al circuito impreso primero dos patillas opuestas, debiendo comprobarse que la torre ha quedado en posición correcta. Nótese la orientación: en el circuito impreso los terminales D (drenador) están visiblemente conectados (patillas 5-8).
• Se soldarán el resto de patillas.
• Se comprobará con ohmímetro la continuidad desde la base hasta la parte alta de la torre hasta el contacto en el circuito impreso para cada patilla.
• Conectado el motor, se comprobará que tenemos marcha alante y marcha atrás.
• Se realizarán medidas de caída de tensión como se indica a continuación.

Es común dejar soldados los integrados de serie, soldando encima los nuevos FET's. Esto es un craso error debido a que:

• Los nuevos FET's ofrecerán menor resistencia que los originales, por lo que casi toda la corriente circulará por ellos. Los FET's originales lo único que harán será ocupar espacio.
• Conviene hacer una soldadura cuidadosa, reforzando como se ha dicho las conexiones, particularmente en las patillas 1 y 3. Ello debe hacerse preparando las torres externamente; es imposible hacerlo manteniendo los FET's de serie.

En la figura, RI indica la resistencia interna de las baterías, y RP y RN las resistencias equivalentes a las caídas de los transistores P y N que conducen. Utilizando baterías completamente cargadas y un voltímetro digital, haciendo girar el motor en vacío y acelerando hacia adelante a tope (conducción continua), mediremos las caídas de tensión V1 desde el polo positivo de las baterías hasta el polo positivo del motor (caída en transistores P), y V2 desde el polo negativo del motor hasta el polo negativo de las baterías. V1 y V2 indicarán las caídas en los transistores; deben ser alrededor de 50 mV (0.050V), aunque V1 puede ser algo mayor por incluir al interruptor general Si obtuviéramos resultados muy distintos, podría ocurrir que la emisora no produjese pulso de anchura suficiente para que el regulador llegara a conducción continua. Si la emisora no dispone de regulación suficiente para alcanzarla, podremos aumentar la amplitud del movimiento de acelerador rebajando plástico en el mando de acelerador de la emisora con la Dremel y una punta adecuada.

Nótese que están disponibles comercialmente modificaciones equipolentes consistentes en soldar en paralelo FET's externos de mayor tamaño (modificación conocida como "Turbo"). Se recomienda la modificación aquí descrita (conocida como "Multi FET") por resultar menos engorrosa y más compacta.

Para modificaciones "Multi FET" como la aquí descrita Luis 607 994 819 (España).

Evolución.

A partir del año 2001 se han popularizado los motores eléctricos sin colector en el mundo R/C, lo que ha obligado a un cambio en el concepto tradicional del ESC. Todo lo expuesto anteriormente es válido, pero la función principal del ESC será generar frecuencia variable en función de la anchura de pulso enviada desde la emisora.

En los nuevos motores sin colector el estátor está constituído por las bobinas y el rotor por los imanes. El ESC va conmutando la corriente de las baterías por dichas bobinas a gran velocidad, dependiendo ésta de la anchura de pulso, generando así un campo magnético giratorio que hace girar el rotor (imanes). El ESC está basado en microprocesador, y normalmente va integrado en un conjunto con el motor.

Se produce un aumento de rendimiento al prescindir del colector, y por tanto de sus pérdidas mecánicas, de calor y de chisporroteo. Asimismo se tienen motores sin mantenimiento: las operaciones de sustitución de escobillas y torneado de colectores pasan a la historia.

La aparición de las baterías de polímero de litio ("LiPo"), muy ligeras y de mayor tensión por elemento (3.7V, frente a 1.2V de NiCd y NiMH), han contribuído a la difusión de los motores eléctricos sin colector, cuyas principales aplicaciones en R/C son:

• Vuelo eléctrico (aviones y helicópteros).
• Coches en escalas Mini RC 1/18 y 1/16, en pista y todo terreno.

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Última actualización de esta página 06/06/12