Com funcionen els motors

La idea

Un corrent dins d’un camp magnètic rep una força (força de Lorentz). Un motor és una bobina i un imant col·locats perquè aquesta força faci girar un eix. El truc és canviar el corrent en el moment just (commutació, commutation).

Dues magnituds: parell (quant empeny) i velocitat.

Motor DC

• τ = Kt · I: més corrent, més força.
• V = Ke · ω + R · I: quan gira, el motor genera una tensió en contra (back-EMF) proporcional a la velocitat.
• Sense càrrega, la velocitat segueix la tensió (ω ≈ V / Ke).
• Bloquejat (stall, ω = 0), el corrent és V / R: màxim, i el motor s’escalfa.
• Pont en H (H-bridge): quatre interruptors que inverteixen la polaritat i, amb ella, el sentit de gir.
• PWM: encens i apagues la tensió molt de pressa i el motor «veu» la mitjana. El duty cycle és el percentatge de temps encès.

Stepper

Es mou per passos (típicament 200 per volta, d’1,8° cadascun; amb microstepping, més fins). El controlador compta passos, no els mesura: si li demanes massa velocitat o càrrega, perd passos i ningú no se n’adona. Va molt bé en impressores 3D i és arriscat a l’articulació d’un robot.

Brushless (BLDC)

Els imants van al rotor i les bobines, quietes, a l’estator; una electrònica les encén per ordre. Necessita saber on és el rotor (sensors Hall o un encoder). És el motor de les articulacions d’humanoides i robots quadrúpedes. El FOC (field-oriented control) fa el gir suau i controla directament el parell.

Servo

Motor + reductora + encoder + controlador en una capsa. Li dones una posició, no una tensió; a dins hi ha un llaç tancat (vegeu PID).

A la demo

• DC: inverteix el sentit, passa a PWM i puja la càrrega fins al stall: el corrent puja i la velocitat cau.
• Stepper: puja la velocitat o la càrrega fins que els passos reals se separen dels ordenats.
• BLDC: mira com la seqüència de bobines segueix el rotor.

Preguntes típiques

Per què no fer servir sempre un stepper, que és més barat? Perquè és llaç obert: no saps si ha perdut passos. Per a una impressora ja va bé; per a un braç o una cama que xoca amb coses, cal mesurar.