Cómo funcionan los motores

La idea

Una corriente dentro de un campo magnético siente una fuerza (fuerza de Lorentz). Un motor es una bobina y un imán colocados para que esa fuerza haga girar un eje. El truco es cambiar la corriente en el momento justo (conmutación, commutation).

Dos magnitudes: torque (cuánto empuja) y velocidad.

Motor DC

• τ = Kt · I: más corriente, más fuerza.
• V = Ke · ω + R · I: al girar, el motor genera un voltaje en contra (back-EMF) proporcional a la velocidad.
• Sin carga, la velocidad sigue al voltaje (ω ≈ V / Ke).
• Bloqueado (stall, ω = 0), la corriente es V / R: máxima, y el motor se calienta.
• H-bridge: cuatro interruptores que invierten la polaridad y, con ella, el sentido de giro.
• PWM: enciendes y apagas el voltaje muy rápido y el motor «ve» el promedio. El duty cycle es el porcentaje de tiempo encendido.

Stepper

Se mueve por pasos (típico: 200 por vuelta, 1,8° cada uno; con microstepping, más finos). El controlador cuenta pasos, no los mide: si le pides demasiada velocidad o carga, pierde pasos y nadie se entera. Va muy bien en impresoras 3D y es arriesgado en la articulación de un robot.

Brushless (BLDC)

Los imanes van en el rotor y las bobinas, quietas, en el estator; una electrónica las enciende en orden. Necesita saber dónde está el rotor (sensores Hall o un encoder). Es el motor de las articulaciones de humanoides y robots cuadrúpedos. FOC (field-oriented control) hace el giro suave y controla directamente el torque.

Servo

Motor + reductora + encoder + controlador en una caja. Le das una posición, no un voltaje; dentro hay un lazo cerrado (ver PID).

En la demo

• DC: invierte el sentido, cambia a PWM y sube la carga hasta el stall: la corriente sube y la velocidad cae.
• Stepper: sube velocidad o carga hasta que los pasos reales se separan de los ordenados.
• BLDC: mira cómo la secuencia de bobinas sigue al rotor.

Preguntas típicas

¿Por qué no usar siempre un stepper, que es más barato? Porque es lazo abierto: no sabes si ha perdido pasos. Para una impresora vale; para un brazo o una pierna que choca con cosas, necesitas medir.