Ver traducción automática
Esta es una traducción automática. Para ver el texto original en inglés haga clic aquí
#Tendencias de productos
{{{sourceTextContent.title}}}
¿Qué motores son los mejores: servos o steppers?
{{{sourceTextContent.subTitle}}}
Velocidad, par y precisión.
{{{sourceTextContent.description}}}
Los motores paso a paso de bucle cerrado pueden ser la mejor opción para las tareas que suelen realizar los servos, ya que los motores paso a paso tradicionales no podrían realizarlas.
Una de las decisiones más críticas que pueden tomar los ingenieros al diseñar cualquier tipo de proceso de control de movimiento es la elección del motor. Obtener el motor adecuado, tanto en términos de tipo como de tamaño, es imprescindible para la eficacia operativa de la máquina final. Además, garantizar que el motor no se salga del presupuesto es siempre una preocupación primordial.
Una de las primeras preguntas que hay que responder para tomar la decisión es: ¿Qué tipo de motor sería el mejor? ¿La aplicación requiere un servomotor de alto rendimiento? ¿Sería mejor un motor paso a paso de bajo coste? ¿O tal vez haya una tercera opción intermedia a tener en cuenta?
Las respuestas comienzan con las necesidades de la aplicación específica. Hay muchos factores que hay que tener en cuenta antes de determinar el tipo de motor ideal para una aplicación determinada.
Los requisitos
¿Cuántos ciclos por minuto necesita hacer el motor? ¿Cuál es el par necesario? ¿Cuál es la velocidad máxima necesaria?
Estas preguntas críticas no se pueden responder simplemente eligiendo un motor con una potencia determinada.
La potencia de un motor es la combinación de par y velocidad, que puede calcularse multiplicando la velocidad, el par y una constante.
Sin embargo, debido a la naturaleza de este cálculo, hay muchas combinaciones diferentes de par y velocidad que darán una potencia específica. Así, diferentes motores con potencias similares pueden funcionar de forma diferente debido a la combinación de velocidad y par que ofrecen.
Los ingenieros deben saber a qué velocidad debe moverse una carga de cierto tamaño antes de elegir con seguridad el motor que mejor funcione. El trabajo que se va a realizar también debe estar dentro de la curva de par/velocidad del motor. Esta curva muestra cómo varía el par de un motor durante su funcionamiento. Utilizando las hipótesis del "peor caso" (en otras palabras, determinando la cantidad máxima/mínima de par y velocidad que requerirá el trabajo), los ingenieros pueden estar seguros de que el motor elegido tiene una curva de par/velocidad suficiente.
La inercia de la carga es otro factor que debe tenerse en cuenta antes de entrar en el proceso de toma de decisiones para elegir un motor. Hay que calcular la relación de inercia, que es la comparación entre la inercia de la carga y la inercia del motor. Una regla general dice que si la inercia de la carga es superior a 10 veces la del rotor, el ajuste del motor puede ser más difícil y el rendimiento puede verse afectado. Pero esta regla varía no sólo de una tecnología a otra, sino de un proveedor a otro e incluso de un producto a otro. El grado de criticidad de una aplicación también afectará a esta decisión. Algunos productos soportan relaciones de hasta 30 a 1, mientras que las transmisiones directas funcionan hasta 200 a 1. A mucha gente no le gusta dimensionar un motor que supere una relación de 10 a 1.
Por último, ¿existen limitaciones físicas que restrinjan un determinado motor sobre otro? Los motores tienen diferentes formas y tamaños. En algunos casos, los motores son grandes y voluminosos, y hay ciertas operaciones que no pueden albergar un motor de cierto tamaño. Antes de tomar una decisión informada sobre el mejor tipo de motor, hay que reconocer y comprender estas especificaciones físicas.
Una vez que los ingenieros responden a todas estas preguntas -velocidad, par, potencia, inercia de la carga y limitaciones físicas- pueden determinar el tamaño de motor más eficiente. Sin embargo, el proceso de toma de decisiones no se detiene ahí. Los ingenieros también deben averiguar qué tipo de motor se adapta mejor a la aplicación. Durante años, la elección del tipo se reducía a una de las dos opciones para la mayoría de las aplicaciones: un servomotor o un motor paso a paso de bucle abierto.
Servomotores y motores paso a paso
Los principios de funcionamiento de los servomotores y los motores paso a paso de bucle abierto son similares. Sin embargo, hay diferencias clave entre ambos que los ingenieros deben comprender antes de decidir qué motor es el ideal para una aplicación determinada.
En los sistemas servo tradicionales, un controlador envía órdenes al accionamiento del motor a través de impulsos y dirección o una orden analógica relacionada con la posición, la velocidad o el par. Algunos controles pueden utilizar un método basado en bus, que en los controles más recientes suele ser un método de comunicación basado en Ethernet. El accionamiento envía entonces la corriente adecuada a cada fase del motor. La retroalimentación del motor vuelve al accionamiento del motor y, si es necesario, al controlador. El accionamiento se basa en esta información para conmutar correctamente el motor y enviar una buena información sobre la posición dinámica del eje del motor. Así, los servomotores se consideran motores de bucle cerrado y contienen codificadores incorporados, y los datos de posición se envían con frecuencia al controlador. Esta retroalimentación proporciona al controlador un mayor control sobre el motor. El controlador puede realizar ajustes en las operaciones, en diversos grados, si algo no está funcionando como debería. Este tipo de información crucial es una ventaja que los motores paso a paso de bucle abierto no pueden ofrecer.
Los motores paso a paso también funcionan con comandos enviados al accionamiento del motor para dictar la distancia recorrida y la velocidad. Normalmente, esta señal es un comando de paso y dirección. Sin embargo, los motores paso a paso de bucle abierto no pueden proporcionar retroalimentación a los operadores, por lo que sus controles no pueden evaluar adecuadamente una situación y realizar ajustes para mejorar el funcionamiento del motor.
Por ejemplo, si el par de un motor no es suficiente para manejar la carga, el motor puede calarse o perder ciertos pasos. Cuando esto ocurre, no se alcanza la posición objetivo. Teniendo en cuenta las características de bucle abierto del motor paso a paso, este posicionamiento inexacto no se transmitirá adecuadamente al controlador para que pueda realizar ajustes.
El servomotor parece tener claras ventajas en términos de eficiencia y rendimiento, así que ¿por qué alguien elegiría un motor paso a paso? Hay un par de razones. La más común es el precio; los presupuestos operativos son consideraciones importantes a la hora de tomar cualquier decisión de diseño. A medida que los presupuestos se ajustan, hay que tomar decisiones para reducir los costes innecesarios. Esto no sólo se refiere al coste del propio motor, sino que el mantenimiento rutinario y de emergencia suele ser menos costoso en el caso de los motores paso a paso que en el de los servos. Por tanto, si las ventajas de un servomotor no justifican sus costes, un motor paso a paso estándar puede ser suficiente.
Desde un punto de vista puramente operativo, los motores paso a paso son notablemente más fáciles de usar que los servomotores estándar. El funcionamiento de un motor paso a paso es mucho más sencillo de entender y más fácil de configurar. La mayoría del personal estará de acuerdo en que, si no hay razón para complicar demasiado las operaciones, hay que mantener las cosas simples.
Las ventajas que ofrecen los dos tipos de motores son muy diferentes. Los servomotores son ideales si se necesita un motor con velocidades superiores a 3.000 rpm y un par elevado. Sin embargo, para una aplicación que sólo requiere velocidades de unos cientos de rpm o menos, un servomotor no es siempre la mejor opción. Los servomotores pueden ser excesivos para aplicaciones de baja velocidad.
En las aplicaciones de baja velocidad, los motores paso a paso son la mejor solución posible. Los motores paso a paso no sólo son repetibles a la hora de detenerse, sino que también están diseñados para funcionar a baja velocidad mientras proporcionan un alto par. Por la propia naturaleza de este diseño, los motores paso a paso pueden controlarse y funcionar hasta sus límites de velocidad. El límite de velocidad de los motores paso a paso típicos suele ser inferior a 1.000 rpm, mientras que los servomotores pueden tener velocidades nominales de hasta 3.000 rpm y superiores, a veces incluso superiores a 7.000 rpm.
Si un motor paso a paso está correctamente dimensionado, puede ser la elección perfecta. Sin embargo, cuando un motor paso a paso está funcionando en una configuración de bucle abierto y algo va mal, los operadores pueden no obtener todos los datos que necesitan para solucionar el problema.
Cómo resolver el problema del bucle abierto
En las últimas décadas, se han ofrecido varios enfoques diferentes para resolver los problemas tradicionales de los motores paso a paso de bucle abierto. Uno de los métodos consistía en dirigir el motor hacia un sensor al encenderlo, o incluso varias veces durante una aplicación. Aunque es sencillo, esto ralentiza las operaciones y no capta los problemas que surgen durante los procesos operativos normales.
Otro método es añadir retroalimentación para detectar si el motor se cala o está fuera de posición. Los ingenieros de las empresas de control de movimiento crearon funciones de "detección de calado" y "mantenimiento de posición". Incluso ha habido algunos enfoques que van más allá y tratan a los motores paso a paso como servos, o al menos los imitan con algoritmos de lujo.
En el gran espectro de los motores -entre los servos y los motores paso a paso de bucle abierto- se encuentra una tecnología algo nueva conocida como motor paso a paso de bucle cerrado. Es la mejor y más rentable manera de resolver el problema de las aplicaciones que requieren precisión posicional y bajas velocidades. Aplicando dispositivos de retroalimentación de alta resolución para cerrar el bucle, los ingenieros pueden disfrutar de "lo mejor de ambos mundos"
Los motores paso a paso de bucle cerrado ofrecen todas las ventajas de los motores paso a paso: facilidad de uso, simplicidad y la capacidad de funcionar de forma constante a bajas velocidades con una parada precisa. Además, siguen ofreciendo las capacidades de retroalimentación de los servomotores. Por suerte, no tienen que venir con la mayor desventaja de los servomotores: el precio más elevado.
La clave siempre ha estado en el funcionamiento de los motores paso a paso de bucle abierto. Suelen tener dos bobinas, a veces cinco, con un acto de equilibrio magnético entre ellas. El movimiento altera este equilibrio y hace que el eje del motor se retrase eléctricamente, pero el operador no puede saber cuánto se retrasa. El punto de parada es repetible para los motores paso a paso de bucle abierto, pero no para todas las cargas. La colocación de un codificador en el motor paso a paso y su conversión en un bucle cerrado proporciona cierto control dinámico. Esto permite a los operarios detenerse en un punto exacto bajo cargas variables.
Estas ventajas de utilizar motores paso a paso de bucle cerrado para determinadas aplicaciones han aumentado considerablemente la popularidad de estos motores en la comunidad de control de movimiento. En concreto, en dos de las industrias más destacadas, la de los fabricantes de semiconductores y la de dispositivos médicos, se está produciendo un claro aumento del uso de motores paso a paso de bucle cerrado. Los ingenieros de estas industrias deben saber exactamente dónde han colocado los motores las cargas o los actuadores, ya sea con una correa o con un husillo de bolas. La retroalimentación de bucle cerrado de estos motores paso a paso les permite saber exactamente dónde está. Estos motores paso a paso también pueden ofrecer un mejor rendimiento que los servos a velocidades más bajas.
En general, cualquier aplicación que necesite un rendimiento garantizado a un coste inferior al de un servomotor y la capacidad de funcionar a velocidades relativamente bajas es un buen candidato para los motores paso a paso de bucle cerrado.
Hay que tener en cuenta que los operadores deben asegurarse de que el accionamiento o los controles son compatibles con los motores paso a paso de bucle cerrado. Históricamente, se podía conseguir un motor paso a paso con un codificador en la parte trasera, pero el accionamiento era un accionamiento paso a paso estándar y no admitía codificadores. Había que llevar el codificador al controlador y verificar la posición al final de un movimiento determinado. Esto no es necesario con los nuevos variadores de velocidad de bucle cerrado. Los accionamientos paso a paso de bucle cerrado pueden gestionar de forma dinámica y automática el control de la posición y la velocidad sin que intervengan los controladores.