¿Qué es la ondulación del par y cómo afecta a las aplicaciones de movimiento lineal?

El par de torsión contribuye a la ondulación del par.

Los motores producen par y rotación mediante la interacción de los campos magnéticos del rotor y el estator. En un motor ideal, con componentes mecánicos perfectamente mecanizados y ensamblados y campos eléctricos que se generan y decaen instantáneamente, la producción de par sería perfectamente suave, sin variaciones. Pero en el mundo real, hay una variedad de factores que hacen que la salida de par sea inconsistente, aunque sea por una pequeña cantidad. Esta fluctuación periódica en el par de salida de un motor energizado se denomina ondulación del par.

Matemáticamente, la ondulación del par se define como la diferencia entre el par máximo y el mínimo producido en una revolución mecánica del motor, dividido por el par medio producido en una revolución, expresado en porcentaje.

En las aplicaciones de movimiento lineal, el principal efecto de la ondulación del par es que hace que el movimiento sea inconsistente. Y como el par del motor es necesario para acelerar un eje a una velocidad determinada, la ondulación del par puede causar una ondulación de la velocidad, o un movimiento "brusco". En aplicaciones como el mecanizado y la dispensación, este movimiento incoherente puede tener un efecto significativo en el proceso o el producto final, como variaciones visibles en los patrones de mecanizado o en el grosor de los adhesivos dispensados. En otras aplicaciones, como el pick and place, la ondulación del par y la suavidad del movimiento pueden no ser un problema de rendimiento crítico. Es decir, a menos que la rugosidad sea lo suficientemente grave como para causar vibraciones o ruido audible, especialmente si las vibraciones excitan las resonancias en otras partes del sistema.

La cantidad de ondulación del par que produce un motor depende de dos factores principales: la construcción del motor y su método de control.

Construcción del motor y par de torsión

Los motores que utilizan imanes permanentes en sus rotores, como los motores de CC sin escobillas, los motores paso a paso y los motores síncronos de CA, experimentan un fenómeno conocido como par de torsión. El par de engranaje (a menudo denominado par de retención en el contexto de los motores paso a paso) está causado por la atracción del rotor y los dientes del estator en determinadas posiciones del rotor.

Aunque normalmente se asocia con las "muescas" que pueden sentirse cuando se gira un motor sin potencia con la mano, el par cogging también está presente cuando el motor está alimentado, en cuyo caso contribuye a la ondulación del par del motor, especialmente durante el funcionamiento a baja velocidad.

Hay formas de mitigar el par de arrastre y la producción de par desigual que resulta de él: optimizando el número de polos y ranuras magnéticas, y sesgando o dando forma a los imanes y ranuras para crear un solapamiento de una posición de retención a la siguiente. Y un nuevo tipo de motor de corriente continua sin escobillas, el diseño sin ranuras o sin núcleo, elimina el par de arrastre (aunque no la ondulación del par) utilizando un núcleo de estator bobinado, por lo que no hay dientes en el estator que creen fuerzas periódicas de atracción y repulsión con los imanes del rotor.

Conmutación del motor y ondulación del par

Los motores de CC sin escobillas de imanes permanentes (BLDC) y los motores síncronos de CA suelen diferenciarse por la forma en que se enrollan sus estatores y el método de conmutación que utilizan. Los motores de CA síncronos de imanes permanentes tienen estatores bobinados de forma sinusoidal y utilizan una conmutación sinusoidal. Esto significa que la corriente que llega al motor se controla de forma continua, por lo que la salida de par se mantiene muy constante con una baja ondulación de par.

Para aplicaciones de control de movimiento, los motores de CA de imanes permanentes (PMAC) pueden utilizar un método de control más avanzado conocido como control orientado al campo (FOC). Con el control orientado al campo, la corriente de cada devanado se mide y controla de forma independiente, por lo que el rizado del par se reduce aún más. Con este método, el ancho de banda del bucle de control de corriente y la resolución del dispositivo de retroalimentación también afectan a la calidad de la producción de par y a la cantidad de ondulación del par. Además, los algoritmos avanzados de los servoaccionamientos pueden reducir aún más, o incluso eliminar, el rizado de par en aplicaciones extremadamente sensibles.

A diferencia de los motores PMAC, los motores de CC sin escobillas tienen estatores con devanado trapezoidal y suelen utilizar una conmutación trapezoidal. Con la conmutación trapezoidal, tres sensores Hall proporcionan información sobre la posición del rotor cada 60 grados eléctricos. Esto significa que la corriente se aplica a los devanados en forma de onda cuadrada, con seis "pasos" por ciclo eléctrico del motor. Pero la corriente en los devanados no puede aumentar (o disminuir) instantáneamente debido a la inductancia de los devanados, por lo que las variaciones de par se producen en cada paso, o cada 60 grados eléctricos.

Dado que la frecuencia de la ondulación del par es proporcional a la velocidad de giro del motor, a velocidades más altas, la inercia del motor y de la carga puede servir para suavizar los efectos de este par inconsistente. Los métodos mecánicos para reducir la ondulación del par en los motores BLDC incluyen el aumento del número de devanados en el estator o el número de polos en el rotor. Y los motores BLDC, al igual que los motores PMAC, pueden utilizar un control sinusoidal o incluso un control orientado al campo para mejorar la suavidad de la producción de par, aunque estos métodos aumentan el coste y la complejidad del sistema.