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Retroalimentación de los motores paso a paso para un mejor posicionamiento y sujeción (y menos timbre)

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PREGUNTAS Y RESPUESTAS

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Los motores paso a paso son la mejor opción para muchas aplicaciones de control de movimiento y posición. Están disponibles en una amplia gama de tamaños y valores de par, y son mucho más baratos que los servomotores de gama alta. Por tanto, vamos a hablar de cómo aumentar el rendimiento de los motores paso a paso hasta el de los servomotores añadiendo dispositivos de realimentación. Los motores paso a paso equipados con realimentación no son un sustituto completo de los servomotores, pero pueden proporcionar una alternativa fiable para muchas aplicaciones del mundo real. Estas soluciones de diseño de movimiento mejoran el rendimiento de la máquina sin que ello suponga un gasto excesivo.

Ventajas e inconvenientes de los motores paso a paso
Los motores paso a paso son motores eléctricos de CC sin escobillas que se mueven por pasos discretos en lugar de realizar un movimiento rotativo de barrido continuo. Estos movimientos escalonados son impulsados por desplazamientos del campo magnético por conjuntos de bobinas electromagnéticas en el estator. El funcionamiento de los motores paso a paso depende de un controlador, un dispositivo electrónico que suministra corriente a las bobinas del estator del motor en una secuencia que impulsa los movimientos escalonados. Las capacidades del controlador tienen un impacto significativo en el rendimiento del motor.

Hay varios tipos de motores paso a paso disponibles, pero las variedades más comunes ofrecen una buena resolución (200 pasos por revolución o mejor), así como un par respetable a baja velocidad, una construcción robusta, una larga vida útil y un coste relativamente bajo. Sin embargo, tienen sus limitaciones. El par disminuye a velocidades de giro más altas y (con controladores sencillos) los motores paso a paso pueden sufrir vibraciones de alta frecuencia. El mayor inconveniente es que, incluso en aplicaciones de posicionamiento, los sistemas básicos de motores paso a paso funcionan con control de bucle abierto.

Los motores paso a paso responden a las instrucciones del controlador para moverse un determinado número de pasos, pero no envían información al controlador sobre si se ha completado el movimiento. Por lo tanto, si el motor no completa los movimientos por pasos solicitados, puede surgir una discrepancia cada vez mayor entre lo que el controlador asume como la posición giratoria del eje del motor y la posición real del eje (y cualquier carga o mecanismo accionado conectado). Estos desajustes se producen cuando el par del motor es insuficiente para superar la resistencia mecánica... y, de hecho, estos desajustes pueden convertirse en un problema importante a altas revoluciones, porque es entonces cuando la capacidad de salida de par del motor es limitada. Por este motivo, los ingenieros de diseño a menudo sobreespecifican los motores paso a paso, para evitar pasos en falso, aunque esto suponga seleccionar motores paso a paso demasiado grandes y pesados para los perfiles de movimiento más exigentes.

Otro inconveniente es que cuando un motor paso a paso de aplicación tradicional se detiene, debe circular corriente por los bobinados del motor para mantener el eje del motor paso a paso en su posición. Esto consume energía eléctrica y calienta los bobinados del motor y los subcomponentes circundantes.

Información sobre los sistemas de motor paso a paso para un posicionamiento fiable
Al añadir codificadores a un sistema de motor paso a paso para obtener realimentación de la posición del eje, se cierra básicamente el bucle de control. Añadir estos dispositivos de realimentación aumenta el coste total del sistema, pero no tanto como cambiar a un servomotor.

Un método para añadir la realimentación del encóder es operar en modo mover y verificar. En este caso, se añade un codificador incremental simple al eje de cola del motor paso a paso. Entonces, cuando el controlador emite comandos de paso al motor, el encoder verifica continuamente al controlador que se han producido los movimientos ordenados. Si el motor no completa el número de pasos solicitado, el controlador puede solicitar más pasos hasta que el motor alcance la posición deseada. Los controladores más sofisticados también aumentan la corriente de fase en el motor como una forma de aumentar el par para hacer esos pasos adicionales.

Los encóderes utilizados en estas configuraciones de movimiento y verificación suelen tener resoluciones múltiplos de 200 posiciones por revolución.

Tenga en cuenta que las configuraciones que emplean modos de movimiento y verificación pueden seguir beneficiándose de la inclusión de motores sobredimensionados, pero no sobredimensionados en el grado requerido por los sistemas simples de bucle abierto.

También hay que tener en cuenta que este modo puede ayudar a los controladores inteligentes a ajustar con precisión las corrientes de retención en el motor para mejorar ligeramente la eficiencia durante la parada... aunque el consumo total de energía sigue siendo elevado.

Control paso a paso en bucle cerrado con encóderes absolutos
Otra opción algo más sofisticada para aplicaciones críticas de control de posición es el control en bucle cerrado completo con encóderes absolutos multivuelta. Los encóderes utilizados en este caso se fijan al eje de cola de un motor paso a paso para controlar:

1. La posición angular del motor paso a paso, así como
2. El número de vueltas completas del motor paso a paso.

En esta configuración, el motor paso a paso se controla como un motor cc sin escobillas (bldc) de alto número de polos... y el codificador proporciona continuamente información de posición al controlador. La corriente de retención suministrada al motor se ajusta entonces exactamente a la cantidad necesaria para mantener la posición dentro de una tolerancia de posición dada. Un motor paso a paso controlado como un servomotor sin escobillas es energéticamente eficiente y menos costoso que un verdadero servomotor bldc. Entonces, ¿por qué no utilizar motores paso a paso de bajo coste para todas las aplicaciones de servomotores bldc?

Pues bien, los motores paso a paso utilizados en servosistemas de bucle cerrado tienen una limitación física que no se encuentra en los servomotores BLDC reales. Más concretamente, los motores paso a paso utilizados de este modo funcionan esencialmente como motores sin escobillas de 50 polos, por lo que no pueden alcanzar las r.p.m. posibles con los servomotores. Además, los rotores de los motores paso a paso tienen mayor inercia que los de los verdaderos servomotores BLDC de potencia equivalente... por lo que no pueden ofrecer las mismas aceleraciones.

Cuando se utiliza un motor paso a paso en modo bldc, el encóder desempeña una función de conmutación vital: informa de la posición giratoria exacta del eje del motor, lo que a su vez permite al controlador activar el conjunto adecuado de electroimanes del estator para una rotación continua según sea necesario. Además, los encóderes absolutos de precisión también pueden ayudar a los controladores de micropasos avanzados a ajustar la corriente de fase para reducir el zumbido (vibración) que se produce en los sistemas de motor paso a paso más básicos.