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Diferencia entre accionamientos bipolares y accionamientos unipolares para motores paso a paso
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Trabajar en un desarrollo motorizado requiere algunos conocimientos sobre motores y controladores.
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Este artículo se centra en los motores paso a paso, que son un tipo de motor de corriente continua sin escobillas con un elevado número de polos. Esta tecnología se acciona generalmente en bucle abierto sin ningún sensor de retroalimentación, lo que significa que la corriente se aplica normalmente en las fases sin conocer la posición del rotor. El rotor se mueve para alinearse con el flujo magnético del estator, entonces la corriente puede ser suministrada a la siguiente fase.
Consideraremos dos formas de suministrar corriente en la bobina: la forma bipolar y la forma unipolar. En este artículo, explicaremos las diferencias de los motores bipolares y unipolares y los métodos de conducción. Mostraremos las ventajas y los límites de ambas tecnologías.
Tomemos el ejemplo de un motor paso a paso de imanes permanentes de cuatro pasos (ver figura 1). El rotor está hecho con un imán de un par de polos, y el estator está compuesto por dos fases, la fase A y la fase B.
En unipolar: la corriente circula siempre en el mismo sentido. Cada bobina está dedicada a un sentido de la corriente, es decir, se alimenta la bobina A+ o la bobina A-. Las bobinas A+ y A- nunca se alimentan juntas.
En bipolar: la corriente puede circular en ambos sentidos en todas las bobinas. Las fases A+ y A- se alimentan juntas.
Un motor bipolar requiere una bobina como mínimo por fase y un motor unipolar requiere dos bobinas como mínimo por fase. Revisemos ambas opciones con más detalle.
CONSTRUCCIÓN DEL MOTOR
UNIPOLAR
En la configuración unipolar, cada fase del motor está compuesta por dos bobinas. Con un motor bifásico compuesto por las fases A y B, el motor tiene cuatro devanados de bobina (véase la figura 2).
La fase A se compone de A+, A-
La fase B se compone de B+, B-
En cada bobina, la corriente sólo puede circular en un único sentido. Por eso lo llamamos unipolar.
En el caso del accionamiento por tensión, el sistema de control es muy sencillo porque hay un transistor (interruptor) por bobina. Cuando el transistor está cerrado, la bobina está alimentada. Para conmutar, los transistores se cierran y se abren alternativamente.
Los transistores Q1 y Q2 no pueden estar cerrados al mismo tiempo. Para alimentar la fase A, cerramos el transistor Q1 o Q2, según el sentido de la corriente que queramos trabajar (ver figura 3).
Con el control unipolar, sólo se alimenta la mitad de la fase a la vez, lo que significa que la corriente utiliza sólo la mitad del volumen de cobre. Normalmente, con el control de tensión se aplican resistencias en serie para disminuir la constante de tiempo eléctrica (ver más detalles a continuación).
BIPOLAR
Los motores bipolares sólo necesitan un bobinado por fase. Lo llamamos bipolar porque la corriente puede ir en ambas direcciones por bobina. Para el control se necesitan ocho transistores con dos puentes H (véase la figura 4).
Para realizar la conmutación, los transistores se cierran y se abren alternativamente como se muestra a continuación (véase la figura 5).
La ventaja de un accionamiento bipolar es que se utiliza todo el cobre por fase.
Estos accionamientos bipolares se utilizan tanto en accionamiento de tensión como en fuente de corriente. En el caso de la fuente de corriente, normalmente la corriente en cada fase se controla con una modulación de ancho de pulso (PWM).
VENTAJAS Y LÍMITES
ACCIONAMIENTO EN TENSIÓN
En el caso del accionamiento por tensión, el control de los motores unipolares es muy fácil, ya que requiere una simple electrónica con cuatro transistores. Se trata de una solución muy rentable. Los ingenieros solían interesarse por este tipo de solución hace muchos años, cuando los componentes electrónicos eran más caros que hoy.
Los motores bipolares se pueden accionar con un accionamiento por tensión; requiere puentes de 2H.
ACCIONAMIENTO POR CORRIENTE
Para el accionamiento por corriente, se recomienda elegir un modo bipolar. Trabajar en accionamiento por corriente con tecnología unipolar requiere una solución electrónica más compleja para obtener menores prestaciones del motor que con un driver bipolar.
PRECAUCIÓN A TOMAR CON UN ACCIONAMIENTO EN TENSIÓN
Debido al efecto de la inductancia, la corriente necesita cierto tiempo para subir en la bobina. Tanto con unipolar como con bipolar, se puede añadir una resistencia en serie para disminuir la constante de tiempo eléctrica (L/R).
Al añadir una resistencia externa, la corriente disminuye (i= U/(R+r)). En resumen, con la resistencia adicional para la misma potencia suministrada, tendremos:
A baja velocidad, un par menor. La corriente es menor debido a la potencia en joules disipada en la resistencia externa, como el par es proporcional a la corriente, el motor entregará menos par.
A alta velocidad, un par mayor. Aunque se disipe algo de potencia en joules en la resistencia externa, el motor podrá entregar más par gracias a que la constante de tiempo eléctrica es menor y permite que la corriente suba más rápido en la bobina.
Nota: Si aumentamos la tensión de alimentación, podemos compensar la menor corriente, pero la eficiencia energética global disminuirá. El par mejora a alta velocidad y se mantiene igual a baja velocidad.
PAR DE MANTENIMIENTO
El par de retención es el par máximo que el motor puede mantener en la parada. El par de retención es proporcional a la constante de par y a la corriente en la fase.
Se puede generar un par mayor aumentando el número de vueltas de la bobina o aumentando el flujo de corriente.
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