Impacto de la velocidad en el rendimiento del par del motor paso a paso

El efecto de la velocidad en el rendimiento del par del motor paso a paso

Los motores paso a paso suelen seleccionarse para aplicaciones en las que se requiere un posicionamiento preciso, par de retención y par dinámico a bajas velocidades. También se han utilizado para proporcionar un par relativamente alto a altas velocidades, aunque esto es poco común debido a la forma en que funciona el motor paso a paso. El rendimiento del motor se mide en términos de velocidad y par dinámico generado en unas condiciones de accionamiento determinadas (tensión/corriente de entrada). El par generado en los motores paso a paso es proporcional a la corriente suministrada a las bobinas, hasta el límite de saturación; en otras palabras, cuanto mayor sea la corriente en la bobina, mayor será el par. Sin embargo, la inductancia (L) y la resistencia (R) del bobinado limitan la corriente en la bobina, limitando así la generación de par.

Comprender la constante de tiempo eléctrica

Los motores paso a paso tienen bobinados de dos fases que están montados en estatores separados. Un circuito eléctrico para una fase del motor puede representarse mediante un circuito simple como el que se muestra en la Figura 1. (Haga clic en el enlace para ver la figura en nuestro sitio web).

En los motores paso a paso, la corriente se suministra en pasos/pulsos. Idealmente, el pulso de paso de corriente es una onda cuadrada, es decir, tiempo de subida y bajada cero. Sin embargo, como se muestra en la Figura 2, la corriente muestra una respuesta exponencial dependiente del tiempo debido a la inductancia y la resistencia de la bobina. Observando la ecuación de la corriente y la Figura 2, queda claro que la corriente tarda cierto tiempo en alcanzar su valor máximo en la bobina.

La constante de tiempo (τ) del circuito LR viene dada por L/R. La constante de tiempo eléctrica se define como el tiempo necesario para que la corriente en el bobinado alcance el 63% de su valor nominal. Por ejemplo, si la corriente nominal del motor paso a paso es de 2 A por fase, y después de una constante de tiempo si la corriente en el bobinado es de 1,264 A, entonces el par de salida del motor correspondiente también será proporcionalmente menor que el par nominal a la corriente nominal.

¿Por qué los motores paso a paso dan menos par a velocidades más altas?

Para alcanzar el par nominal de salida del motor, la corriente en la bobina debe alcanzar su valor nominal. Cuando el motor funciona a bajas velocidades, hay tiempo suficiente para que la corriente alcance su valor nominal en la bobina. Esto significa que a bajas velocidades, un motor paso a paso puede proporcionar el par nominal. Sin embargo, a velocidades más altas, la constante de tiempo desempeña un papel crucial. Cuando un motor paso a paso funciona a velocidades más altas, el número de impulsos suministrados al motor en un intervalo de tiempo dado es muy alto, lo que significa que hay una menor cantidad de tiempo disponible para que la corriente alcance su valor nominal. El valor nominal de la corriente no se puede alcanzar en un devanado de fase antes de que la corriente se suministre a la siguiente fase, y como la corriente no es capaz de alcanzar su valor nominal, un motor paso a paso no puede generar el par nominal y el rendimiento disminuye a altas velocidades.

Podemos entender este fenómeno observando el motor 42M048D1B de Portescap.

La constante de tiempo para el motor seleccionado es de 0,807 ms; es decir, la corriente alcanzará el 63% de su valor nominal en 0,807 ms. El tiempo necesario para que la corriente alcance su valor nominal equivale a 5τ. En este ejemplo, este tiempo será de 4 ms, lo que corresponde a 250 PPS. Si la corriente en los devanados alcanza su valor nominal, podemos obtener el par nominal del motor.

Podemos superar esta limitación y seguir utilizando el motor paso a paso para obtener el par necesario a altas velocidades utilizando uno de estos dos métodos:

Utilizando un Chopper Driver. Un driver chopper utiliza la técnica de encender y apagar rápidamente la tensión de salida del motor (chopping) para controlar la corriente en los bobinados del motor. El controlador chopper aplica una tensión muy alta al motor paso a paso en cada paso, lo que provoca un rápido aumento de la corriente. Como el chopper driver mantiene una corriente constante en los bobinados del motor incluso a alta velocidad, podemos conseguir el par requerido de los motores paso a paso a altas velocidades.

Manteniendo una Constante de Tiempo Eléctrica más Baja. Si la aplicación necesita un alto par de los motores paso a paso a altas velocidades, entonces el bobinado debe ser personalizado para mantener la L/R lo más baja posible. Los ingenieros de diseño de Portescap pueden personalizar el diseño del motor para estas aplicaciones con el fin de lograr el par requerido a la velocidad deseada.

¿Desea más información sobre el uso de motores paso a paso en aplicaciones de alta velocidad y alto par? Contacte con Portescap aquí - ¡estaremos encantados de ayudarle!