Los motores paso a paso son una excelente opción para numerosas aplicaciones de control de movimiento y posición. Están disponibles en una amplia gama de tamaños y par motor, y son considerablemente más económicos que los servomotores de alta gama. Por ello, analicemos cómo mejorar el rendimiento de los motores paso a paso hasta equipararlo al de los servomotores mediante la incorporación de dispositivos de retroalimentación. Si bien los motores paso a paso con retroalimentación no sustituyen por completo a los servomotores, ofrecen una alternativa fiable para muchas aplicaciones prácticas. Estas soluciones de diseño de movimiento mejoran el rendimiento de la máquina sin un coste 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 en pasos discretos en lugar de realizar un movimiento rotacional continuo. Estos movimientos escalonados son impulsados ​​por cambios en el campo magnético mediante conjuntos de bobinas electromagnéticas en el estator. El funcionamiento de un motor paso a paso depende de uncontrolador— Un dispositivo electrónico que suministra corriente a las bobinas del estator del motor en una secuencia que genera movimientos escalonados. Las capacidades del controlador influyen significativamente en el rendimiento del motor.

Existen varios tipos de motores paso a paso, pero las variedades más comunes ofrecen una buena resolución (200 pasos por revolución o superior), un par motor respetable a bajas velocidades, una construcción robusta, una larga vida útil y un coste relativamente bajo. Sin embargo, presentan limitaciones. El par motor disminuye a velocidades de rotación elevadas y (con controladores sencillos) los motores paso a paso pueden sufrir vibraciones de alta frecuencia. El principal inconveniente es que, incluso en aplicaciones de posicionamiento, los sistemas básicos de motores paso a paso funcionan con control de lazo abierto.

Los motores paso a paso responden a las instrucciones del controlador para moverse un cierto número de pasos, pero no envían ninguna información al controlador sobre si este movimiento se ha completado. Por lo tanto, si el motor no completa los movimientos de paso solicitados, puede surgir una discrepancia creciente entre lo que el controladorsuponecomo la posición de rotación del eje del motor y laverdaderoposición del eje (y cualquier carga o mecanismo accionado). Estas discrepancias se producen cuando el par del motor es insuficiente para superar la resistencia mecánica… y, de hecho, pueden convertirse en un problema importante a altas revoluciones por minuto, ya que es entonces cuando la capacidad de salida de par del motor es limitada. Por eso, los ingenieros de diseño suelen sobredimensionar los motores paso a paso, para evitar la pérdida de pasos, aunque esto implique seleccionar motores demasiado grandes y pesados ​​para todos los perfiles de movimiento, salvo los más exigentes.

Otro inconveniente es que, cuando un motor paso a paso convencional se detiene, debe circular corriente por los devanados para mantener el eje en posición. Esto consume energía eléctrica y calienta los devanados y los componentes circundantes.

Información sobre sistemas de motores paso a paso para un posicionamiento fiable

Agregar codificadores a un sistema de motor paso a paso para obtener retroalimentación de la posición del eje cierra prácticamente el bucle de control. Si bien la incorporación de estos dispositivos de retroalimentación aumenta el costo total del sistema, no lo hace tanto como cambiar a un servomotor.

Un enfoque para agregar retroalimentación del codificador es operar enmover y verificarEn este caso, se añade un codificador incremental simple al eje de salida del motor paso a paso. Cuando el controlador envía comandos de paso al motor, el codificador verifica continuamente que se hayan realizado los movimientos indicados. Si el motor no completa el número de pasos solicitado, el controlador puede pedir más pasos hasta que alcance la posición deseada. Los controladores más sofisticados también aumentan la corriente de fase del motor para incrementar el par y así realizar esos pasos adicionales.

Los codificadores utilizados en este tipo de configuraciones de movimiento y verificación suelen tener resoluciones que son algún múltiplo de 200 posiciones por revolución.

Cabe señalar que las configuraciones que emplean modos de movimiento y verificación aún pueden beneficiarse de la inclusión de motores sobredimensionados, pero no en la medida necesaria para los sistemas simples de bucle abierto.

Cabe destacar también que este modo puede ayudar a los controladores inteligentes a ajustar con precisión las corrientes de retención del motor para lograr ligeras mejoras en la eficiencia durante la parada... aunque el consumo energético general sigue siendo elevado.

Control de motor paso a paso en lazo cerrado con codificadores absolutos

Otra opción algo más sofisticada para aplicaciones críticas de control de posición es el control de bucle cerrado completo que emplea codificadores absolutos multivuelta. Los codificadores utilizados aquí se conectan al eje de salida de un motor paso a paso para monitorear:

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 de CC sin escobillas (BLDC) de alto número de polos… y el codificador proporciona continuamente información de posición al controlador. La corriente de mantenimiento suministrada al motor se ajusta con precisión a la cantidad necesaria para mantener la posición dentro de una tolerancia determinada. Un motor paso a paso controlado como un servomotor sin escobillas es energéticamente eficiente y menos costoso que un servomotor BLDC convencional. Entonces, ¿por qué no utilizar motores paso a paso de bajo costo para todas las aplicaciones de servomotores BLDC?

Pues bien, los motores paso a paso utilizados en sistemas servo de lazo cerrado presentan una limitación física que no se encuentra en los servomotores BLDC convencionales. Más concretamente, los motores paso a paso operados de esta manera funcionan esencialmente como motores sin escobillas de 50 polos, por lo que no pueden alcanzar las revoluciones por minuto (rpm) posibles con los servomotores. Además, los rotores de los motores paso a paso tienen una inercia mayor que los de los servomotores BLDC convencionales de potencia equivalente, por lo que no pueden proporcionar las mismas aceleraciones.

Cuando se utiliza un motor paso a paso en modo BLDC, el codificador realiza una función vital.conmutaciónFunción: informar sobre la posición de rotación exacta del eje del motor… lo que a su vez permite al controlador energizar el conjunto apropiado de electroimanes del estator para una rotación continua según sea necesario. Además, los codificadores absolutos de precisión también pueden ayudar a los controladores de micropasos avanzados a ajustar con precisión la corriente de fase para reducir la oscilación (vibración) que se produce en los sistemas de motor paso a paso más básicos.