Los sistemas de motores paso a paso son fundamentales en la industria del control de movimiento. Analizaremos las diferencias entre sistemas de lazo abierto y de lazo cerrado, y explicaremos los últimos avances que hacen que los sistemas de motores paso a paso sean aún más rápidos, silenciosos y energéticamente eficientes.

Los sistemas de motores paso a paso han evolucionado significativamente desde los primeros tiempos de los variadores de voltaje y el paso a paso completo. Primero llegaron los variadores PWM y el micropaso a paso, y luego los procesadores digitales de señales (DSP) y los algoritmos antirresonancia. Actualmente, la nueva tecnología de motores paso a paso de bucle cerrado garantiza que los motores paso a paso sigan siendo un pilar fundamental de la industria del control de movimiento en los años venideros.

Independientemente de si el movimiento es lineal o rotatorio, dos consideraciones clave que determinan qué motor y sistema de accionamiento son los más adecuados son el par motor y la eficiencia. Esto aplica tanto para aplicaciones finales como para sistemas de ensamblaje automatizados, máquinas de manipulación de materiales, impresoras 3D, posicionadores cartesianos, bombas peristálticas o cualquier otra de las innumerables aplicaciones donde los motores paso a paso son la tecnología preferida.

El último avance en sistemas paso a paso es la aplicación de dispositivos de retroalimentación de alta resolución y bajo costo, y DSP avanzados para cerrar el ciclo del movimiento del motor paso a paso. Estos controles optimizan el rendimiento del motor paso a paso en bucle cerrado, superando así el de los sistemas de bucle abierto. Como veremos, un sistema de bucle cerrado de este tipo implementa un diseño de motor integrado que incluye un dispositivo de retroalimentación, placas de controlador y controlador, electrónica de alimentación, comunicación y E/S, y conectores de sistema en los laterales y la parte trasera del motor.

Sistemas paso a paso de bucle abierto frente a bucle cerrado
Primero, exploremos cómo se comparan los sistemas paso a paso de circuito cerrado de alto rendimiento con los sistemas paso a paso de circuito abierto tradicionales en términos de torque y eficiencia.

Los sistemas paso a paso de bucle cerrado ofrecen un rendimiento superior al de las configuraciones de bucle abierto, como lo demuestran los resultados de pruebas de laboratorio que comparan la aceleración (par), la eficiencia (consumo de energía), el error de posición (precisión), la generación de calor y los niveles de ruido de ambos sistemas. Basta con considerar la relación entre el par y la aceleración. Las curvas de par-velocidad muestran los rangos de par máximo y continuo de un sistema paso a paso de bucle cerrado junto con el rango de par útil de un sistema paso a paso de bucle abierto. Con frecuencia, el par en condiciones reales se traduce en aceleración, por lo que los motores con mayor par pueden acelerar una carga dada más rápido.

Para comprobar esta diferencia en el rendimiento del par en el laboratorio, sistemas de motores paso a paso de lazo abierto y cerrado de igual tamaño reciben cargas inerciales idénticas. La programación ordena a ambos sistemas que realicen perfiles de movimiento idénticos, excepto que la tasa de aceleración y la velocidad máxima se incrementan gradualmente en cada sistema hasta que cometen errores de posicionamiento.

Digamos que el sistema de bucle abierto alcanza una tasa de aceleración máxima de 1000 rev/seg.²y una velocidad máxima de 10 rev/s (600 rpm). Esta velocidad máxima de 10 rev/s se corresponde con el final de la parte plana de la curva par-velocidad. El sistema de circuito cerrado (debido a su mayor capacidad de generación de par) alcanza una aceleración máxima de 2000 rev/s.²y una velocidad máxima de 20 rev/s (1200 rpm). Esto duplica el rendimiento del sistema de bucle abierto y reduce el tiempo de movimiento casi a la mitad, de 110 ms a 60 ms.

Para aplicaciones que requieren un alto rendimiento (como indexación, posicionamiento de guías de borde y sistemas de selección y colocación), el sistema de circuito cerrado proporciona una clara ventaja en el rendimiento.

Eficiencia de bucle abierto vs. bucle cerrado

Para medir la eficiencia relativa de un sistema de lazo abierto frente a uno de lazo cerrado, supongamos que repetimos la misma prueba con los mismos dos motores de igual tamaño. En esta ocasión, los motores de lazo cerrado y abierto funcionan en paralelo con las mismas cargas inerciales, pero con una programación que mantiene los perfiles de movimiento constantes e iguales, de modo que ambos sistemas realizan la misma cantidad de trabajo.

Mientras los dos motores indexan repetidamente el mismo perfil de movimiento, se mide el consumo de corriente de la fuente de alimentación de CC que alimenta ambos sistemas y se calcula el consumo de energía. Como se puede observar en los gráficos de valores, el consumo promedio de energía del sistema paso a paso de bucle abierto es de 43,8 vatios, mientras que el del sistema de bucle cerrado es solo un tercio (14,2 vatios en promedio). Esta drástica diferencia en el consumo de energía muestra claramente la mayor eficiencia operativa del sistema de bucle cerrado. Cualquier usuario que busque aumentar la eficiencia de su sistema paso a paso de bucle abierto puede considerar ahora una simple actualización a un sistema de bucle cerrado y esperar un consumo significativamente menor.

Cómo abordar el calentamiento del motor

Una extensión natural de las pruebas de consumo de energía es la investigación del calentamiento del motor. Los sistemas paso a paso de bucle abierto son muy sencillos. Simplemente se ajusta el variador a la corriente nominal del motor y este hará todo lo posible por suministrar dicha corriente al motor en todo momento, independientemente de si se necesita el par resultante. Esto suele generar calor en lugar de energía para la función de la aplicación, y es la razón por la que los sistemas paso a paso de bucle abierto suelen alcanzar temperaturas más altas que sus homólogos de bucle cerrado. También implica que los diseñadores de máquinas deben tomar medidas adicionales para gestionar este calor, a menudo incluyendo protecciones especiales alrededor de los motores paso a paso que funcionarán cerca de operadores o instalando sistemas de refrigeración adicionales, como ventiladores.

Considere los resultados de una prueba de calentamiento de un motor realizada en un laboratorio utilizando los mismos sistemas de bucle abierto y cerrado mencionados anteriormente. En esta prueba, ambos sistemas producen la misma cantidad de trabajo impulsando las mismas cargas inerciales y se les permite operar hasta alcanzar el equilibrio térmico. El sistema de bucle abierto alcanza una temperatura de caja de 76,0 °C, mientras que el sistema de bucle cerrado alcanza el equilibrio térmico a una temperatura de caja de tan solo 36,9 °C, menos de la mitad que el sistema de bucle abierto. Esta reducción significativa en el calentamiento del motor puede significar menores costos de componentes para los fabricantes de máquinas, ya que pueden omitir subsistemas adicionales de protección y refrigeración.

No más motores ruidosos

Otra queja común sobre los sistemas paso a paso de bucle abierto es que suelen producir bastante ruido audible. En ciertos entornos, como laboratorios, hospitales y oficinas, este ruido puede suponer un verdadero problema para los diseñadores de máquinas.

El ruido emitido por los motores paso a paso se debe a la alta frecuencia eléctrica y a los rápidos cambios de flujo en los dientes del estator, y a que los sistemas de lazo abierto funcionan a plena corriente nominal, independientemente de la carga. Por otro lado, los sistemas paso a paso de lazo cerrado suministran al motor la corriente justa para controlar la carga, lo que resulta en un ruido mucho menos audible.

Para obtener los resultados de las pruebas que se muestran en el gráfico de ruido acústico que acompaña a este artículo, se midió el ruido acústico de cada sistema en una cámara insonorizada. El sistema de bucle cerrado es significativamente más silencioso que la opción de bucle abierto a velocidades de 0 a 20 rev/s. Este rango de velocidad coincide con el rango de velocidad real de las aplicaciones donde se utilizan con mayor frecuencia los sistemas de motor paso a paso, lo que significa que la gran mayoría de las aplicaciones de motor paso a paso podrían beneficiarse de una reducción del ruido del motor si se cambiaran a sistemas de bucle cerrado.

Mejor precisión del motor para eliminar errores de posición

Los sistemas de motor paso a paso de bucle abierto son apreciados por su capacidad para posicionar cargas con precisión sin un mecanismo de retroalimentación ni un sistema de control de bucle cerrado, pero solo si el sistema de bucle abierto cuenta con un margen de par suficiente para evitar errores de posición durante el funcionamiento normal. Para una mayor precisión y un diseño de sistema más robusto, cerrar el bucle de posición del servomotor en torno a la retroalimentación del codificador de alta resolución permite que los sistemas de bucle cerrado compensen automáticamente los aumentos en la demanda de par que, de otro modo, provocarían errores de posición en sistemas de bucle abierto. Esto mejora considerablemente la precisión general del sistema, especialmente en aplicaciones altamente dinámicas, como sistemas de recogida y colocación e impresoras 3D, donde se requieren movimientos cortos y rápidos y cambios de dirección frecuentes.

Actualización de los sistemas paso a paso existentes

De los componentes de un sistema de motor paso a paso integrado, los costos del motor, el amplificador de potencia y la comunicación generalmente no aumentan al pasar de un sistema de bucle abierto a uno de bucle cerrado. La electrónica de control puede requerir un poco más de potencia de procesamiento central o memoria para servocontrolar el motor, pero esto no suele afectar los precios de lista. Gran parte de la diferencia de costo entre los sistemas paso a paso de bucle abierto y cerrado radica en la incorporación de un dispositivo de retroalimentación de alta resolución, pero las mejoras en la fabricación han hecho que estos dispositivos sean cada vez más asequibles. Por lo tanto, ahora los sistemas paso a paso de bucle cerrado mantienen las ventajas de costo de los sistemas paso a paso de bucle abierto sobre otros tipos de sistemas de posicionamiento, como un servomotor tradicional, pero con un rendimiento considerablemente mayor en casi todos los aspectos. Normalmente, el ahorro de energía y el mayor rendimiento de un sistema de bucle cerrado compensan rápidamente el ligero aumento en el costo del dispositivo de retroalimentación.

Además de un aumento mínimo de costo, la actualización de un sistema paso a paso de bucle abierto a uno de bucle cerrado se simplifica con las opciones de tamaño de carcasa NEMA. Un motor paso a paso NEMA 23 de bucle cerrado tiene el mismo tamaño de carcasa, diámetro del piloto, círculo de orificios para pernos y diámetro de orificios para pernos que un motor paso a paso NEMA 23 de bucle abierto, por lo que los soportes de montaje se mantienen. El mayor par disponible en el sistema de bucle cerrado implica que el diámetro del eje del motor paso a paso de bucle cerrado puede ser mayor, pero esto suele solucionarse fácilmente con un simple cambio del acoplamiento del eje.