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

Los sistemas de motores paso a paso han evolucionado enormemente desde sus inicios, cuando se basaban en variadores de voltaje y control paso a paso completo. Primero llegaron los variadores PWM y el control por micropasos, seguidos de los procesadores de señales digitales (DSP) y los algoritmos antirresonancia. Ahora, la nueva tecnología de control 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 durante muchos años.

Ya sea que el movimiento sea lineal o rotatorio, dos factores clave para determinar qué motor y sistema de accionamiento son los más adecuados son el par motor y la eficiencia. Esto aplica tanto a sistemas de ensamblaje automatizados, máquinas de manipulación de materiales, impresoras 3D, posicionadores cartesianos, bombas peristálticas y muchas otras aplicaciones en las que los motores paso a paso son la tecnología preferida.

El último avance en sistemas de motores paso a paso consiste en la aplicación de dispositivos de retroalimentación de bajo costo y alta resolución, junto con procesadores digitales de señal (DSP) avanzados, para controlar el movimiento del motor paso a paso. Estos controles optimizan el rendimiento de los motores paso a paso en lazo cerrado, superando a los sistemas en lazo abierto. Como veremos, uno de estos sistemas en lazo cerrado se implementa en 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 del sistema en el lateral y la parte posterior del motor.

Sistemas de motores paso a paso de lazo abierto frente a sistemas de lazo cerrado
En primer lugar, analicemos cómo se comparan los sistemas de motor paso a paso de bucle cerrado de alto rendimiento con los sistemas tradicionales de motor paso a paso de bucle abierto en términos de par motor y eficiencia.

Los sistemas de motor paso a paso de circuito cerrado ofrecen un rendimiento superior a los de circuito abierto, como demuestran los resultados de pruebas de laboratorio que comparan la aceleración (par motor), 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 motor y la aceleración. Las curvas de par motor-velocidad muestran los rangos de par máximo y continuo de un sistema de motor paso a paso de circuito cerrado, junto con el rango de par motor útil de un sistema de circuito abierto. En la práctica, el par motor suele traducirse en aceleración; por lo tanto, los motores con mayor par motor pueden acelerar una carga determinada más rápidamente.

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

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

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

Eficiencia en lazo abierto frente a eficiencia en lazo 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 de lazo abierto funcionan simultáneamente 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 repiten 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, el consumo promedio del sistema de motor paso a paso de lazo abierto es de 43,8 vatios, mientras que el del sistema de lazo cerrado es solo un tercio: 14,2 vatios de media. Esta notable diferencia en el consumo de energía demuestra claramente la mayor eficiencia del sistema de lazo cerrado. Cualquier usuario que desee aumentar la eficiencia de su sistema de motor paso a paso de lazo abierto puede ahora considerar una sencilla actualización a un sistema de lazo cerrado y esperar un consumo significativamente menor.

Cómo solucionar el calentamiento del motor

Una extensión natural de las pruebas de consumo de energía es la investigación del calentamiento del motor. Los sistemas de motor paso a paso de lazo abierto son sistemas sencillos. Simplemente se ajusta el variador a la corriente nominal del motor y este intentará suministrarla en todo momento, independientemente de si se necesita o no el par resultante. Esto suele generar calor en lugar de energía destinada a la función de la aplicación, y es la razón por la que los sistemas de motor paso a paso de lazo abierto suelen calentarse más que sus homólogos de lazo cerrado. Esto 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 operarios o instalando sistemas de refrigeración adicionales, como ventiladores.

Consideremos los resultados de una prueba de calentamiento de motor realizada en laboratorio utilizando los mismos sistemas de lazo abierto y lazo cerrado descritos anteriormente. En esta prueba, ambos sistemas generan la misma cantidad de trabajo accionando las mismas cargas inerciales y se les permite operar hasta alcanzar el equilibrio térmico. El sistema de lazo abierto alcanza una temperatura de la carcasa de 76,0 °C, mientras que el sistema de lazo cerrado alcanza el equilibrio térmico a una temperatura de la carcasa de tan solo 36,9 °C, menos de la mitad que la del sistema de lazo abierto. Esta significativa reducción en el calentamiento del motor puede traducirse en menores costos de componentes para los fabricantes de maquinaria, ya que pueden prescindir de subsistemas adicionales de protección y refrigeración.

¡Adiós a los motores ruidosos!

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

El ruido que emiten los motores paso a paso se debe a la alta frecuencia eléctrica y a los rápidos cambios de flujo en los dientes del estator, así como a que los sistemas de lazo abierto funcionan a la corriente nominal máxima independientemente de la carga. Por otro lado, los sistemas de motor 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 circuito cerrado es considerablemente más silencioso que la opción de circuito abierto a velocidades de 0 a 20 rpm. 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 circuito cerrado.

Mayor precisión del motor para eliminar errores de posición.

Los sistemas de motor paso a paso de lazo abierto son muy valorados por su capacidad para posicionar cargas con precisión sin necesidad de un mecanismo de retroalimentación o un sistema de control de lazo cerrado, siempre y cuando el sistema de lazo abierto cuente 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 lazo de posición del servomotor en torno a la retroalimentación del codificador de alta resolución permite que los sistemas de lazo cerrado compensen automáticamente los aumentos en la demanda de par que, de otro modo, provocarían errores de posición en los sistemas de lazo 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, así como cambios frecuentes de dirección.

Actualización de los sistemas de motores 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 lazo abierto a uno de lazo cerrado. La electrónica de control puede requerir un poco más de potencia de procesamiento central o memoria para el servocontrol del motor, pero esto normalmente no afecta los precios de lista. Gran parte de la diferencia de costo entre los sistemas de motor paso a paso de lazo abierto y de lazo cerrado radica en la adición de un dispositivo de retroalimentación de alta resolución, pero las mejoras en la fabricación han hecho que estos dispositivos sean cada vez más asequibles. Así, ahora, los sistemas de motor paso a paso de lazo cerrado mantienen las ventajas de costo de los sistemas de lazo abierto con respecto a otros tipos de sistemas de posicionamiento, como un servo tradicional, pero con un rendimiento mucho mayor en casi todos los aspectos. Por lo general, el ahorro de energía y el mayor rendimiento de un sistema de lazo cerrado compensan rápidamente el ligero aumento en el costo del dispositivo de retroalimentación.

Además de un mínimo aumento de costos, la actualización de un sistema de motor paso a paso de lazo abierto a uno de lazo cerrado se simplifica gracias a la disponibilidad de tamaños de bastidor NEMA. Un motor paso a paso NEMA 23 de lazo cerrado tiene el mismo tamaño de bastidor, diámetro piloto, círculo de orificios para pernos y diámetro de orificio para pernos que un motor paso a paso NEMA 23 de lazo abierto, por lo que los soportes de montaje permanecen iguales. El mayor par disponible en el sistema de lazo cerrado implica que el diámetro del eje del motor paso a paso de lazo cerrado puede ser mayor, pero esto generalmente se puede solucionar fácilmente con un simple cambio del acoplamiento del eje.