¿Cuál es el adecuado para su aplicación? Analicemos los criterios de decisión clave, como la velocidad, la aceleración y los objetivos de precio.

Motores paso a paso

Los motores paso a paso constan de un rotor con imanes permanentes y un estator estacionario que soporta los devanados. Cuando la corriente circula por los devanados del estator, genera una distribución de flujo magnético que interactúa con la distribución del campo magnético del rotor para aplicar una fuerza de giro. Los motores paso a paso presentan un número muy elevado de polos, normalmente 50 o más. El controlador del motor paso a paso energiza cada polo secuencialmente, de modo que el rotor gira en una serie de incrementos o pasos. Debido a este elevado número de polos, el movimiento parece continuo.

En teoría, se podría usar una caja de engranajes para aumentar el par, pero aquí es donde la baja velocidad de los motores paso a paso se convierte en un problema. Añadir un reductor de engranajes 10:1 a un motor paso a paso de 1200 RPM podría aumentar el par en un orden de magnitud, pero también reduciría la velocidad a 120 RPM. Si el motor se utiliza para accionar un actuador de husillo de bolas o similar, probablemente no proporcionará la velocidad suficiente para satisfacer las necesidades de la aplicación.

Los motores paso a paso generalmente no están disponibles en tamaños de carcasa superiores a NEMA 34, y la mayoría de las aplicaciones se encuentran en tamaños de motor NEMA 17 o NEMA 23. Por lo tanto, es inusual encontrar motores paso a paso capaces de producir más de 1000 a 2000 onzas por pulgada de torque.

Los motores paso a paso también presentan limitaciones de rendimiento. Se puede pensar en un motor paso a paso como un sistema de masa-resorte. El motor necesita romper la fricción para empezar a girar y mover la carga, momento en el cual el rotor no está completamente controlado. Por lo tanto, una orden para avanzar cinco pasos puede hacer que el motor gire solo cuatro o seis pasos.

Sin embargo, si el variador ordena a un motor que avance 200 pasos, lo hará con una precisión de tan solo unos pocos pasos, lo que en ese caso representa un pequeño margen de error. Aunque ordenamos motores paso a paso con una resolución típica de entre 25 000 y 50 000 conteos por revolución, dado que el motor es un sistema de masa-resorte bajo carga, nuestra resolución típica es de entre 2000 y 6000 conteos por revolución. Aun así, con estas resoluciones, incluso un movimiento de 200 pasos equivale a una fracción de grado.

Añadir un codificador permitirá que el sistema rastree el movimiento con precisión, pero no podrá superar las características físicas básicas del motor. Para aplicaciones que requieren mayor precisión y resolución de posicionamiento, los servomotores ofrecen una mejor solución.

Servomotores

Al igual que los motores paso a paso, los servomotores tienen diversas implementaciones. Consideremos el diseño más común, que incorpora un rotor con imanes permanentes y un estator estacionario con los devanados. En este caso, la corriente también crea una distribución de campo magnético que actúa sobre el rotor para generar par. Sin embargo, los servomotores tienen un número de polos significativamente menor que los motores paso a paso. Por lo tanto, deben funcionar en bucle cerrado.

El funcionamiento en lazo cerrado permite que el controlador/variador ordene que la carga permanezca en una posición específica, y el motor realizará ajustes continuos para mantenerla allí. Por lo tanto, los servomotores pueden proporcionar un par de retención de facto. Sin embargo, cabe destacar que el par a velocidad cero depende de que el motor esté dimensionado correctamente para controlar la carga y evitar oscilaciones en la posición indicada.

Los servomotores suelen utilizar imanes de tierras raras, mientras que los motores paso a paso suelen utilizar imanes convencionales más económicos. Los imanes de tierras raras permiten desarrollar un mayor par en un encapsulado más pequeño. Los servomotores también obtienen una ventaja en cuanto a par gracias a su tamaño físico. Los diámetros de los servomotores suelen variar desde NEMA 17 hasta 220 mm. Gracias a estos factores combinados, los servomotores pueden alcanzar pares de hasta 250 pies-libra.

La combinación de velocidad y par permite que los servomotores ofrezcan una mejor aceleración que los motores paso a paso. Además, ofrecen una mayor precisión de posicionamiento gracias a su funcionamiento en bucle cerrado.

Reflexiones finales

Los servomotores ofrecen una ventaja innegable en rendimiento. Sin embargo, en términos de repetibilidad, los motores paso a paso pueden ser bastante competitivos. Este punto plantea un error común sobre los motores paso a paso: el mito de la pérdida de movimiento. Como ya comentamos, la naturaleza masa-resorte de un motor paso a paso puede provocar la pérdida de algunos pasos. Sin embargo, dado que el variador ordena al motor paso a paso moverse a una posición angular, los pasos perdidos no se transfieren de una rotación a otra. De rotación en rotación, los motores paso a paso son altamente repetibles. Encontrará una discusión más detallada sobre este tema en una próxima entrada del blog.

La discusión anterior nos lleva a una última diferencia clave entre los ejes paso a paso y los servoejes: el costo. Los motores paso a paso no suelen requerir retroalimentación, utilizan imanes más económicos y rara vez incorporan reductores. Gracias a su elevado número de polos y a su capacidad para generar par de retención, consumen menos energía a velocidad cero. Como resultado, un motor paso a paso puede ser hasta un orden de magnitud más económico que un servomotor comparable.

En resumen, los motores paso a paso son una buena solución para aplicaciones con baja velocidad, baja aceleración y bajos requisitos de precisión. Además, suelen ser compactos y económicos. Esto los convierte en una excelente opción para aplicaciones médicas, biotecnológicas, de seguridad y defensa, y de fabricación de semiconductores. Los servomotores son una mejor opción para sistemas que requieren alta velocidad, alta aceleración y alta precisión. La desventaja es un mayor costo y complejidad. Los servomotores se utilizan habitualmente en aplicaciones de empaquetado, conversión, procesamiento de bandas y similares.

Si su aplicación es flexible, pero su presupuesto no, considere un motor paso a paso. Si el rendimiento es lo más importante, un servomotor será suficiente, pero prepárese para pagar más.