¿Cuál es la opción más adecuada para tu aplicación? Analicemos los criterios clave para la toma de decisiones, como la velocidad, la aceleración y los precios objetivo.

Motores paso a paso

Los motores paso a paso constan de un rotor con imanes permanentes y un estator fijo que contiene los devanados. Cuando la corriente eléctrica 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 tienen 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 la gran cantidad de polos, el movimiento parece continuo.

En teoría, se podría usar una caja de engranajes para aumentar el par motor, pero es aquí 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 motor considerablemente, pero también reduciría la velocidad a 120 RPM. Si el motor se usa 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 mayores a NEMA 34, y la mayoría de las aplicaciones corresponden a motores de tamaño NEMA 17 o NEMA 23. Por lo tanto, es poco común encontrar motores paso a paso capaces de producir más de 1000 a 2000 onzas-pulgada de torque.

Los motores paso a paso también tienen limitaciones de rendimiento. Se puede considerar un motor paso a paso como un sistema masa-resorte. El motor necesita vencer la fricción para comenzar a girar y mover la carga, momento en el que el rotor no está completamente controlado. Como resultado, una orden para avanzar cinco pasos puede hacer que el motor solo gire cuatro pasos, o incluso seis.

Sin embargo, si el controlador ordena a un motor que avance 200 pasos, lo hará con una precisión de tan solo unos pocos pasos, lo que representa un error de unos pocos puntos porcentuales. Aunque controlamos los motores paso a paso con una resolución típica de entre 25 000 y 50 000 pulsos por revolución, dado que el motor es un sistema masa-resorte bajo carga, nuestra resolución habitual es de entre 2000 y 6000 pulsos por revolución. Aun así, con estas resoluciones, incluso un movimiento de 200 pasos corresponde a una fracción de grado.

Agregar un codificador permitirá que el sistema registre el movimiento con precisión, pero no podrá superar las limitaciones 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 fijo con bobinados. En este caso, la corriente también genera un campo magnético que actúa sobre el rotor para producir par motor. Sin embargo, los servomotores tienen un número de polos significativamente menor que los motores paso a paso. Por consiguiente, deben funcionar en lazo cerrado.

El funcionamiento en bucle cerrado permite que el controlador/accionador ordene que la carga permanezca en una posición específica, mientras que el motor realiza ajustes continuos para mantenerla allí. De esta forma, los servomotores pueden proporcionar un par de retención efectivo. Sin embargo, cabe destacar que el par a velocidad cero depende de que el motor tenga el tamaño adecuado para controlar la carga y evitar oscilaciones alrededor de la posición deseada.

Los servomotores suelen utilizar imanes de tierras raras, mientras que los motores paso a paso emplean con mayor frecuencia imanes convencionales, menos costosos. Los imanes de tierras raras permiten obtener un mayor par motor en un tamaño más compacto. Los servomotores también se benefician de su tamaño reducido en cuanto al par motor. Los diámetros de los servomotores suelen variar desde NEMA 17 hasta 220 mm. Gracias a la combinación de estos factores, los servomotores pueden ofrecer pares motores de hasta 250 libras-pie.

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

Reflexiones finales

Los servomotores ofrecen una ventaja de rendimiento innegable. Sin embargo, en términos de repetibilidad, los motores paso a paso pueden ser bastante competitivos. Este punto plantea una idea errónea 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. No obstante, dado que el controlador ordena al motor paso a paso que se mueva a una posición angular, los pasos perdidos no se acumulan de una rotación a otra. De hecho, los motores paso a paso son altamente repetibles. Encontrará un análisis más detallado de este tema en una futura publicación del blog.

La discusión anterior nos lleva a una diferencia clave entre los ejes paso a paso y los servomotores: el costo. Los motores paso a paso generalmente no requieren retroalimentación, utilizan imanes menos costosos y rara vez incorporan reductores. Debido a su alto número de polos y 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 requisitos de baja velocidad, baja aceleración y baja precisión. Además, suelen ser compactos y económicos, lo que los hace idóneos 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. Sin embargo, su precio y complejidad son mayores. Los servomotores se utilizan habitualmente en empaquetado, conversión, procesamiento de bobinas y aplicaciones similares.

Si tu aplicación es flexible pero tu presupuesto es limitado, considera un motor paso a paso. Si el rendimiento es lo más importante, un servomotor cumplirá su función, pero prepárate para pagar más.