Los motores paso a paso de circuito cerrado pueden ser la mejor opción para tareas que normalmente realizan los servos porque los motores paso a paso tradicionales no pueden manejarlos.

Una de las decisiones más críticas que pueden tomar los ingenieros al diseñar cualquier tipo de proceso de control de movimiento es elegir el motor. Conseguir el motor adecuado, tanto en términos de tipo como de tamaño, es imperativo para la eficiencia operativa de la máquina final. Además, garantizar que el motor no afecte al presupuesto es siempre una preocupación primordial.

Una de las primeras preguntas a responder al tomar la decisión es: ¿Qué tipo de motor sería mejor? ¿La aplicación requiere un servomotor de alto rendimiento? ¿Sería mejor un paso a paso de bajo costo? ¿O tal vez hay una tercera opción intermedia a considerar?

Las respuestas comienzan con las necesidades de la aplicación específica. Hay muchos factores que abordar antes de determinar el tipo de motor que sería ideal para una aplicación determinada.

Los requisitos

¿Cuántos ciclos por minuto necesita hacer el motor? ¿Cuánto torque se necesita? ¿Cuál es la velocidad máxima requerida?

Estas cuestiones críticas no pueden abordarse simplemente eligiendo un motor con una potencia determinada.

La potencia de salida de un motor es la combinación de par y velocidad que se puede calcular multiplicando la velocidad, el par y una constante.

Sin embargo, debido a la naturaleza de este cálculo, existen muchas combinaciones diferentes de par y velocidad que producirán una potencia de salida específica. Por lo tanto, diferentes motores con potencias similares pueden funcionar de manera diferente debido a la combinación de velocidad y par que ofrecen.

Los ingenieros deben saber qué tan rápido debe moverse una carga de cierto tamaño antes de elegir con confianza el motor que funcionará mejor. El trabajo que se realiza también debe estar dentro de la curva de par/velocidad del motor. Esta curva muestra cómo varía el par de un motor durante el funcionamiento. Utilizando suposiciones del "peor de los casos" (en otras palabras, determinando la cantidad máxima/mínima de par y velocidad que requerirá el trabajo), los ingenieros pueden estar seguros de que el motor elegido tiene una curva de par/velocidad suficiente.

La inercia de la carga es otro factor que conviene abordar antes de sumergirse en el proceso de decisión de elegir un motor. Se debe calcular el índice de inercia, que es la comparación entre la inercia de la carga y la inercia del motor. Una regla general dice que si la inercia de la carga excede 10 veces la del rotor, entonces ajustar el motor puede ser más difícil y el rendimiento puede verse afectado. Pero esta regla varía no sólo de una tecnología a otra, sino también de un proveedor a otro e incluso de un producto a otro. La importancia de una aplicación también afectará esta decisión. Algunos productos manejan proporciones de hasta 30 a 1, mientras que las transmisiones directas funcionan con proporciones de hasta 200 a 1. A muchas personas no les gusta dimensionar un motor que excede una proporción de 10 a 1.

Finalmente, ¿existen limitaciones físicas que restringen un determinado motor sobre otro? Los motores vienen en diferentes formas y tamaños. En algunos casos, los motores son grandes y voluminosos, y hay ciertas operaciones que no pueden albergar un motor de cierto tamaño. Antes de poder tomar una decisión informada sobre el mejor tipo de motor, se deben reconocer y comprender estas especificaciones físicas.

Una vez que los ingenieros respondan todas estas preguntas (velocidad, torque, caballos de fuerza, inercia de carga y limitaciones físicas), podrán concentrarse en el tamaño de motor más eficiente. Sin embargo, el proceso de toma de decisiones no termina ahí. Los ingenieros también deben determinar qué tipo de motor se adapta mejor a la aplicación. Durante años, la elección del tipo se reducía a una de dos opciones para la mayoría de las aplicaciones: un servomotor o un motor paso a paso de circuito abierto.

Servos y pasos

Los principios de funcionamiento de los servomotores y motores paso a paso de circuito abierto son similares. Sin embargo, existen diferencias clave entre los dos que los ingenieros deben comprender antes de decidir qué motor es ideal para una aplicación determinada.

En los servosistemas tradicionales, un controlador envía comandos al accionamiento del motor mediante pulso y dirección o un comando analógico relacionado con la posición, la velocidad o el par. Algunos controles pueden utilizar un método basado en bus, que en los controles más nuevos suele ser un método de comunicación basado en Ethernet. Luego, el variador envía la corriente adecuada a cada fase del motor. La retroalimentación del motor regresa al variador del motor y, si es necesario, al controlador. El variador se basa en esta información para conmutar adecuadamente el motor y enviar buena información sobre la posición dinámica del eje del motor. Por lo tanto, los servomotores se consideran motores de circuito cerrado y contienen codificadores incorporados, y los datos de posición con frecuencia se envían al controlador. Esta retroalimentación le da al controlador más control sobre el motor. El controlador puede realizar ajustes en las operaciones, en distintos grados, si algo no funciona como debería. Este tipo de información crucial es un beneficio que los motores paso a paso de circuito abierto no pueden ofrecer.

Los motores paso a paso también funcionan con comandos enviados al variador del motor para dictar la distancia recorrida y la velocidad. Normalmente, esta señal es un comando de paso y dirección. Sin embargo, los motores paso a paso de circuito abierto no pueden proporcionar retroalimentación a los operadores, por lo que sus controles no pueden evaluar adecuadamente una situación y realizar ajustes para mejorar el funcionamiento del motor.

Por ejemplo, si el par de un motor no es suficiente para soportar la carga, el motor puede detenerse o omitir ciertos pasos. Cuando esto suceda, no se alcanzará la posición objetivo. Teniendo en cuenta las características de bucle abierto del motor paso a paso, este posicionamiento inexacto no se transmitirá adecuadamente al controlador para que pueda realizar ajustes.

El servomotor parece tener claras ventajas en términos de eficiencia y rendimiento, entonces, ¿por qué alguien elegiría un motor paso a paso? Hay un par de razones. El más común es el precio; Los presupuestos operativos son consideraciones importantes al tomar cualquier decisión de diseño. A medida que los presupuestos se ajustan, se deben tomar decisiones para reducir costos innecesarios. Esto no solo se refiere al costo del motor en sí, sino que el mantenimiento de rutina y de emergencia tiende a ser menos costoso para los motores paso a paso que para los servos. Por lo tanto, si los beneficios de un servomotor no justifican sus costos, un motor paso a paso estándar puede ser suficiente.

Desde un punto de vista puramente operativo, los motores paso a paso son notablemente más fáciles de usar que los servomotores estándar. Operar un motor paso a paso es mucho más sencillo de entender y más fácil de configurar. La mayoría del personal estaría de acuerdo en que, si no hay motivos para complicar demasiado las operaciones, hay que mantener las cosas simples.

Las ventajas que ofrecen los dos tipos de motores diferentes son muy diferentes. Los servomotores son ideales si necesita un motor con velocidades superiores a 3000 rpm y un par elevado. Sin embargo, para una aplicación que sólo requiere velocidades de unos pocos cientos de rpm o menos, un servomotor no siempre es la mejor opción. Los servomotores pueden resultar excesivos para aplicaciones de baja velocidad.

Las aplicaciones de baja velocidad son donde los motores paso a paso brillan como la mejor solución posible. Los motores paso a paso no sólo son repetibles en lo que respecta a la parada, sino que también están diseñados para funcionar a baja velocidad y al mismo tiempo proporcionar un alto par. Por la propia naturaleza de este diseño, los motores paso a paso pueden controlarse y funcionar hasta sus límites de velocidad. El límite de velocidad de los motores paso a paso típicos suele ser inferior a 1000 rpm, mientras que los servomotores pueden tener velocidades nominales de hasta 3000 rpm y más, a veces incluso superiores a 7000 rpm.

Si un paso a paso tiene el tamaño correcto, puede ser la elección perfecta. Sin embargo, cuando un motor paso a paso funciona en una configuración de bucle abierto y algo sale mal, es posible que los operadores no obtengan todos los datos que necesitan para solucionar el problema.

Resolviendo el problema del circuito abierto

En las últimas décadas, se han ofrecido varios enfoques diferentes para resolver los problemas tradicionales con motores paso a paso de bucle abierto. Un método era dirigir el motor a un sensor al encenderlo, o incluso varias veces durante una aplicación. Aunque simple, esto ralentiza las operaciones y no captura los problemas que surgen durante los procesos operativos normales.

Otro enfoque es agregar retroalimentación para detectar si el motor está calado o fuera de posición. Los ingenieros de las empresas de control de movimiento crearon funciones de "detección de pérdida" y "mantenimiento de posición". Incluso ha habido algunos enfoques que van aún más allá y tratan los motores paso a paso como si fueran servos, o al menos los imitan con algoritmos sofisticados.

En el gran espectro de motores, entre los servos y los motores paso a paso de circuito abierto, se encuentra una tecnología algo nueva conocida como motor paso a paso de circuito cerrado. Es la forma mejor y más económica de resolver el problema de las aplicaciones que requieren precisión posicional y bajas velocidades. Al aplicar dispositivos de retroalimentación de alta resolución para cerrar el círculo, los ingenieros pueden disfrutar de "lo mejor de ambos mundos".

Los motores paso a paso de circuito cerrado ofrecen todas las ventajas de los motores paso a paso: facilidad de uso, simplicidad y la capacidad de funcionar de manera constante a bajas velocidades con una parada precisa. Además, todavía ofrecen las capacidades de retroalimentación que ofrecen los servomotores. Afortunadamente, no tiene por qué tener la mayor desventaja de un servo: el mayor precio.

La clave siempre ha estado en la forma en que funcionan los motores paso a paso de circuito abierto. Por lo general, tienen dos bobinas, a veces cinco, con un acto de equilibrio magnético entre ellas. El movimiento altera este equilibrio, provocando que el eje del motor se retrase eléctricamente, pero el operador no puede saber hasta qué punto se retrasa. El punto de parada es repetible para los motores paso a paso de bucle abierto, pero no para todas las cargas. Poner un codificador en el paso a paso y convertirlo en un circuito cerrado proporciona cierto control dinámico. Esto permite a los operadores detenerse en un punto exacto bajo diferentes cargas.

Estos beneficios del uso de motores paso a paso de circuito cerrado para determinadas aplicaciones han aumentado considerablemente la popularidad de estos motores en la comunidad de control de movimiento. Específicamente, en dos de las industrias más destacadas, los fabricantes de semiconductores y dispositivos médicos, hay un claro aumento en el uso de motores paso a paso de circuito cerrado. Los ingenieros de estas industrias deben saber exactamente dónde los motores han colocado cargas o actuadores, ya sea que accionen una correa o un husillo de bolas. La retroalimentación de circuito cerrado en estos motores paso a paso les permite saber exactamente dónde está. Estos motores paso a paso también pueden proporcionar un mejor rendimiento que los servos a velocidades más bajas.

Generalmente, cualquier aplicación que necesite un rendimiento garantizado a un costo menor que un servomotor y la capacidad de funcionar a velocidades relativamente bajas es un buen candidato para los motores paso a paso de circuito cerrado.

Tenga en cuenta que los operadores deben asegurarse de que el variador o los controles admitan motores paso a paso de circuito cerrado. Históricamente, se podía obtener un paso a paso con un codificador en la parte posterior, pero la unidad era una unidad paso a paso estándar y no admitía codificadores. El codificador debía regresarse al controlador y la verificación de la posición debía implementarse al final de un movimiento determinado. Esto no es necesario con los nuevos controladores paso a paso de circuito cerrado. Los variadores paso a paso de circuito cerrado pueden manejar dinámica y automáticamente el control de posición y velocidad sin involucrar controladores.