Los motores paso a paso de bucle cerrado pueden ser la mejor opción para tareas que normalmente realizan los servomotores, ya que los motores paso a paso tradicionales no podrían manejarlas.

Una de las decisiones más importantes que pueden tomar los ingenieros al diseñar cualquier proceso de control de movimiento es la elección del motor. Elegir el motor adecuado, tanto en tipo como en tamaño, es fundamental para la eficiencia operativa de la máquina final. Además, garantizar que el motor no exceda el presupuesto es siempre una prioridad.

Una de las primeras preguntas que hay que responder para tomar la decisión es: ¿Qué tipo de motor sería el mejor? ¿La aplicación requiere un servomotor de alto rendimiento? ¿Sería mejor un motor paso a paso de bajo coste? ¿O quizás haya una tercera opción intermedia a considerar?

Las respuestas parten de las necesidades de la aplicación específica. Hay muchos factores que considerar antes de determinar el tipo de motor ideal para cada aplicación.

Los requisitos

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

Estas cuestiones cruciales no pueden resolverse simplemente eligiendo un motor con una potencia determinada.

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

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

Los ingenieros deben conocer la velocidad a la que debe moverse una carga de cierto tamaño antes de elegir con seguridad el motor más adecuado. La tarea a realizar también debe ajustarse a la curva de par/velocidad del motor. Esta curva muestra cómo varía el par motor durante su funcionamiento. Al considerar las condiciones más desfavorables (es decir, al determinar el par y la velocidad máximos y mínimos que requerirá la tarea), los ingenieros pueden tener la certeza de que el motor elegido posee una curva de par/velocidad suficiente.

La inercia de la carga es otro factor que debe considerarse antes de elegir un motor. Es necesario calcular la relación de inercia, que compara la inercia de la carga con la del motor. Como regla general, si la inercia de la carga supera 10 veces la del rotor, la puesta a punto del motor puede resultar más difícil y su rendimiento puede verse afectado. Sin embargo, esta regla varía según la tecnología, el proveedor e incluso el producto. La criticidad de la aplicación también influye en esta decisión. Algunos productos admiten relaciones de hasta 30:1, mientras que los accionamientos directos funcionan con relaciones de hasta 200:1. Generalmente, no se recomienda dimensionar un motor con una relación superior a 10:1.

Por último, ¿existen limitaciones físicas que restrinjan el uso de un motor en particular? Los motores vienen en diferentes formas y tamaños. En algunos casos, son grandes y voluminosos, y ciertas operaciones no permiten el uso de motores de cierto tamaño. Antes de tomar una decisión informada sobre el tipo de motor más adecuado, es necesario conocer y comprender estas especificaciones físicas.

Una vez que los ingenieros responden a todas estas preguntas —velocidad, par motor, potencia, inercia de la carga y limitaciones físicas— pueden determinar 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 lazo abierto.

Servos y motores paso a paso

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

En los sistemas servo tradicionales, un controlador envía comandos al variador del motor mediante pulsos y dirección, o bien mediante un comando analógico relacionado con la posición, la velocidad o el par. Algunos controladores utilizan un método basado en bus, que en los más recientes suele ser un método de comunicación basado en Ethernet. El variador envía entonces la corriente adecuada a cada fase del motor. La retroalimentación del motor regresa al variador y, si es necesario, al controlador. El variador se basa en esta información para conmutar correctamente el motor y proporcionar información precisa sobre la posición dinámica del eje. Por lo tanto, los servomotores se consideran motores de lazo cerrado y contienen codificadores integrados, y los datos de posición se envían frecuentemente al controlador. Esta retroalimentación le otorga al controlador un mayor control sobre el motor. El controlador puede realizar ajustes en el funcionamiento, en distintos grados, si algo no funciona correctamente. Este tipo de información crucial es una ventaja que los motores paso a paso de lazo abierto no pueden ofrecer.

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

Por ejemplo, si el par motor no es suficiente para soportar la carga, el motor puede bloquearse o perder pasos. Cuando esto ocurre, no se alcanzará la posición objetivo. Debido a las características de bucle abierto del motor paso a paso, esta imprecisión en el posicionamiento no se transmitirá adecuadamente al controlador para que este pueda realizar ajustes.

El servomotor parece tener claras ventajas en cuanto a eficiencia y rendimiento, entonces, ¿por qué alguien elegiría un motor paso a paso? Hay varias razones. La más común es el precio; los presupuestos operativos son factores importantes a la hora de tomar cualquier decisión de diseño. A medida que los presupuestos se ajustan, es necesario recortar gastos innecesarios. Esto no solo se refiere al costo del motor en sí, sino que el mantenimiento rutinario y de emergencia suele ser menos costoso para los motores paso a paso que para los servomotores. Por lo tanto, si los beneficios de un servomotor no justifican su costo, 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. Su funcionamiento es mucho más sencillo de comprender y configurar. La mayoría del personal estaría de acuerdo en que, si no hay motivo para complicar las operaciones, es mejor mantenerlas simples.

Las ventajas que ofrecen los dos tipos de motores son muy diferentes. Los servomotores son ideales si se necesita un motor con velocidades superiores a 3000 rpm y un par elevado. Sin embargo, para aplicaciones que solo requieren 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.

En aplicaciones de baja velocidad, los motores paso a paso destacan como la mejor solución. No solo ofrecen una parada precisa y repetible, sino que también están diseñados para funcionar a baja velocidad con un par elevado. Gracias a 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 alcanzar velocidades nominales de hasta 3000 rpm o más, e incluso superar las 7000 rpm en algunos casos.

Si el tamaño del motor paso a paso es el correcto, puede ser la opción perfecta. Sin embargo, cuando un motor paso a paso funciona en configuración de lazo abierto y se produce un fallo, es posible que los operadores no dispongan de todos los datos necesarios para solucionar el problema.

Solución del problema de lazo abierto

En las últimas décadas, se han propuesto diversos enfoques para solucionar los problemas tradicionales de los motores paso a paso de lazo abierto. Uno de estos métodos consistía en llevar el motor a su posición inicial con respecto a un sensor al encenderlo, o incluso varias veces durante su funcionamiento. Si bien es un método sencillo, ralentiza las operaciones y no detecta los problemas que surgen durante el funcionamiento normal.

Otra opción consiste en añadir retroalimentación para detectar si el motor se está bloqueando o descolocando. Los ingenieros de empresas de control de movimiento crearon funciones de "detección de bloqueo" y "mantenimiento de posición". Incluso existen algunos enfoques más avanzados que tratan los motores paso a paso de forma muy similar a los servomotores, o al menos los imitan con algoritmos sofisticados.

En el amplio espectro de motores —entre los servomotores y los motores paso a paso de lazo abierto— se encuentra una tecnología relativamente nueva conocida como motor paso a paso de lazo cerrado. Es la mejor y más económica solución para aplicaciones que requieren precisión posicional y bajas velocidades. Al utilizar dispositivos de retroalimentación de alta resolución para cerrar el lazo, los ingenieros pueden obtener lo mejor de ambos mundos.

Los motores paso a paso de lazo cerrado ofrecen todas las ventajas de los motores paso a paso: facilidad de uso, simplicidad y la capacidad de funcionar de forma constante a bajas velocidades con una parada precisa. Además, conservan las capacidades de retroalimentación de los servomotores. Afortunadamente, no presentan la mayor desventaja de los servomotores: su elevado precio.

La clave siempre ha estado en el funcionamiento de los motores paso a paso de lazo abierto. Normalmente tienen dos bobinas, a veces cinco, con un equilibrio magnético entre ellas. El movimiento altera este equilibrio, provocando que el eje del motor se retrase eléctricamente, pero el operario desconoce la magnitud del retraso. El punto de parada es repetible en los motores paso a paso de lazo abierto, pero no para todas las cargas. Al incorporar un codificador al motor paso a paso y convertirlo en un lazo cerrado, se obtiene cierto control dinámico. Esto permite a los operarios detener el motor en un punto exacto bajo cargas variables.

Las ventajas de utilizar motores paso a paso de lazo cerrado en ciertas aplicaciones han incrementado notablemente su popularidad en el sector del control de movimiento. En concreto, en dos de las industrias más importantes, la de semiconductores y la de dispositivos médicos, se observa un claro aumento en el uso de motores paso a paso de lazo cerrado. Los ingenieros de estas industrias necesitan saber con exactitud la posición de las cargas o actuadores, ya sea que accionen una correa o un husillo de bolas. La retroalimentación de lazo cerrado de estos motores paso a paso les permite conocer dicha posición con precisión. Además, estos motores paso a paso ofrecen un mejor rendimiento que los servomotores a bajas velocidades.

En general, cualquier aplicación que necesite un rendimiento garantizado a un coste menor que el de un servomotor, y la capacidad de funcionar a velocidades relativamente bajas, es una buena candidata para los motores paso a paso de bucle cerrado.

Es importante tener en cuenta que los operadores deben asegurarse de que el variador o los controles sean compatibles con motores paso a paso de lazo cerrado. Anteriormente, era posible adquirir un motor paso a paso con un codificador integrado, pero el variador era estándar y no admitía codificadores. El codificador debía conectarse al controlador y era necesario verificar la posición al final de cada movimiento. Esto no es necesario con los nuevos variadores de velocidad de lazo cerrado. Estos variadores pueden controlar la posición y la velocidad de forma dinámica y automática sin necesidad de controladores.