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 manejarlas.

Una de las decisiones más cruciales que los ingenieros deben tomar al diseñar cualquier tipo de proceso de control de movimiento es la elección del motor. Conseguir 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 supere el presupuesto es siempre una prioridad.

Una de las primeras preguntas que hay que responder al 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 económico? ¿O quizás exista una tercera opción, más económica, a considerar?

Las respuestas empiezan con 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 el motor? ¿Cuánto par se requiere? ¿Cuál es la velocidad máxima requerida?

Estas preguntas críticas no se pueden abordar 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 nominales similares pueden funcionar de forma distinta debido a la combinación de velocidad y par que ofrecen.

Los ingenieros deben saber a qué velocidad debe moverse una carga de cierto tamaño antes de elegir con seguridad el motor más adecuado. El trabajo realizado también debe estar dentro de la curva de par/velocidad del motor. Esta curva muestra cómo varía el par del motor durante su funcionamiento. Utilizando supuestos de "peor escenario" (es decir, determinando el par y la velocidad máximos/mínimos que requerirá el trabajo), los ingenieros pueden estar seguros de que el motor elegido tiene una curva de par/velocidad adecuada.

La inercia de la carga es otro factor que debe considerarse antes de tomar la decisión de elegir un motor. Se debe calcular la relación de inercia, que es la comparación entre la inercia de la carga y la del motor. Una regla general indica que si la inercia de la carga supera en 10 veces la del rotor, el ajuste del motor puede ser más difícil y el rendimiento puede verse afectado. Sin embargo, esta regla varía no solo entre tecnologías, sino también entre proveedores e incluso entre productos. La criticidad de la aplicación también influirá en esta decisión. Algunos productos admiten relaciones de hasta 30 a 1, mientras que los accionamientos directos funcionan hasta en 200 a 1. A muchas personas no les gusta dimensionar un motor que supere una relación de 10 a 1.

Finalmente, ¿existen limitaciones físicas que limiten la elección de un motor en particular? Los motores vienen en diferentes formas y tamaños. En algunos casos, son grandes y voluminosos, y ciertas operaciones no pueden alojar un motor de cierto tamaño. Antes de tomar una decisión informada sobre el mejor tipo de motor, es necesario reconocer 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 bucle 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 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 variador del motor mediante pulsos 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 modernos 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 se devuelve al variador y, si es necesario, al controlador. El variador se basa en esta información para conmutar correctamente el motor y enviar información precisa sobre la posición dinámica del eje del motor. Por lo tanto, los servomotores se consideran motores de lazo cerrado e incorporan codificadores, y los datos de posición se envían frecuentemente al controlador. Esta retroalimentación proporciona al controlador un mayor control sobre el motor. El controlador puede realizar ajustes en las operaciones, 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 ofrecen.

Los motores paso a paso también funcionan con comandos enviados al variador 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 bucle abierto no pueden proporcionar retroalimentación a los operadores, por lo que sus controles no pueden evaluar adecuadamente la situación ni 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 bloquearse o saltarse ciertos pasos. En este caso, no se alcanzará la posición objetivo. Teniendo en cuenta las características de bucle abierto del motor paso a paso, este posicionamiento impreciso no se transmitirá adecuadamente al controlador para que pueda realizar los ajustes.

El servomotor parece tener claras ventajas en términos de eficiencia y rendimiento, así que ¿por qué elegir un motor paso a paso? Hay un par de razones. La más común es el precio; los presupuestos operativos son factores importantes a considerar al tomar cualquier decisión de diseño. A medida que los presupuestos se ajustan, es necesario tomar decisiones para reducir costos innecesarios. Esto no solo se refiere al costo del motor en sí, sino que el mantenimiento rutinario y de emergencia suele ser más económico para los motores paso a paso que para los servos. Por lo tanto, si las ventajas 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 entender y configurar. La mayoría del personal coincidiría en que, si no hay motivo para complicar demasiado las operaciones, conviene simplificarlas.

Las ventajas que ofrecen los dos tipos de motor 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 una aplicación que requiere velocidades de solo unos 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 se destacan como la mejor solución. Los motores paso a paso no solo son repetibles al detenerse, sino que también están diseñados para funcionar a baja velocidad y proporcionar un alto par. 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 superiores, a veces incluso superiores a 7000 rpm.

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

Solución del problema del bucle abierto

En las últimas décadas, se han propuesto diversos enfoques para resolver los problemas tradicionales de los motores paso a paso de bucle abierto. Un método era la reubicación del motor en un sensor al encenderlo, o incluso varias veces durante una aplicación. Aunque simple, esto ralentiza las operaciones y no detecta los problemas que surgen durante los procesos operativos normales.

Añadir retroalimentación para detectar si el motor se bloquea o está fuera de posición es otro enfoque. Los ingenieros de empresas de control de movimiento crearon funciones de "detección de bloqueo" y "mantenimiento de la posición". Incluso existen algunos enfoques que van más allá y tratan los motores paso a paso de forma similar a los servos, o al menos los imitan con algoritmos sofisticados.

En el amplio espectro de motores, entre los servos y los motores paso a paso de bucle abierto, se encuentra una tecnología relativamente nueva conocida como motor paso a paso de bucle cerrado. Es la forma más eficaz y 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 bucle, los ingenieros pueden disfrutar de lo mejor de ambos mundos.

Los motores paso a paso de bucle 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 un frenado preciso. Además, mantienen la capacidad de retroalimentación de los servomotores. Por suerte, esto no tiene por qué conllevar la mayor desventaja de un servo: su elevado precio.

La clave siempre ha residido en el funcionamiento de los motores paso a paso de bucle abierto. Suelen tener dos bobinas, a veces cinco, con un equilibrio magnético entre ellas. El movimiento altera este equilibrio, provocando un retraso eléctrico en el eje del motor, pero el operador no puede saber cuánto se retrasa. El punto de parada es repetible para los motores paso a paso de bucle abierto, pero no para todas las cargas. Instalar un codificador en el motor paso a paso y convertirlo en un bucle cerrado proporciona cierto control dinámico. Esto permite a los operadores detenerse en un punto exacto bajo cargas variables.

Estas ventajas del uso de motores paso a paso de bucle cerrado para ciertas aplicaciones han incrementado considerablemente su popularidad en la comunidad de 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 bucle cerrado. Los ingenieros de estas industrias deben saber exactamente dónde se han posicionado las cargas o los actuadores, ya sea que accionen una correa o un husillo de bolas. La retroalimentación de bucle cerrado de estos motores paso a paso les permite saber exactamente dónde se encuentran. Además, estos motores paso a paso pueden ofrecer 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 sean compatibles con motores paso a paso de bucle cerrado. Anteriormente, se podía conseguir un motor paso a paso con un codificador en la parte posterior, pero el variador era un variador paso a paso estándar y no admitía codificadores. El codificador debía devolverse al controlador y la verificación de la posición debía implementarse al final de cada movimiento. Esto no es necesario con los nuevos variadores paso a paso de bucle cerrado. Estos pueden gestionar el control de posición y velocidad de forma dinámica y automática sin necesidad de controladores.