Los motores paso a paso de circuito cerrado pueden ser la mejor opción para las tareas típicamente realizadas por los servos porque los steppers tradicionales no podían manejarlos.

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

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

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 cualquier aplicación dada.

Los requisitos

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

Estas preguntas críticas no pueden abordarse simplemente eligiendo un motor con una potencia dada.

La potencia de salida de un motor es la combinación de torque y velocidad que se puede calcular mediante una multiplicación de velocidad, torque y una constante.

Sin embargo, debido a la naturaleza de este cálculo, hay muchas combinaciones diferentes de torque y velocidad que producirán una potencia de salida específica. Por lo tanto, diferentes motores con clasificaciones de potencia 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 tamaño para moverse antes de elegir con confianza un motor que funcione mejor. El trabajo que se está realizando también debe caer bajo la curva de torque/velocidad del motor. Esta curva muestra cómo el par de un motor varía durante la operación. Utilizando suposiciones de "peor de los casos" (en otras palabras, determinando la cantidad máxima/mínima de torque y velocidad que requerirá el trabajo), los ingenieros pueden estar seguros de que un motor elegido tiene una curva de par/velocidad suficiente.

La inercia de la carga es otro factor que debe abordarse antes de sumergirse en el proceso de toma de decisiones de elegir un motor. La relación de inercia debe calcularse, 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 sufrir. Pero esta regla varía no solo de tecnología a tecnología, sino de proveedor a proveedor e incluso producto y producto. Qué crítica es una aplicación también afectará esta decisión. Algunos productos manejan las relaciones de hasta 30 a 1, mientras que las unidades directas funcionan hasta 200 a 1. A muchas personas no les gusta dañar un motor que excede una relación de 10 a 1.

Finalmente, hay limitaciones físicas que restringen un cierto 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 que se pueda tomar una decisión informada sobre el mejor tipo de motor, estas especificaciones físicas deben reconocerse y entenderse.

Una vez que los ingenieros respondan todas estas preguntas (velocidad, torque, caballos de fuerza, inercia de carga y limitaciones físicas, pueden concentrarse en el motor de tamaño más eficiente. Sin embargo, el proceso de toma de decisiones no se detiene allí. Los ingenieros también deben descubrir qué tipo de motor se adapta mejor a la aplicación. Durante años, la opción de tipo se redujo a una de las dos opciones para la mayoría de las aplicaciones: un motor de servomotremo o un motor paso a paso abierto.

Servos y steppers

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

En los servo sistemas tradicionales, un controlador envía comandos a la unidad del motor a través del pulso y la dirección o un comando analógico relacionado con la posición, la velocidad o el par. Algunos controles pueden usar un método basado en bus, que en los controles más nuevos es típicamente un método de comunicación basado en Ethernet. La unidad luego envía corriente apropiada a cada fase del motor. La retroalimentación del motor vuelve a la transmisión del motor y, si es necesario, al controlador. La unidad 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 posicionales se alimentan con frecuencia al controlador. Esta retroalimentación le da al controlador más control sobre el motor. El controlador puede hacer ajustes a las operaciones, en diversos grados, si algo no se está ejecutando como debería ser. Este tipo de información crucial es un beneficio que los motores paso a paso de circuito abierto no pueden ofrecer.

Stepper Motors también operan en los comandos enviados a la unidad del motor para dictar la distancia movida y la velocidad. Por lo general, esta señal es un comando de paso y dirección. Sin embargo, los estepre de circuito abierto no pueden proporcionar comentarios a los operadores, por lo que sus controles no pueden evaluar adecuadamente una situación y hacer ajustes para mejorar la operación del motor.

Por ejemplo, si el par de un motor no es suficiente para manejar la carga, el motor puede detenerse o perder ciertos pasos. Cuando esto sucede, la posición objetivo no será golpeada. Con las características de circuito abierto del motor paso a paso en mente, este posicionamiento inexacto no se transmitirá adecuadamente al controlador para que pueda hacer ajustes.

El servomotor parece tener ventajas claras 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 para tomar cualquier decisión de diseño. A medida que los presupuestos se endurecen, se deben tomar decisiones para reducir los 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 en lugar de los servos. Entonces, si los beneficios de un servomotor no justificarán 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 simple de entender y más fácil de configurar. La mayoría del personal estaría de acuerdo en que si no hay razón para complicar en exceso las operaciones, mantenga las cosas simples.

Las ventajas que ofrecen los dos tipos de motor diferentes son muy diferentes. Los servomotores son ideales si necesita un motor con velocidades de más de 3.000 rpm y alto par. Sin embargo, para una aplicación que requiere solo velocidades de unos pocos cientos de rpm o menos, un servomotor no siempre es la mejor opción. Los servomotores pueden ser excesivos para aplicaciones de baja velocidad.

Las aplicaciones de baja velocidad son donde brillan los motores paso a paso como la mejor solución posible. Los motores paso a paso no solo son repetibles cuando se trata de detenerse, sino que también están diseñados para funcionar a baja velocidad al tiempo que proporcionan un alto par. Por la naturaleza misma de este diseño, los motores paso a paso se pueden controlar y correr hasta sus límites de velocidad. El límite de velocidad de los motores paso a paso típicos suele ser de menos de 1,000 rpm, mientras que los servomotores pueden tener velocidades nominal de hasta 3.000 rpm y más, a veces incluso en más de 7,000 rpm.

Si un paso a paso es el tamaño correctamente, puede ser la elección perfecta. Sin embargo, cuando un motor paso a paso se ejecuta en una configuración de bucle abierto y algo sale mal, los operadores pueden no obtener todos los datos que necesitan para solucionar el problema.

Resolviendo el problema de circuito abierto

En las últimas décadas, se han ofrecido varios enfoques diferentes para resolver los problemas tradicionales con los steppers de circuito abierto. Homicir el motor a un sensor en el encendido, o incluso varias veces durante una aplicación, fue un método. Aunque es simple, esto ralentiza las operaciones y no captura problemas que surgen durante los procesos operativos normales.

Agregar retroalimentación para detectar si el motor se detiene o está fuera de posición es otro enfoque. Los ingenieros de las compañías de control de movimiento crearon características de "detección de puestos" y "mantenimiento de posición". Incluso ha habido algunos enfoques que van aún más lejos que tratan los motores de paso a paso como los servos, o al menos imitarlos con algoritmos elegantes.

En el gran espectro de motores, entre servos y motores paso a paso de circuito abierto, es una tecnología algo nueva conocida como el motor paso a paso de circuito cerrado. Es la forma mejor y más consciente 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 circuito cerrado ofrecen todas las ventajas de los motores paso a paso: facilidad de uso, simplicidad y la capacidad de funcionar consistentemente en bajas velocidades con una parada precisa. Además, todavía ofrecen las capacidades de retroalimentación que hacen los servomotores. Afortunadamente, no tiene que venir con la mayor desventaja de un servo: el precio más grande.

La llave siempre ha sido en el camino 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 perturba este equilibrio, lo que hace que el eje del motor se quede atrás eléctricamente, pero el operador no puede saber qué tan lejos se queda atrás. El punto de detención es repetible para los steppers de circuito abierto, pero no para todas las cargas. Poner un codificador en el paso a paso y hacerlo un circuito cerrado proporciona algún control dinámico. Esto permite que los operadores se detengan en un lugar exacto bajo variables cargas.

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

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

Tenga en cuenta que los operadores deben asegurarse de que la unidad o controles admitan motores paso a paso de circuito cerrado. Históricamente, podría 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 ser llevado de regreso al controlador y la verificación de la posición necesitaría implementarse al final de un movimiento dado. Esto no se requiere con las nuevas unidades de paso a paso de circuito cerrado. Las unidades paso a paso de circuito cerrado pueden manejar dinámica y automáticamente el control de la posición y la velocidad sin involucrar controladores.