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

Una de las decisiones más importantes que deben tomar los ingenieros al diseñar cualquier sistema de control de movimiento es la elección del motor. Seleccionar 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 de bajo costo? ¿O tal vez haya una tercera opción intermedia a considerar?

Las respuestas parten de las necesidades de la aplicación específica. Hay muchos factores a 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 de par y velocidad, que se puede calcular multiplicando la velocidad, el par y una constante.

Debido a la naturaleza de este cálculo, existen muchas combinaciones diferentes de par y velocidad que dan como resultado 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 un tamaño determinado 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 del motor durante su funcionamiento. Al considerar el peor escenario posible (es decir, determinar el par y la velocidad máximos y mínimos que requiere la tarea), los ingenieros pueden tener la certeza de que el motor elegido cuenta con una curva de par/velocidad suficiente.

La inercia de la carga es otro factor que debe considerarse antes de abordar el proceso de selección de un motor. Es necesario 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 10 veces la del rotor, la optimización del motor puede resultar más difícil y el rendimiento puede verse afectado. Sin embargo, esta regla varía no solo según la tecnología, sino también entre proveedores e incluso entre productos. La criticidad de la aplicación también influirá en esta decisión. Algunos productos manejan relaciones de hasta 30:1, mientras que los accionamientos directos funcionan hasta con 200:1. Muchos prefieren no dimensionar un motor con una relación superior a 10:1.

Finalmente, ¿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 pueden albergar un motor de cierto tamaño. Antes de tomar una decisión informada sobre el tipo de motor más adecuado, es fundamental conocer y comprender estas especificaciones físicas.

Una vez que los ingenieros responden a todas estas preguntas (velocidad, par, potencia, inercia de 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 redujo 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 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 enviar información precisa sobre la posición dinámica del eje. Por lo tanto, los servomotores se consideran motores de lazo cerrado, 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 como debería. 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 al operador, por lo que sus controles no pueden evaluar correctamente la situación ni realizar ajustes para optimizar el funcionamiento del motor.

Por ejemplo, si el par motor no es suficiente para soportar la carga, el motor puede detenerse o perder pasos. En ese caso, no se alcanzará la posición objetivo. Debido a las características de lazo abierto del motor paso a paso, este posicionamiento impreciso no se transmitirá adecuadamente al controlador para que este pueda realizar los ajustes necesarios.

El servomotor parece ofrecer claras ventajas en términos de eficiencia y rendimiento, entonces, ¿por qué alguien elegiría un motor paso a paso? Existen varias razones. La más común es el precio; los presupuestos operativos son un factor importante en cualquier decisión de diseño. A medida que los presupuestos se ajustan, es necesario recortar costos 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 podría 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 mantener la simplicidad.

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

Las aplicaciones de baja velocidad son donde los motores paso a paso destacan como la mejor solución. No solo ofrecen una parada repetible, sino que también están diseñados para funcionar a baja velocidad proporcionando un par motor 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 ocasiones.

Si un motor paso a paso tiene el tamaño adecuado, puede ser la opción perfecta. Sin embargo, cuando un motor paso a paso funciona en modo de lazo abierto y surge algún problema, es posible que los operadores no reciban todos los datos necesarios para solucionarlo.

Resolución 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. Un método consistía en posicionar el motor en un sensor al encenderlo, o incluso varias veces durante la aplicación. Si bien es sencillo, este método ralentiza las operaciones y no detecta los problemas que surgen durante el funcionamiento normal.

Otra estrategia consiste en añadir información para detectar si el motor se bloquea o se sale de posición. Los ingenieros de las empresas de control de movimiento crearon funciones de detección de bloqueo y mantenimiento de posición. Incluso existen enfoques que van más allá, tratando los motores paso a paso como si fueran servomotores, o al menos imitándolos 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 de posicionamiento y bajas velocidades. Al utilizar dispositivos de retroalimentación de alta resolución para cerrar el lazo, 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 forma constante a bajas velocidades con una parada precisa. Además, conservan las capacidades de retroalimentación de los servomotores. Afortunadamente, esto no implica la mayor desventaja de un servomotor: su elevado precio.

La clave siempre ha residido en el funcionamiento de los motores paso a paso de lazo abierto. Suelen tener 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 operador no puede saber cuánto se retrasa. 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 operadores detener el motor en un punto exacto bajo cargas variables.

Las ventajas que ofrecen los motores paso a paso de bucle cerrado para ciertas aplicaciones han incrementado notablemente su popularidad en el ámbito 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 bucle cerrado. Los ingenieros de estas industrias deben conocer con precisión la posición de las cargas o actuadores, ya sea que el motor impulse una correa o un husillo de bolas. La retroalimentación de bucle cerrado de estos motores les permite saberlo con exactitud. Además, estos motores pueden ofrecer un mejor rendimiento que los servomotores a bajas velocidades.

En general, cualquier aplicación que necesite un rendimiento garantizado a un coste inferior al de un servomotor, y la capacidad de funcionar a velocidades relativamente bajas, es una buena candidata 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 lazo cerrado. Anteriormente, se podían encontrar motores paso a paso con un codificador en la parte posterior, pero el variador era estándar y no admitía codificadores. El codificador debía conectarse al controlador y la verificación de posición debía implementarse al final de cada movimiento. Esto no es necesario con los nuevos variadores de motor paso a paso de lazo cerrado. Estos variadores pueden gestionar de forma dinámica y automática el control de posición y velocidad sin necesidad de controladores.