Accionamientos bipolares y unipolares para motores paso a paso: una comparación

Un motor paso a paso es un tipo de motor de CC sin escobillas compuesto por bobinas conectadas llamadas "fases". Estos dispositivos electromecánicos generalmente se accionan en bucle abierto sin un sensor de retroalimentación, con corriente aplicada en las fases sin conocer la posición del rotor. El rotor se alinea por medio del flujo magnético del estator, generado por la corriente que fluye en las fases. En cada pulso, la corriente se puede suministrar a la siguiente fase, lo que permite movimientos de rotación incrementales o pasos.

Hay dos métodos para suministrar corriente en las bobinas: bipolar y unipolar. Este artículo explicará las diferencias entre motores bipolares y unipolares, sus métodos de conducción y ventajas y limitaciones.

La figura 1 muestra un motor paso a paso de imanes permanentes de cuatro pasos. El rotor está hecho con un imán de un par de polos y el estator consta de dos fases: Fase A y Fase B. En el método unipolar, la corriente siempre fluye en la misma dirección. Cada bobina está dedicada a una dirección de corriente, por lo que se alimenta la bobina A+ o A-; las bobinas A+ o A- nunca se alimentan juntas. En el método bipolar, la corriente puede fluir en ambas direcciones en todas las bobinas. Las fases A+ y A- se alimentan juntas. Un motor bipolar requiere un mínimo de bobina por fase y un motor unipolar requiere un mínimo de dos bobinas por fase. Aquí hay una mirada detallada a ambas opciones:

En la configuración unipolar, cada fase del motor se compone de dos bobinados. Con un motor bifásico compuesto por las Fases A y B, el motor tiene cuatro bobinados, como se muestra en la Figura 2.

La fase A está compuesta por A+, A-

La fase B se compone de B+, B-

La corriente en cada bobina solo puede fluir en una sola dirección, por lo que es unipolar. En la transmisión por voltaje, el sistema de control es fácil, con solo un interruptor o transistor por bobina. Cuando el transistor está cerrado, la bobina está alimentada. Para conmutar el motor, los transistores se cierran y abren alternativamente.

En la Figura 3, los transistores Q1 y Q2 no se pueden cerrar al mismo tiempo. Para alimentar la Fase A, debe cerrar el transistor Q1 o Q2, según la dirección en la que necesite que funcione la corriente. Con el control unipolar, solo se alimenta la mitad de la fase a la vez, por lo que la corriente solo usa la mitad del volumen de cobre. Con los impulsores de voltaje, las resistencias en serie se aplican típicamente para disminuir la constante de tiempo eléctrica. Este escenario se explicará más adelante en el artículo.

Los motores bipolares solo necesitan un devanado de bobina por fase y la corriente puede fluir en ambas direcciones por bobina. Se requieren ocho transistores con dos puentes H para controlar motores bipolares, como se muestra en la Figura 4.

En la Figura 5, los transistores se cierran y abren alternativamente para proporcionar conmutación. Los accionamientos bipolares tienen la ventaja de utilizar todo el cobre por fase. Estos accionamientos bipolares se utilizan en el accionamiento de tensión del motor o en la fuente de corriente. Para la fuente de corriente, la corriente en cada fase se controla con una modulación de ancho de pulso (PWM). Se utilizan dos técnicas para PWM: caída lenta o caída rápida, dependiendo de si se supone que la corriente debe disminuir lenta o rápidamente a través de la fase del motor durante el tiempo de "apagado" de PWM.

Unidad de voltaje. Un circuito simple con cuatro transistores proporciona un control unipolar rentable. Un controlador de voltaje para motores bipolares requiere dos puentes H (ocho transistores).

Unidad actual. Es preferible un modo bipolar para los variadores actuales porque la tecnología unipolar requiere una electrónica más compleja para lograr un menor rendimiento del motor.

Precaución de accionamiento de tensión. Debido al efecto de la inductancia, la corriente necesita un tiempo para subir en la bobina. Para unidades unipolares o bipolares, puede agregar una resistencia en serie para disminuir la constante de tiempo eléctrica (L/R). Al agregar una resistencia externa, la corriente disminuye (i = U/(R+r)).

En resumen, añadir resistencia para la misma potencia suministrada da como resultado un menor par a baja velocidad. La corriente es menor debido a la potencia en julios disipada en la resistencia externa. Debido a que el par es proporcional a la corriente, el motor entregará menos par. A alta velocidad, da como resultado un par mayor. Incluso si se disipa algo de potencia en julios en la resistencia externa, el motor podrá entregar más par gracias a la constante de tiempo eléctrica más baja. Esto permite que la corriente aumente más rápidamente en la bobina. (Nota: con un aumento en el voltaje de suministro, puede compensar la corriente más baja; sin embargo, la eficiencia energética general será menor. El par mejora a alta velocidad y se mantiene a baja velocidad).

El par de retención es el par máximo que puede soportar el motor. El par de retención es proporcional a la constante de par ya la corriente en la fase.

T sosteniendo max = k * i

dónde

T holding max es el par de sujeción (Nm)

k es la constante de par (Nm/A)

i es la corriente en la fase (A)

Se puede generar un par mayor aumentando el número de vueltas de la bobina o aumentando el flujo de corriente. El aumento de la corriente provocó calor adicional debido a la disipación de pérdida de julios (P julios = R * i 2). El suministro de corriente está limitado por la capacidad térmica de la bobina. La temperatura de la bobina generalmente puede alcanzar la temperatura máxima admisible de la bobina, normalmente 100 °C o 150 °C, según el tipo de motor.

Veamos las pérdidas de julios en ambas combinaciones (Figura 6 a continuación), considerando una fase ENCENDIDA:

Teniendo en cuenta que cada bobina individual tiene su propia resistencia, inductancia y constante de par, y si las pérdidas en julios son las mismas para ambos casos, P julio bi = P julio uni = P 0 , tendremos:

Para las mismas pérdidas de julios disipadas, el motor bipolar puede producir √2 (≈40 %) más par que el accionamiento unipolar. Y para la misma potencia eléctrica, el accionamiento bipolar obtiene mejores resultados que el accionamiento unipolar.

La demostración anterior muestra que cuando se disipa la misma potencia, el motor bipolar puede entregar un 40% más de par. Sin embargo, a alta velocidad en la transmisión de voltaje, el motor unipolar puede entregar un par más alto que el motor bipolar porque la corriente puede fluir más rápido en la bobina. La figura 7 proporciona un ejemplo.

Un motor bipolar generalmente tiene cuatro cables, mientras que un motor unipolar tiene ocho cables si el punto medio no está conectado (Figura 8).

Si el motor unipolar tiene ocho hilos, se puede convertir en una versión bipolar conectando las medias fases. Las bobinas se pueden conectar en serie o en paralelo. Ambas opciones tienen la misma regulación del motor (R/k2) y las mismas prestaciones de par para la misma potencia eléctrica.

Un montaje en serie tiene una resistencia cuatro veces mayor que un montaje en paralelo. Una conexión en serie requiere el doble de corriente y la mitad de voltaje que una conexión en paralelo. Una conexión en serie o en paralelo coincidirá con la fuente de alimentación.

La tabla de la Figura 10 presenta las ventajas de los conjuntos unipolares y bipolares. El control unipolar era popular en el pasado, pero el control bipolar en la unidad actual se ha vuelto más frecuente gracias a las mejoras en los costos. Para el accionamiento por tensión, el control unipolar sigue siendo una opción rentable.

Este artículo fue escrito por Clemence Muron, ingeniero de aplicaciones en Portescap, West Chester, PA. Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de agosto de 2021 de Motion Design Magazine.

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