Formas de control paso a paso de bucle cerrado

2017 - Artículo más popular - Para lograr el máximo rendimiento, el motor paso a paso puede tratarse como un servomotor sin escobillas de 2 fases. La corriente al motor se controlará entonces como una función de la señal de error al igual que con los servomotores estándar.

Contribuido por | Galil Motion Control, Inc.

Los motores paso a paso se emplean en una variedad de aplicaciones en todo el espectro de la ingeniería porque son económicos, fáciles de operar y ofrecen un alto par a bajas velocidades. Sin embargo, los motores paso a paso tienen inconvenientes, como pasos perdidos, par reducido a altas velocidades, resonancias y alto consumo de energía. Para mitigar estos problemas, Galil tiene tres métodos para cerrar el ciclo alrededor de un motor paso a paso: corrección de punto final, micropasos de ciclo cerrado y conducción del motor paso a paso como un motor sin escobillas de 2 fases.

Los motores paso a paso tienen múltiples electroimanes "dentados" dispuestos alrededor de un rotor en forma de engranaje. Para hacer girar el eje del motor, estos electroimanes se energizan en una secuencia específica. La figura 1 muestra una vista simplificada de este proceso para un motor paso a paso de 2 fases. Cada secuencia específica corresponde a un paso del motor. Un motor paso a paso normalmente tiene 200 pasos por revolución.

Los motores paso a paso no vienen sin algunos inconvenientes. El primer inconveniente de un motor paso a paso es que funciona a plena corriente en todo momento. Esto conduce a la energía desperdiciada y a la generación excesiva de calor. En segundo lugar, fundamental para el funcionamiento de los motores paso a paso es la vibración que se produce cuando cambian de posición en pasos discretos. Cuando la frecuencia de paso coincide con la oscilación natural o la frecuencia resonante del motor paso a paso, la amplitud de estas vibraciones aumentará, lo que provocará la pérdida de posición. Los motores paso a paso también experimentan una disminución significativa del par a medida que aumenta la velocidad del motor. En Error: Fuente de referencia no encontrada, se muestra una curva común de par-velocidad. Por último, la resolución posicional está limitada por el número de pasos por revolución. Si se necesita una mayor resolución, el paso a paso se puede conducir a través del proceso de micropasos.

El micropaso es un método para impulsar un motor paso a paso de modo que cada paso completo del motor se divide en incrementos más pequeños llamados micropasos. Los micropasos normalmente crean entre 2 y 256 micropasos por paso completo, lo que significa que el motor de 200 pasos por revolución ahora puede tener hasta 51200 de estos micropasos por revolución. La Figura 3 detalla la forma de onda actual a través de cada fase del motor paso a paso con un número creciente de micropasos por paso completo.

La precisión real de los micropasos depende en gran medida de fuerzas externas. Los micropasos tienen una precisión de un paso completo del motor; sin embargo, si hay más de medio paso de error, se producirá una pérdida de posición. El movimiento no ocurrirá si la fricción, la gravedad o cualquier otra fuerza es lo suficientemente grande como para evitar que el pequeño cambio en la corriente entre dos posiciones de micropasos afecte la posición del motor. La figura 4 muestra un gráfico de un movimiento de punto a punto ejecutado en un sistema accionado por un motor paso a paso acoplado con un codificador. La línea roja es la posición esperada del motor paso a paso, la línea morada es la salida de pulsos de paso al motor y la línea azul es la posición del motor medida por el codificador. La línea negra indica cuando el controlador está perfilando activamente el movimiento. Debido a la fricción en el sistema, la posición final del motor paso a paso no coincide con la posición comandada, lo que genera un error de estado estable.

Al utilizar la retroalimentación del codificador para reconocer este error de posición, el punto final se puede ajustar al ordenar pulsos de paso adicionales para llevar el motor a la posición correcta. Galil llama a este modo de mantenimiento de posición paso a paso, o SPM. SPM aún opera el paso a paso en el modo de micropasos, pero ahora se puede verificar y ajustar la precisión del punto final. Este modo funciona comparando la posición comandada del motor paso a paso con la salida de posición real del codificador justo antes de completar un movimiento. La Figura 5 muestra el mismo sistema que la Figura 4 ahora en funcionamiento en el modo de mantenimiento de posición paso a paso. Después del final del movimiento, se reconoce el error de posición y se ajusta la posición de referencia para tener en cuenta este error. Luego se ordena un movimiento de corrección de errores para llevar el paso a paso a la posición correcta. Al agregar el codificador, el controlador ahora tiene la capacidad de reconocer y corregir errores presentes en el sistema. El mismo movimiento que anteriormente resultó en un error de estado estacionario debido a la fricción, ahora se puede considerar y corregir.

El modo SPM está diseñado para aplicaciones donde la única preocupación es la precisión del punto final. Cuando es necesario corregir continuamente el error, Galil ofrece el modo Microstepping de bucle cerrado (CLS). La figura 6 muestra el sistema paso a paso que ahora funciona en modo CLS. Además de la posición de referencia y la posición del codificador, ahora se genera internamente una señal de error (línea verde) en el controlador y se utiliza para ajustar la posición del motor paso a paso de forma continua. Es importante tener en cuenta que en el modo CLS, el movimiento ahora se perfila en función de la posición del codificador, pero el controlador aún genera pulsos de paso para impulsar el motor paso a paso.

La señal de error generada se alimenta a través del filtro CLS de Galil que luego compensa cualquier error presente en el sistema ajustando la salida de pulsos de paso al paso a paso. Closed Loop Microstepping es un verdadero modo de funcionamiento de bucle cerrado, y es el uso óptimo de un motor paso a paso que aún funciona como un paso a paso. La operación en lazo cerrado trae consigo el riesgo de inestabilidad si el lazo no está correctamente sintonizado, por lo que se debe tener cuidado para lograr la estabilidad. Además, este modo sigue siendo ineficiente desde el punto de vista energético y tiene un ancho de banda bajo en comparación con un servosistema clásico. Este bajo ancho de banda se puede reducir aún más cuando se utilizan unidades paso a paso externas de terceros con un ancho de banda de bucle de baja corriente y características no lineales.

Para lograr el máximo rendimiento, el motor paso a paso se puede tratar como un servomotor sin escobillas de 2 fases. La corriente al motor se controlará entonces como una función de la señal de error al igual que con los servomotores estándar. Galil se refiere al modo sin escobillas de 2 fases, o 2PB. La figura 7 detalla el sistema de motor paso a paso que se acciona en este modo. Ahora, en lugar de pulsos escalonados, el controlador genera una señal de comando de par (línea marrón) que se alimenta a uno de los amplificadores internos de Galil que funcionan en modo 2PB para controlar la posición del motor. veces. Un motor paso a paso accionado en modo 2PB es similar a un servomotor clásico conectado a una caja de cambios de reducción de velocidad. Debido a que este modo funciona como un servomotor estándar, ahora se puede utilizar la gama completa de capacidades avanzadas de filtro PID de Galil, incluidos los filtros de muesca, de polo y de avance. Para accionar el motor paso a paso de esta manera, el amplificador debe hacerse más sofisticado para entregar adecuadamente solo la corriente instantánea requerida al motor. Esto da como resultado que el motor paso a paso funcione eficientemente y genere mucho menos calor.

Al aprovechar los métodos de control paso a paso de circuito cerrado de Galil, se pueden superar las diversas deficiencias de los motores paso a paso. La posición del punto final se puede ajustar para imprecisiones con el modo de mantenimiento de la posición paso a paso, la posición se puede ajustar dinámicamente con micropasos de bucle cerrado y, por último, el motor paso a paso se puede tratar como un servo sin escobillas de 2 fases para aumentar aún más el rendimiento y la eficiencia del motor. . Si tiene preguntas sobre qué modo de operación paso a paso de bucle cerrado es apropiado para su aplicación, comuníquese con nuestro departamento de ingeniería de aplicaciones al (916) 626-0101 o por correo electrónico a [email protected].

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