Selección de la mejor fuente de alimentación para su aplicación de motor paso a paso o servomotor

Las aplicaciones de control de movimiento tienen algunos requisitos únicos en comparación con la mayoría de las aplicaciones; dos son particularmente únicos: 1) tienen una demanda máxima de energía que suele ser muy alta en relación con la demanda promedio y 2) los motores a menudo actúan como un generador en lugar de una carga, y bombean corriente a la fuente de alimentación en lugar de extraerla. (energía regenerada o "regen").

Si necesita una fuente de alimentación de CC para su aplicación de motor paso a paso o servomotor, tiene tres tipos para elegir: 1) suministros lineales a granel no regulados; 2) fuentes de alimentación conmutadas PWM reguladas (conmutadores SMPS o PWM); o 3) suministros híbridos de modo resonante regulado.

Este artículo analiza las consideraciones técnicas exclusivas del control de movimiento y compara los tres tipos de fuentes de alimentación.

Es importante tener en cuenta las demandas únicas de una aplicación de control de movimiento al seleccionar una fuente de alimentación. Durante las aceleraciones, los accionamientos de motor pueden consumir rápidamente grandes cantidades de energía. Además, los motores pueden generar regeneración y devolver corriente a la fuente de alimentación durante la desaceleración (es decir, actúan como generadores), lo que significa que la fuente de alimentación debe manejar el aumento de voltaje resultante. Las aplicaciones de movimiento altamente dinámico (aquellas con grandes cargas de inercia, aceleraciones/desaceleraciones rápidas y altas velocidades máximas) imponen grandes y rápidas demandas de corriente en la fuente de alimentación.

Hay muchos otros factores importantes a considerar al elegir la mejor fuente de alimentación que no están específicamente relacionados con el control de movimiento. Algunos de estos son especialmente importantes para los diseñadores de máquinas OEM que buscan minimizar el costo de su producto y brindar una operación confiable en una amplia variedad de condiciones de operación.

Potencia requerida (pico y promedio): Una aplicación de bombeo que generalmente funciona a una velocidad y un par fijos o que varían lentamente utiliza una potencia máxima bastante cercana a su potencia promedio (continua). Una máquina pick-and-place, por otro lado, con muchos arranques y paradas a alta aceleración tiene un pico mucho más alto que la demanda de energía promedio. Para un sistema bien diseñado, deberá considerar el consumo de energía máximo y promedio para todos los ejes combinados (que generalmente no es simplemente la suma de los requisitos de los ejes individuales). Una máquina multieje con ejes que tienen perfiles de movimiento superpuestos (es decir, los ejes pueden acelerar al mismo tiempo) probablemente requerirá mucha más potencia máxima que las máquinas en las que solo se mueve un eje a la vez.

Nivel de voltaje de salida de CC: Suponiendo que desea el costo total más bajo para la potencia mecánica que necesita su aplicación y está utilizando motores en el rango de 100 a 750 vatios (potencia fraccional), hay un punto óptimo alrededor de 65-85 voltios de CC. Muchas personas quieren utilizar una fuente de alimentación de 24 voltios porque son muy fáciles de encontrar o porque su aplicación ya necesita 24 voltios (para sensores y otros componentes). Muchos motores pueden funcionar con un suministro de 24 voltios, entonces, ¿por qué no usar 24 voltios? La razón principal es que aumentar el voltaje del bus suministrado al motor (hasta cierto punto) es la forma más económica de obtener más potencia del motor. La potencia mecánica del eje de un motor a cualquier velocidad dada es la velocidad multiplicada por el par. La velocidad máxima de cualquier motor está directamente relacionada con su voltaje suministrado. La cantidad de torque que puede obtener de un motor es proporcional a la corriente que impulsa a través de sus devanados, que a su vez también está limitada por el voltaje de la fuente de alimentación. Por lo tanto, la forma de obtener la mayor potencia de cualquier motor dado (velocidad × par) es aumentar su voltaje suministrado. Para cualquier voltaje dado, un motor girará más rápido si las bobinas del estator del motor tienen menos vueltas de alambre de cobre. Y con menos vueltas, puede usar un cable de mayor calibre, que tendrá menor resistencia y proporcionará más corriente por voltio.

Por el contrario, ¿por qué no usar un voltaje realmente alto? Para motores de más de 1 o 2 caballos de fuerza, no sería práctico no usar alto voltaje, pero para motores de caballos de fuerza fraccionarios, el uso de alto voltaje trae consigo una serie de problemas normativos y de seguridad que aumentan la complejidad del proyecto y aumentan los costos. Cuando se utiliza un suministro en el rango de 75 VCC, la corriente requerida para lograr una potencia del motor de hasta 1-2 caballos de fuerza no es lo suficientemente alta como para preocuparse por las pérdidas resistivas y los problemas de relleno de cobre descritos anteriormente. Y a 75 VCC, es bastante fácil y económico cumplir con las normas de seguridad eléctrica. Es posible que pueda usar un voltaje más bajo que el óptimo y aun así obtener la potencia mecánica que necesita, pero probablemente tendrá que usar un motor más grande y más costoso.

Regulación de carga/rigidez del voltaje de salida: La salida de voltaje de las fuentes de alimentación disminuirá hasta cierto punto a medida que aumente la carga de la fuente. La cantidad de caída depende del tipo de suministro, la calidad del diseño y la cantidad de carga. A medida que disminuye el voltaje de salida de suministro, disminuye la potencia máxima disponible en el eje del motor. Las unidades de motor actúan como convertidores de potencia, por lo que la unidad puede compensar momentáneamente cierta cantidad de caída porque simplemente consumirá más corriente para proporcionar la potencia requerida a la unidad de motor. Pero, debido a que la caída reduce el voltaje suministrado al motor, la potencia máxima del motor también se reducirá.

Las fuentes de alimentación que experimentan demasiada caída de voltaje pueden causar errores de posición y velocidad del motor. Con una caída lo suficientemente alta, un motor paso a paso perderá pasos y un servo puede apagarse debido a un error instantáneo excesivo.

Regulación de línea: Existe una amplia gama de voltajes de CA nominales en todo el mundo; varían según la ubicación, la hora del día y la carga de la red eléctrica. Las fuentes de alimentación reguladas generalmente manejan bien cualquier cambio razonable en el voltaje de la línea de CA; por lo general, tienen muy poco cambio de voltaje de salida. Pero la salida de un suministro no regulado, como un suministro lineal a granel, cambiará proporcionalmente con el cambio en el voltaje de la línea de entrada. Si su máquina necesita un voltaje de salida completo para alcanzar la velocidad del motor objetivo y se probó con el voltaje de línea completo, es posible que se lleve una mala sorpresa cuando la máquina funcione en condiciones de línea baja.

Una condición de CA de línea alta también puede ser un problema para aplicaciones sin regulación de línea. La mayoría de los variadores de frecuencia de motor se protegen de condiciones de sobrevoltaje, pero si el voltaje del bus de CC en un suministro no regulado aumenta debido a una línea de CA alta, su variador ahora operará más cerca de su límite de sobrevoltaje. Esto disminuye el margen de diseño con respecto a la energía regenerativa porque la regeneración también actuará para aumentar el voltaje visto por el accionamiento del motor.

Soporte de control de regeneración: Todos los motores eléctricos generan un voltaje inverso (EMF inverso) cuando producen un par en contra de la dirección del movimiento (p. ej., durante la desaceleración). Esta regeneración bombea corriente nuevamente al suministro y aumenta el voltaje total del bus. Hay varias formas de lidiar con este flujo inverso de corriente.

Puede agregar capacitancia en paralelo con la salida del suministro para que actúe como un depósito que absorba esta energía de regeneración y la almacene para reutilizarla más adelante cuando sea necesario extraer energía del suministro. Un capacitor de salida grande ocupa espacio, es relativamente costoso y tiene una vida útil relativamente baja en comparación con otros componentes electrónicos. El problema de la vida útil se puede mitigar eligiendo un capacitor con una clasificación de voltaje significativamente más alta que el voltaje de suministro nominal. Si su eje o máquina produce una regeneración significativa, es posible que deba considerar un circuito de regeneración dedicado para desviar la corriente a través de una resistencia de carga para quemar el exceso de energía. También puede incorporar un capacitor de salida separado con un "diodo de bloqueo" asociado y/o un circuito de control de regeneración con su resistencia de "frenado" de carga asociada. El capacitor funcionará pasivamente para absorber cierta cantidad de energía regenerada (y devolverla según sea necesario).

Estos componentes adicionales (Figura 1), junto con el cableado necesario, aumentan los gastos, la complejidad del cableado y ocupan más espacio en el gabinete. Además, la resistencia de frenado puede calentarse lo suficiente como para ser un peligro para la seguridad y puede requerir pasos para evitar lesiones al usuario. El condensador de salida puede necesitar algunos circuitos adicionales para evitar que la corriente de entrada dispare el disyuntor al encenderse, así como circuitos para descargar la energía almacenada al apagarse.

Tamaño/huella: El tamaño y/o el factor de forma son importantes para la mayoría de los fabricantes de máquinas y la fuente de alimentación del control de movimiento suele ser uno de los componentes más grandes que se encuentran dentro de un gabinete eléctrico. Los gabinetes o gabinetes electrónicos (especialmente si están clasificados para un entorno hostil) son costosos, por lo que los suministros más pequeños y la menor cantidad de componentes reducen los requisitos de espacio y los costos.

Protección de corriente de irrupción: La corriente de irrupción es la corriente instantánea inicial que consume un componente cuando se enciende por primera vez. Los capacitores descargados consumirán mucha corriente cuando comiencen a cargarse. La corriente de irrupción para una fuente de alimentación de CC puede ser muchas veces mayor que la corriente de entrada de estado estable. Sin un circuito limitador de corriente de irrupción, las fuentes de alimentación pueden activar interruptores automáticos del tamaño correcto o quemar fusibles cuando se encienden.

Costo: Los fabricantes de máquinas OEM pueden ser particularmente sensibles a los costos porque se vuelven significativos a medida que aumenta el volumen de la máquina. Es importante considerar el costo y la mano de obra asociados con la integración de componentes eléctricos auxiliares (como un circuito de control de regeneración externo, un diodo de bloqueo, una resistencia de frenado o capacitores adicionales).

Fuentes de alimentación lineales no reguladas– Una de las fuentes de alimentación más simples que existen, la fuente de alimentación no regulada lineal a granel tiene tres componentes principales:

Transformador: el transformador principal convierte el voltaje de la línea de CA de entrada en un voltaje de CA alternativo (generalmente, el nivel de voltaje de CC final deseado). Ocupan mucho espacio y sus laminaciones de acero y devanados de cobre son pesados.

Puente rectificador de onda completa: el puente rectificador es una matriz de diodos (generalmente en un paquete) que convierte el medio ciclo negativo del voltaje de salida de CA del transformador en un voltaje positivo. La salida del rectificador tiene el doble de la frecuencia de la CA de entrada pero solo polaridad positiva.

Condensador: la capacitancia almacena energía de modo que incluso si extrae corriente del suministro durante la fase de la entrada de CA donde el voltaje es bajo, el voltaje de salida no caerá demasiado.

Las fuentes de alimentación lineales a granel tienen una serie de ventajas. Son simples, eléctricamente silenciosos y proporcionan una fuente de corriente fácilmente disponible. Las desventajas incluyen más ondulación de voltaje que la mayoría de los diseños porque el voltaje de entrada de CA está muy por debajo del voltaje de salida de CC durante un tiempo relativamente largo. Si el voltaje cae demasiado, el motor paso a paso o servo no tendrá suficiente voltaje para girar a la velocidad requerida.

Estas fuentes de alimentación son relativamente grandes y pesadas, lo que dificulta su instalación en una máquina compacta. No todas las fuentes de alimentación lineales a granel son adecuadas para manejar la regeneración. La energía devuelta de un motor cargará el capacitor de salida, aumentando el voltaje de salida de CC.

Las fuentes de alimentación no reguladas lineales a granel (Figura 2) suelen ser dispositivos "básicos" y no tienen una variedad de características útiles que se encuentran en otros suministros, como LED de diagnóstico o descarga de energía almacenada al apagarse. Además, la mayoría de los suministros lineales a granel no están cerrados, por lo que deberá fabricar un gabinete de algún tipo si la protección contra golpes del usuario o la protección mecánica del circuito es importante en su aplicación.

Fuentes de alimentación conmutadas reguladas – Una fuente de alimentación conmutada regulada (Figura 3) incluye electrónica de control diseñada para mantener el voltaje de salida en el nivel especificado, independientemente de la carga. Los conmutadores incorporan circuitos activos y son más complicados que sus contrapartes no reguladas lineales a granel. Los conmutadores regulan activamente su voltaje de salida de CC utilizando una técnica llamada "modulación de ancho de pulso" (PWM) y retroalimentación.

Las ventajas de las fuentes de alimentación conmutadas son que producen un voltaje casi constante independientemente de la carga porque tienen un circuito activo para regular el voltaje de salida. Mientras los use dentro de su rango de corriente especificado, no verá mucha caída de voltaje bajo carga. Esto puede proporcionar una ventaja de rendimiento notable sobre los suministros no regulados.

Los conmutadores tienen un volumen más pequeño y son más livianos que las fuentes de alimentación no reguladas. Sus transformadores son significativamente más pequeños y la capacitancia de salida es mucho menor. La mayoría de las fuentes de alimentación conmutadas aceptan directamente una amplia gama de voltajes de entrada de CA, generalmente de 100 a 240 VCA, con frecuencias de línea de 50 a 60 Hz. Por lo general, un conmutador especificado correctamente no activará los interruptores automáticos cuando se encienda la energía. La mayoría de los conmutadores también tienen algún tipo de protección contra sobrecargas; se apagan automáticamente si la carga es demasiado exigente y no suministrarán alimentación de salida de CC hasta que realice un ciclo de alimentación de entrada de CA por primera vez.

Hay varias desventajas de cambiar las fuentes de alimentación. Los conmutadores generalmente tienen poca capacidad máxima. Las aplicaciones de movimiento requieren potencia máxima durante la aceleración de la carga; esto suele llevar mucho más tiempo que la cantidad de tiempo que una fuente de alimentación conmutada puede proporcionar la potencia máxima. En comparación con la regulación de salida de un conmutador, la caída de voltaje de un suministro lineal a granel no regulado normalmente se considera una desventaja; sin embargo, le permite obtener mucha más potencia durante breves períodos de tiempo (adecuado para las porciones de aceleración de un perfil de movimiento).

Todos los motores eléctricos generarán energía regenerativa cuando entreguen un par de signo opuesto a la dirección del movimiento. El motor devuelve esta energía a la salida de voltaje de CC de la fuente de alimentación, aumentando el voltaje. Las fuentes de alimentación conmutadas no tienen suficiente capacitancia de salida o un circuito de regeneración separado para absorber y/o disipar esta energía.

Por lo tanto, aunque los suministros de conmutación PWM tienen una serie de inconvenientes para su uso en aplicaciones de movimiento, pueden tener éxito, particularmente en aplicaciones que tienen una carga más continua (por ejemplo, bombas y mezcladores) en comparación con aplicaciones con demandas más pico (por ejemplo, multi- máquinas de eje con frecuentes aceleraciones y desaceleraciones del motor).

Fuentes de alimentación híbridas diseñadas para control de motores paso a paso o servomotores – Los conmutadores deben tener un tamaño significativamente mayor para manejar las cargas máximas típicas. Los conmutadores casi siempre requieren circuitos adicionales proporcionados por el usuario para funcionar de manera confiable.

Los suministros lineales a granel pueden proporcionar la potencia pico alta que normalmente se requiere para aplicaciones de movimiento (aunque con caída de voltaje de salida) y tienen una cantidad moderada de capacidad de regeneración debido a su capacitancia de salida típicamente grande.

Se podría diseñar un suministro RDFC para manejar grandes picos de carga. En un RDFC, los transistores de conmutación solo se encienden y apagan cuando están en un estado "sin corriente" o "sin voltaje". En el conmutador PWM más común, los transistores conmutarán a plena potencia y su troquel de silicio tiene que disipar una gran cantidad de calor. Debido a esto, cualquier cantidad de uso de energía que exceda la potencia nominal continua calentará rápidamente los transistores hasta un nivel dañino.

En el conmutador de modo resonante, los transistores disipan mucha menos potencia, por lo que el límite térmico en este tipo de suministro es el límite térmico del transformador. El transformador tiene mucha más masa térmica que el silicio dentro de los transistores y, por lo tanto, puede absorber picos de carga mucho más altos y picos de mayor duración.

Si combina un conmutador de modo resonante con una buena cantidad de capacitancia de salida y un controlador de regeneración, tiene una fuente de alimentación híbrida que es ideal para aplicaciones de control de movimiento. Este diseño híbrido (Figura 4) combina todas las ventajas del suministro de conmutación PWM con las ventajas del suministro lineal a granel.

Este diseño también permite que su aplicación consuma significativamente más que incluso la corriente máxima nominal sin provocar un apagado. Superar la clasificación de corriente máxima causará cierta caída, pero la caída de voltaje puede ser aceptable si le permite obtener más corriente para esos momentos de alta demanda de par a menor velocidad.

Con suerte, ahora tiene una buena comprensión de los diferentes tipos de fuentes de alimentación junto con sus ventajas y desventajas para las aplicaciones de control de movimiento. Los suministros de modo conmutado regulado y lineal a granel no regulados son comunes, pero tienen algunos inconvenientes para las aplicaciones de control de movimiento.

La arquitectura de modo resonante híbrido combina las mejores características de los otros suministros y es ideal para proporcionar alimentación de CC para servoaccionamientos y motores paso a paso.

Este artículo fue escrito por Abe Amirana, Director, Teknic (Victor, NY). Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de diciembre de 2020 de Motion Design Magazine.

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