Comprender la atracción

Valentín Raschke | 13 de septiembre de 2022

Cuando llega el momento de especificar un motor de alto rendimiento que ofrezca posicionamiento preciso y rentabilidad, los motores paso a paso ofrecen muchas ventajas sobre los motores de CC gracias a su tecnología sin escobillas. Si bien la selección de un motor paso a paso implica muchas consideraciones, los diseñadores deben comprender y tener en cuenta las curvas de par de arranque y arranque, que describen las características de velocidad y par del motor cuando se acciona. Este artículo proporcionará una descripción general de los conceptos de par de extracción y extracción que se deben tener en cuenta al implementar motores paso a paso con un sistema de movimiento.

La figura 1 a continuación muestra el par producido por un motor trifásico de CC sin escobillas (BLDC) con conmutación de seis pasos. Los sensores Hall están integrados en el motor para rastrear la posición del rotor. Esta información permite la conmutación de las tres fases en el momento adecuado para mantener un ángulo de 90°± 30° entre el campo magnético del rotor y el estator. Hay una pequeña fluctuación de corriente, pero el par desarrollado por el motor es relativamente estable y depende en cierta medida de la posición del rotor. Un codificador de alta resolución puede proporcionar una retroalimentación más precisa de la posición del rotor y reducir la ondulación del par a casi cero.

Figura 1. Fase y par motor de un motor BLDC.

La figura 2 a continuación muestra una versión simple de un motor paso a paso: un imán con un par de polos que sirve como rotor y dos fases separadas ubicadas en el estator. Este diseño proporciona cuatro pasos completos en una revolución mecánica. Las curvas de torque resultantes que indican que se aplica una corriente continua a cada fase se muestran en la Figura 3, representadas por gráficos azules y naranjas. Si el motor se acciona en paso completo habilitando solo una fase a la vez, se aplicará una corriente en el siguiente orden: A, B, -A y -B.

Figura 2. Un motor paso a paso con un par de polos.

Los gráficos verdes a continuación en las Figuras 3a y 3b ilustran el par resultante en el eje del motor. A diferencia de un motor BLDC, el par motor de un motor paso a paso dependerá significativamente de la posición del rotor. Para lograr un diseño simple y rentable, el motor paso a paso generalmente se acciona en modo de bucle abierto sin retroalimentación de la posición del rotor. La conmutación se produce así con una señal externa, en pasos por segundo, sin una posición de rotor actual establecida. Una conmutación "ideal" habilitaría la corriente en la fase cuando el rotor se coloca exactamente entre dos fases. Sin embargo, en un circuito abierto, sin retroalimentación de la posición del rotor, es posible que el rotor no siempre esté en la posición ideal. Al dimensionar un motor paso a paso, el diseñador debe tener en cuenta esta incertidumbre aplicando un factor de seguridad en el par de extracción.

Figura 3a. Una conmutación "ideal" de un motor paso a paso de dos fases.

Figura 3b. Conmutación realista de un motor paso a paso bifásico, en lazo abierto.

Para comprender mejor cómo se define el par máximo de extracción, es importante revisar cómo se mide. Por lo general, el par de extracción se mide en las siguientes condiciones:

La figura 4 a continuación muestra la configuración de medición para el par de extracción. El motor estará conectado a un controlador, que define la dirección de rotación y la velocidad del motor a través de una señal pulsada. El eje del motor está conectado a un sistema de frenado variable, como un freno de corriente de Foucault, que permite aplicar una carga variable al motor.

Figura 4. Configuración para medir el par de extracción.

La medición se realiza de la siguiente manera:

Figura 5. Un ejemplo de una curva de par de extracción.

Los valores de carga máxima para cada velocidad medida durante el Paso 3 representan la curva de torsión de extracción del motor, como se muestra arriba en la Figura 5. Debido a la resonancia, ciertas velocidades pueden hacer que el motor se comporte de manera errática y deben evitarse. Esta condición se puede mostrar en el diagrama de par de extracción.

En la práctica, el par de extracción se utiliza para definir un par y un rango de velocidad para accionar de forma segura los motores en bucle abierto. Para el par de carga máximo, se considera un factor de seguridad del 30 por ciento (representado en las Figuras 6a y 6b por la línea azul punteada), en comparación con el par de extracción máximo disponible (representado a continuación en las Figuras 6a y 6b por la línea continua línea azul).

Además, el par de extracción se utiliza para determinar el perfil de aceleración óptimo para el motor. El motor debe alcanzar un punto de trabajo, que se indica con la cruz roja en el ejemplo de la Figura 6a. Hay dos formas de acelerar el motor a la velocidad requerida:

Figura 6a. Comparación del par de arranque disponible para acelerar el motor en caso de aceleración no lineal (mostrado en naranja) en comparación con la aceleración lineal (mostrado en azul).

Figura 6b. Tiempo requerido para acelerar a una velocidad determinada en caso de aceleración no lineal (mostrada en naranja) en comparación con la aceleración lineal (mostrada en azul).

El par de tracción puede, por ejemplo, medirse utilizando la configuración de la Figura 7 a continuación. Se monta un disco en el eje del motor y se enrolla un cable a su alrededor. Se miden las fuerzas de tensión F1 y F2 en el cable, y la diferencia entre las fuerzas crea un par de carga en el motor, que depende del diámetro del disco. La carga resultante en el eje del motor consiste en un par de fricción puro con una inercia de carga despreciable. Por tanto, la única inercia presente durante la medida será la inercia del rotor del motor. El motor está conectado a un controlador en modo de bucle abierto y toda la medición se realiza sin una rampa de aceleración.

Figura 7. Configuración para medir el par de tracción.

La medición se realiza típicamente de la siguiente manera:

Figura 8. Un ejemplo de una curva de par de tracción.

Los valores máximos de velocidad capturados durante el Paso 3 representan la curva de par de arranque que se muestra arriba en la Figura 8. Por lo general, los proveedores de motores como Portescap proporcionarán la curva de par de arranque del motor sin carga y la medirán con un controlador específico. En la aplicación real, también se debe considerar la inercia de la carga porque esta inercia adicional que actúa sobre el eje del motor disminuirá el par de tracción disponible del motor. En resumen, los factores que influyen en el par de tracción de un motor paso a paso son:

En la práctica, hay dos situaciones clave en las que se utiliza el par de tracción al dimensionar un motor paso a paso:

Al seleccionar un motor paso a paso, es fundamental comprender la curva de par de arranque y arranque del motor para garantizar un buen rendimiento y confiabilidad en la aplicación prevista. Portescap ofrece una amplia gama de motores paso a paso estándar y personalizados junto con soporte de ingeniería.

Lo ayudaremos a seleccionar un motor paso a paso con las características de velocidad y par que mejor se adapten a sus requisitos y garanticen un rendimiento sin problemas.

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