El par de torsión (torque) de un motor depende de la corriente que pasa a través de las bobinas del motor. Por lo tanto, la forma común y lógica para controlar este par es realizar una regulación de corriente mediante la monitorización directa. Este método se llama control de modo de corriente. Existe otra manera de accionar un motor que se denomina control de modo de tensión.
En ese caso, la corriente no se monitoriza pero la tensión que debe aplicarse al motor se calcula con el fin de llegar a la corriente deseada. En este artículo se presentan las ventajas y las desventajas de ambos métodos. El controlador de motor de pasos powerSTEP01 de STMicroelectronics es el único controlador del mercado que puede ser programado para utilizar ambos métodos.
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En el diseño de un motor, las características eléctricas del motor pueden ser representadas como una inductancia, una resistencia y una EMF trasera, como se muestra en la Figura 1. Un motor de pasos bidireccional tiene un puente en H dual y las mismas señales se aplican en cada puente en H con una diferencia de fase de 90 grados. Por lo tanto, nos vamos a centrar en un solo puente en H.
Figura 1
En un control de modo de corriente, la corriente se monitoriza gracias a un resistor de derivación en la parte inferior del puente en H (véase la Figura 2) y la tensión a través del resistor de derivación está conectada a un ADC.
Figura 2
Sobre la base de esta tensión, como se resume en la Figura 3, se desencadenan diversas acciones. Si la tensión se encuentra por encima de un umbral dado, debe tener lugar una decadencia. Si fuera necesario disminuir lentamente la corriente, se llevará a cabo una decadencia lenta mediante la recirculación de la corriente en el lado bajo (o alto) del puente. Una decadencia rápida disminuye rápidamente mediante la aplicación de una tensión negativa a la bobina. Después de un corto período de tiempo, la corriente tendrá que aumentar y entonces se aplicará al motor una tensión positiva. La corriente después fluctúa alrededor del valor deseado hasta que se programe un nuevo valor.
Figura 3
A continuación, los siguientes problemas deben ser resueltos con el control de modo de corriente:
- Necesidad de programación de la decadencia lenta y rápida en el mismo ciclo.
- El algoritmo para la sincronización de decadencia. A medida que la BEMF cambia con la velocidad, la sincronización de decadencia debe modificarse. Además, en los micropasos, el valor de paso es diferente, lo que requiere una sincronización diferente en cada micropaso. Incluso con una sincronización optimizada, la corriente es ruidosa, lo que impide la ubicación exacta.
- Según cambia la sincronización, los cambios de frecuencia pueden decaer en el ruido de audio. Eso no es (por supuesto) aceptable en muchas aplicaciones.
- Necesidad de resistores de derivación. Los resistores de derivación para alta tensión son grandes y caros.
El control de modo de tensión resuelve estos problemas. Como se ha visto anteriormente, el motor se caracteriza por una inductancia y una resistencia que son valores fijos y una fuerza electromagnética trasera (Back EMF) que depende de la velocidad del motor. Dependiendo de la velocidad del motor, el sistema se comporta como un circuito resistivo (a baja velocidad) o como un circuito inductivo (a alta velocidad). En una corriente deseable Iph_target, la tensión aplicable se calcula mediante las siguientes ecuaciones:
Donde Ke es la constante eléctrica del motor en V/Hz y fel es la frecuencia eléctrica en Hz.
De este modo, la tensión se aplica mediante una PWM (Modulación por ancho de pulsos) de frecuencia fija (en la mayoría de los sistemas una frecuencia de 20 kHz es la adecuada, por lo tanto estaremos siempre por encima de las frecuencias de audio). Como consecuencia, no hay decadencia de mezcla que controlar, además el sistema proporcionará una operación más suave, un posicionamiento más preciso que permitirá la detección de paradas y un mejor control de par de torsión (torque) a baja velocidad. Desafortunadamente, los motores de pasos tienen resonancia a diferentes velocidades y el control de modo de tensión muestra debilidades cuando el amortiguador del sistema no es lo suficientemente alto. De hecho, como la corriente no se monitoriza, cuando se producen vibraciones, la BEMF ya no es previsible. Debido al diseño, la frecuencia y el valor de la tensión no pueden adaptarse, la corriente actual se ajusta a los movimientos temblorosos de la BEMF que resultará en un par de torsión incontrolado y que puede terminar en punto muerto.
La Figura 4 visualiza la diferencia de conducción entre estos dos modos. Las salidas de tensión del puente en H son de color azul y verde y la corriente en el motor es de color marrón. En el control de modo de corriente, cuando se cruzan el azul y el verde, se produce una mezcla de decadencia lenta y rápida, a diferencia del modo de tensión que utiliza solo la decadencia lenta para ajustar la corriente.
Figura 4
Para concluir, en función de las necesidades, los controles de modo tensión o de corriente resultan más que adecuados. A baja velocidad, el control de modo tensión será más adecuado, y a alta velocidad o si el motor tiene que pasar por fases de resonancia, el modo de corriente se adaptará mejor. El powerSTEP01 de STMicroelectronics es programable para accionar motores de pasos en ambos modos permitiendo diseños de plataformas versátiles.