Empresas interconectadas y aplicaciones portátiles impulsan nuevos desarrollos
Un motor de pasos es un tipo de motor de CC sin escobillas (BLDC) que se mueve en pasos discretos en respuesta a señales de impulso externas aplicadas a las bobinas del estator. Aunque los motores de pasos existen desde hace bastante tiempo, siguen apareciendo nuevos desarrollos en respuesta a aplicaciones emergentes y nuevas tendencias de la industria.
Historia de los motores de pasos
El origen del motor de pasos se remonta al "motor electromagnético" del siglo 19. En 1919 se entregó una patente clave para la construcción de un motor de pasos y durante la década de 1920 aparecieron aplicaciones prácticas en buques de guerra. Sin embargo, los primeros diseños de los motores de pasos modernos recién aparecieron en la década de 1950 y se volvieron populares recién en la década siguiente.
Funcionamiento del motor de pasos
Generalmente, un motor de pasos contiene dos conjuntos de bobinas de estatores llamados "fases", los que se impulsan independientemente gracias a señales de cuadratura. Al energizar cada fase en secuencia, el motor gira un paso a la vez para alinear los dientes del rotor con la bobina del estator energizada correspondiente. La mayoría de los diseños de motores de pasos incorporan imanes y dientes en el rotor y en el estator, con imanes permanentes ubicados en el rotor y electroimanes en el estator. La velocidad del motor varía según la tasa de cambio de los pulsos de la señal energizante y la dirección de rotación cambia al invertir la secuencia de pulso. Este esquema de control no requiere que se envíe información de posición al controlador, por lo que los motores de pasos son inherentemente dispositivos de bucle abierto.
Existen varias formas para impulsar las fases del estator, incluidos pasos completos, medios pasos o micro pasos, según las técnicas de control utilizadas.
Imagen 1: una selección de motores de pasos y controladores industriales. (Fuente: Arcus)
Existen motores de pasos de muchos tamaños y estilos diferentes y, al igual que todos los motores, estos poseen ventajas y desventajas al compararlos con otros tipos.
Dentro de las ventajas, los motores de pasos son económicos, resistentes, fáciles de construir y poseen una alta confiabilidad. Su naturaleza de bucle abierto significa que son simples de impulsar y controlar. Los motores de pasos también entregan una excelente torsión a bajas velocidades, hasta cinco veces la torsión continua de un motor con escobillas del mismo tamaño o el doble de torsión de un motor sin escobillas equivalente. Generalmente, esto elimina la necesidad de tener una caja de cambios. Finalmente, los motores de pasos son más resistentes a las fallas que los servomotores y no son propensos al embalaje, sin importar cuál sea la falla dentro del controlador.
Por otro lado, los motores de pasos también tienen algunas desventajas. La falta de retroalimentación significa que se desconoce la posición absoluta, solo la posición relativa del paso, por lo que los pasos en falso representan un error progresivo. Por lo tanto, el motor se debe resetear a una posición conocida al encenderlo o durante un reseteo del sistema, generalmente al desplazarlos por todo el rango de desplazamiento hasta que se encuentran detenciones mecánicas. Además, la precisión de la posición depende de la precisión de los engranajes o husillos mecánicos utilizados. La operación de bucle abierto también puede ocasionar; oscilación de desfase que resulta difícil de amortiguar; efectos de resonancia a ciertas frecuencias de pasos y; relativamente largos tiempos de retorno.
Los motores de pasos consumen corriente sin importar las condiciones de carga y, por lo tanto, suelen calentarse; las pérdidas en velocidad son relativamente altas y pueden producir un calor excesivo y; generalmente son ruidosos, especialmente a altas velocidades. El rendimiento a bajas velocidades resulta irregular a menos que se utilicen micropasos, lo que no resultan óptimos para aplicaciones a alta velocidad porque requieren sucesivamente voltages mayores para que la corriente cambie de forma oportuna a medida que aumenta la velocidad.
Avances recientes en motores de pasos
Los motores de pasos han sido populares desde la década de 1960, pero eso no quiere decir que la tecnología se haya estancado. Con el paso de los años, se han realizado mejoras constantes en muchos aspectos de los motores de pasos y sus sistemas de control, incluida la invención del micropaso en la década de 1970 y luego los controladores comerciales diez años después. A continuación aparecen cuatro de las más recientes tendencias en el desarrollo de los motores de pasos.
Control de motor de pasos de bucle cerrado
La aparición de potentes y económicos microcontroladores y de estrategias de control orientadas a vectores o campo (FOC) condujo a que se pudieran usar controladores de movimiento para controlar motores de pasos con retroalimentación del codificador, lo que tuvo como resultado un control de motor de pasos de bucle cerrado que puede superar muchas de las desventajas antes mencionadas.
Las ventajas del control de bucle cerrado con los motores de pasos incluyen grandes mejoras en la suavidad en velocidad y mejor consumo de energía en comparación con los motores de pasos de bucle abierto, además de una torsión mucho mayor a bajas velocidades en comparación con los servomotores sin escobillas trifásicos. Además, los sistemas de bucle cerrado pueden detectar y corregir errores de posición debido a pasos saltados.
Las aplicaciones para motores de pasos de bucle cerrado incluyen equipos semiconductores, robótica, máquinas textiles, sistemas de prueba e inspección y máquinas de bobinado.
Motores de pasos miniatura para aplicaciones portátiles
Una de las tendencias que ha afectado prácticamente a todos los equipos electrónicos, desde conectores hasta baterías y motores, es el inexorable avance hacia dispositivos más pequeños y más livianos. Los equipos de escritorio ahora se pueden usar como un accesorio de ropa, equipos que antes necesitaban una sala completa ahora se transportan en pequeños carros con ruedas. Así, esta tendencia ha impulsado a que los componentes sean cada vez más pequeños y los motores de pasos no son la excepción.
Imagen 2: un motor de pasos miniatura con actuador lineal y lente integrado. (Fuente: Elabz)
Los motores de pasos diminutos conducen hacia accesorios mecánicos diminutos correspondientes. En la Imagen 2 se aprecia el conjunto de un motor de pasos miniatura con un husillo integrado que actúa como un actuador lineal para mover el lente láser en una unidad DVD HP. Todo el conjunto no supera el tamaño de una moneda de diez centavos, ¡con un diámetro de apenas 17,9 mm!
Conjuntos de motores de pasos conectados en red
La fábrica automatizada moderna utiliza varias celdas de trabajo distribuidas a lo largo de la planta y gestionadas por controladores programables que se comunican mediante un protocol de red industrial como el bus de campo (fieldbus), Ethernet o CAN. La red permite que la información y los datos críticos urgentes fluyan fácilmente entre los diferentes controles distribuidos, lo que permite contar con una celda de trabajo de sistema de control altamente coherente e independiente.
En la interminable búsqueda por una mejor eficiencia, cableados más sencillos, escalabilidad modular, solución de problemas más sencilla y tamaños más pequeños, la tendencia obliga a llevar la inteligencia lo más allá posible por la cadena de la señal, lo que ha llevado al desarrollo de soluciones integradas de motores de pasos que incluyen el motor de pasos, el codificador, (si se necesita para una operación de bucle cerrado) el accionamiento motriz y la interfaz de red en una sola unidad.
Un motor de pasos tradicional, con codificadores, accionador y controlador, puede utilizar 20 o más conexiones de cables, lo que aumenta la posibilidad de errores. El nuevo enfoque ofrece numerosos beneficios para el OEM, incluida una instalación más rápida, menor posibilidad de ruido eléctrico, menor utilización de espacio, menor costo de instalación y solución de problemas más sencilla. Para el usuario final las ventajas incluye mayor confiabilidad, sustitución más sencilla, mayor tiempo de actividad y mejor productividad.
Sin embargo, también existen algunas desventajas. El costo inicial de un motor de pasos integrado es mayor, al igual que le costo de sustitución, debido a que se debe reemplazar toda la unidad, incluso si solo falla un componente. Muchos fabricantes de motores de pasos integrados también reducen ligeramente la potencia de sus motores para disminuir el calor generado, lo que constituye la principal causa de fallas electrónicas. Además, es muy posible que las opciones de motores de pasos integrados sean más limitadas que sus contrapartes no integrados.
Diseño tolerante a fallas
Muchos motores de pasos se utilizan en aplicaciones críticas de seguridad, donde cualquier falla puede resultar en un malfuncionamiento catastrófico del sistema. Se pueden encontrar ejemplos de estas aplicaciones en el rubro aeroespacial, médico, de transporte, militar y nuclear. Existen varios métodos disponibles para reducir la posibilidad de que ocurran fallas, incluidos los conceptos de diseño tolerante a fallas en donde un sistema puede continuar funcionando satisfactoriamente después de la falla de uno de sus componentes y el diseño redundante donde cada operación crítica se lleva a cabo mediante dos o más sistemas duplicados.
Para instalaciones a gran escala son posibles los sistemas duplicados, pero deja de ser factible para muchas aplicaciones con limitaciones de espacio. Desde el punto de vista del motor de pasos, la tolerancia a las fallas implica características como:
- Mayor redundancia usando segmentos del motor idénticos en el mismo eje,
- Fases aisladas eléctricamente para evitar cortocircuitos entre fases,
- Bobinas desacopladas magnéticamente para evitar la reducción de rendimiento en el caso de una falla en las otras fases, y
- Fases aisladas físicamente para evitar la propagación de la falla hacia las fases cercanas y para incrementar el aislamiento térmico.
Un avance reciente en esta área es el desarrollo de un motor de pasos miniatura de 2 fases a tolerante a las fallas que presenta cuatro bobinas independientes entre sí, pero conectadas de forma predeterminada. Sin embargo, en un diseño tolerante a las fallas las cuatro bobinas están separadas unas de las otras eléctricamente, lo que crea motores de pasos de 2 fases con fases aisladas física y eléctricamente.
Las bobinas solo están acopladas magnéticamente de forma parcial; la configuración redundante entrega una reducción de torsión de alrededor de un 30 porciento en comparación con una configuración estándar, lo que se puede compensar al incrementar la corriente de la fase. Muchos motores miniatura se utilizan en aplicaciones de equipos médicos, en el rubro aeroespacial y en la fotónica.
Circuitos integrados para el control de motores de pasos
Arrow ofrece varias soluciones para controlar los motores de pasos. Texas Instruments, por ejemplo, tiene el nuevo DRV8800, un accionador de motor de pasos de 2 A con indizador de micropasos de 1/16 y la función AutoTune que ajusta automáticamente los motores de pasos para lograr un rendimiento óptimo de regulación de corriente, además de compensar la variación del motor y los efectos del envejecimiento.
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Microchip también posee una amplia gama de opciones, incluidos los kits de desarrollo de accionadores de motores de pasos como el tablero de desarrollo MCSM dsPICDEM, el cual está enfocado en el control de motores de pasos unipolares y bipolares en los modos de bucle abierto y cerrado. También se entregan los software para hacer funcionar los motores en bucle abierto o cerrado con micropasos completos o variables, además de una GUI para controlar los comandos de pasos, las entradas de parámetros del motor y los modos de operación.