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Motores paso a paso (PAP)
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• Ventajas– El ángulo de rotación es proporcional a los pulsos de entrada.
– Exactitud en la posición y repetición de movimientos. Los motores PaP tienen un error de 3 a 5% del paso y dicho error no es acumulativo de un paso a otro.
– Excelente respuesta ante arranque, parada y reversa.
– Confiable, no existe contacto de escobillas en el motor.
– El motor responde a pulsos de entrada digitales, lo que permite un control de lazo abierto, haciendo un control más simple y barato.
– Pueden tener un gran rango de velocidades de rotación, dado que la misma es proporcional a la frecuencia de los pulsos de entrada.
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• Desventajas
– Puede ocurrir un fenómeno de resonancia si
el motor no es controlado adecuadamente.
– Muy difícil de operar a altas velocidades.
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• Tipos de motores paso a paso:
– De reluctancia variable, también llamados de
reluctancia conmutada, tienen rotores
dentados de hierro dulce
–De imán permanente, tienen magnetizado el rotor.
–Híbridos, son una combinación de las dos tecnologías anteriores.
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Reluctancia Variable
Tienen de 3 a 5
bobinas conectadas a
un terminal común.
Motor de tres
bobinas, de y 30
grados por paso
El rotor en este motor
tiene 4 dientes y el
estator tiene 6 polos;
con cada bobina
arrollada sobre polos
opuestos.
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PAP de Imán Permanente
• Unipolares
El arrollamiento
número 1 es
distribuido entre la
parte superior e
inferior de los polos
del estator, mientras el
arrollamiento número
2 es distribuido entre
los polos izquierdos y
derechos de motor.
El rotor es un imán
permanente con seis polos,
tres polos norte y tres polos
sur
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• Bipolares:
La bobina 1 del
motor es distribuida
entre la parte
superior e inferior
del estator, mientras
que la bobina 2 del
motor esta
distribuida entre los
polos izquierdos y
derechos del estator
El rotor es un imán permanente
con 6 polos, 3 sur y 3 norte
alineados a su alrededor en
circunferencia.
La figura ilustra un motor bipolar
de 30 grados por paso
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• Bobinados Bifilares
Cada bobina esta
compuesta por 2
cables
Se pueden controlar como motores bipolares o unipolares
dependiendo de la conexión serie o paralelo de sus bobinas.
Una conexión paralelo (bipolar) permite operar con alta
corriente, mientras que una conexión serie (unipolar) permite
operar con alta tensión.
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• Motores Híbridos
El rotor de un motor
híbrido es multidentado
como el motor de
reluctancia variable, y
contiene un imán
axialmente
magnetizado y
concéntrico alrededor
de su eje.
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Microstepping
• Cuando el motor funciona de a pasos enteros
Baja Resolución Transiciones Bruscas
Movimiento Corcoveante
El microstepping, se basa en el principio de transferir la
corriente de una espira a otra gradualmente. Esto se
logra con PWM de la tensión en las bobinas. El ciclo de
trabajo de la señal que energiza a una bobina crece,
mientras que en otra bobina decrece.
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• En un motor ideal, el microstepping puede ser usado para alcanzar una resolución angular arbitrariamente pequeña, pero en la práctica la fricción y los apartamientos de la curva torquesinusoidal ideal versus ángulo del eje lo hacen impracticable.
• En la práctica raramente vale la pena subdividir el paso de un motor en más de 32 microsteps. Con este valor, podemos hacer incrementos de 0.23 grados usando un motor económico de imán permanente con 7,5 grados de paso. Podemos lograr la misma resolución usando una caja reductora de 1:32.
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Factores de selección
• Torque:
– En todos los motores, el torque decrece con la
velocidad, pero esta caída es menos pronunciada en
los MRV Con un apropiado diseño se logran
velocidades de 10.000 pasos por segundo; mientras
que pocos motores de imán permanente o híbridos
brindan un torque útil a 5.000 pasos por segundo (la
mayoría está confinada a velocidades por debajo de
1000 pasos por segundo) la baja disminución del
torque con la velocidad en los MRV permite el uso de
estos motores sin necesidad de cajas reductoras.
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• Los motores de reluctancia variable (MRV)
tienen un diseño simple, pues no requieren de
un complejo rotor de imán permanente y son
generalmente más robustos.
• Los MRV son mucho más ruidosos que los de
imán permanente o híbridos.
• Los MRV no son aptos para microstep,
(posicionado en fracciones de paso).
• Se requiere un limitador de corriente complejo
para hacer alcanzar altas velocidades a los
MRV.
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• Para los motores PAP de imán permanente e
híbridos existe disponibilidad de unipolares,
bipolares y de bobinados bifilares; estos últimos
pueden ser usados en la configuración unipolar
o bipolar.
• ¿Unipolares o bipolares?
• La elección entre unipolar o bipolar se basa en
la simplicidad del controlador y la relación entre
la potencia, y el peso.
• Los motores bipolares tienen aproximadamente
30% más de torque que su equivalente unipolar
dado cierto volumen.
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• Los motores bipolares requieren una
electrónica de control más compleja, lo
que tendrá impacto en el costo de la
aplicación.
• Ante la duda, bobinados bifilares son una
buena opción, ya que estos pueden ser
configurados como unipolares o bipolares.
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• ¿Imán Permanente o Híbridos?
• Los temas fundamentales a tener en cuenta son
costo y resolución.
• El mismo control electrónico y conexionado es
aplicable a ambos tipos de motores.
• Los motores de imán permanente son los de
menor costo
• Los MIP se fabrican en pasos de 3,6º a 30º
• Los MH se consiguen en pasos menores a 1,8º
• Los MH permiten velocidades superiores a los
MIP pero por debajo de los 5000 pasos x seg.
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• Características Funcionales
• Tamaño del paso
– En los MIP los pasos más comunes son entre
7.5º y 3.6º, correspondiendo de 48 a 100
pasos.
– En los MH, el tamaño de paso típico va de 3.6
a 0.9 grados, es decir de 100 a 400 pasos por
revolución
– En los MRV se consiguen pasos de alrededor
de 1 grado.
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Torque
• Holding torque: es el torque requerido para girar el motor cuando éste se encuentra energizado.
• Pull in torque: es el torque de carga con el que un motor puede acelerar desde cero sin perder pasos cuando es controlado a una tasa constante de pasos.
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• Pull out torque: es la carga que un motor
puede mover a una determinada velocidad
de operación.
• Detent torque: es el torque requerido para
rotar el eje mientras los arrollamientos no
están energizados.
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Longevidad:
• Otro de los factores a considerar al momento de elegir un motor, es la longevidad. Algunas de las preguntas a hacerse son:
• Cuánto tiempo funcionará el motor apropiadamente?
• A qué condiciones ambientales estarásujeto el motor?
• A qué temperatura trabaja el motor?
• Trabajará constante o intermitentemente?
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• Rodamientos vs. Bujes de bronce: los rodamientos duran más que los bujes y generan menos calor, pero son más caros.
• Los motores deben elegirse de manera tal que trabajen del 40 al 60 % de su torque máximo.
• Proteger el motor de medio ambientes abrasivos: humedad, agentes químicos, suciedad, etc.
• Adecuada refrigeración: Para motores que ya incluyan disipadores de calor, debe asegurarse la circulación del aire. En particular, los motores híbridos son particularmente sensibles al calor.
• Finalmente, los motores deben ser manejados apropiadamente. Debe tenerse especial cuidado en que no se excedan las corrientes en las bobinas.
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• Funcionamiento
Para el manejo, se utiliza
un control de corriente
bidireccional o bipolar.
Conjuntamente con un
direccionamiento
adecuado, en secuencias,
de la corriente
por ambas bobinas se
logra que motor rote
controladamente.
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• En principio se energizan las bobinas en la
secuencia AB/CD/BA/DC. Esta secuencia de
pasos completos se conoce como ”one phase
on” (sola una bobina activa). Una sola bobina es
la que entrega el par necesario.
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• Otra posibilidad es de energizar dos bobinas al
mismo tiempo, en este caso el rotor se alinea
entre las posiciones de los dos polos. Este modo
de operación se llama “two phase on” y es el que
se utiliza habitualmente para el control de
motores bipolares dado que el mismo maximiza
el torque entregado.
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• Una tercera opción es utilizar las dos anteriores
en forma conjunta, logrando ubicar el rotor en un
polo, luego entre los polos y rotar nuevamente
hacia el segundo polo. Este modo de operación
se denomina “half step” dado que el mismo se
mueve en incrementos de medio paso.
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Micropasos y secuencia de controlUn motor PaP bifásico,
tiene dos bobinas
dispuestas en forma tal
que producen los flujos
magnéticos a 90°
geométricos uno respecto
del otro
Si se energiza la bobina 1, el rotor
del motor llega a una posición de
equilibrio alineándose con el
campo magnético generado por
dicha bobina.
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Excitando la bobina 2, el campo resultante gira 90°
geométricos, con lo cual, el rotor realiza un desplazamiento
angular igual al paso “P” del motor
El flujo magnético entre el rotor y el estator originan fuerzas
(cupla de retención) que tienden a mantener al rotor en
posiciones de equilibrio cada paso del motor.
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Excitando las dos bobinas en forma simultanea, el rotor
intentará alinearse con los dos campos magnéticos
generados y, debido a la naturaleza vectorial de los mismos,
encontrará una posición de equilibrio en dirección al vector
resultante de los dos campos
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Una forma de controlar en forma secuencial las corrientes que
circulan por las bobinas, es utilizar modulación por ancho de
pulso (PWM)
En posiciones intermedias entre pasos, las fases del motor se
alimentan mediante un tren periódico de pulsos rectangulares,
variando el ciclo de actividad de los pulsos, se varía el valor
medio de la tensión resultante en el tiempo, con lo que se
modifica la cantidad de corriente circulante por las espiras de los
bobinados.
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VT
VVTTcc
∗=−∗−4
)()4
(
43 ccV
V ∗=
Donde:
V – Valor medio de tensión
resultante.
Vcc – Tensión pico del pulso.
Se ilustra un ejemplo de un ciclo de actividad de 3/4 del período T, con
lo que se obtiene un valor medio resultante equivalente a las 3/4 partes
de la tensión aplicada.
En forma analítica, el
valor medio de tensión
se puede calcular
planteando la igualdad
de áreas A1 y A2
durante el período T del
pulso rectangular.
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Donde:
n/m - Porción del período T.
V - Valor medio de tensión resultante.
Vcc - Tensión pico del pulso.
Se observa en eq (3), que, fijando un valor m, el valor
medio de tensión resultante es proporcional a los valores
de n. Para un número “m” determinado, se puede variar
linealmente el valor medio de tensión dando distintos
valores a n.
)1(m
nVVcc
−∗=
Planteando el problema en forma mas general, se llega a la
siguiente expresión
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