Elección del motor paso a paso o servo adecuado para actuadores eléctricos

Los servomotores y los motores paso a paso con actuadores eléctricos se están volviendo cada vez más importantes a medida que el cambio hacia la automatización en el sector industrial continúa ganando impulso. Al elegir un motor para una aplicación, es la función, no necesariamente la estructura, lo que importa.

Las siguientes son las características de los motores servo y paso a paso relacionados con el movimiento lineal.(Este artículo se refiere a los motores de CC sin escobillas como servomotores).

Par y velocidad

El servosistema tiene un par constante en su rango de velocidad total disponible. Entonces, si un servomotor tiene 1,2 Nm de par a 10 rpm, también tiene 1,2 Nm de par a 3000 rpm.

Los motores paso a paso, por otro lado, tienen un par máximo a velocidad baja o cero, y caen rápidamente a velocidades mucho más bajas para los servos. Si un motor paso a paso tiene un par de 3,4 Nm a 1 rpm, no es raro que baje a 0,2 Nm a 1200 rpm.

Los ingenieros deben revisar la curva de torsión de cada motor para seleccionar el motor del tamaño correcto para la aplicación.

Los servosistemas son más rápidos que los motores paso a paso, sin importar cuál sea el par. En algunas aplicaciones, esto permite utilizar la caja de cambios con servos para aumentar el par de la aplicación. La caja de cambios multiplica el par por su relación y la velocidad del motor aumentará en la misma relación. Los ingenieros deben tener cuidado de no exceder la velocidad máxima del motor.

Por ejemplo, un motor con un par de 2,3 N·m a 500 rpm tendría una salida de 6,9 ​​N·m cuando se usa con una caja de cambios 3:1, pero la velocidad del motor aumentaría a 1500 rpm para accionar la caja de cambios. El par más alto y el perfil de velocidad más baja de los motores paso a paso generalmente significa que no usan una caja de cambios.

Tabla de Contenidos

retroalimentación

Los motores paso a paso suelen ser de bucle abierto. La posición está determinada por el número de pasos o pulsos que gira el motor. El número total de pasos es igual a una o más revoluciones del eje del motor. Si se pierde un pulso, o si el motor no puede moverse después del pulso porque no tiene potencia para girar el eje, se introduce un error de posición, pero el motor/accionamiento no lo sabe.

Esto puede ser un problema en algunas aplicaciones y se puede solucionar volviendo a poner a cero el sistema. Además, se pueden utilizar sensores o codificadores externos (dispositivos giratorios montados en el motor para generar la posición del eje).

Los servosistemas, por otro lado, son de bucle cerrado por naturaleza y utilizan codificadores. El uso de un codificador les permite monitorear constantemente su posición, corriente y velocidad, y lo que se le dice al motor que haga. Si la posición se retrasa, el controlador puede aumentar los parámetros para ponerse al día. Por lo tanto, el motor está siempre bajo control. Si no puede ponerse al día, el controlador lo sabrá y generará una falsa alarma para dar a conocer el problema.

retención de carga

Los actuadores normalmente necesitan mantener la posición a velocidad cero. La forma en que los servos y los motores paso a paso hacen esto es diferente y los diseñadores no suelen pensar en ello.

Como se mencionó anteriormente, el paso a paso tiene la máxima potencia a velocidad cero. Mantendrá esta posición con el torque completo hasta que reciba otro pulso que le indique que se mueva. Es de lazo abierto sin retroalimentación. Siempre que el par de retención sea lo suficientemente alto, normalmente un 50 % mayor que el par necesario, es ideal para mantener una carga parada.

Si el paso a paso no tiene el tamaño correcto y la carga cambia, el motor puede detenerse y perder pulsos. No hay comentarios sobre esto, por lo que termina con errores de precisión de posición. Sin embargo, los motores paso a paso son la solución más económica y, en aplicaciones de baja velocidad, proporcionan más par que los servos.

Servo no utiliza el mismo programa. En cambio, monitorea el codificador para mantener la posición de velocidad cero. Por lo general, las ventanas positivas y negativas programadas se utilizan para definir el posicionamiento. Esto significa que cuando el controlador ve una diferencia al colocar el motor fuera de la ventana «en su lugar», se le indica al motor que regrese a una determinada posición. En aplicaciones críticas, este movimiento debe planificarse mediante el uso de una resolución del motor más allá de la requerida por la aplicación para que la varilla del actuador o el carro no experimenten oscilaciones o fluctuaciones posicionales.

Los servosistemas a menudo pueden producir hasta tres veces su par constante durante cortos períodos de tiempo. Esto les da la energía de reserva necesaria para compensar los cambios de carga sin exagerar. El servosistema monitorea la posición del codificador y aumenta la velocidad o la corriente para devolver la posición cuando se encuentran discrepancias.

Precisión y repetibilidad

Ambos motores suelen ser lo suficientemente precisos y repetibles para la mayoría de las aplicaciones industriales de movimiento lineal, principalmente debido a la reducción de engranajes. Este puede ser el paso de un husillo de bolas o una caja de engranajes, que puede proporcionar más recuentos de posición sobre la posición lineal medida. Tenga en cuenta que estas aplicaciones de actuadores suelen utilizar transmisiones por correa o tornillo. El codificador de 1024 conteos que se usa con un husillo de bolas de paso de 5 mm tiene una resolución de control de 0,005 mm por conteo (5 mm/1024 = 0,005 mm/quilate). Para aplicaciones industriales generales, esto suele ser muy bueno y se puede aumentar fácilmente si es necesario.

Estas resoluciones deben calcularse para cada aplicación, pero la mayoría de las aplicaciones industriales pueden lograr cualquier resolución posicional deseada.

Selección de motores

Aquí hay algunas pautas generales para elegir entre motores paso a paso y servos:

  • Los motores paso a paso son una buena opción si se requiere un bajo costo.
  • Los servos son una buena opción si la carga es impredecible y crea requisitos de par adicionales.
  • Se debe elegir servo si se requiere una confiabilidad total incluso con pérdida de energía.
  • Si se trata de una aplicación de baja velocidad o bajo par, se debe utilizar un motor paso a paso.

Es posible que los ingenieros necesiten comprender las características específicas del motor y ver las ventajas y desventajas de cada motor para la aplicación en la que están trabajando.

Sin embargo, si no hay una elección clara del tipo de motor debido a la necesidad de características tanto del motor paso a paso como del servo, un motor paso a paso con control servo puede ser una buena opción.

También se utiliza un nuevo tipo de motor: un motor paso a paso híbrido. Los motores ServoStep ofrecen las ventajas de los motores paso a paso y servo al combinar algunas de las características de los motores paso a paso y servo. Proporcionan un circuito cerrado sobre un motor paso a paso para obtener algunas de las ventajas del servocontrol.

Los motores paso a paso y servo ofrecen una amplia gama de características que pueden beneficiar aplicaciones específicas. La clave es comprender los requisitos de la aplicación y elegir el motor que mejor cumpla con los requisitos de la aplicación y las especificaciones de ingeniería. Si bien este artículo brinda la información básica necesaria para seleccionar un tipo de motor para una aplicación de actuador eléctrico, se requieren otros elementos para completar el sistema. Estos incluyen variadores/controladores, controladores inteligentes, control en serie o discreto y tamaños que se adaptan a la aplicación.

Al diseñar un sistema completo, los ingenieros de automatización son un gran recurso que puede proporcionar más detalles específicos de la aplicación.

Ed Hess es ingeniero sénior de automatización Compañía de productos de flujo

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