ppt motores paso a paso

Instrumentación y

Comunicaciones Industriales

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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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