INSTRUMENTACIÓN Y COMUNICACIONES INDUSTRIALES. Motores Paso a Paso

Transcripción

1 INSTRUMENTACIÓN Y COMUNICACIONES INDUSTRIALES El presente trabajo es parte de un Proyecto realizado por los alumnos: Cristian Botteri, Gabriel Gandolfi, Juan Pablo San Martin y Leandro Iglesias quienes gentilmente permitieron que sea publicado en la Página Web de la Asignatura. 1

2 Los motores paso a paso ocupan un lugar único en el mundo del control. Estos motores son usados comúnmente en mediciones y aplicaciones de control. Ejemplo de estas aplicaciones son impresoras chorro de tinta, máquinas de control numérico computarizado (CNC) y bombas volumétricas entre otras. Ventajas y Desventajas de los motores PaP Ventajas 1. El ángulo de rotación es proporcional a los pulsos de entrada. 2. El motor tiene torque máximo cuando el mismo está enclavado (bobinas energizadas). 3. 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. 4. Excelente respuesta ante arranque, parada y reversa. 5. Muy fiable dado que no existe contacto de escobillas en el motor. 6. El motor responde a pulsos de entrada digitales, lo que permite un control de lazo abierto, haciendo un control más simple y barato. 7. Es posible lograr una velocidad de rotación muy baja en forma sincrónica con carga acoplada directamente sobre el eje. 8. Pueden tener un gran rango de velocidades de rotación, dado que la misma es proporcional a la frecuencia de los pulsos de entrada. Desventajas 1. Puede ocurrir un fenómeno de resonancia si el motor no es controlado adecuadamente Muy difícil de operar a altas velocidades. Clases de motores paso a paso: Existen tres clases básicas de motores PAP: de imán permanente de reluctancia variable híbridos Los motores con imán permanente tienen magnetizado el rotor, y los de reluctancia variable tienen rotores dentados de hierro dulce mientras que los híbridos son una combinación de ambas tecnologías. Motores de reluctancia variable (también llamados motores de reluctancia conmutada): Tienen de 3 a 5 bobinas conectadas a un terminal común. En la figura 1 se muestra un corte transversal de un motor de tres bobinas, de reluctancia variable 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. 2

3 Fig. 1 Los dientes de rotor marcados con una X son atraídos a la bobina 1 cuando ella es activada. Esta atracción es causada por el camino magnético del flujo generado alrededor de la bobina y el rotor. El rotor experimenta una torsión y mueve el rotor en línea con las bobinas energizadas, minimizando el camino de flujo. El movimiento del motor es en el sentido de las agujas del reloj cuando la bobina 1 es apagada y la bobina 2 es energizada. Los dientes de rotor marcados con la Y son atraídos hacia la bobina 2. Este resulta en un giro de 30 grados en el sentido de las agujas del reloj cuando Y se alinea con la bobina 2. Se consigue un giro continuo hacia la derecha, al energizar y desenergizar secuencialmente las bobinas alrededor del estator. En la figura anterior ilustra el motor reluctancia variable más básico. En la práctica, estos motores típicamente tienen más polos y dientes para ángulos de paso más pequeños. El número de polos puede incrementarse añadiendo bobinas, por ejemplo, moviéndose a 4 o 5 bobinas, pero para pequeños ángulos de paso, la solución habitual es usar pedazos de polos dentados que trabajen contra un rotor dentado. Los motores de reluctancia variables que usan este acercamiento están disponibles con ángulos por paso cerca de un grado. Motores de imán permanente unipolares: Los motores PAP están compuestos de dos bobinas con punto medio. Los puntos medios, están fuera del motor como dos cables separados (como se muestra en la figura 2) conectado uno al otro internamente y traído fuera del motor con un cable. Como resultado estos motores unipolares tienen 5 o 6 cables. Los cables de los puntos medios, se conectan a la fuente de energía y los finales de las bobinas están conectados alternativamente a tierra. 3

4 Fig.2 Los motores PAP unipolares, como los de imanes permanentes y los motores híbridos, operan de manera diferente que los motores de reluctancia variable. Más bien funcionan por reducción al mínimo de la longitud del camino del flujo entre los polos del estator y los dientes de rotor, donde la dirección del flujo de corriente por el arrollamiento del estator es irrelevante; estos motores funcionan por atracción del polo norte o del polo sur del rotor permanentemente magnetizado a los polos del estator. Así, en estos motores, la dirección de la corriente por el arrollamiento del estator determina que polo del rotor será atraído a que polo del estator. La dirección de la corriente en los motores PAP unipolares es dependiente de la mitad de la bobina que es energizada. Físicamente, las mitades de las bobinas son enrolladas paralelamente una con otra. Por lo tanto, una bobina actúa tanto como polo norte o polo sur dependiendo de que media bobina fue energizada. La figura anterior muestra la sección transversal de 30 grados por fase del motor unipolar. 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, como el mostrado anteriormente. La diferencia entre los motores PAP de imán permanente y un motor PAP híbrido está en como son construidos el multi-polo del rotor y el multi-polo estator. Estas diferencias serán comentadas más adelante. La figura anterior ilustra el motor unipolar más básico. Para resoluciones angulares más grandes, el rotor debe tener más polos. Rotores de imán permanentes con 100 polos han sido construidos, y este número de polos es comúnmente alcanzado para rotores híbridos, usando capuchones dentados sobre un imán permanente bipolar. Cuando el rotor tiene una alta cantidad de polos, los polos del estator son siempre dentados para que cada bobina del estator trabaje contra un número grande de polos del rotor. Motores de imán permanente Bipolares: Los motores PAP bipolares están compuestos por dos bobinas y tienen cuatro cables. A diferencia de motores unipolares, los bipolares no tienen punto medio. La ventaja de no tener punto medio es que la corriente circula por una bobina entera a la vez en vez de por media bobina. Como resultado, los motores 4

5 bipolares producen más momento de rotación que los motores unipolares del mismo tamaño. El inconveniente de los motores bipolares, comparados con los motores unipolares es que el circuito de control requerido es más complejo. Figura 3 El flujo de corriente en la bobina de un motor bipolar es bidireccional. Esto requiere un cambio de la polaridad de los bobinados. Como se muestra en la figura 3, la corriente fluirá de la izquierda a la derecha en la bobina 1cuando 1a es positivo y 1b es negativo. La corriente fluirá en la dirección contraria cuando la polaridad es cambiada. Un circuito de control conocido como Puente H, es usado para cambiar la polaridad sobre los bobinados. Cada motor bipolar tiene dos bobinados, por lo tanto, dos circuitos Puente H son necesarios para cada motor. La figura ilustra un motor bipolar de 30 grados por paso. 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. Como los motores unipolares, los motores bipolares pueden dar solo un paso con dos secuencias de control diferentes. Utilizando polaridades + y - para indicar la polaridad de la fuente aplicada a cada terminal del motor y 0 para indicar que no hay polaridad. La primera secuencia reduce al mínimo el consumo de energía por energizar solo una bobina a la vez, mientras la segunda secuencia maximiza el torque de rotación por energizar ambas bobinas a la vez. La combinación de estas dos secuencias en una secuencia, resulta en que el motor avanza de a medio paso, es decir 15 grados. Bobinados Bifilares El término bifilar literalmente significa dos enhebrados. Motores con bobinas bifilares son idénticos en rotor y estator a los motores bipolares con una excepción, cada bobina es construida de dos cables paralelos bobinados el uno al otro. Como resultado, los motores bifilares comúnmente tienen ocho cables en vez de los cuatro cables de un motor bipolar. Los motores bifilares son controlados como los motores bipolares o los unipolares. Para usar un motor bifilar como uno unipolar, se conectan las bobinas en serie, y 5

6 el punto de conexión se utiliza como punto medio. La figura 4 muestra la configuración de la conexión de la bobina 1. Para usar un motor bifilar como uno bipolar, se conectan los dos extremos de cada bobina en paralelo o en serie. La bobina 2 en la figura 4 muestra la configuración de la conexión paralelo. Figura 4 Una conexión paralelo permite operar con alta corriente, mientras que una conexión serie permite operar con alta tensión. De manera interesante, los motores unipolares son bobinados usando arrollamientos bifilares de modo que la conexión externa sirve como punto medio. Como resultado los motores unipolares pueden ser usados como un motor bipolar en el voltaje nominal y mitad de la corriente nominal especificada para el motor. Esta declaración está basada en la temperatura y las coacciones de poder del motor. Motores Híbridos Los motores híbridos comparten las principales operaciones de los PAP de imanes permanentes y de los de reluctancia variable. El rotor de un motor híbrido es multidentado (Figura 5), como el motor de reluctancia variable, y contiene un imán axialmente magnetizado y concéntrico alrededor de su eje. Los dientes sobre el rotor proporcionan un camino que ayuda a dirigir el flujo magnético a posiciones preferidas en el hueco de aire. El imán magnético concéntrico aumenta el freno mecánico, el agarre y las características dinámicas de torsión del motor son comparables tanto con los de reluctancia variable como con los de imán permanente. 6

7 Figura 5 Cómo elegir un motor PAP? Existen varios factores a tener en cuenta al momento de elegir un motor PAP para una determinada aplicación. Algunos factores a tener en cuenta son los requerimientos de torque del sistema, la complejidad de los controladores, tanto como las características físicas del motor. Motores de reluctancia variable vs. Imán permanente o vs. Híbrido Los motores de reluctancia variable (VRM) tienen un diseño simple, pues no requieren de un complejo rotor de imán permanente y son generalmente más robustos. En todos los motores, el torque decrece con la velocidad, pero esta caída es menos pronunciada en los VRM, que con un apropiado diseño se logran velocidades de pasos por segundo; mientras que pocos motores de imán permanente o híbridos brindan un torque útil a 5000 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 VRM permite el uso de estos motores sin necesidad de cajas reductoras. Los VRM son mucho más ruidosos que los de imán permanente o híbridos. A diferencia de los VRM, los motores de imán permanente y los híbridos, cuando se giran manualmente en ausencia de alimentación se siente el efecto dentado del eje. Esto se debe a que el imán permanente en estos motores atraen los polos del estator aún cuando no hay alimentación. Este remanente magnético es deseable en algunas aplicaciones pero puede ser fuente de problemas cuando se quiere un movimiento suave. Con el sistema de control apropiado, tanto los de imán permanente como los híbridos son aptos para microstep, permitiendo el posicionado en fracciones de paso (no así los VRM). Se requiere un limitador de corriente complejo para hacer alcanzar altas velocidades en los VRM. 7

8 Unipolares vs. Bipolares: Los motores PAP de imán permanente e híbridos se encuentran disponibles unipolares, bipolares o de bobinados bifilares; estos últimos pueden ser usados en la configuración unipolar o como en la bipolar. La elección al momento de usar unipolar o bipolar se basa en la relación entre la simplicidad del controlador y potencia, respecto del peso. Los motores bipolares tienen aproximadamente 30% más de torque que su equivalente unipolar dado cierto volumen. La razón de esto es que en los motores unipolares, sólo la mitad de un bobinado está energizado en un dado tiempo y en los motores bipolares, todo el bobinado es energizado. El mayor torque en lo motores bipolares, no es gratis, ya que requiere una electronica de control más compleja, y esto tendrá impacto en el costo de la aplicación. Ante la duda, motores unipolares o bifilares son una buena opción, ya que estos pueden ser configurados como unipolares o bipolares. Híbridos vs. Imán Permanente: Al momento de elegir entre un motor híbrido y uno de imán permanente, los dos ítems fundamentales a tener en cuenta son el costo y la resolución. El mismo control electrónico y conexionado es aplicable a ambos tipos de motores. Los motores de imán permanente son sin dudarlo, los menos caros que se fabrican en el mercado dado que son más fáciles de bobinar que los motores híbridos o los VRM. Los motores de imán permanente son generalmente fabricados con pasos de desde 30 grados a 3.6 grados. El desafío de magnetizar el rotor de un motor de imán permanente con más de 50 polos, es tal que se consiguen pequeños pasos. En contraste, es fácil cortar dientes finamente espaciados sobre la capa externa del rotor, en consecuencia, los motores de 1.8 grados por paso, y motores con pasos menores están ampliamente disponibles. Es notable que mientras la mayoría de los VRM tienen un tamaño de pasos medianamente tosco, tales motores pueden ser fabricados con tamaño de pasos muy pequeños. Los motores híbridos sufren algunos de los problemas de vibración de los VRM, pero ellos no son tan severos. Ellos generalmente pueden girarse a velocidades superiores que los de imán permanente, sin embargo, muy pocos de ellos ofrecen un torque útil por encima de los 5000 pasos por segundo. Características Funcionales: Aún cuando ya se ha determinado el tipo de motor a usar aún quedan algunas decisiones a tomar antes de elegir un motor en particular, por ejemplo el torque, el ambiente de trabajo, la longevidad, el tamaño físico, el tamaño del paso, las revoluciones máximas, etc. Tamaño del paso: Es una de las más importantes, ya que está determinado por la resolución necesaria en nuestra aplicación en particular. Los pasos más comunes, para motores de imán permanente son entre 7.5 y 3.6 grados, correspondiendo de 48 a 100 pasos 8

9 por revolución respectivamente. En los híbridos, el tamaño de paso típico va de 3.6 a 0.9 grados, es decir de 100 a 400 pasos por revolución. Algunos motores poseen cajas reductoras que permiten conseguir tamaño de pasos menores, lo cual incrementa el torque disponible, a costa de reducir la velocidad final del motor. Torque: El torque es una consideración crítica al elegir un motor paso a paso, existen diferentes estándares de 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. 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. Todos o algunos de estos datos son provistos por el fabricante. Los torques dinámicos (pull in y pull out) son función de la tasa de pasos. Éstos son importantes para determinar cuando el motor pudiera perder pasos, y en tal caso el controlador pierde la posición del motor (control a lazo abierto). Por lo tanto, el motor debe ser adecuadamente dimensionado para evitar que esto suceda o bien usar un control de lazo cerrado. El pull in torque brindado por el motor depende fuertemente del momento de inercia de cualquier carga rígidamente acoplada a este, lo cual es un problema dado que raramente se tiene conocimiento exacto del momento de inercia de la carga. 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 estará sujeto el motor? A qué temperatura trabaja el motor? Trabajará constante o intermitentemente? Los motores paso a paso, por su naturaleza son muy robustos porque no tienen escobillas. Típicamente muchos componentes del sistema se desgastarán antes de que el motor lo haga. Sin embargo, hasta los mejores motores fallarán si no se toman las consideraciones apropiadas. A continuación se listan una guía de diseño que influye en la longevidad del motor: 9

10 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: Los motores generan calor, y éste debe ser disipado. 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. Uso y polarización de El Motor Paso a Paso es un dispositivo electromecánico que convierte pulsos eléctricos en movimientos discretos. El eje del motor rota incrementalmente de a pasos cuando se le aplica pulsos eléctricos en la secuencia correcta. La rotación del motor esta directamente relacionada con estos pulsos. La secuencia de los mismos define el sentido de giro del motor y la frecuencia con la que se aplican los pulsos impone la velocidad del motor. Motores bipolares Esencialmente, los motores bipolares de imán permanente consisten de un imán permanente rotante, que se encuentra rodeado por polos del estator en el cual se ubican as bobinas (Figura 6). 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. Figura 6 10

11 En principio se energizan las bobinas en la secuencia AB/CD/BA/DC (Figura 7). 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. Figura 7 Otra posibilidad es de energizar dos bobinas al mismo tiempo, en este caso el rotor se alinea entre las posiciones de los dos polos (Figura 8). 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. Figura 8 Una tercera opción (Figura 9), 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. Figura 9 11

12 Microstepping Si se hace girar al motor de a pasos enteros, su movimiento resulta corcoveante, especialmente cuando la velocidad es baja. El microstepping es usado para incrementar la resolución del paso y transiciones más suaves entre estos. En la mayoría de las aplicaciones, el microstepping aumenta la performance del sistema, mientras limita los problemas de ruido y resonancia. 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. Es deseable, que el movimiento de un motor paso a paso resulte lineal. Esto significa que los pasos deben ser iguales en tamaño sin que se note aceleración o desaceleración en el eje mientras el motor gira. Las buenas implementaciones de microstepping se esfuerzan por llevar tan cerca como sea posible esta idea. Una técnica conocida como microstepping seno-coseno, ajusta la corriente en cada bobina, de manera tal que el torque resultante sea constante. En un motor ideal, el torque producido por cada bobina, es proporcional a la corriente sobre la misma, y los torque se suman linealmente. La saturación y el efecto de campo sobre el borde hacen no ideales a los motores reales, aunque en la práctica pueden despreciarse. Una segunda manera de implementar el microstepping maximiza el torque en los motores, a pesar de que este no es constante mientras el motor gira. En este método, una bobina es energizada mientras que la corriente en la otra bobina desciende, se invierte y vuelve a crecer. La segunda bobina permanece entonces energizada mientras que la primer bobina pasa por la polaridad inversa. Con este método, también se alcanza un movimiento suave del motor, cambiando la corriente en las bobinas de manera sinusoidal. 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 torque sinusoidal 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. Usando 32 microsteps por paso, 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. Motores Unipolares Los motores unipolares de imán permanente son idénticos a los bipolares descriptos anteriormente excepto que las bobinas bifilares son usadas en flujo opuestos (Figura 10). Este motor tiene exactamente el mismo manejo que el bipolar, salvo que los puentes son remplazados por simples etapas unipolares. Estos tipos de motores entregan menos torque ya que el flujo es menor dado que las bobinas están construidas con un alambre más delgado. En el pasado los motores unipolares eran atractivos para los usuarios porque simplificaba la etapa de control, el driver. 12

13 Figura 10 Problemáticas Motores PaP: Resistencia e inductancia de las bobinas. Las bobinas de los motores PaP están hechas con una gran cantidad de vueltas de cable de cobre. Este cable esta enrollado sobre un núcleo de plástico que separa la bobina del estator y las otras piezas mecánicas. Al final de la cadena de producción la bobina esta montada alrededor de los polos del estator. La resistencia e inductancia son dos propiedades inherentes a la construcción física de la bobinas. Estos dos factores r 2m básicos también limitan la performance del motor. La resistencia del bobinado es responsable de la mayor pérdida de energía, por consiguiente del recalentamiento del motor. El tamaño y las características térmicas de las bobinas limitan la máxima potencia permitida, disipada en ellas. La potencia disipada esta dada por: P = R I Debe resaltarse, que para obtener la máxima eficiencia de los motores deben usarse a su máxima potencia permitida. De tno ser así, entonces se debe reemplazar por un motor de menor tamaño, con lo cual se ahorraría dinero. La inductancia hace que las bobinas del motor se opongan a los cambios de corriente, por consiguiente esto limita las altas velocidades. La (Figura 12) muestra las características de un circuito LR. Cuando la tensión es aplicada, la corriente crece acorde con la ecuación: V i( t) 1 e R Inicialmente la corriente crece con una velocidad de V/L (pendiente de la corriente en el tiempo inicial). Esta velocidad decrece al acercarse al valor final Imax=V/R. Donde el valor de la constante de tiempo esta dado por L/R. = LR 13

14 it RV Figura 12 etlr Cuando se pone en corto la bobina, la corriente decrece con la misma pendiente y de acuerdo con la siguiente ecuación: ( ) = Cuando se aplica una señal de tensión de onda cuadrada a las bobinas, el cual es el caso de full step, la corriente es suavizada. La (Figura 13) muestra la corriente a tres diferentes frecuencias. Sobre cierta frecuencia (B) la corriente nunca alcanza el máximo valor. El torque del motor es aproximadamente proporcional a la corriente, el torque máximo se ve 14

15 entonces reducido a medida que se incrementa la frecuencia de los pasos. Para sobrellevar este problema hay dos posibilidades, incrementar la velocidad con la que crece y decrece la corriente y/o bajar la constante de tiempo. Al incrementar la resistencia, hay siempre un incremento de la energía perdida o disipada. Es preferible que la relación V/L sea incrementada para aumentar la performance a altas velocidades. Para esto debemos: Usar la tensión máxima posible Mantener la inductancia al mínimo Figura 13 Drivers Los drivers para motores PaP deben cumplir dos objetivos primarios: Cambiar la dirección de la corriente y flujo magnético en las fases del motor. 15

16 Controlar la corriente sobre el bobinado, minimizar el tiempo de subida y bajada de la corriente tanto como sea posible, para una alta performance a altas velocidades. Control de dirección del flujo magnético: El control de los pasos de un motor PAP requiere que se produzca un cambio de dirección del flujo, independientemente en cada fase. La dirección cambia cuando ocurre un cambio en la dirección de la corriente, para ello existe dos diferentes formas, unipolar o bipolar. Bipolar El método bipolar se basa en el principio con el cual se cambia la dirección de la corriente sobre un bobinado al cambiar la polaridad de la tensión aplicada al mismo (Figura 14). Figura 14 Para cambiar la polaridad se necesitan un total de cuatro interruptores por fase, formando lo que se denomina un puente H, como se ilustra en la (Figura 15). Figura 15 16

17 Unipolar El driver unipolar requiere que el bobinado tenga un punto medio accesible o dos bobinas separadas por cada fase (Figura 16). La dirección del flujo se invierte al pasar la corriente de media bobina hacia la otra media. Figura 16 Este método solo requiere dos interruptores por fase (Figura 17). Por otro lado, los drivers unipolares utilizan solo la mitad del bobinado, con lo cual tienen la mitad de potencia con respecto a un bipolar con la misma tensión aplicada. Control de Corriente Figura 17 Para controlar el torque así como también limitar la disipación de potencia en la resistencia del bobinado, la corriente debe ser controlada o limitada. Es mas, cuando se utiliza medios pasos, es necesario un valor de corriente nula, mientras en el caso de microstepping se requiere una corriente variable casi todo el tiempo. Hay dos principios para limitar la corriente, resistencia limitadora de corriente y control Chopper. Cualquier método puede utilizarse de forma unipolar o bipolar. Resistencia limitadora de corriente: En este método básico, la corriente es limitada por la fuente de corriente y la resistencia del bobinado, y si es necesario por una resistencia adicional, externa al 17

18 I MaxRVFuente RExt Instrumentación y Comunicaciones Industriales motor, llamada resistencia limitadora de corriente. Por lo que la máxima corriente queda definida por: = + Si la tensión aplicada es la misma que la tensión nominal, entonces no es necesaria la utilización de una resistencia RL extra. Para ciertos motores, un incremento en su comportamiento a altas Rvelocidades Ext se logra incrementando la tensión aplicada a el. Al incrementar la tensión aplicada, debe limitarse la corriente al valor nominal mediante una resistencia limitadora que debe adicionarse en serie con el bobinado. La constante de tiempo: τ = + decrece, con lo cual disminuye el tiempo de bajada de la corriente (Figura 18). Figura 18 El problema al usar este método es la potencia perdida en el resistor adicional. Usualmente es mucha la potencia disipada en los resistores. Por ello hay que tener consideraciones especiales debido al gran tamaño de los resistores y su correcta ventilación. 18

19 Control Chopper El control chopper provee una solución óptima para ambos requerimientos, control de corriente y rápida respuesta a la inversión de la corriente. La idea básica es usar una fuente de tensión la cual entrega una tensión mucho más alta que la tensión nominal del motor. La velocidad de subida de la corriente es inicialmente V/L, la cual puede ser incrementada substancialmente. Controlando el ciclo de trabajo del chopper, puede obtenerse una corriente media y una tensión media cercana a la nominal. Figura 19 El control chopper (Figura 19), es usualmente configurado para regular una corriente constante. Esto se logra por medio del control de la etapa de salida. Lo cual se realiza mediante el sensado de la corriente a través del bobinado con una resistencia conectada en serie con el mismo. Cuando la corriente aumenta, la tensión por la resistencia se realimenta al comparador, a un nivel predeterminado, definido por una tensión de referencia, el comparador resetea el flip-flop, el cual abre la etapa de salida. La corriente decrece hasta el clock cambia de estado al f-f nuevamente, el cual cierra la etapa de salida repitiendo así el ciclo. La ventaja de un control de corriente constante es el control preciso del torque, más allá de las variaciones de la fuente. También brinda el menor tiempo posible a inversiones de corriente y tiempos de subida. La potencia disipada es minimizada. 19

20 Figura 20 Dependiendo de cómo estén los interruptores de puente H, la corriente puede recircular a través de un transistor y un diodo (trayecto 2), dando una caída lenta de la corriente, o recircular la corriente de vuelta hacia la fuente (trayecto 3). La ventaja de devolver la potencia a la fuente es que la corriente decae rápidamente. La desventaja con la rápida caída de corriente es que se ve incrementado el ripple de corriente, el cual puede causar perdidas en el motor. Los puentes H tienen un peligro inherente, que debe ser mencionado. Bajo ninguna circunstancia, los transistores del mismo lado del puente deben ser conmutados simultáneamente, ya que se provocarían daños en el circuito de control. 20

21 Figura 21 21