Accionamientos bipolares y unipolares para motores paso a paso: una comparación

Un motor paso a paso es un tipo de motor de CC sin escobillas compuesto por bobinas conectadas llamadas "fases". Estos dispositivos electromecánicos generalmente funcionan en bucle abierto sin sensor de retroalimentación, aplicando corriente a las fases sin conocer la posición del rotor. El rotor se alinea mediante el flujo magnético del estator, generado por la corriente que fluye en las fases. En cada pulso, la corriente se puede suministrar a la siguiente fase, lo que permite movimientos de rotación incrementales o pasos.

Existen dos métodos para suministrar corriente en las bobinas: bipolar y unipolar. Este artículo explicará las diferencias entre motores bipolares y unipolares, sus métodos de accionamiento y sus ventajas y limitaciones.

La Figura 1 muestra un motor paso a paso de imán permanente de cuatro pasos. El rotor está fabricado con un imán de un par de polos y el estator consta de dos fases: Fase A y Fase B. En el método unipolar, la corriente siempre fluye en la misma dirección. Cada bobina está dedicada a una dirección de corriente, por lo que se alimenta la bobina A+ o A-; las bobinas A+ o A- nunca se alimentan juntas. En el método bipolar, la corriente puede fluir en ambas direcciones en todas las bobinas. Las fases A+ y A- se alimentan juntas. Un motor bipolar requiere un mínimo de una bobina por fase y un motor unipolar requiere un mínimo de dos bobinas por fase. Aquí hay un vistazo detallado a ambas opciones:

En la configuración unipolar, cada fase del motor se compone de dos devanados de bobina. Con un motor bifásico compuesto por las Fases A y B, el motor tiene cuatro devanados de bobina, como se muestra en la Figura 2.

La fase A está compuesta por A+, A-

La fase B está compuesta por B+, B-

La corriente en cada bobina sólo puede fluir en una única dirección, lo que la hace unipolar. En el accionamiento por voltaje, el sistema de control es sencillo, con un solo interruptor o transistor por bobina. Cuando el transistor está cerrado, la bobina se alimenta. Para conmutar el motor, los transistores se cierran y abren alternativamente.

En la Figura 3, los transistores Q1 y Q2 no se pueden cerrar al mismo tiempo. Para alimentar la Fase A, debe cerrar el transistor Q1 o Q2, dependiendo de la dirección en la que necesita que funcione la corriente. Con el control unipolar, sólo se alimenta la mitad de la fase a la vez, por lo que la corriente sólo utiliza la mitad del volumen de cobre. Con los variadores de voltaje, generalmente se aplican resistencias en serie para disminuir la constante de tiempo eléctrica. Este escenario se explicará más adelante en el artículo.

Los motores bipolares necesitan sólo un devanado de bobina por fase y la corriente puede fluir en ambas direcciones por bobina. Se requieren ocho transistores con dos puentes H para controlar motores bipolares, como se muestra en la Figura 4.

En la Figura 5, los transistores están cerrados y abiertos alternativamente para proporcionar conmutación. Los variadores bipolares tienen la ventaja de utilizar todo el cobre por fase. Estos variadores bipolares se utilizan en el variador de voltaje del motor o en la fuente de corriente. Para la fuente de corriente, la corriente en cada fase se controla con una modulación de ancho de pulso (PWM). Se utilizan dos técnicas para PWM: caída lenta o caída rápida, dependiendo de si se supone que la corriente debe disminuir lenta o rápidamente a lo largo de la fase del motor durante el tiempo de “apagado” del PWM.

Unidad de voltaje. Un circuito simple con cuatro transistores proporciona un control unipolar rentable. Un variador de voltaje para motores bipolares requiere dos puentes H (ocho transistores).

Unidad actual. Es preferible un modo bipolar para los variadores actuales porque la tecnología unipolar requiere componentes electrónicos más complejos para lograr un menor rendimiento del motor.

Precaución con el variador de voltaje. Debido al efecto de inductancia, la corriente necesita algún tiempo para aumentar en la bobina. Para unidades unipolares o bipolares, puede agregar una resistencia en serie para disminuir la constante de tiempo eléctrica (L/R). Al agregar una resistencia externa, la corriente disminuye (i = U/(R+r)).

En resumen, agregar resistencia para la misma potencia suministrada da como resultado un par más bajo a baja velocidad. La corriente es menor debido a la potencia en julios disipada en la resistencia externa. Debido a que el par es proporcional a la corriente, el motor entregará menos par. A alta velocidad, se produce un par mayor. Incluso si se disipa algo de potencia en julios en la resistencia externa, el motor podrá entregar más par gracias a la menor constante de tiempo eléctrica. Esto permite que la corriente aumente más rápidamente en la bobina. (Nota: con un aumento en el voltaje de suministro, puede compensar la corriente más baja; sin embargo, la eficiencia energética general será menor. El par mejora a alta velocidad y se mantiene a baja velocidad).

El par de retención es el par máximo que el motor puede soportar. El par de retención es proporcional a la constante del par y a la corriente en la fase.

T manteniendo máx = k * i

dónde

T holding max es el par de sujeción (Nm)

k es la constante de par (Nm/A)

i es la corriente en la fase (A)

Se puede generar un par más alto aumentando el número de vueltas de la bobina o aumentando el flujo de corriente. El aumento de la corriente provocó calor adicional debido a la disipación de la pérdida en julios (P julios = R * i 2). El suministro de corriente está limitado por la capacidad térmica de la bobina. La temperatura de la bobina generalmente puede alcanzar la temperatura máxima admisible de la bobina, normalmente 100 °C o 150 °C, según el tipo de motor.

Veamos las pérdidas en julios en ambas combinaciones (Figura 6 a continuación), considerando una fase ENCENDIDA:

Teniendo en cuenta que cada bobina individual tiene su propia constante de resistencia, inductancia y par, y si las pérdidas en julios son las mismas para ambos casos, P julios bi = P julios uni = P 0 , tendremos:

Para las mismas pérdidas en julios disipadas, el motor bipolar puede producir √2 (≈40%) más torque que el motor unipolar. Y para la misma potencia eléctrica, el motor bipolar obtiene mejores resultados que el motor unipolar.

La demostración anterior muestra que cuando se disipa la misma potencia, el motor bipolar puede entregar un 40% más de torque. Sin embargo, a alta velocidad en accionamiento de voltaje, el motor unipolar puede entregar un par mayor que el motor bipolar porque la corriente puede fluir más rápido en la bobina. La figura 7 proporciona un ejemplo.

Un motor bipolar generalmente tiene cuatro cables, mientras que un motor unipolar tiene ocho cables si el punto medio no está conectado (Figura 8).

Si el motor unipolar tiene ocho cables, se puede convertir en una versión bipolar conectando las semifases. Las bobinas se pueden conectar en serie o en paralelo. Ambas opciones tienen la misma regulación del motor (R/k2) y las mismas prestaciones de par para la misma potencia eléctrica.

Un conjunto en serie tiene una resistencia cuatro veces mayor que un conjunto en paralelo. Una conexión en serie requiere el doble de corriente y la mitad de voltaje que una conexión en paralelo. Una conexión serie o paralelo coincidirá con la fuente de alimentación.

La tabla de la Figura 10 presenta las ventajas de los conjuntos unipolares y bipolares. El control unipolar era popular en el pasado, pero el control bipolar en la actualidad se ha vuelto más frecuente gracias a las mejoras de costos. Para el accionamiento por voltaje, el control unipolar sigue siendo una opción rentable.

Este artículo fue escrito por Clemence Muron, ingeniera de aplicaciones de Portescap, West Chester, PA. Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de agosto de 2021 de la revista Motion Design.

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