Selección de la mejor fuente de alimentación para su aplicación de motor paso a paso o servomotor

Las aplicaciones de control de movimiento tienen algunos requisitos únicos en comparación con la mayoría de las aplicaciones; dos son particularmente únicos: 1) tienen una demanda máxima de energía que generalmente es muy alta en relación con la demanda promedio y 2) los motores a menudo actúan como un generador en lugar de como una carga, y bombean corriente al suministro de energía en lugar de extraerla de ella. (energía regenerada o “regen”).

Si necesita una fuente de alimentación de CC para su aplicación de motor paso a paso o servomotor, tiene tres tipos para elegir: 1) suministros lineales a granel no regulados; 2) fuentes de alimentación de modo conmutado PWM reguladas (conmutadores SMPS o PWM); o 3) suministros híbridos en modo resonante regulado.

Este artículo analiza las consideraciones técnicas exclusivas del control de movimiento y compara los tres tipos de fuentes de alimentación.

Es importante considerar las demandas únicas de una aplicación de control de movimiento al seleccionar una fuente de alimentación. Durante las aceleraciones, los motores pueden consumir rápidamente grandes cantidades de energía. Además, los motores pueden crear regeneración y devolver la corriente a la fuente de alimentación durante la desaceleración (es decir, actúan como generadores), lo que significa que la fuente de alimentación debe soportar el aumento de voltaje resultante. Las aplicaciones de movimiento altamente dinámico (aquellas con grandes cargas inerciales, aceleraciones/desaceleraciones rápidas y velocidades máximas altas) imponen demandas grandes y rápidas de corriente en la fuente de alimentación.

Hay muchos otros factores importantes a considerar al elegir la mejor fuente de alimentación que no están específicamente relacionados con el control de movimiento. Algunos de estos son especialmente importantes para los diseñadores de máquinas OEM que buscan minimizar el costo de su producto y proporcionar un funcionamiento confiable en una amplia variedad de condiciones operativas.

Potencia requerida (pico y promedio): Una aplicación de bombeo que generalmente funciona a una velocidad y un par fijos o que varían lentamente utiliza una potencia máxima bastante cercana a su potencia promedio (continua). Por otro lado, una máquina pick-and-place, con muchos arranques y paradas a alta aceleración, tiene un pico mucho más alto que la demanda de energía promedio. Para un sistema bien diseñado, deberá considerar el consumo de energía máximo y promedio de todos los ejes combinados (que generalmente no es simplemente la suma de los requisitos de los ejes individuales). Una máquina de ejes múltiples con ejes que tienen perfiles de movimiento superpuestos (es decir, los ejes pueden acelerar al mismo tiempo) probablemente requerirá mucha más potencia máxima que las máquinas donde solo se mueve un eje a la vez.

Nivel de voltaje de salida CC: Suponiendo que desea el costo general más bajo para la energía mecánica que necesita su aplicación y que está utilizando motores en el rango de 100 a 750 vatios (caballos de fuerza fraccionarios), hay un punto óptimo alrededor de 65 a 85 voltios CC. Mucha gente quiere utilizar una fuente de alimentación de 24 voltios porque son muy fáciles de encontrar o porque su aplicación ya necesita 24 voltios (para sensores y otros componentes). Muchos motores pueden funcionar con un suministro de 24 voltios, entonces, ¿por qué no utilizar 24 voltios? La razón principal es que aumentar el voltaje del bus suministrado al motor (hasta cierto punto) es la forma más económica de obtener más potencia del motor. La potencia mecánica del eje de un motor a cualquier velocidad dada es la velocidad multiplicada por el par. La velocidad máxima de cualquier motor está directamente relacionada con el voltaje suministrado. La cantidad de torque que puede obtener de un motor es proporcional a la corriente que empuja a través de sus devanados, que a su vez también está limitada por el voltaje de la fuente de alimentación. Entonces, la forma de aprovechar al máximo la potencia de cualquier motor (velocidad × par) es aumentar el voltaje suministrado. Para cualquier voltaje dado, un motor girará más rápido si las bobinas del estator del motor tienen menos vueltas de alambre de cobre. Y con menos vueltas, puede usar un cable de mayor calibre, que tendrá menor resistencia y proporcionará más corriente por voltio.

Por el contrario, ¿por qué no utilizar un voltaje realmente alto? Para motores de más de 1 o 2 caballos de fuerza, no sería práctico no utilizar alto voltaje, pero para motores de potencia fraccionaria, el uso de alto voltaje conlleva una serie de cuestiones regulatorias y de seguridad que aumentan la complejidad del proyecto y aumentan los costos. Cuando se utiliza una fuente de alimentación en el rango de 75 VCC, la corriente requerida para lograr una potencia del motor de hasta 1 o 2 caballos de fuerza no es lo suficientemente alta como para preocuparse por las pérdidas resistivas y los problemas de llenado de cobre descritos anteriormente. Y a 75 VCC, es bastante fácil y económico cumplir con las normas de seguridad eléctrica. Es posible que puedas usar un voltaje inferior al óptimo y aun así obtener la potencia mecánica que necesitas, pero probablemente tendrás que usar un motor más grande y costoso.

Regulación de carga/rigidez del voltaje de salida: La salida de voltaje de las fuentes de alimentación disminuirá hasta cierto punto a medida que aumente la carga de la fuente. La cantidad de caída depende del tipo de suministro, la calidad del diseño y la cantidad de carga. A medida que disminuye el voltaje de salida del suministro, disminuye la potencia máxima disponible en el eje del motor. Los variadores de motor actúan como convertidores de potencia, por lo que el variador puede compensar momentáneamente cierta cantidad de caída porque simplemente consumirá más corriente para proporcionar la potencia requerida al variador de motor. Pero, debido a que la caída reduce el voltaje suministrado al motor, la potencia máxima del motor también se reducirá.

Las fuentes de alimentación que experimentan demasiada caída de voltaje pueden provocar errores de posición y velocidad del motor. Con una caída lo suficientemente alta, un motor paso a paso perderá pasos y un servo puede apagarse debido a un error instantáneo excesivo.

Regulación de línea: Existe una amplia gama de voltajes CA nominales en todo el mundo; varían según la ubicación, la hora del día y la carga de la red eléctrica. Las fuentes de alimentación reguladas generalmente manejan bien cualquier cambio razonable en el voltaje de la línea de CA; por lo general, tienen muy pocos cambios en el voltaje de salida. Pero la salida de un suministro no regulado, como un suministro lineal a granel, cambiará proporcionalmente con el cambio en el voltaje de la línea de entrada. Si su máquina necesita voltaje de salida total para alcanzar la velocidad objetivo del motor y fue probada con voltaje de línea completo, es posible que se lleve una mala sorpresa cuando la máquina se opere en condiciones de línea baja.

Una condición de CA de línea alta también puede ser un problema para aplicaciones sin regulación de línea. La mayoría de los variadores de motor se protegen a sí mismos de condiciones de sobretensión, pero si el voltaje del bus de CC en un suministro no regulado aumenta debido a una línea de CA alta, su variador ahora funcionará más cerca de su límite de sobretensión. Esto disminuye el margen de diseño con respecto a la energía regenerativa porque la regeneración también actuará para aumentar el voltaje visto por el motor.

Soporte de control de regeneración: Todos los motores eléctricos generan un voltaje inverso (back-EMF) cuando producen torque en contra de la dirección del movimiento (por ejemplo, durante la desaceleración). Esta regeneración bombea corriente nuevamente al suministro y aumenta el voltaje total del bus. Hay varias formas de abordar este flujo inverso de corriente.

Puede agregar capacitancia en paralelo con la salida del suministro para que actúe como un depósito que absorba esta energía de regeneración y la almacene para su reutilización más adelante cuando sea necesario extraer energía del suministro. Un condensador de salida grande ocupa espacio, es relativamente caro y tiene una vida útil relativamente baja en comparación con otros componentes electrónicos. El problema de la vida útil se puede mitigar eligiendo un condensador con una tensión nominal significativamente mayor que la tensión de alimentación nominal. Si su eje o máquina produce una regeneración significativa, es posible que deba considerar un circuito de regeneración dedicado para desviar la corriente a través de una resistencia de carga para quemar el exceso de energía. También puede incorporar un condensador de salida independiente con un “diodo de bloqueo” asociado y/o un circuito de control de regeneración con su resistencia de “frenado” de carga asociada. El condensador funcionará pasivamente para absorber cierta cantidad de energía regenerada (y devolverla según sea necesario).

Estos componentes adicionales (Figura 1), junto con el cableado necesario, aumentan los gastos, la complejidad del cableado y ocupan más espacio en el gabinete. Además, la resistencia de frenado puede calentarse lo suficiente como para representar un peligro para la seguridad y puede requerir medidas para evitar lesiones al usuario. Es posible que el condensador de salida necesite algunos circuitos adicionales para evitar que la corriente de entrada dispare el disyuntor al encenderlo, así como circuitos para descargar la energía almacenada al apagarlo.

Tamaño/Huella: El tamaño y/o el factor de forma son importantes para la mayoría de los fabricantes de máquinas y la fuente de alimentación de control de movimiento suele ser uno de los componentes más grandes que se encuentran dentro de un gabinete eléctrico. Los gabinetes o gabinetes electrónicos (especialmente si están diseñados para un ambiente hostil) son costosos, por lo que los suministros más pequeños y menos componentes reducen los requisitos de espacio y los costos.

Protección contra corriente de avalancha: La corriente de entrada es la corriente inicial e instantánea que consume un componente cuando se enciende por primera vez. Los condensadores descargados consumirán mucha corriente cuando comiencen a cargarse. La corriente de entrada para una fuente de alimentación de CC puede ser muchas veces mayor que la corriente de entrada de estado estable. Sin un circuito limitador de corriente de irrupción, las fuentes de alimentación pueden disparar disyuntores del tamaño correcto o quemar fusibles cuando se encienden.

Costo: Los fabricantes de máquinas OEM pueden ser particularmente sensibles a los costos porque se vuelven significativos a medida que aumenta el volumen de máquinas. Es importante considerar el costo y la mano de obra asociados con la integración de componentes eléctricos auxiliares (como un circuito de control de regeneración externo, un diodo de bloqueo, una resistencia de frenado o capacitores adicionales).

Fuentes de alimentación lineales no reguladas– Una de las fuentes de alimentación más simples que existen, la fuente de alimentación lineal no regulada tiene tres componentes principales:

Transformador: El transformador primario convierte el voltaje de la línea de CA de entrada a un voltaje de CA alternativo (generalmente el nivel de voltaje de CC final deseado). Ocupan mucho espacio y sus laminaciones de acero y devanados de cobre son pesados.

Puente rectificador de onda completa: el puente rectificador es un conjunto de diodos (normalmente en un paquete) que convierte el medio ciclo negativo del voltaje de salida de CA del transformador en un voltaje positivo. La salida del rectificador tiene el doble de frecuencia que la entrada CA pero solo polaridad positiva.

Condensador: La capacitancia almacena energía de modo que incluso si extrae corriente del suministro durante la fase de la entrada de CA donde el voltaje es bajo, el voltaje de salida no caerá demasiado.

Las fuentes de alimentación lineales masivas tienen una serie de ventajas. Son simples, eléctricamente silenciosos y proporcionan una fuente de corriente fácilmente disponible. Las desventajas incluyen una mayor ondulación del voltaje que la mayoría de los diseños porque el voltaje de entrada de CA está muy por debajo del voltaje de salida de CC durante un tiempo relativamente largo. Si el voltaje cae demasiado, el motor paso a paso o el servomotor no tendrá suficiente voltaje para girar a la velocidad requerida.

Estas fuentes de alimentación son relativamente grandes y pesadas, lo que dificulta su instalación en una máquina compacta. No todas las fuentes de alimentación lineales masivas son adecuadas para manejar la regeneración. La energía devuelta por un motor cargará el condensador de salida, aumentando el voltaje de salida de CC.

Las fuentes de alimentación lineales no reguladas (Figura 2) suelen ser dispositivos "básicos" y no tienen una variedad de características útiles que se encuentran en otros suministros, como LED de diagnóstico o descarga de energía almacenada al apagarse. Además, la mayoría de los suministros lineales a granel no están cerrados, por lo que necesitará fabricar un gabinete de algún tipo si la protección contra golpes del usuario o la protección mecánica de los circuitos es importante en su aplicación.

Fuentes de alimentación reguladas y de modo conmutado – Una fuente de alimentación conmutada regulada (Figura 3) incluye componentes electrónicos de control diseñados para mantener el voltaje de salida en el nivel especificado independientemente de la carga. Los conmutadores incorporan circuitos activos y son más complicados que sus homólogos lineales no regulados. Los conmutadores regulan activamente su voltaje de salida de CC mediante una técnica llamada "modulación de ancho de pulso" (PWM) y retroalimentación.

Las ventajas de las fuentes de alimentación conmutadas son que producen un voltaje casi constante independientemente de la carga porque tienen circuitos activos para regular el voltaje de salida. Siempre que los utilice dentro de su rango de corriente especificado, no verá mucha caída de voltaje bajo carga. Esto puede proporcionar una ventaja de rendimiento notable sobre los suministros no regulados.

Los conmutadores tienen un volumen menor y son más livianos que las fuentes de alimentación no reguladas. Sus transformadores son significativamente más pequeños y la capacitancia de salida es mucho menor. La mayoría de las fuentes de alimentación conmutadas aceptan directamente una amplia gama de voltajes de entrada de CA, generalmente de 100 a 240 VCA, con frecuencias de línea de 50 a 60 Hz. Un conmutador correctamente especificado generalmente no activará los disyuntores cuando se enciende la energía. La mayoría de los conmutadores también tienen algún tipo de protección contra sobrecargas; se apagan automáticamente si la carga es demasiado exigente y no suministrarán energía de salida de CC hasta que realice el primer ciclo de energía de entrada de CA.

Hay varias desventajas de cambiar las fuentes de alimentación. Los conmutadores generalmente tienen poca capacidad máxima. Las aplicaciones de movimiento requieren potencia máxima mientras dure la aceleración de la carga; Por lo general, esto lleva mucho más tiempo que el tiempo que una fuente de alimentación conmutada puede proporcionar potencia máxima. En comparación con la regulación de salida de un conmutador, la caída de tensión de un suministro lineal no regulado normalmente se considera una desventaja; sin embargo, le permite generar mucha más potencia durante breves períodos de tiempo (muy adecuado para partes de aceleración de un perfil de movimiento).

Todos los motores eléctricos generarán energía regenerativa cuando entreguen un par de signo opuesto a la dirección del movimiento. El motor devuelve esta energía a la salida de voltaje CC de la fuente de alimentación, aumentando el voltaje. Las fuentes de alimentación conmutadas no tienen suficiente capacitancia de salida ni un circuito de regeneración separado para absorber y/o disipar esta energía.

Por lo tanto, aunque los suministros de conmutación PWM tienen una serie de inconvenientes para su uso en aplicaciones de movimiento, pueden tener éxito, particularmente en aplicaciones que tienen una carga más continua (por ejemplo, bombas y mezcladores) en comparación con aplicaciones con demandas más pico (por ejemplo, multi- máquinas de eje con frecuentes aceleraciones y desaceleraciones del motor).

Fuentes de alimentación híbridas diseñadas para control de motores paso a paso o servomotores – Los conmutadores deben tener un tamaño significativamente mayor para soportar los picos de carga típicos. Los conmutadores también casi siempre requieren algún circuito adicional proporcionado por el usuario para funcionar de manera confiable.

Los suministros lineales a granel pueden suministrar la potencia máxima alta que generalmente se requiere para aplicaciones de movimiento (aunque con caída de voltaje de salida) y tienen una cantidad moderada de capacidad de regeneración debido a su capacitancia de salida típicamente grande.

Se podría diseñar un suministro RDFC para manejar grandes picos de carga. En un RDFC, los transistores de conmutación solo se encienden y apagan cuando están en un estado "sin corriente" o "sin voltaje". En el conmutador PWM más común, los transistores conmutarán a máxima potencia y su matriz de silicio tiene que disipar mucho calor. Debido a esto, cualquier cantidad de uso de energía que exceda la potencia nominal continua calentará rápidamente los transistores hasta un nivel dañino.

En el conmutador de modo resonante, los transistores disipan mucha menos energía, por lo que el límite térmico en este tipo de suministro es el límite térmico del transformador. El transformador tiene mucha más masa térmica que el silicio dentro de los transistores y, por lo tanto, puede absorber picos de carga mucho más altos y picos de mayor duración.

Si combina un conmutador de modo resonante con una cantidad saludable de capacitancia de salida y un controlador de regeneración, tendrá una fuente de alimentación híbrida que es ideal para aplicaciones de control de movimiento. Este diseño híbrido (Figura 4) combina todas las ventajas de la fuente de conmutación PWM con las ventajas de la fuente lineal masiva.

Este diseño también permite que su aplicación consuma significativamente más que la corriente máxima nominal sin provocar un apagado. Exceder la clasificación de corriente máxima provocará cierta caída, pero la caída de voltaje puede ser aceptable si le permite obtener más corriente para esos momentos de alta demanda de torque a menor velocidad.

Con suerte, ahora comprende bien los diferentes tipos de fuentes de alimentación junto con sus ventajas y desventajas para las aplicaciones de control de movimiento. Los suministros de modo conmutado regulado y lineal en masa no regulados son comunes, pero tienen algunos inconvenientes para las aplicaciones de control de movimiento.

La arquitectura de modo resonante híbrido combina las mejores características de otros suministros y es ideal para proporcionar alimentación de CC para servomotores y motores paso a paso.

Este artículo fue escrito por Abe Amirana, director de Teknic (Victor, Nueva York). Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de diciembre de 2020 de la revista Motion Design.

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