Formas de control paso a paso de circuito cerrado

2017 - Artículo más popular - Para lograr el máximo rendimiento, el motor paso a paso se puede tratar como un servomotor bifásico sin escobillas. La corriente al motor se controlará entonces en función de la señal de error, al igual que con los servomotores estándar.

Contribuido por | Control de movimiento Galil, Inc.

Los motores paso a paso se emplean en una variedad de aplicaciones en todo el espectro de la ingeniería porque son económicos, fáciles de operar y ofrecen un alto par a bajas velocidades. Sin embargo, los motores paso a paso adolecen de inconvenientes como pasos perdidos, par reducido a altas velocidades, resonancias y alto consumo de energía. Para mitigar estos problemas, Galil tiene tres métodos para cerrar el circuito alrededor de un motor paso a paso: corrección del punto final, micropasos de circuito cerrado y accionar el motor paso a paso como un motor bifásico sin escobillas.

Los motores paso a paso tienen múltiples electroimanes "dentados" dispuestos alrededor de un rotor en forma de engranaje. Para hacer girar el eje del motor, estos electroimanes se activan en una secuencia específica. La Figura 1 muestra una vista simplificada de este proceso para un motor paso a paso bifásico. Cada secuencia específica corresponde a un paso del motor. Un motor paso a paso suele tener 200 pasos por revolución.

Los motores paso a paso no están exentos de inconvenientes. El primer inconveniente de un motor paso a paso es que funciona a plena corriente en todo momento. Esto conduce a un desperdicio de energía y a una generación excesiva de calor. En segundo lugar, algo fundamental para el funcionamiento de los motores paso a paso es la vibración causada cuando cambian su posición en pasos discretos. Cuando la frecuencia de paso coincide con la oscilación natural o la frecuencia de resonancia del motor paso a paso, la amplitud de estas vibraciones aumentará, lo que provocará la pérdida de posición. Los motores paso a paso también experimentan una disminución significativa del par a medida que aumenta la velocidad del motor. Se muestra una curva común de velocidad-par en Error: Fuente de referencia no encontrada. Por último, la resolución posicional está limitada por el número de pasos por revolución. Si se necesita una mayor resolución, el paso a paso se puede conducir a través del proceso de micropasos.

Micropasos es un método para accionar un motor paso a paso de modo que cada paso completo del motor se divide en incrementos más pequeños llamados micropasos. Los micropasos normalmente crean entre 2 y 256 micropasos por paso completo, lo que significa que el motor de 200 pasos por revolución ahora puede tener hasta 51200 de estos micropasos por revolución. La Figura 3 detalla la forma de onda actual a través de cada fase del motor paso a paso con un número creciente de micropasos por paso completo.

La precisión real de los micropasos depende en gran medida de fuerzas externas. Los micropasos tienen una precisión de un paso completo del motor; sin embargo, si hay más de medio paso de error, se producirá una pérdida de posición. El movimiento no se producirá si la fricción, la gravedad o cualquier otra fuerza es lo suficientemente grande como para evitar que el pequeño cambio en la corriente entre dos posiciones de micropasos afecte la posición del motor. La Figura 4 muestra un gráfico de un movimiento punto a punto ejecutado en un sistema impulsado por un motor paso a paso acoplado con un codificador. La línea roja es la posición esperada del motor paso a paso, la línea violeta son los pulsos de paso emitidos al motor y la línea azul es la posición del motor medida por el codificador. La línea negra indica cuando el controlador está perfilando activamente el movimiento. Debido a la fricción en el sistema, la posición final del motor paso a paso no coincide con la posición ordenada, lo que genera algún error de estado estable.

Al utilizar la retroalimentación del codificador para reconocer este error de posición, el punto final se puede ajustar ordenando pulsos de paso adicionales para llevar el motor a la posición correcta. Galil llama a este modo de mantenimiento de posición paso a paso, o SPM. SPM todavía opera el motor paso a paso en el modo de micropasos, pero ahora se puede verificar y ajustar la precisión del punto final. Este modo funciona comparando la posición ordenada del motor paso a paso con la posición real emitida por el codificador justo antes de completar un movimiento. La Figura 5 muestra el mismo sistema que la Figura 4 ahora funcionando en el modo de mantenimiento de posición paso a paso. Una vez finalizado el movimiento, se reconoce el error de posición y se ajusta la posición de referencia para tener en cuenta este error. Luego se ordena un movimiento de corrección de errores para llevar el paso a paso a la posición correcta. Al agregar el codificador, el controlador ahora tiene la capacidad de reconocer y corregir errores presentes en el sistema. El mismo movimiento que anteriormente resultaba en un error de estado estacionario debido a la fricción ahora puede ser explicado y corregido.

El modo SPM está diseñado para aplicaciones donde la única preocupación es la precisión del punto final. Cuando es necesario corregir continuamente errores, Galil ofrece el modo de micropasos de circuito cerrado (CLS). La Figura 6 muestra el sistema paso a paso ahora funcionando en modo CLS. Además de la posición de referencia y la posición del codificador, ahora se genera internamente en el controlador una señal de error (línea verde) que se utiliza para ajustar la posición del motor paso a paso de forma continua. Es importante tener en cuenta que en el modo CLS el movimiento ahora se perfila según la posición del codificador, pero el controlador aún genera pulsos de paso para accionar el motor paso a paso.

La señal de error generada pasa a través del filtro CLS de Galil, que luego compensa cualquier error presente en el sistema ajustando la salida de pulsos de paso al paso a paso. El micropaso de bucle cerrado es un verdadero modo de operación de bucle cerrado y es el uso óptimo de un motor paso a paso que aún funciona como un paso a paso. El funcionamiento en bucle cerrado conlleva el riesgo de inestabilidad si el bucle no está sintonizado correctamente, por lo que se debe tener cuidado para lograr la estabilidad. Además, este modo sigue siendo ineficiente desde el punto de vista energético y tiene un ancho de banda bajo en comparación con un sistema servo clásico. Este bajo ancho de banda se puede reducir aún más cuando se utilizan unidades paso a paso externas de terceros con un ancho de banda de bucle de corriente bajo y características no lineales.

Para lograr el máximo rendimiento, el motor paso a paso se puede tratar como un servomotor bifásico sin escobillas. La corriente al motor se controlará entonces en función de la señal de error, al igual que con los servomotores estándar. Galil se refiere al modo sin escobillas de 2 fases o 2PB. La Figura 7 detalla el sistema de motor paso a paso que se acciona en este modo. Ahora, en lugar de pulsos escalonados, el controlador genera una señal de comando de torque (línea marrón) que se envía a uno de los amplificadores internos de Galil que opera en modo 2PB para controlar la posición del motor. veces. Un motor paso a paso accionado en modo 2PB es análogo a un servomotor clásico acoplado a una caja reductora de velocidad. Debido a que este modo funciona como un servomotor estándar, ahora se puede utilizar toda la gama de capacidades avanzadas de filtro PID de Galil, incluidos los filtros de muesca, polo y avance. Para accionar el motor paso a paso de esta manera, el amplificador debe hacerse más sofisticado para entregar adecuadamente sólo la corriente instantánea requerida al motor. Esto da como resultado que el motor paso a paso funcione con energía de manera eficiente y hace que genere mucho menos calor.

Aprovechando los métodos de control paso a paso de circuito cerrado de Galil, se pueden superar las diversas deficiencias de los motores paso a paso. La posición del punto final se puede ajustar para detectar imprecisiones con el modo de mantenimiento de la posición del paso a paso, la posición se puede ajustar dinámicamente con micropasos de circuito cerrado y, por último, el motor paso a paso se puede tratar como un servo bifásico sin escobillas para aumentar aún más el rendimiento y la eficiencia del motor. . Si tiene preguntas sobre qué modo de operación de paso a paso de circuito cerrado es apropiado para su aplicación, comuníquese con nuestro departamento de Ingeniería de Aplicaciones al (916) 626-0101 o por correo electrónico a [email protected].

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