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Feb

Motores paso a paso vs Servos

El ingeniero dedicado al diseño de aplicaciones industriales debe elegir la tecnología en que se basarán los accionamientos que incorporan ciertas aplicaciones.

En función de los requerimientos de la aplicación, el entorno industrial, el coste económico (y otros muchos aspectos) se elegirá una tecnología u otra.

La elección entre sistemas neumáticos y/o sistemas electromecánicos probablemente sea un requerimiento asociado al propio proyecto, pero si la elección es un accionamiento electromecánico generalmente la elección es el SERVO.

De todos es conocido, que los SERVOS están compuestos por un transductor electromecánico (motor, actualmente sin escobillas con imanes permanentes) uno o varios sensores de posición (sensores basados en efecto Hall y sensores de posición generalmente ópticos conocidos como encoders) y una electrónica de control (generalmente conocida como driver o controlador es el encargado de cerrar los lazos de posición y velocidad). La combinación, por cierto indivisible, de estos tres elementos permite aplicar este SERVO como solución a prácticamente todos los accionamientos de posición (cintas transportadoras, elementos giratorios de posición hasta brazos robotizados,…..).

En los últimos meses me he encontrado en conversaciones en las que mi interlocutor ha demostrado un total desconocimiento de otro tipo de accionamientos conocidos como motores paso a paso. Comentarios como “son para juguetes….” “producen muchas vibraciones….” “son lentos……” denotan que este tipo de accionamientos son los grandes desconocidos. Generalmente todo el mundo sabe que los motores DC con escobillas ya prácticamente no se emplean... Pero ¿sabemos qué son los motores paso a paso?

Un motor paso a paso híbrido es un transductor electromecánico sin escobillas y de imanes permanentes, y hasta aquí parece una definición de un SERVO, ¿verdad? Efectivamente, son muy parecidos, aunque presenta ciertas diferencias constructivas tales como el llamado número de polos (en un SERVO se emplean motores de 6 polos y un paso a paso generalmente tienen 50 polos).

La relación par entregado por el motor con respecto la potencia eléctrica consumida depende del llamado circuito magnético y éste a su vez depende de los materiales empleados para la construcción de los imanes del motor paso a paso, que por cierto, pueden ser los mismos que los empleados en los SERVOS.

Si nos centramos en el número de pares de polos podremos reflexionar sobre algunas ventajas de los SERVOS frente a los motores paso a paso. Las corrientes inyectadas en las bobinas de los SERVOS son sinusoidales y la relación entre la frecuencia de dichas corrientes y la velocidad de giro del eje del motor es precisamente el número de polos del motor. Si un motor paso a paso presenta 50 polos se situará siempre en desventaja frente a un SERVO en cuanto a la velocidad máxima de giro del eje del motor, es por esta razón están catalogados como lentos.

Que el número de polos del motor paso a paso sea elevado le ha merecido el sobrenombre de motor discreto (lo es tanto como cualquier otro tipo de motor, tal vez otros posean menos polos y por tanto la resolución angular sea tan pobre que precisen de un encoder auxiliar). Esta característica permitió antiguamente diseñar controladores que generaban secuencias de pulsos con las que excitaban las distintas bobinas del motor consiguiendo el movimiento del eje (a bajas velocidades y sin estar exentos de vibraciones).

La principal ventaja de disponer de un elevado número de polos radica en que, con la conveniente excitación de las bobinas, se consigue mantener el eje del motor parado en una posición estable (sin vibraciones ni oscilaciones) y proporcionando el par máximo. Las resoluciones angulares más habituales en este tipo de motores son de 1.8 º o 0.9º.

Con todo esto tal vez este claro que el SERVO es y sigue siendo la solución ideal…… pues bien, así como los SERVOS incluyen una circuitería electrónica que en base a la información proporcionada por los sensores de posición y los requerimientos del movimiento inyecta corriente en las bobinas del motor, los motores paso a paso también disponen de circuitería electrónica que los controla.

La evolución de estos controladores es la clave de la cuestión, muchas de las técnicas de control aplicada en los SERVOS se están aplicando en los controladores de motores paso a paso con la ventaja añadida que no precisan sensor de posición ya que ellos mismos lo son intrínsecamente gracias al elevado número de polos.

Actualmente se consiguen movimientos con amplios rangos de velocidades (desde 0.0 hasta 1500rpm) con un control de par en todo el rango.

La ausencia de vibraciones en todo los rangos de velocidades, elevadas aceleraciones y frenadas se consiguen con las nuevas generaciones de controladores que están apareciendo en el mercado.

Entonces, ¿nos podemos plantear algunas ventajas de los motores paso a paso frente a los SERVO?, creo que está claro que sí:

    • No precisan sensor de posición ni de velocidad.
    • Simplicidad absoluta en el ajuste de parámetros.
    • Velocidades de movimiento desde extremadamente bajas a medias y libres de vibraciones.
    • Permiten mantener una determinada posición a velocidad cero sin vibraciones.
    • Es posible controlar el par entregado a la carga, tanto en movimiento como en parado.
    • Menores tensiones de alimentación en las bobinas.
    • Más económicos.

También podemos plantear ciertas ventajas de los SERVOS frente a los motores paso a paso:

    • Alcanzan velocidades mayores.
    • Mantenimiento del par máximo a mayores velocidades.
    • Mayores rampas de aceleración y frenado.

Es evidente que existe un segmento de aplicaciones en que el SERVO es imprescindible pero en muchas otras éste puede sustituirse por un motor paso a paso con un controlador adecuado, siendo una solución más óptima.

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