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MAQUINAS ESPECIALES | 1
CAPITULO I
PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN
JUSTIFICACIÓN
Las maquinas especiales para el área de mecatrònica es considerada uno
de los principales elementos de la ingeniería, por que a medida que pasa el
tiempo la tecnología evoluciona de manera sorprendente. Dentro del universo
de las definiciones que favorecen a los individuos, los servomotores ocupa una
posición importante, y entre las más frecuentes se encuentran diversos
modelos pero todos cumpliendo la misma función.
Además de la alta demanda de empresas y laboratorios que se utilizan en
las grandes industrias, las maquinas especiales constituye una entidad que
mantiene, progresivamente mayor, una alta perspectiva, y a pesar de que todo
lo que vemos y hacemos pasa desapercibido para la mayoría de las personas a
algunas que son de ciencia les interesa saber el por qué de las cosas.
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OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Que se aprendan cueles son las características, su definición y diversos
tipos de maquinas especiales
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Comprender la importancia de identificar las características generales
Servomotores de Cd y Servomotores de Ca
. Conocer cuáles son y cuál es su funcionamiento de dichos motores de
Motores eléctricos de pasos y Motor eléctrico lineal
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CAPITULO II
DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN
MAQUINAS ESPECIALES
5.1 SERVOMOTORES DE CD
El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro (una
resistencia variable) esta es conectada al eje central del servo motor. En la
figura se puede observar al lado derecho del circuito. Este potenciómetropermite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual del servo motor.
Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el
circuito chequea que el ángulo no es el correcto, el motor girará en la dirección
adecuada hasta llegar al ángulo correcto. El eje del servo es capaz de llegar
alrededor de los 180 grados. Normalmente, en algunos llega a los 210 grados,
pero varía según el fabricante. Un servo normal se usa para controlar un
movimiento angular de entre 0 y 180.
La cantidad de voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que éste
necesita viajar. Así, si el eje necesita regresar una distancia grande, el motor
regresará a toda velocidad. Si este necesita regresar sólo una pequeña
cantidad, el motor correrá a una velocidad más lenta. A esto se le llama control
proporcional.
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CARACTERÍSTICAS GENERALES Y FUNCIONAMIENTO:
Estos servos tienen un amplificador, servo motor, piñonearía de reducción y un
potenciómetro de realimentación; todo incorporado en el mismo conjunto. Esto
es un servo de posición (lo cual significa que uno le indica a qué posición debe
ir), con un rango de aproximadamente 180 grados. Ellos tienen tres cables de
conexión eléctrica; Vcc, GND, y entrada de control.
Para controlar un servo, usted le ordena un cierto ángulo, medido desde 0
grados. Usted le envía una serie de pulsos. En un tiempo ON de pulso indica el
ángulo al que debe posicionarse; 1ms = 0 grados, 2.0ms = máx. Grado (cerca
de 120) y algún valor entre ellos da un ángulo de salida proporcional.Generalmente se considera que en 1.5ms está el "centro." Entre límites de 1 ~
2ms son las recomendaciones de los fabricantes, usted normalmente puede
usar un rango mayor de 1.5ms para obtener un ángulo mayor e incluso de 2ms
para un ángulo de rendimiento de 180 grados o más. El factor limitante es el
tope del potenciómetro y los límites mecánicos construidos en el servo. Un
sonido de zumbido normalmente indica que usted está forzando por encima al
servo, entonces debe disminuir un poco.
El tiempo de OFF en el servo no es crítico; puede estar alrededor de los 20ms.
Hemos usado entre 10ms y 30 ms. Esto No tiene que ser de ésta manera,
puede variar de un pulso a otro. Los pulsos que ocurren frecuentemente en el
tiempo de OFF pueden interferir con el sincronismo interno del servo y podría
escucharse un sonido de zumbido o alguna vibración en el eje. Si el espacio
del pulso es mayor de 50ms (depende del fabricante), entonces el servo podría
estar en modo SLEEP entre los pulsos. Entraría a funcionar en pasos
pequeños y el rendimiento no sería el óptimo.
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Como se observa en la figura, la duración del pulso indica o dictamina el ángulo
del eje (mostrado como un círculo verde con flecha). Nótese que las
ilustraciones y los tiempos reales dependen del fabricante de motor. El
principio, sin embargo, es el mismo.
El cable de control se usa para comunicar el ángulo. El ángulo está
determinado por la duración de un pulso que se aplica al alambre de control. A
esto se le llama PCM Modulación codificada de Pulsos. El servo espera ver un
pulso cada 20 milisegundos (.02 segundos). La longitud del pulso determinará
los giros de motor. Un pulso de 1.5 ms., por ejemplo, hará que el motor se
torne a la posición de 90 grados (llamado la posición neutra). Si el pulso es
menor de 1.5 ms., entonces el motor se acercará a los 0 grados. Si el pulso es
mayor de 1.5ms, el eje se acercará a los 180 grados.
La descripción realizada anteriormente como se ha podido observar los
servomotores de corriente continúa usados en robótica doméstica y en
aeromodelismo fundamentalmente.
SERVOMOTORES EN MODELISMO:
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DIAGRAMA DE UN SERVOMOTOR TÍPICO DE MODELISMO.
Un servomotor de este tipo es básicamente un motor eléctrico que sólo se
puede girar en un ángulo de aproximadamente 180 grados (no dan vueltas
completas como los motores normales). De los tres cables que salen de su
cubierta. El rojo es de voltaje de alimentación (+5V), el negro es de tierra (0V ó
GND). El cable blanco (a veces amarillo) es el cable por el cual se le instruye al
servomotor en qué posición ubicarse (entre 0 grados y 180).
Dentro del servomotor, una tarjeta controladora le dice a un pequeño motor de
corriente directa cuántas vueltas girar para acomodar la flecha (el eje de
plástico que sale al exterior) en la posición que se le ha pedido.
En la siguiente figura se observa la ubicación de estas piezas dentro del servomotor:
Un potenciómetro que está sujeto a la flecha, mide hacia dónde está ubicado
en todo momento. Es así como la tarjeta controladora sabe hacia dónde mover
al motor.
La posición deseada se le da al servomotor por medio de pulsos. Todo el
tiempo debe haber una señal de pulsos presente en ese cable.
La señal de pulsos controla al servo de la siguiente forma:
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Nótese que el intervalo de tiempo entre pulsos se mantiene constante, y la
variación del ancho de los mismos es lo que le indica al servo la posición que
se desea. Estos valores de milisegundos han funcionado bastante bien para los
servomotores FUTABA FP-S148, FUTABA S3003, Hitec HS-300 y HOBBICO
COMMAND CS-51, y hemos encontrado también que son bastante tolerables
en cuanto al período de los pulsos de control. Responden adecuadamente a
pulsos desde 50 hz. Hasta aproximadamente 100 hz., pero una vez escogida
una frecuencia de operación debe procurarse mantener la misma frecuencia
todo el tiempo.
Servomotores de CD
Los servomotores de cd son motores impulsados por una corriente que
procede de amplificadores eléctricos de cd o ca con demoduladores internos o
externos, reactores saturables, tiratrones o amplificadores rectificadores
controlados de silicio.
Los servomotores de cd son de muchos tamaños, desde .05 hp hasta 1000 hp.
Las características fundamentales que se deben buscar en cualquier
servomotor de cd o ca, son las siguientes:
Que el par de salida del motor sea aproximadamente proporcional a su
voltaje de control aplicado (desarrollado por el amplificador).
Que la dirección del par éste determinada por la polaridad instantánea
del voltaje de control.
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Se usan cuatro tipos de servomotores de cd, que son los más importantes, los
cuales son:
- Motor de derivación de campo controlado
- Motor derivación de armadura controlada
- Motor serie
- Motor derivación de imán permanente o de excitación de campo fijo
a) Servomotor de cd de campo controlado
El par que produce este motor es cero cuando el amplificador de error de cd no
le suministra excitación de campo.
Como la corriente de armadura es constante , el par varía directamente de
acuerdo con el flujo del campo y también de acuerdo con la corriente de campo
hasta la saturación.
Si se invierte la polaridad del campo, se invierte la dirección del motor. Elcontrol de la corriente del campo mediante este método se usa solo en
servomotores muy pequeños, debido a que no es deseable suministrar una
corriente de armadura grande y fija como la que se necesitaría para los
servomotores de cd.
Otra de las razones de su uso en servomotores pequeños es el hecho de que
su respuesta dinámica es más lenta que la del motor de armadura controlada,
debido a la mayor constante de tiempo del circuito altamente inductivo del
campo.
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b) Servomotor de cd de armadura controlada
Este servomotor emplea una excitación de campo de cd fija que suministra una
fuente de corriente constante.
Este tipo de control, posee determinadas ventajas dinámicas que no tienen el
método de control de campo.
Un cambio súbito en el voltaje de armadura que ocasiones una señal de error
provocara una respuesta casi instantánea en el par debido a que el circuito de
armadura es esencialmente resistivo en comparación con el circuito de campoaltamente inductivo.
El campo de este motor se trabaja en forma normal bastante más allá del punto
máximo de la curva de saturación, para mantener el par menos sensible a
pequeños cambios en el voltaje de la fuente de corriente constante.
Además, un alto flujo en el campo aumenta la sensibilidad del motor al par para
el mismo cambio pequeño de la corriente de armadura, representado de formaalgebraica como:
Los motores de cd hasta de 1000 hp se impulsan de este modo mediante
control de voltaje de armadura. Si la señal de error y la polaridad del voltaje de
armadura se invierten, el motor invierte su dirección.
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c) Servomotor de cd de imán permanente de armadura controlada
Este tipo de servomotor, mucho muy difundido, emplea imanes permanentes
(ya sea de Alnico o de cerámica) para tener excitación constante del campo, en
oposición a una fuente constante de corriente de campo.
Se fabrica en general para 6v y 28v en tamaños fraccionarios y en 150v para
caballajes integrales hasta de 2 hp.
La estructura del campo para este tipo de motor consiste en general de
aleación Alnico VI, vaciada o colada en forma de anillo circular que rodea
completamente a la armadura y da un flujo fuerte y constante.
Los motores de imán permanente están bien compensados mediante
devanados de conmutación para evitar la desmagnetización de los imanes de
campo siempre que se invierte súbitamente el voltaje de corriente directa de
armadura.
En estos motores, las corrientes parásitas y los efectos de la histéresis, en
general son desdeñables y las zapatas polares son comúnmente laminadaspara reducir el arqueo en las escobillas siempre que se tiene un cambio rápido
del voltaje a la señal.
Estos dispositivos también se controlan mediante la regulación del voltaje de
armadura de igual manera que el motor derivación de armadura controlada
mencionado anteriormente.
En este motor se usan dos modos de funcionamiento: de control de posición yde control de velocidad. Los que se usan para control de posición a veces se
llaman “motores de par” debido a que se desarrollan para extremadamente
altos en reposo o a bajas velocidades.
A la inversa, a altas velocidades, ya que el par varia inversamente con la
velocidad, dada en el sistema SI por:
El par desarrollado es extremadamente pequeño. El par se desarrolla también
en función del voltaje aplicado a la armadura.
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La siguiente figura muestra las curvas características de par (inverso)-velocidad
para tres voltajes, bajo, medio y alto.
Las curvas son muy lineales y el par varía en forma inversa con la velocidad.
También se muestra la familia de corrientes que se toma del suministro de cd a
voltajes aplicados bajos, medios y altos.
La línea de carga que se produce en las intersecciones de las curvas par-
velocidad con las curvas corriente-par es una indicación de la velocidad del par
y la corriente que se produce a voltajes bajos (l ), medianos (m ) y altos (h ).
+Curvas características de un servomotor de cd
Cuando los servomotores de cd de imán permanente se usan en control de
velocidad, trabajan en forma continua para mantener determinada velocidad
predeterminada o deseada.
Puesto que P = kTS , siempre que sean relativamente pequeños las
velocidades y los pares, la potencia que se desarrolla y la que se disipa son
pequeñas.
La figura anterior muestra las curvas par-velocidad para tres voltajes (bajo,
medio y alto), así como las zonas de funcionamiento seguro del motor.
Estos servomotores son, por lo general, totalmente cerrados y tienen grandes
tamaños de armazón para permitir una disipación adecuada de calor.
Dependiendo de la velocidad por controlar y de las necesidades de par de la
carga que se impulsa, un motor también puede necesitar de un ventilador
interconstruido para mejorar la disipación del calor y enfriar la armadura.
Las graficas anteriores muestran también los limites de potencia para el
funcionamiento seguro en trabajo continuo son enfriamiento de aire, cuando las
necesidades de par son bastante bajas y la velocidad puede ser bastante alta.
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Se usan también para mostrar la zona de trabajo intermitente, para la cual las
necesidades de par son de moderadas a altas y el funcionamiento seguro con
trabajo continúo con ventilador de aire de enfriamiento.
Se muestran dos líneas de límites de potencia (A y B ) y representan al
producto par-velocidad basado en la potencia nominal del motor, sin y con las
ventajas de enfriamiento por aire. La línea de la carga representa la carga fija
que debe acelerar el motor.
Como se demostró en las graficas anteriores, el punto o representa la
velocidad y el par máximo que pueda desarrollar el motor sin enfriamiento por
aire para funcionamiento continuo sin sobrecalentarse.
El punto w representa la velocidad y el par máximo que puede desarrollar con
ventilador de enfriamiento y en trabajo continuo.
d) Servomotores serie de cd de campo dividido
Los motores pequeños de potencia fraccionaria, de cd y campo dividido, se
pueden hacer trabajar como motores con excitación separada y de campocontrolado, como se muestra en la figura siguiente.
Un devanado se llama devanado principal y al otro devanado auxiliar, aunque
ambos generan fuerza magnetomotriz y están devanados alrededor de los
polos del campo en tal dirección que producen inversión de rotación entre sí.
Como se muestra en la figura anterior, los motores se pueden excitar por
separado y se puede abastecer a la armadura con una fuente de corrienteconstante.
Las ventajas del campo dividido para controlar el campo radican en que la
respuesta dinámica de la armadura se mejora, porque los campos siempre
están excitados, y en que se obtiene un grado más exacto de control debido a
que la dirección de rotación responde más a diferencia extremadamente
pequeñas de corriente entre los devanados principal y auxiliar.
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Los motores serie mayores se hacen funcionar empleando la configuración de
la figura mostrada a continuación, porque es difícil obtener una excitación
separada de armadura empleando grandes corrientes constantes.
En esta configuración, la corriente de armadura del motor serie de campo
dividido es la suma de las corrientes por los devanados auxiliar y principal.
Pero cuando estas corrientes del campo en serie son iguales y opuestas no se
produce par.
Un pequeño aumento o disminución de la corriente en el devanado auxiliar
producirá un par instantáneo en la dirección que le corresponda.
El servomotor serie produce un alto par de arranque y una rápida respuesta a
pequeñas señales de error. La regulación de velocidad es mala en el caso de
este motor, pero esta desventaja, en general, no es importante en un
servosistema, porque la carga es usualmente fija.
El empleo de dos devanados en oposición reduce algo la eficiencia del motor,
aunque con los motores pequeños lo anterior no es gran problema.
En general, los motores de cd “derivación” o “shut” y los de serie tienen mayor
inercia en su rotor que los motores de ca, para determinada potencia en hp,
debido a los devanados más toscos de sus armaduras.
La resistencia adicional que resulta por la fricción de las escobillas hace que
disminuya el empleo de motores de cd en servosistemas extremadamente
pequeños y de instrumentos sensibles.
Las armaduras pequeñas también están en diagonal para reducir el fenómeno
llamado “amarre de ranuras” a bajas velocidades. También la conmutación es
problema con los servomotores de cd, aunque ayudan mucho los interpolos y
devanados de compensación.
Sin embargo, a grandes altitudes, debido a la falta de oxigeno, la capa de oxido
se puede raspar de las delgas, ocasionando fallas de conmutación. Se han
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desarrollado servomotores pequeños herméticamente sellados para superar
este problema en particular.
Se presentan peores problemas de conmutación debido al hecho de que los
motores trabajan la mayor parte del tiempo desde posiciones de reposo o casi
de reposo (nulas) y pasan altas corrientes a las delgas o segmentos del
conmutador.
Además, el arqueo en cualquier motor de conmutador produce radiación y
radiointerferencia. Finalmente, las escobillas necesitan mantenimiento
periódico.
Por todas las razones que se han descrito con anterioridad, la mayor parte de
los motores más pequeños que se usan en los servomecanismos son del tipo
de motor de inducción de ca bifásico o de polo sombreado, del tipo de cd sin
escobillas, o bien del tipo de motor de pasos.
¿Qué convierte un motor en servomotor? O mejor dicho ¿por qué se considera
que algunos motores son servomotores y otros no? La respuesta no es
demasiado complicada: un servomotor tiene integrado o adosado al menos un
detector que permita conocer su posicionamiento y/o velocidad. A los
detectores de posición se les llama "encoders".
Aclarado esto, pasaré a esos servos a los que se refieren en los sitios que dije
antes. Hablo de los servos para radiocontrol de modelos, como los de marca
Futaba, Hitec, etc. Se trata de elementos para control de posición de alerones,
timón, dirección (en autos), alimentación de combustible, etc., para modelos a
escala, que se han vuelto populares en robótica porque entre los disponibles en
el comercio hay algunos bastante económicos, lo que los hace de más fácil
acceso cuando se trata de la construcción de proyectos personales de robótica
y automatización casera.
De estos servos de modelismo, comencemos con los servos que se conocen
como "analógicos".
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5.2 SERVOMOTORES DE CA
Servomotores sin escobillas
Un motor fm es una gama de servomotores de CA sin escobillas con un
rendimiento apto para su uso con los servoaccionamientos de ControlTechniques. Las siglas "fm" corresponden a flexible motor (motor flexible), un
motor diseñado para adaptarlo a una amplia gama de aplicaciones. Los
motores están disponibles en seis tamaños de bastidor con diferentes
reductores, disposiciones de montaje y longitudes de motor.
Unimotor hd es un nuevo servomotor de Control Techniques de alto rango
dinámico, diseñado para par máximo. Esta gama de servomotores brushless
AC ofrece una excepcional solución compacta y de baja inercia para
aplicaciones donde se requiere un par motor muy alto durante perfiles de
aceleración y desaceleración rápidos.
Motores de inducción de CA
Los motores LS, LSMV y FLS de Leroy Somer ofrecen una serie estándar de
motores de CA con potencias entre 0,55 kW y 750 kW. Su diseño resistente y
flexible permite utilizar los motores en casi cualquier aplicación.
Motores de CC
Leroy Somer es el líder mundial en la fabricación de motores de CC. Control
Techniques puede ofrecer conocimientos inigualables en aplicaciones con
motores de CC y accionamientos; nuestro accionamiento Mentor II, junto con el
motor de CC LSK de Leroy Somer, crea una solución completa para
accionamientos de CC.
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MAQUINAS ESPECIALES | 16
CÁLCULOS
Dependiendo del modelo del servo, la tensión de alimentación puede estar
comprendida entre los 4 y 8 voltios. El control de un servo se reduce a indicar
su posición mediante una señal cuadrada de voltaje. El ángulo de ubicación del
motor depende de la duración del nivel alto de la señal. Cada servo motor,
dependiendo de la marca y modelo utilizado, tiene sus propios márgenes de
operación. Para el servomotor Futaba S3003, los valores posibles de la señal
en alto están entre 0,3 y 2,1 ms, que posicionan al motor en ambos extremos
de giro (0° y 180°, respectivamente). El valor 1,2 ms indica la posición central, y
otros valores de duración del pulso dejarían al motor en la posición
proporcional a dicha duración.
FUNCIONAMIENTO DEL SERVO
La modulación por anchura de pulso, PWM (Pulse Width Modulation ), es una
de los sistemas más empleados para el control de servos. Este sistema
consiste en generar una onda cuadrada en la que se varía el tiempo que el
pulso está a nivel alto, manteniendo el mismo período (normalmente), con el
objetivo de modificar la posición del servo según se desee.
"PWM para recorrer todo el rango de operación del servo"
El sistema de control de un servo se limita a indicar en qué posición se debe
situar. Esto se lleva a cabo mediante una serie de pulsos tal que la duración del
pulso indica el ángulo de giro del motor. Cada servo tiene sus márgenes de
operación, que se corresponden con el ancho del pulso máximo y mínimo que
el servo entiende. Los valores más generales se corresponden con pulsos de
entre 1 ms y 2 ms de anchura, que dejarían al motor en ambos extremos (0º y
180º). El valor 1.5 ms indicaría la posición central o neutra (90º), mientras que
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MAQUINAS ESPECIALES | 17
otros valores del pulso lo dejan en posiciones intermedias. Estos valores suelen
ser los recomendados, sin embargo, es posible emplear pulsos menores de 1
ms o mayores de 2 ms, pudiéndose conseguir ángulos mayores de 180°. Si se
sobrepasan los límites de movimiento del servo, éste comenzará a emitir un
zumbido, indicando que se debe cambiar la longitud del pulso. El factor
limitante es el tope del potenciómetro y los límites mecánicos constructivos.
"Ejemplos de posicionamiento de un servo"
El período entre pulso y pulso (tiempo de OFF) no es crítico, e incluso puede
ser distinto entre uno y otro pulso. Se suelen emplear valores ~ 20 ms (entre 10
ms y 30 ms). Si el intervalo entre pulso y pulso es inferior al mínimo, puede
interferir con la temporización interna del servo, causando un zumbido, y la
vibración del eje de salida. Si es mayor que el máximo, entonces el servo
pasará a estado dormido entre pulsos. Esto provoca que se mueva con
intervalos pequeños.
"Periodos entre pulsos"
A continuación se puede observar la posición del eje de un servomotor según
la anchura del pulso aplicada:
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MAQUINAS ESPECIALES | 18
"Otra posibilidad de pulsos de control"
PRUEBA DEL SERVOMOTOR
Para comprobar el funcionamiento de un servomotor se lo puede hacer
mediante un circuito oscilador en este caso un 555, logrando así determinar los
tiempos necesarios para el funcionamiento de este para que luego pueda ser
programado en un microcontrolador.
"Circuito de prueba del servo"
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5.3 MOTORES ELECTRICOS DE PASOS
El motor paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte una
serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que
significa es que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo
de sus entradas de control. El motor paso a paso se comporta de la misma
manera que una conversión digital-analógica y puede ser gobernado por
impulsos procedentes de sistemas lógicos.
Este motor presenta las ventajas de tener alta precisión y repetibilidad en
cuanto al posicionamiento. Entre sus principales aplicaciones destacan como
motor de frecuencia variable, motor de corriente continua sin escobillas,
servomotores y motores controlados digitalmente.
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Existen 3 tipos fundamentales de motores paso a paso: el motor de reluctancia
variable, el motor de magnetización permanente, y el motor paso a paso
híbrido.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Los motores eléctricos, en general, basan su funcionamiento en las
fuerzas ejercidas por un campo electromagnético y creadas al hacer circular
una corriente eléctrica a través de una o varias bobinas. Si dicha bobina,
generalmente circular y denominada estator, se mantiene en una posición
mecánica fija y en su interior, bajo la influencia del campo electromagnético, se
coloca otra bobina, llamada rotor, recorrida por una corriente y capaz de girar
sobre su eje, esta última tenderá a buscas la posición de equilibrio magnético,
es decir, orientará sus polos NORTE-SUR hacia los polos SUR-NORTE del
estator, respectivamente. Cuando el rotor alcanza esta posición de equilibrio, el
estator cambia la orientación de sus polos, aquel tratará de buscar la nueva
posición de equilibrio; manteniendo dicha situación de manera continuada, se
conseguirá un movimiento giratorio y continuo del rotor y a la vez la
transformación de una energía eléctrica en otra mecánica en forma de
movimiento circular.
Aun basado en el mismo fenómeno, el principio de funcionamiento de
los motores de corriente continua, los motores paso a paso son más sencillos si
cabe, que cualquier otro tipo de motor eléctrico. Intenta ilustrar el modo de
funcionamiento de in motor paso a paso, suponemos que las bobinas L1 como
L2 poseen un núcleo de hierro dulce capaza de imantarse cuando dichas
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bobinas sean recorridas por una corriente eléctrica. Por otra para el imán M
puede girar libremente sobre el eje de sujeción central.
Paso 1 (a) Paso 2 (b) Paso 3 (c) Paso 4 (d)
Principio de funcionamiento de un motor paso a paso
Inicialmente, sin aplicar ninguna corriente a las bobinas (que también reciben el
nombre de fases) y con M en una posición cualquiera, el imán permanecerá en
reposo si no se somete a una fuerza externa.
Si se hace circula corriente por ambas fases, se crearán dos polos magnéticos
NORTE en la parte interna, bajo cuya influencia M se desplazará hasta la
posición indicada en la dicha figura.
Si invertimos la polaridad de la corriente que circula por L1 se obtendrá la
situación magnética y M se verá desplazado hasta la nueva posición de
equilibrio, es decir, ha girado 90 grados en sentido contrario a las agujas del
reloj.
Invirtiendo ahora la polaridad de la corriente en L2, se llega habiendo girado M
otros 90 grados. Si, por fin, invertimos de nuevo el sentido de la corriente en
L1, M girará otros 90 grados y se habrá obtenido una revolución completa de
dicho imán en cuatro pasos de 90 grados.
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MAQUINAS ESPECIALES | 22
Por tanto, si se mantiene la secuencia de excitación expuesta para L1 y L2 y
dichas corrientes son aplicadas en forma de pulsos, el rotor avanzará pasos de
90 grados por cada pulso aplicado.
Por lo tanto es podemos decir que un motor paso a paso es un dispositivo
electromecánico que convierte impulsos eléctrico en un movimiento rotacional
constantes y finito dependiendo de las características propias del motor.
El modelo de motor paso a paso que hemos analizado, recibe el nombre de
bipolar ya que, para obtener la secuencia completa, se requiere disponer de
corrientes de dos polaridades, presentando tal circunstancia un inconveniente
importante a la hora de diseñar el circuito que controle el motor. Una forma depaliar este inconveniente es la representada en la Figura 2, obteniéndose un
motor unipolar de cuatro fases, puesto que la corriente circula por las bobinas
en un único sentido.
Si inicialmente se aplica la corriente a L1 y L2 cerrando los interruptores S1 y
S2, se generarán dos polos NORTE que atraerán al polo SUR de M hasta
encontrar la posición de equilibrio entre ambos. Si se abre posteriormente S1 y
se cierra S3, por la nueva distribución de polos magnéticos, M evoluciona hasta
la situación.
Principio básico de un motor unipolar de cuatro fases
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Siguiendo la secuencia de la misma forma se obtienen avances del rotor de 90
grados habiendo conseguido, como en el motor bipolar de dos fases, hacer que
el rotor avance pasos de 90 grados por la acción de impulsos eléctricos de
excitación de cada una de las bobinas. En uno y otro caso, el movimiento
obtenido ha sido en sentido contrario al de las agujas del reloj; ahora bien, si
las secuencias de excitación se generan en orden inverso, el rotor girará en
sentido contrario, por lo que fácilmente podemos deducir que el sentido de giro
en los motores paso a paso es reversible en función de la secuencia de
excitación y, por tanto, se puede hacer avanzar o retroceder al motor un
número determinado de pasos según las necesidades.
El modelo de motor paso a paso estudiado, salvo su valor didáctico, no ofrece
mayor atractivo desde el punto de vista práctico, precisamente por la amplitud
de sus avances angulares.
Una forma de conseguir motores PAP de paso más reducido, es la de
aumentar el número de bobinas del estator, pero ello llevaría a un aumento del
coste y del volumen y a pérdidas muy considerable en el rendimiento del motor,
por lo que esta situación no es viable. Hasta ahora y para conseguir la solución
más idónea, se recurre a la mecanización de los núcleos de las bobinas y el
rotor en forma de hendiduras o dientes, creándose así micropolos magnéticos,
tantos como dientes y estableciendo las situaciones de equilibrio magnéticos
con avances angulares mucho menores, siendo posible conseguir motores de
hasta de 500 pasos.
Foto 2.- Bobinado de un motor paso a paso de una disquetera, en el que
pueden apreciarse bobinados, el imán permanente se ha desmontado para
poder ver el interior del motor que está montado sobre la propia placa de
circuito impreso
Desde el punto de vista de su construcción existen 3 tipos de motores paso a
paso:
· De imán permanente: es el modelo que hemos analizado anteriormente; el
rotor es un imán permanente en el que se mecanizan un número de dientes
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limitado por su estructura física. Ofrece como principal ventaja que su
posicionamiento no varía aún sin excitación y en régimen de carga
· De reluctancia variable: Los motores de este tipo poseen un rotor de hierro
dulce que en condiciones de excitación del estator y bajo la acción de su
campo magnético, ofrecen menor resistencia a ser atravesado por su flujo en la
posición de equilibrio. Su mecanización es similar a los de imán permanente y
su principal inconveniente radica en que en condiciones de reposos (sin
excitación) el rotor queda en libertad de girar y, por lo tanto, su posicionamiento
de régimen de carga dependerá de su inercia y no será posible predecir el
punto exacto de reposo.
· Híbridos: Son combinación de los dos tipos anteriores; el rotor suele estar
constituido por anillos de acero dulce dentado en un número ligeramente
distinto al del estator y dichos anillos montados sobre un imán permanente
dispuesto axialmente.
· Motores Unipolares: En este tipo de motores, todas las bobinas del estator
están conectadas en serie formando cuatro grupos. Esto a su vez, se conectan
dos a dos, también en serie, y se montan sobre dos estatores diferentes, tal y
como se aprecia en la Figura 4. Según puede apreciarse en dicha figura, del
motor paso a paso salen dos grupos de tres cables, uno de los cuales es
común a dos bobinados. Los seis terminales que parten del motor, deben ser
conectados al circuito de control, el cual, se comporta como cuatro
conmutadores electrónicos que, al ser activados o desactivados, producen la
alimentación de los cuatro grupos de bobinas con que está formado el estator.
Si generamos una secuencia adecuada de funcionamiento de estos
interruptores, se pueden producir saltos de un paso en el número y sentido que
se desee.
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Control de motor Unipolar
· Motores Bipolares: En este tipo de motores las bobinas del estator se
conectan en serie formando solamente dos grupos, que se montan sobre dos
estatores, tal y como se muestra en la Figura 5.
Según se observa en el esquema de este motor salen cuatro hilos que se
conectan, al circuito de control, que realiza la función de cuatro interruptores
electrónicos dobles, que nos permiten variar la polaridad de la alimentación de
las bobinas. Con la activación y desactivación adecuada de dichos
interruptores dobles, podemos obtener las secuencias adecuadas para que el
motor pueda girar en un sentido o en otro.
Control de motor Bipolar
La existencia de varios bobinados en el estator de los motores de imán
permanente, da lugar a varias formas de agrupar dichos bobinados, para que
sean alimentados adecuadamente. Estas formas de conexión permiten
clasificar los motores paso a paso en dos grandes grupos:
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Disposición de las bobinas de motores paso a paso a) bipolar b) unipolar con 6 hilos c) unipolar
a 5 hilos d) unipolar a 8 hilos.
Hay que tener en cuenta que los motores unipolares de seis u ocho hilos,pueden hacerse funcionar como motores bipolares si no se utilizan las tomas
centrales, mientras que los de cinco hilos no podrán usarse jamás como
bipolares, porque en el interior están conectados los dos cables centrales.
En el caso de los unipolares lo normal es encontrarnos con cinco, seis u ocho
terminales, ya que además de los bobinados hay otros terminales que
corresponden con a las tomas intermedias de las bobinas, los cuales se
conectan directamente a positivo de la fuente de alimentación para su correcto
funcionamiento. En la figura 3b, 3c y 3d pueden apreciar cómo están
conectados internamente los terminales de estos tipos de motores.
PARÁMETROS DE LOS MOTORES PASO A PASO
Desde el punto de vista mecánico y eléctrico, es conveniente conocer el
significado de algunas de las principales características y parámetros que se
definen sobre un motor paso a paso:
· Par dinámico de trabajo (Working Torque ): Depende de sus características
dinámicas y es el momento máximo que el motor es capaz de desarrollar sin
perder paso, es decir, sin dejar de responder a algún impulso de excitación del
estator y dependiendo, evidentemente, de la carga.
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Generalmente se ofrecen, por parte del fabrican, curvas denominadas de
arranque sin error (pull-in) y que relaciona el par en función el número de
pasos.
Hay que tener en cuenta que, cuando la velocidad de giro del motor aumenta,
se produce un aumento de la f.c.e.m. en él generada y, por tanto, una
disminución de la corriente absorbida por los bobinados del estator, como
consecuencia de todo ello, disminuye el par motor.
· Par de mantenimiento (Holding Torque ): Es el par requerido para desviar,
en régimen de excitación, un paso el rotor cuando la posición anterior es
estable; es mayor que el par dinámico y actúa como freno para mantener elrotor en una posición estable dada
· Para de detención (Detention Torque ): Es una par de freno que siendo
propio de los motores de imán permanente, es debida a la acción del rotor
cuando los devanados del estator están desactivados.
· Angulo de paso (Step angle ): Se define como el avance angular que se
produce en el motor por cada impulso de excitación. Se mide en grados, siendo
los pasos estándar más importantes los siguientes:
Grados por impulso de excitación Nº de pasos por vuelta
0,72º 500
1,8º 200
3,75º 96
7,5º 48
15º 24
· Número de pasos por vuelta: Es la cantidad de pasos que ha de efectuar el
rotor para realizar una revolución completa; evidentemente es
Donde NP es el número de pasos y α el ángulo de paso.
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· Frecuencia de paso máximo (Maximum pull-in/out : Se define como el
máximo número de pasos por segundo que puede recibir el motor funcionando
adecuadamente.
· Momento de inercia del rotor: Es su momento de inercia asociado que se
expresa en gramos por centímetro cuadrado.
· Par de mantenimiento, de detención y dinámico: Definidos anteriormente y
expresados en miliNewton por metro.
CONTROL DE LOS MOTORES PASO A PASO
Para realizar el control de los motores paso a paso, es necesario generar unasecuencia determinada de impulsos. Además es necesario que estos impulsos
sean capaces de entregar la corriente necesaria para que las bobinas del motor
se exciten, por lo general, el diagrama de bloques de un sistema con motores
paso a paso es el que se muestra en la Figura 10.
5.4 MOTOR ELECTRICO LINEAL
Un motor lineal es un tipo particular de motor eléctrico utilizado en ascensores
o trenes de alta velocidad. Consiste en un elemento primario, donde se
encuentran los devanados, y un elemento secundario que se extiende a lo
largo del trayecto que se va a recorrer, aportando como ventaja la posibilidad
de poder disponer de varios primarios sobre un mismo secundario.
Al igual que en el caso de los motores eléctricos rotatorios, pueden existir
modelos síncronos y asíncronos. Junto con las guías lineales, el sistema de
medida lineal y el regulador electrónico forman el conjunto activo de
accionamiento lineal.
Ventajas
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Por muy fino que se hile en el proceso de sintonía de los accionamientos, el
valor limitado de la rigidez junto con la existencia de posibles holguras en la
transmisión mecánica restringe el uso de husillos a bolas hasta una longitud de
unos 6m, una velocidad de unos 60 m / min, y una aceleración de hasta 1g en
el mejor de los casos. Por el contrario, las aplicaciones con motores lineales
eliminan los elementos de transmisión mecánica que, debido a su elasticidad,
hacen que los accionamientos se comporten con una naturaleza oscilatoria,
limitando la dinámica y la ganancia del factor Kv.
La transmisión de la fuerza se realiza ahora directamente por el campo
magnético. Todo ello proporciona una serie de ventajas sobre los
accionamientos tradicionales basados en transmisiones mecánicas:
Mayores valores de velocidad, pudiendo llegar hasta 300 m/min.
Mayores valores de aceleración, lo que es muchas veces más importantes que
el valor de la velocidad máxima para reducir los tiempos de mecanizado.
Los valores típicos andan en torno a 1 ó 2g, o incluso más.
Mayor ancho de banda del sistema de accionamiento y mayores valores del
factor Kv, que dan una idea de la rapidez y calidad de respuesta del eje.
El sistema es más preciso cuando se desplaza a altas velocidades, por lo que
la calidad de la interpolación así como la velocidad y precisión en aplicaciones
de contorneado se incrementan notablemente
Motores eléctricos.
Un motor eléctrico es una maquina que transforma energía eléctrica en energía
mecánica.
En diversas circunstancias presenta muchas ventajas respecto a los motores
de combustión:
-A igual potencia su tamaño y peso es más reducido.
-Se puede construir de cualquier tamaño.
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-Tiene un par de giro prácticamente constante.
-Aprovecha muy bien la energía.
-Algunos tipos pueden operar como generador, convirtiendo energía mecánica
en eléctrica.
Por estos motivos son ampliamente utilizados en instalaciones industriales y
demás aplicaciones que no requieran autonomía respecto de la fuente de
energía, dado que la energía eléctrica es difícil de almacenar.
La energía de una batería de varios kilos equivale a la que contienen 80
gramos de gasolina.
Así, en automóviles se están empezando a utilizar en vehículos híbridos paraaprovechar las ventajas de ambos.
Tipos de motores eléctricos
Motores para corriente continúa:
-Motor serie
-Compound
-Shunt
Motores para corriente alterna:
-Síncronos.
-Solo giran a la velocidad determinada por la frecuencia de la corriente.
-Asíncronos.
Se pueden desviar muy poco de la velocidad de giro determinada por la
frecuencia y no necesitan un arranque especial. A veces se denominan
motores sin escobillas o sin colector.
Motores lineales.
Usados en ascensores o trenes de alta velocidad.
Para C.C.:
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Motor serie
Un motor serie es un tipo de motor eléctrico de corriente continua en el cual el
devanado de campo (campo magnético principal) se conecta en serie con la
armadura.
Este devanado está hecho por un alambre grueso, ya que tendrá que soportar
la corriente total de la armadura.
Debido a esto se produce un flujo magnético proporcional a la corriente de
armadura (carga del motor).
Cuando el motor tiene mucha carga, el campo serie produce un campo
magnético mucho mayor, lo cual permite un esfuerzo de torsión ó par mucho
mayor, y este tipo de motores desarrolla un torque muy elevado en el arranque.
Sin embargo, la velocidad varia extensamente dependiendo el tipo de carga
que se tenga, por ejemplo sin carga, (no-load), ó con carga completa (full-load).
Estos motores desarrollan un par de arranque muy elevado y pueden acelerar
cargas pesadas rápidamente.
Manejan cargas pesadas muy por encima de su capacidad completa.
Motor compound
Se designa así al motor de corriente continua cuya excitación es originada por
dos bobinados inductores independientes; uno dispuesto en serie con el
bobinado inducido y otro conectado en derivación con el circuito formado por
los bobinados inducido, inductor serie e inductor auxiliar.
Motor shunt
Se designa así al motor de corriente continua cuyo bobinado inductor principal
está conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados
inducidos e inductor auxiliar.
Al igual que en las dínamos shunt las bobinas polares principales son
construidas de muchas espiras y con hilos de poca sección, por lo que la
resistencia del bobinado inductor principal es muy grande.
Para C.A.
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Motor síncrono
Se denomina motor síncrono a un tipo de motores eléctricos de corriente
alterna.
Si un rotor girando y que está magnetizado de manera permanente en
dirección transversal se encuentra dentro del estator, será arrastrado por
atracción magnética a la velocidad a la que está girando el campo.
Esta velocidad se llama velocidad síncrona, o velocidad de sincronismo, y el
resultado de la disposición descrita es un motor síncrono.
Su velocidad está exactamente sincronizada con la frecuencia de línea.
Pequeños motores síncronos se encuentran en relojes eléctricos para aseguraruna medición de tiempo precisa, pero también se utilizan en la industria.
En grandes motores síncronos industriales el rotor es un electroimán y está
excitado por la corriente directa.
Una característica del motor síncrono es que si el rotor es "sobreexcitado", esto
es, si el campo magnético es superior a un cierto valor, el motor se comporta
como un capacitor a través de la línea de poder.
Esto puede ser útil para la corrección del factor de potencia en plantas
industriales que usan muchos motores de inducción.
Motor asíncrono (Normalmente trifásico)
Los motores asíncronos son un tipo de motores eléctricos de corriente alterna.
El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor y un estator en el que se
encuentran las bobinas inductoras.
Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre si 120º.
Cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas, se induce
un campo magnético giratorio que envuelve al rotor.
El rotor puede ser de dos tipos, de jaula de ardilla o bobinado. En cualquiera de
los dos casos, el campo magnético giratorio producido por las bobinas
inductoras del estator genera una corriente inducida en el rotor.
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Como esta corriente inducida se encuentra en el seno de un campo magnético,
aparecen en el rotor un par de fuerzas que lo ponen en movimiento.
El campo magnético giratorio gira a una velocidad denominada de sincronismo.
Sin embargo el rotor gira algo más despacio, a una velocidad parecida a la de
sincronismo.
El hecho de que el rotor gire más despacio que el campo magnético originado
por el estator, se debe a que si el rotor girase a la velocidad de sincronismo,
esto es, a la misma velocidad que el campo magnético giratorio, el campo
magnético dejaría de ser variable con respecto al rotor, con lo que no
aparecería ninguna corriente inducida en el rotor, y por consiguiente no
aparecería un par de fuerzas que lo impulsaran a moverse.
Motor lineal
Un motor lineal es un tipo particular de motor eléctrico utilizado en ascensores
o trenes de alta velocidad.
Consiste en un elemento primario, donde se encuentran los devanados, y un
elemento secundario que se extiende a lo largo del trayecto que se va a
recorrer, aportando como ventaja la posibilidad de poder disponer de varios
primarios sobre un mismo secundario.
Al igual que en el caso de los motores eléctricos rotatorios, pueden existir
modelos síncronos y asíncronos.
Junto con las guías lineales, el sistema de medida lineal y el regulador
electrónico forman el conjunto activo de accionamiento lineal.
Ventajas
Por muy fino que se hile en el proceso de sintonía de los accionamientos, el
valor limitado de la rigidez junto con la existencia de posibles holguras en la
transmisión mecánica restringe el uso de husillos a bolas hasta una longitud de
unos 6m, una velocidad de unos 60 m / min, y una aceleración de hasta 1g en
el mejor de los casos.
Por el contrario, las aplicaciones con motores lineales eliminan los elementos
de transmisión mecánica que, debido a su elasticidad, hacen que los
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accionamientos se comporten con una naturaleza oscilatoria, limitando la
dinámica y la ganancia del factor Kv.
La transmisión de la fuerza se realiza ahora directamente por el campo
magnético.
Todo ello proporciona una serie de ventajas sobre los accionamientos
tradicionales basados en transmisiones mecánicas:
Mayores valores de velocidad, pudiendo llegar hasta 300 m/min.
Mayores valores de aceleración, lo que es muchas veces más importantes que
el valor de la velocidad máxima para reducir los tiempos de mecanizado.
Los valores típicos andan en torno a 1 ó 2g, o incluso más.
Mayor ancho de banda del sistema de accionamiento y mayores valores del
factor Kv, que dan una idea de la rapidez y calidad de respuesta del eje.
El sistema es más preciso cuando se desplaza a altas velocidades, por lo que
la calidad de la interpolación así como la velocidad y precisión en aplicaciones
de contorneado se incrementan notablemente
Reducción de los niveles de vibración sin comprometer el grado de
prestaciones
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CAPITULO III
RESULTADOS
CONCLUSIÓN
El servomotor es un actuador mecánico en cualquier sistema de
servomecanismo que tiene por objeto llevar al sistema a una lectura cero
reduciendo a cero la señal de error, y existen dos tipos de servomotores, de
corriente directa y de corriente alterna. Sus características fundamentales para
cd y ca son dos, la primera radica en que el par de salida del motor sea
aproximadamente proporcional a su voltaje de control aplicado.
Este escrito fue hecho con la finalidad de saber todo con respecto a los
antecedentes que tenga que ver con las maquinas especiales y la
investigación, ya que se hizo una investigación previa para tratar de de cubrir
todos los aspectos que se pretenden explicar. Además de sus características
propias y la diferencia entre los diversos tipos de servomotores y motores paso
a paso ya que cuando hablamos de maquinas especiales nos referimos a la
ciencia o el estudio de programar control un motor con
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BIBLIOGRAFIA
+ Irving L. Kosow Máquinas eléctricas y transformadores
Segunda edición. Ed. Prentice Hall
+ Características básicas
por Eduardo J. Carletti
+ Tutorial sobre el control de motores paso a paso (en inglés).
+ Guía de Selección de motor paso a paso
+ Motores paso a paso, características básicas