TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE COACALCO

Nombre del alumno(a): Ramírez Oliver Nancy.

Nombre de la materia: Controlador Lógico Programable.

Nombre del trabajo: comunicaciones digitales y red asi.

Semestre: séptimo.

Grupo: 5721.

Carrera: Mecatrónica

OBJETIVO

Adquirir los conocimientos de operación y funcionamiento de máquinas especiales.

Analizar los principios de funcionamiento de diversos motores para el control de procesos y control de posicionamiento.

Desarrollar los temas pertinentes a la división de los servomotores de cd y ca respectivamente.

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo de investigación ejemplifica y define lo referente a los servomotores y su construcción de cd y ca.

También se dan ejemplos claros de cómo influye la potencia en la máquina y las relaciones de par-velocidad de algunas de las maquinas antes mencionadas para su mejor funcionamiento.

Se estructura por medio de diagramas la constitución de los servomotores, ya sea de ca o cd; se toma detalle de cada una de sus partes y de su comportamiento como diferentes motores.

Se analizan los diferentes tipos de servomotores de cd son excitación separada (que son 4 en total), y se analizan sus puntos principales.

Por otro lado, se encuentra un fácil entendimiento de los servomotores de ca, si se analiza primero el funcionamiento de los servomotores de cd, ya que conservan similitudes propias de los motores, y diferencias tan marcadas como lo es su curva de par-velocidad, por ejemplo.

En numerosas ocasiones es necesario convertir la energía eléctrica en energía mecánica, esto se puede lograr, por ejemplo, usando los motores de corriente continua. Pero cuando lo deseado es posicionamiento con un elevado grado de exactitud y/o una muy buena regulación de la velocidad, se puede contar con una gran solución: utilizar un motor paso a paso.

El desarrollo de la presente investigación tiene por objeto dar a conocer los principios básicos de funcionamiento de este tipo de motores, sus características constructivas y las formas básicas de hacer funcionar los motores por medio de dispositivos microcontroladores.

Sus principales aplicaciones se pueden encontrar en robótica, tecnología aeroespacial, control de discos duros, flexibles, unidades de CD-ROM o de DVD e impresoras, en sistemas informáticos, manipulación y posicionamiento de herramientas y piezas en general.

Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos.

La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°.

Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas están energizadas, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.

El motor paso a paso está constituido esencialmente por dos partes: a) Una fija llamada "estator", construida a base de cavidades en las que van depositadas las bobinas que excitadas convenientemente formarán los polos norte-sur de forma que se cree un campo magnético giratorio. b) Una móvil, llamada "rotor" construida mediante un imán permanente, con el mismo número de pares de polos, que el contenido en una sección de la bobina del estator; este conjunto va montado sobre un eje soportado por dos cojinetes que le permiten girar libremente.

MAQUINAS ESPECIALES

Servomotor

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.

PARTES DE UN SERVOMOTOR

Motores eléctricos 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 un conversor digital-analógico (D/A) y puede ser gobernado por impulsos procedentes de sistemas lógicos.

Este motor presenta las ventajas de tener alta precisión y repetitividad 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.

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.

Motor eléctrico lineal

Un motor lineal es un motor eléctrico que posee su estator y su rotor "distribuidos" de forma tal que en vez de producir un torque (rotación) produce una fuerza lineal en el sentido de su longitud. El modo más común de funcionamiento es como un actuador tipo Lorentz, en el cual la fuerza aplicada es linealmente proporcional a la corriente eléctrica y al campo magnético

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.

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. El control 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.

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 campo altamente 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 forma algebraica 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.

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 laminadas para 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 y de 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.

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.

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 continuo 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 campo controlado, 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 si.

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 corriente constante.

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 mas exacto de control debido a que la dirección de rotación responde mas a diferencia extremadamente pequeñas de corriente entre los devanados principal y auxiliar.

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 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 radio interferencia. 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.

SERVOMOTORES DE CA

Junto con los motores de paso pequeños de cd, la mayor parte de los servomotores mas pequeños de ca son del tipo de motor bifásico de inducción de polo sombreado.

La siguiente figura muestra el diagrama esquemático del servomotor bifásico. Este motor es un motor bifásico verdadero, con dos devanados de estator desplazados a 90° en el espacio.

El devanado de referencia es constante y por lo general se excita mediante un capacitor por el suministro fijo de ca. Una pequeña señal de error de determinada polaridad instantánea con respecto al devanado de referencia se amplifica y se envía o alimenta al devanado de control.

Se produce la rotación del motor en una dirección tal que reduce la señal de error y el motor cesa de girar cuando se produce una señal nula en el devanado de control.

El servomotor de polos sombreados, mostrado a continuación, emplea un relevador sensible a la fase, para accionar aquellos contactos que producen un corto circuito del devanado del polo sombreado, para desarrollar rotación en la dirección deseada.

Como con todos los devanados de polos sombreados, se conecta un devanado monofásico de campo de ca con el suministro de ca. En presencia de una señal de error suficiente para accionar el relevador, se pone en corto circuito un par de devanados de polo sombreado; gracias a ello el servomotor gira hasta que se produce el cero, en el cual se sale el relevador, y se detiene el motor.

Una señal de error de polaridad opuesta accionara el relevador sensible a la fase poniendo en cortocircuito otro par de devanados, originando la rotación del servomotor en dirección inversa.

Es bastante evidente que el diseño del motor bifásico de la figura anterior es el mejor de los dos tipos, porque es capaz de responder a señales pequeñas de error.

Un servomotor de polos sombreados solo responderá cuando la señal amplificada de error sea de la magnitud suficiente para hacer que trabaje el relevador.

La respuesta del servomotor bifásico a señales de control muy pequeñas se mejora todavía más si se reduce el peso y la inercia del motor, en un diseño que se conoce como “servomotor de taza de freno” o “copa de freno”.

En la siguiente figura se muestran estos servomotores de ca de bajo par, que se prestan muy bien para los servosistemas de instrumentación de ca.

Como todo el hierro del circuito magnético es estacionario, el rotor consiste solo de una caja cilíndrica delgada de cobre o latón, y su eje se sujeta con un rodamiento único. Debido a su baja inercia, el motor de taza de freno es capaz, por lo tanto, de ponerse en marcha hasta cuando se apliquen señales extremadamente pequeñas a su devanado de control.

El principio de la taza de freno se usa también para amortiguar o desacelerar los servomotores de cd y ca para que puedan detenerse en forma instantánea cuando la señal de error es nula; de este modo reduce el penduleo o el sobretiro exagerado siempre que se tenga una señal de error.

Como se observa en la siguiente figura, se acopla al motor una taza de freno de bajo peso y baja inercia.

Esta taza rodea a un imán permanente, y a su vez, esta rodeada por sujetadores de hierro suave para preservar la retentividad del imán permanente. Cualquier cambio en la velocidad, es decir, arranque, paro o reversa, produce una acción de amortiguación. Las ventajas de este método de amortiguamiento son su larga vida y resistencia al desgaste.

Las características par-velocidad del servomotor bifásico se muestran en la siguiente figura; tanto el par como la velocidad son funciones de la magnitud de la señal amplificada del voltaje de error que se aplica al devanado de control.

Los voltajes mayores de señal de error producen pares correspondientemente mayores. Cuando se reduce en forma gradual el error, se reduce en forma correspondiente el voltaje de error para determinada carga, produciéndose una reducción tanto en velocidad como en par a medida que el motor se acerca a su posición nula.

Puesto que el devanado de referencia del servomotor bifásico se energiza en forma continua, los voltajes mayores de señal de error pueden abrir la posibilidad de hacer que el motor pase a monofásico, aun cuando el voltaje de la señal de error tienda a reducirse a lo largo de la línea de carga que aparece en la figura anterior.

La fase de las señales de error que se aplican al devanado de referencia en el servomotor bifásico determina la dirección de rotación, para que se produzca un nulo, o cero, y se reduzca a cero la señal de error. En consecuencia, el servomotor bifásico es sensible tanto a la fase como al voltaje.

MOTORES ELÉCTRICOS DE PASOS

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.

Aún 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.

. Por otra parte el imán M puede girar libremente sobre el eje de sujeción central.

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 como se muestra en la Figura 1(a), se crearán dos polos magnéticos NORTE en la parte interna, bajo cuya influencia M se desplazará hasta la posición indicada en dicha figura.

Invirtiendo ahora la polaridad de la corriente en L2, se llega a la situación de la (c) 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.

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 se puede decir que un motor paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte impulsos eléctricos en un movimiento rotacional constante 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. Obteniéndose un motor unipolar de cuatro fases, puesto que la corriente circula por las bobinas en un único sentido.

Si se abre posteriormente S1 y se cierra S3, por la nueva distribución de polos magnéticos,

Principio básico de un motor unipolar de cuatro fases

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 Paso a Paso de paso mas 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.

TIPOS DE MOTORES PASO A PASO

Hay dos tipos básicos de motores Paso a Paso, los BIPOLARES que se componen de dos bobinas y los UNIPOLARES que tienen cuatro bobinas. Externamente se diferencian entre sí por el número de cables. Los bipolares solo tienen cuatro conexiones dos para cada bobina y los unipolares que normalmente presentan seis cables, dos para cada bobina y otro para alimentación de cada par de éstas, aunque en algunos casos podemos encontrar motores unipolares con cinco cables, básicamente es lo mismo, solo que el cable de alimentación es común para los dos pares de bobinas.

Motores Unipolares: En este tipo de motores, todas las bobinas del estator están conectadas en serie formando cuatro grupos. 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.

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..

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:

Desde el punto de vista de su construcción existen los siguientes tipos de motores paso a paso:

1.- De reluctancia variable (V.R.): 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. El tipo de motor de reluctancia variable o V.R. Consiste en un rotor y un estator cada uno con un número diferente de dientes. Ya que el rotor no dispone de un magneto permanente el mismo gira libremente, o sea que no tiene torque de detención.

Vista de sección de un motor por pasos de reluctancia variable

2.- De magneto Permanente: es el modelo en el que rotor es un imán permanente en el que se mecanizan un número de dientes limitado por su estructura física. Ofrece como principal ventaja que su posicionamiento no varía aún sin excitación y en régimen de carga. El motor de magneto permanente (PM) o tipo enlatado es quizá el motor por pasos mas ampliamente usado para aplicaciones no industriales. En su forma mas simple, el motor consiste en un rotor magneto permanentemente magnetizado radial y en un estator similar al motor V.R. Debido a las técnicas de manufactura usadas en la construcción del estator, los mismos se conocen a veces como motores de "polo de uñas "o "claw pole" en Inglés.

Vista en sección de un magneto permanente

3.- 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. El tipo Híbrido es probablemente el más usado de todos los motores por pasos. Originalmente desarrollado como un motor PM sincrónico de baja velocidad su construcción es una combinación de los diseños V.R. y P.M. El motor Híbrido consiste en un estator dentado y un rotor de tres partes (apilado simple).

Dado que la tecnología de 3 fases ha sido usada por décadas como un método efectivo de generación de campos rotativos, las ventajas de éste sistema son evidentes en sí. El motor por pasos de 3 fases fue por lo tanto una progresión natural que incorporó todas las mejores características de un sistema de 5 fases a una significativa reducción de costo.

Si el motor solo tiene cinco cables, el común de alimentación se puede conectar a cualquiera de los lados.

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.

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.

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 el rotor 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:

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.

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 una secuencia 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.

SECUENCIA DEL CIRCUITO DE CONTROL

Existen dos formas básicas de hacer funcional los motores paso a paso atendiendo al avance del rotor bajo cada impulso de excitación:

Paso completo (full step): El rotor avanza un paso completo por cada pulso de excitación y para ello su secuencia ha de ser la correspondiente a la expuesta anteriormente, para un motor como el de la Figura 2, y que es presentada de forma resumida en la Tabla 1 para ambos sentidos de giro, las X indican los interruptores que deben estar cerrados (interruptores en ON), mientras que la ausencia de X indica interruptor abierto (interruptores en OFF).

Medio paso (Half step): Con este modo de funcionamiento el rotor avanza medio paso por cada pulso de excitación, presentando como principal ventaja una mayor resolución de paso, ya que disminuye el avance angular (la mitad que en el modo de paso completo). Para conseguir tal cometido, el modo de excitación consiste en hacerlo alternativamente sobre dos bobinas y sobre una sola de ellas, según se muestra en la Tabla 2 para ambos sentidos de giro.

APLICACIONES DE LOS MOTORES PASO A PASO

•Taxímetros.

•Disk-drive.

•Impresoras.

•Plotters.

•Brazo y Robots completos.

•Patrón mecánico de velocidad angular.

•Registradores XY.

•Relojes Eléctricos.

•Casetes Digitales.

•Control Remoto.

•Máquinas de escribir electrónicas.

•Manipuladores.

•Posicionamiento de válvulas en controles industriales.

•Posicionamiento de piezas en general.

•Bombas impelentes en aplicaciones de electromedicina.

CARACTERÍSTICAS

•Larga vida.

•Velocidad de respuesta elevada (<1ms).

•Posicionamiento dinámico preciso.

•Reinicialización a una posición preestablecida.

•Frecuencia de trabajo variable.

•Funcionamiento sincrónico bidireccional.

•Sincronismo unidireccional en régimen de sobrevelocidad.

•Carencia de escobillas.

•Insensibilidad al choque en régimen dinámico, a la regulación de la fuente de alimentación.

MOTOR ELÉCTRICO 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. El modo de operación más corriente es el del elemento que acciona y es del tipo de Lorentz, en el que la fuerza aplicada es linealmente proporcional a la corriente y al campo magnético (F=ixB). Se han presentado muchos diseños como motores lineales, y se han dividido en dos categorías, 1:-De alta aceleración y 2:- de baja aceleración. En los de baja aceleración los motores de gran velocidad y potencia que se utilizan de diseño síncrono lineal, con un devanado activo por una parte y polos magnéticos alternados por la otra. Estos campos magnéticos pueden ser permanentes o activados. Los motores de alta aceleración son generalmente diseños de inducción lineal con un devanado activo de tres fases por una parte y una plancha de conductor pasivo por otra.

VENTAJAS

Por muy fino que se hile en el proceso de sintonía de los accionamientos, el valor limitado dela 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 mas importante 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, quedan 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 dela 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.

Diagrama de cuerpo libre de un motor lineal sincrónico de canal en U. La vista es perpendicular al eje del canal. Los dos bobinados en el centro se encuentran conectados mecánicamente, y se energizan en "cuadratura" (con una diferencia de fase de 90° (π/2 radianes)). Si el bobinado inferior (tal como se muestra) se encuentra con la fase adelantada, entonces el motor se moverá hacia abajo (en el diagrama), y vice versa

BIBLIOGRAFÍA

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