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8/8/2019 Taller Motor PAP

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MOTORES PASO A PASO

INTRODUCCIN

Los motores de pasos son transductores electro mecnicos, es decir, son dispositivos capaces detransformar energa elctrica en mecnica.

La principal diferencia con los otros tipos de motores existentes es que el movimiento de giro de sueje es discreto. Esto quiere decir que se puede producir este movimiento como una sucesin depasos o saltos discretos.

Esta diferencia hace que este tipo de motores sea muy adecuado para accionamientos de posicinde bajo coste, ya que controlando los pulsos con que se excitan sus bobinas se puede conocer entodo momento la posicin angular del eje.

2.1 ESTRUCTURA DEL MOTOR DE PASOS

Estos motores estn constituidos por el estator, que comprende la parte fija del motor y contienelos devanados y el rotor, que es solidario del eje y que juntamente con los imanes permanentesconstituye la parte mvil del motor. Como se describe en el apartado 2.2.2, existe un tipo de motorde pasos (reluctancia variable) en que estos imanes permanentes se sustituyen por unas estrasen cortocircuito. Este tipo de rotor se asemeja a un rotor de jaula de ardilla.

Por el hecho de tener los devanados en la parte fija, no es preciso el empleo de escobillas, lo quehace que el motor sea ms econmico y reduce el nmero de partes de este sometidas adesgaste.

En ocasiones se refieren a estos motores como motores de corriente continua con conmutacinelectrnica. Por lo que se ha dicho hasta ahora, esta afirmacin puede parecer errnea, pero si seanaliza detalladamente se llega a la conclusin de que es muy acertada.

Primero, el efecto de conmutacin de devanados que producen las escobillas en un motor decorriente continua es sustituido por la electrnica de control, por otro lado, y dada su constitucin,los devanados se encuentran en la parte fija del motor, por lo tanto no es preciso alimentar su partemvil, con todo esto se elimina la necesidad de disponer de las escobillas.

En segundo lugar, el comportamiento del motor, entendido como un campo magntico constante ysolidario del rotor y un campo magntico giratorio generado por los devanados del estator,correspondera al de un motor corriente continua en que los imanes estuvieran en el rotor y losdevanados en el estator. Es por estas razones que se puede considerar acertada la afirmacinanterior.

Con todo lo dicho es fcil de comprender que, tambin, en este tipo de motores se cumple lacondicin de que el par motor generado es proporcional a la corriente que circula por losdevanados, tal y como se considera en los motores de corriente contina.

Terminologa

Dada la singularidad de estos motores, existen una serie de conceptos que los caracterizan y quees preciso definir para poder interpretar las caractersticas que proporcionan los fabricantes de losmismos.

ngulo de paso (step angle). []. Angulo que se desplaza el eje del motor al cambiar de unaposicin estable a la siguiente. Este valor depende de las caractersticas constructivas del motor.


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Los valores ms usuales se encuentran: 0.9, 1.8, 7.5 y 15. Se puede realizar cualquiermovimiento incremental siempre que sea mltiplo entero del ngulo de paso.

Por ejemplo 6 pasos de 7.5 corresponden a un movimiento de 45

En ocasiones los fabricantes identifican a los motores por el nmero de pasos por vuelta del rotor,as un motor de 1.8 corresponde al denominado de 200 pasos.

Precisin de paso (step accuracy). Corresponde a la desviacin de la posicin actual del rotorrespecto a la posicin terica para cada paso cuando el motor esta sin carga o bien con cargaconstante. Depende de cada motor, habitualmente se puede considerar un valor del 5% del ngulode paso.

Aunque aparentemente esta desviacin es elevada, se debe de considerar que no es un valoracumulativo, por lo tanto si con un motor de 200 (1.8) pasos por vuelta se produce una secuenciade pasos de 10 pasos y posteriormente otra de 80 pasos, en ambos casos la desviacin ser lamisma y aproximadamente de 0.09

Par de retencin (holding torque). Par resistente ejercido por el motor parado en una posicinestable y con alimentacin. Su valor vara segn la posicin que adopte el rotor entre dos pasosconsecutivos, siendo mximo en la posicin intermedia.

Par de detencin (detent torque). Es el par mximo que ofrece el motor sin alimentacin. En losmotores de imn permanente y en los motores hbridos este par es producido por el campomagntico generado por los imanes del rotor, siendo mximo en posiciones intermedias del rotorentre dos pasos consecutivos.

Este efecto se puede ver acentuado si se cortocircuitan los extremos de los devanados.

Los motores de reluctancia variable no presentan esta caracterstica, por lo que el rotor giralibremente en ausencia de alimentacin en el motor.

Curva caracterstica par-frecuencia. El fabricante proporciona para cada motor unarepresentacin donde relaciona el par suministrado por el motor en funcin de la frecuencia de

impulsos de excitacin (par dinmico).

En estas representaciones, como se puede observar en la figura 2.1, se consideran dos curvas detrabajo denominadas Curva de par pull-out y curva de par pull-in que delimitan el rea de trabajodel motor, habitualmente denominada campo de giro.

Figura 2.1. Curvas caractersticas par_frecuencia.


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Figura 2.3. Motor de imanes permanentes. Excitacin de un solo devanado.

Como puede observarse los polos del rotor se orientaran enfrentados con los de la bobina delestator que sea alimentada (siempre N con S), un cambio de bobina alimentada implicara unarotacin del rotor de 90 y el sentido de corriente que se le aplicara forzara un sentido de girohorario o bien antihorario.

En estas condiciones se debe de observar que el par (proporcional a la intensidad) en el eje delmotor es menor que en el caso de emplear las dos bobinas, como se vio en el caso de la figura

2.2.

2.2.2 Motores de reluctancia variable

Este tipo de motores se caracteriza porque el rotor es de hierro dulce laminado con varios dientes yel estator presenta un nmero de polos distinto que el nmero de dientes del rotor.

En la figura 2.4 se representa un esquema que corresponde a una seccin perpendicular al eje delmotor, en la que se puede observar que el rotor dispone de 6 dientes y el estator 4 pares de poloso sea 8 polos. Si Ppe corresponde al nmero de pares de polos del estator y Ndcorresponde alnmero de dientes del rotor, se puede relacionar estos dos parmetros con el paso angular delmotor con la expresin (1).

Aplicando los valores a la ecuacin se obtiene que el ngulo de paso para este caso es de 15.

La denominacin de reluctancia variable proviene de la variacin de reluctancia que se consigue alorientarse uno de los polos del estator con uno del rotor, de tal manera que se reduce elentrehierro del circuito magntico facilitndose la circulacin de flujo y el motor queda en esaposicin de forma estable. Con el fin de conseguir niveles elevados de par se hace que elentrehierro (entendido como la mnima distancia entre un polo del estator y el polo del rotorenfrentado con el) de estos motores sea del orden de 0.05mm.

Dado que el rotor es de hierro dulce y como la magnetizacin residual de este material esprcticamente nula, al no hacer circular corriente por los devanados del estator el par resistente del

eje del motor ser prcticamente nulo.


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Figura 2.4. Motor de reluctancia variable.

Este tipo de motores permiten velocidades de giro mayores que los motores de imanespermanentes, presentan inercias menores ya que el peso del rotor es menor y menoresrendimientos, por lo que son aptos para el movimiento de cargas pequeas.

2.2.3 Motores hbridos

Son motores que combinan caractersticas constructivas de los dos tipos de motores descritosanteriormente.

El rotor est construido con un imn cilndrico que se ha magnetizado en la direccin axial delmotor, este imn se coloca entre dos piezas de hierro dulce que presentan varios dientes.

En el estator se dispone generalmente de 4 pares de polos cuyo ncleo de hierro presenta unaserie de estras que permiten disponer de ngulos de paso pequeos.

En la figura 2.5 se presenta un esquema correspondiente a este tipo de motores en el que, paramejorar la claridad del dibujo, el nmero de dientes del rotor es de 40, mientras que en un motor de

1.8, como el que se puede observar en la figura 2.6 es de 50 dientes.

Figura 2.5. Motorhbrido.

Si se aplica la expresin 1 al caso de la figura 2.6 se tiene que el nmero de pares de polos delestator es de 4 y 50 dientes en el rotor, con estos valores se tiene que el ngulo de paso es de 1.8o sea corresponde a un motor de 200 pasos por vuelta.


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Estos motores son capaces de proporcionar pares muy elevados y velocidades de giro altas.Debido a la presencia del imn en el rotor presentan un par de detencin considerable al igual quelos motores de imn permanente.

Se pueden conseguir motores de hasta 0.45 por paso. Los fabricantes de equipos de granconsumo en los que se deben de reducir al mximo los costes, emplean estos motores paraconseguir el posicionamiento con precisin elevada de algunos de sus elementos, como es el caso

de los carros de las impresoras, los brazos lectores de los discos duros, etc.

En la figura 2.6 se presenta una imagen de uno de estos motores.

Figura 2. 6. Motorhbrido

2.3. SECUENCIAS DE FUNCIONAMIENTO Y CONTROL

Para relacionarnos con las secuencias de funcionamiento (tipos de excitacin) de los motores pasoa paso es necesario que conozcamos los conexionados de los motores.

CONEXIONADO DE LOS MOTORES

Los motores paso a paso presentan distintas configuraciones por lo que hace referencia a suconexionado que estn condicionadas por sus caractersticas constructivas.

Los constructores de este tipo de motores proporcionan un determinado nmero de hilos todosellos identificados con distintos colores para que el usuario pueda conectar el motor y adaptarlo alcontrolador que haya diseado.

La identificacin de cada grupo de hilos con la estructura de devanados del motor se puede llevar a

cabo con la ayuda de la informacin proporcionada por el constructor o bien por medio de untester, midiendo las distintas componentes resistivas de entre los hilos.

En el apartado 2.3.1 se presentan los distintos modos de excitacin de este tipo de motores, sever que en algunos de ellos es preciso que se pueda cambiar el sentido de circulacin de lacorriente por los distintos devanados, esto supone que se debe de adaptar el tipo de motor con laconfiguracin de la etapa de potencia del controlador.


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Existen dos configuraciones bsicas que relacionan el conexionado del motor con la estructura dela etapa de potencia del controlador empleada, estas configuraciones se conocen como unipolar ybipolar.

Una conexin unipolares aquella en la que la corriente fluye por el devanado en un solo sentido(se puede entender que la polaridad es nica), por el contrario una conexin tipo bipolar seraquella en la que el sentido de circulacin de la intensidad puede cambiarse desde el controlador.

Figura 2. 7. Distintas configuraciones segn el nmero de hilos.

En la figura 2.7 se presentan las tres configuraciones ms comunes en cuanto al nmero de hilosdel motor.

La configuracin 1 de cuatro hilos es poco comn ya que obliga a que la conexin del motor con elcontrolador sea del tipo bipolar. En los casos en que el diseo de la aplicacin sea muy cerrada y

por lo tanto interese reducir costes al mximo, se construyen motores cuatro hilos (menos cobre ymayor facilidad de conexin).

La configuracin 3, de ocho hilos, es la que presenta mayor flexibilidad, ya que tanto puedefuncionar en modo unipolar como bipolar, adems permite la conexin en paralelo o en serie de losdevanados, con lo que las prestaciones del motor se adaptan de la mejor manera a lasnecesidades de la aplicacin.

En caso de optar por una conexin en serie de los devanados, se obtiene una disposicinequivalente a la configuracin de 6hilos, que por otro lado es la ms comn en este tipo demotores, permite tambin tanto la conexin unipolar como la bipolar.

A continuacin se presentan los diagramas de conexin para las distintas configuraciones tanto deetapa de potencia del controlador como de nmero de hilos del motor. Los elementos de

conmutacin se han representado como interruptores ideales.

Conexin unipolar

Como ya se ha dicho antes, la denominacin unipolar proviene de que la circulacin de laintensidad en cada devanado slo puede ser en un sentido, aunque aparentemente este tipo deconexin presenta la ventaja de necesitar menos elementos de conmutacin que la conexinbipolar, no permite la circulacin de intensidad por todos los devanados del motor al mismo tiempo,lo que reduce el par entregado por el motor hasta un 40%.


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Esta reduccin de par es un gran inconveniente a la hora del arranque y en los movimientos abajas velocidades. En ocasiones, con el fin de reducir esta disminucin de par, se incrementa latensin de alimentacin del motor.

En las figuras 2.8 y 2.9 se representan ejemplos de conexin de motores de 6 y 8 hilos enconfiguracin unipolar.

Figura 2.8. Unipolar con motor de 6hilos. Figura 2.9. Unipolar con motor de 8hilos

Conexin bipolar

Este tipo de conexin permite un mejor aprovechamiento de las prestaciones del motor, ya que sepuede hacer circular corriente por la totalidad de los devanados del motor.

Exige que el controlador disponga, en su etapa de potencia, de dos puentes completos, lo quesignifica el empleo de 8 interruptores con sus correspondientes circuitos de excitacin.

En las figuras 2.10 a la 2.13 se presentan ejemplos de conexin de las distintas configuraciones demotores.

Figura 2.10. Bipolar con motor de 4 hilos Figura 2.11. Bipolar con motor de 6hilos

Las figuras 2.12 y 2.13 corresponden a la conexin de un motor de 8 hilos, que permite ladisposicin de sus devanados en serie o en paralelo y por lo tanto adaptar mejor las prestacionesdel motor a las exigencias que se requieran. Se puede observar que en el caso de la conexin enserie, el montaje es totalmente equivalente al presentado en la figura 2.11 que corresponde a unmotor de 6 hilos.


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En el caso de la conexin de los devanados en paralelo, se debern considerar cuidadosamentelos aspectos relacionados con la disipacin de la potencia proporcionada al motor y notransformada en energa mecnica, que provocar calentamientos en los devanados y ncleos,reduciendo la eficiencia del motor y acortando su vida til. En estos casos es interesante que elcontrolador disponga de un control de intensidad de mantenimiento, con el que se reduce laintensidad que circula por los devanados en condiciones de rotor parado, hasta un valor suficientepara mantener el rotor en una posicin estable y la disipacin del motor es mnima yconsecuentemente su calentamiento tambin.

Figura 2.12. Bipolar con motor de 8hilos condevanados en serie

Figura 2.13. Bipolar con motor de 8hilos condevanados en paralelo

2.3.1 SECUENCIAS DE FUNCIONAMIENTO

Este tipo de motores permite una gran diversidad en cuanto a su funcionamiento, es evidente quepueden girar en ambos sentidos, a diferentes velocidades, pero la gran diferencia con otros

motores es principalmente el como se consigue el cambio entre dos posiciones estables que hastaahora se han denominado pasos. Siempre se considera que el motor trabaja en unas condicionesen las que el par resistente (el de la carga) es menor que el par que suministra el motor.

Se considera que el rotor esta en una posicin estable cuando, alimentando convenientemente losdevanados del estator, alguno de los polos del rotor se encuentra perfectamente alineado con unodel estator, esta posicin corresponde a un paso del motor.

Dependiendo del mtodo empleado en su excitacin, se tendr una determinada dinmica del ejedel motor en el momento del arranque y en la parada al cambiar la posicin del rotor de un paso alsiguiente.

Es muy importante tener en cuenta que para que el movimiento del eje del motor sea continuo sedebe de observar un orden en la excitacin de las bobinas del estator, en el momento de producir

una parada se debe de recordar en que punto de la secuencia de pulsos se ha detenido y alreanudar el movimiento se debe de partir de ella y continuar la secuencia hacia delante (semantiene el sentido de giro) o bien en hacia atrs, con la que se cambiar el sentido de giro del ejedel motor.

Actualmente se puede considerar que existen tres modos fundamentales de excitacin de este tipode motores, que a continuacin se describen.


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Figura 2.18. Movimiento de 20 pasos con pasosenteros

Figura 2.19. Movimiento de 20 pasos conmicropasos

En la figura 2.20 se puede observar que en este modo de excitacin se han definido 8 niveles decorriente para cada paso. Corresponde pues a una secuencia de 8 micro pasos.

El nmero de micro pasos que se puede definir en los controladores es habitualmente una potencia

de 2 y puede tomar valores desde 4 hasta 64, estos valores corresponden al nmero de bits que seemplean de los convertidores digital analgico que incorporan los controladores. Existenpublicaciones que justifican que el empleo de un nmero de micro pasos mayor que 8 no mejorasustancialmente el funcionamiento del motor, al contrario, reduce considerablemente su velocidadmxima, ya que el controlador debe de cambiar la configuracin de los interruptores de la etapa depotencia a una frecuencia muy elevada.

Una prctica habitual consiste en emplear una excitacin con micro pasos en los momentos delarranque y la parada del motor, con el fin de conseguir rampas de aceleracin y de frenado suavesy por tanto disponer de un mayor control del par en el motor con el fin de poder compensar elmayor par resistente que ofrece la carga. En las condiciones de funcionamiento del motor cercanasa su velocidad mxima se pasa al modo de excitacin de pasos enteros.

Figura 2.20. Excitacin bipolar con micropasos

Existe la creencia de que con un motor de pasos excitado en modo de micro pasos aumenta laresolucin en el ngulo de paso tantas veces como el nmero de micro pasos que se este

empleando esta afirmacin es totalmente errnea. Si se pretende detener el motor en un micropaso que no coincida con una posicin estable correspondiente a un paso entero, el error que secomete puede llegar a ser de medio paso.

Si se desea que el eje del motor se site en posiciones entre pasos estables se debe de trabajaracoplando un encoder al eje del motor y un controlador que permita cerrar el lazo de posicin, enestos casos la excitacin del motor es equivalente a la de micro pasos, el controlador suministra lacorriente necesaria a cada devanado con el objetivo de que el eje del motor se mantenga en laposicin deseada.


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En las figuras 2.18 y 2.19 se presentan las evoluciones del eje del motor excitndolo en modo depasos enteros o en modo micro pasos. Para la obtencin de stas grficas se ha acoplado unpotencimetro al eje del motor, de tal manera que se obtiene una variacin de tensin que esproporcional a la posicin de dicho eje. Se puede observar que el movimiento del eje del motorcuando es excitado en modo de micro pasos es mucho ms suave y a la vez ms lento, en lafigura 19 se observa que el tiempo empleado en desplazarse 20 pasos enteros es de 320 ms, encambio en el modo de pasos enteros slo se han empleado 250 ms, esto es debido a que elmicroprocesador que controla el driver del motor debe de llevar a cabo un elevado nmero demanipulaciones de datos para cada micropaso (en este caso 8 micro pasos por paso) que seejecuta, por el contrario, en el modo de pasos enteros slo se debe de cambiar la configuracin delos puentes que excitan al motor.

Existen numerosas notas de aplicacin de distintos fabricantes que discuten las ventajas einconvenientes del empleo de los micropasos, algunas de ellas referidas a circuitos integrados queincluyen la circuitera necesaria para aplicar este tipo de excitacin.

2.3.2 CIRCUITOS DE CONTROL

En el circuito 1 de la figura 2.21 se presenta un modelo simplificado de un devanado con su circuitode excitacin. El devanado se puede considerar con su componente resistiva (RM) y su

componente inductiva (LM) asociadas en serie.

Figura 2.21. 1.- Modelo simplificado de un devanado

2.- Excitacin con limitacin de corriente por resistencia en serie

La excitacin se compone de una fuente de tensin continua V1 y un interruptor ideal T1. Lacirculacin de intensidad por el circuito se inicia con el cierre del interruptor y empieza su extincincon la apertura de T1. En la figura 22 se presenta un caso real que corresponde a los valoressiguientes:

V1= 24v RM= 12 LM= 9mH

Con estos valores, la intensidad crece mientras T1 este cerrado hasta un valor mximo, que eneste caso es de 2 A. Se define como constante de tiempo elctrica del motor (Te) el tiempotranscurrido para que la intensidad alcance un valor correspondiente al 63% de su valor mximo,para este ejemplo, se tiene un valor de 0.75 ms. Esta constante de tiempo elctrica se puededeterminar con la expresin (2) y depende de los valores de RM y LM de cada uno de losdevanados que posee el motor.

)2(M

M

e

R

L!X

La pendiente de subida de la corriente en el circuito (dI/dt) depende por tanto de Te y del valor dela corriente mxima que pueda circular.

En los motores de pasos hbridos y de imanes permanentes se puede establecer un paralelismo encuanto al funcionamiento de su circuito magntico, con los motores de corriente continua, por lo


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tanto, para estos motores de pasos se puede afirmar que el par en el eje del motor es directamenteproporcional a la corriente que circula por sus devanados.

Figura 2.22. Evolucin de la intensidad en el devanado

Con el fin de que el par en el eje del motor sea suficiente para vencer el par resistente de la cargase debe de garantizar que la corriente en cada uno de los devanados del motor posea un valor dedI/dt suficiente. En las figuras 2.14 a 2.17 se presentan los distintos modos de excitacinconsiderando siempre una situacin ideal en cuanto a este aspecto, en la realidad, se debe dedisear un circuito de excitacin que permita reducir el efecto de la Te del motor. Un valor pequeode Te permite trabajar con frecuencias de pulsos mayores y por lo tanto aumentar la velocidad deleje del motor.

A lo largo de los aos se han ido aplicando distintas configuraciones de circuitos de excitacin quese encuentran documentadas ampliamente. En nuestro caso slo se comentaran dos de ellos ydesde un punto de vista totalmente conceptual.

El primero de ellos corresponde al circuito 2 de la figura 2.21 y consiste en aumentar lacomponente resistiva de cada devanado aadiendo una resistencia en serie (R), con ello seconsigue una reduccin de la constante de tiempo elctrica del circuito (Te2) a la vez que se limitael valor de la corriente mxima que circula por cada devanado. En la figura 2.23 se presenta laevolucin de la intensidad en los dos casos presentados en la figura 2.21, el valor asignado a laresistencia limitadora es R=12 y V2=48v, los valores de correspondientes al devanado del motorson los mismos que en el circuito 1.

Para conseguir alcanzar el valor de corriente mxima se debe de aumentar la tensin dealimentacin en relacin con el aumento del valor resistivo total del circuito. El principalinconveniente que presenta este sistema consiste en que una parte importante de la potenciaentregada por la fuente de alimentacin se disipa en forma de calor en la resistencia limitadora (R)

y en los devanados del motor (RM), con lo que se puede afirmar que el rendimiento de estesistema es muy pobre.


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Figura 2.23. Comparacin de la Te con resistencia limitadora

La segunda configuracin se basa en que el circuito de excitacin de cada devanado incluya uncontrol de corriente, con el que se pretende que la corriente que circule por los devanados en cadainstante de tiempo sea un valor prefijado, este tipo de circuitos son los que se emplean para elcontrol del motor con micropasos.

En la figura 2.24 se presenta el esquema de un circuito simplificado que permite el control de lacorriente que circula por el devanado, donde Vc es la consigna de corriente y corresponde a unatensin cuyo valor es proporcional a la corriente que se desea que circule, Vr corresponde a lacada de tensin en bornes de la resistencia de censado de corriente que es proporcional a lacorriente que circula por el devanado del motor cuando el mosfet conduce y Vq corresponde a latensin aplicada a la puerta del mosfet que acta como interruptor.

Figura 2.24. Control de corriente

En la figura 2.25 se presenta la evolucin temporal de estas seales. En primer lugar se tiene unaseal de reloj (Clk) de frecuencia fija y conocida, sincronizada con ella se tiene la tensin enbornes de la resistencia de censado de corriente, esta tensin crece con una pendiente quedepende del valor de la inductancia del devanado, hasta que sea igual a la tensin de consigna decorriente Vc, instante en el que la bscula coloca a cero su salida Q (Vq) y por tanto el mosfet dejade conducir.


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Figura 2.25. Evolucin de la consigna de corriente y de Vq

Este funcionamiento hace que el ancho del impulso que gobierna la puerta del mosfet aumente conel valor de la tensin de consigna de corriente. Con este tipo de configuracin, si se generanconsignas senoidales, se consigue que la corriente que circula por los devanados tambin lo sea,con lo que los movimientos del eje del motor son suaves.

Figura 2.26. Corriente en un devanado (1), Consigna de corriente (2)

En la figura 2.26 se presenta la evolucin de la corriente en un devanado de un motor (en el canal1) y los valores de consigna de corriente (en el canal 2). Se puede observar que discriminando 8niveles de consigna distintos, la corriente en el devanado presenta una forma bastante parecida auna senoidal. Para efectuar esta medida se ha empleado una sonda de corriente con una relacinde 1v/1A, por lo que en este caso por cada devanado circulaba una intensidad de 1A de pico.

Otra ventaja que introduce el control de corriente consiste en que permite que en condiciones demotor parado hacer circular una corriente por los devanados adecuada para que el motormantenga su posicin, reduciendo el calentamiento del motor en estas condiciones.

En la figura 27 se presenta un circuito que permite evaluar las tensiones y corrientes presentes a lolargo de una conmutacin, a partir de ellas se puede estimar la potencia disipada por cada uno delos componentes en cada instante de tiempo. Los valores que se han empleado son:

Vcc = 24.1v, Rbobina = 12 , L1= 9.1 mH, R2= 0.01


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Figura 2.27. Circuito para el estudio de la conmutacin

Los valores de Rbobina y L1 corresponden al modelo del motor, R2 corresponde a la resistencia decensado de corriente, se ha escogido un valor extremadamente bajo pues se pretende hacernfasis slo en la disipacin de los elementos activos del circuito o sea el diodo de recirculacin yel mosfet. Con el simulador se ha obtenido una evolucin temporal que se representa en la figuras2.28 y 2.29.

Las tres trazas superiores representan las tensiones en las patillas del mosfet, referidas a masa, sepuede observar que la tensin correspondiente a la fuente (Vsource) crece a la misma velocidadque lo hace la corriente en la bobina o en la resistencia de censado (R2). La traza representada encuarto lugar corresponde a la potencia disipada por el mosfet, se puede observar que slopresenta valores significativos en los instantes en que se produce la conexin y la desconexin, esprecisamente este ltimo caso en el que presenta valores instantneos prximos a los 30w. Paraapreciar con ms claridad este efecto se puede observar una ampliacin de esta zona en la figura2.29 en la que se aprecia que la subida de la tensin del drenador se prolonga durante unos 60s,durante este tiempo la corriente que circula entre drenador y fuente es de 1.98A por lo que elmosfet esta disipando una potencia elevada, este efecto provoca que aumente su temperatura. Enesta simulacin se ha considerado que la excitacin de la puerta del dispositivo es ideal, en casode no ser as, se incrementara el tiempo en que se est disipando esta potencia y comoconsecuencia se tendra un mayor aumento de la temperatura.

Es recomendable por tanto, en la etapa de diseo, prestar la mayor atencin posible aldimensionado de los transistores y de los circuitos de control de la base o puerta con el fin deminimizar posibles calentamientos que pueden llevar a la destruccin del componente. Se debe detener en cuenta tambin el dimensionado de los diodos de recirculacin y la resistencia de censadode corriente, tanto su valor como la potencia que disipar.

Existen numerosas publicaciones que permiten ampliar los conocimientos sobre los parmetros

relevantes y las distintas tcnicas de control de estos dispositivos.

El otro componente sensible, en cuanto a su dimensionado es el diodo de recuperacin (D2 en lafigura 2.28). Su funcin es la de permitir la recirculacin de corriente que proviene de la inductanciadel devanado en los instantes posteriores a la desconexin del mosfet. Es sabido que la extincinde la corriente en una inductancia no es instantnea, no obstante es interesante que se produzcalo ms rpidamente posible, para conseguirlo se coloca este diodo ya que permite estarecirculacin de corriente. En los instantes en que conduce, la potencia que disipa en forma decalor corresponde al producto de la cada de tensin en conduccin por la corriente que circula, en


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el caso que se describe corresponde a un valor de pico de 1.7 w. La ltima traza de las figuras 2.28y 2.29 representan la evolucin de la corriente en dicho diodo.

Figura 2.28. Cro

no

grama para la descripcin de la co

nmutacin.

El retraso que introduce la capacidad intrnseca de la unin puerta-fuente de un mosfet, se puededeterminar con las trazas primera y segunda de la figura 2.29, en la que se observa que el tiempoempleado en la desconexin del mosfet corresponde al comprendido entre el inicio de la bajada dela tensin de puerta (traza segunda) y la llegada al nivel alto de la tensin en el drenador (trazaprimera), este tiempo se ha obtenido y corresponde a un valor de 1.9s.

Figura 2.29. Ampliacin cronograma

Este efecto limita la frecuencia mxima a que puede funcionar el bucle de control de corriente.

Anteriormente se discutieron los dos configuraciones en cuanto al conexionado del motor segn lacirculacin de corriente en un devanado fuera en un slo sentido o en dos sentidos. A continuacinse discuten los requerimientos de los circuitos de excitacin.


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Unipolar

El caso ms general se presenta cuando se dispone de un motor con dos devanados con tomamedia en cada uno de ellos (configuracin de 6 hilos).

El funcionamiento en modo unipolar se consigue con circuitos como el indicado en la figura 2.30implementados para cada uno de los devanados.

Figura 2.30. Circuito de excitacin unipolar

Las seales aplicadas a las entradas A y B debern de ser complementarias, con el fin deconseguir la rotacin del eje del motor. Por la entrada de Vcontrol se aplicar una tensin que serla consigna de corriente para el devanado. En el caso en que slo se deseara limitar la corriente enel devanado se puede sustituir la parte del circuito de control de corriente y colocar una resistenciaen serie con el devanado, tal y como ya se ha discutido en este mismo apartado.

La excitacin de un motor de pasos unipolar slo permite la circulacin de corriente a travs de lamitad de sus devanados en cada instante de tiempo, esto es, si en la figura 2.30 se representa el

devanado de una de las dos fases del motor y slo puede conducir uno de los transistores (Q1 oQ2), se est desaprovechando la mitad del motor. Si este mismo motor se excitara en modobipolar, en todo momento circulara intensidad por todos sus devanados (en un sentido o en otro),es por esta razn que con una excitacin en modo unipolar se consiguen pares en el eje del motorinferiores comparados con los obtenidos con una excitacin del tipo bipolar, pero por el contrario,los circuitos de excitacin son ms simples y ms fciles de gobernar.

En la figura 2.30 se han representado mosfets como interruptores, stos pueden sustituirse portransistores bipolares, en cualquier caso se debe de asegurar que en los instantes en que seproduzca la conmutacin la potencia disipada por el transistor debe de estar dentro de los valorespermitidos. Algunas de estas caractersticas ya se han comentado en prrafos anteriores.

Bipolar

La excitacin en modo bipolar consiste en hacer circular corriente por los devanados de cada fasedel motor de una forma simultnea, siguiendo una secuencia de sentidos de circulacinpredeterminada, que se puede deducir de los cronogramas representados en las figuras 2.16, 2.17y 2.18.

Debido a que en este modo de excitacin del motor se emplean todos sus devanados, seconsiguen aumentos del orden de un 40% en el par entregado en el eje.


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Figura 2.31. Circuito de excitacin bipolar

En la figura 2.31 se presenta un circuito esquemtico de control de una de las fases de un motorcon excitacin bipolar, esta configuracin se la conoce como puente en H. Esta compuesta porcuatro interruptores, segn se combinen se consigue que la corriente circule por el devanado delmotor en un sentido u otro, por ejemplo, si se conectan simultneamente Q1 y Q4, manteniendoabiertos Q2 y Q3, la corriente fluir de izquierda a derecha en la bobina de la figura, en caso dedesear que el sentido de circulacin de la corriente sea el contrario se deber de abrir Q1 y Q4 ycerrar Q2 y Q3. Este tipo de circuitos debe de ir acompaado de una serie de protecciones queevitan que el puente se coloque en ciertas configuraciones peligrosas, como son, por ejemplo, laconexin simultnea de los dos transistores de una misma rama (Q1 y Q3 o Q2 y Q4), en caso deproducirse, la carga que tendra la fuente sera solamente la resistencia de censado de corriente enserie con las resistencias RDS de los dos transistores que estuvieran en conduccin, el resultadosera o bien la destruccin de uno de los transistores o bien la destruccin de la fuente de tensinVcc.

Es interesante resaltar que la forma de la corriente en la resistencia de censado presenta siemprepolaridad positiva. En la figura 2.32 se presenta la evolucin de esta tensin en el caso de unaexcitacin de 8 micro pasos por paso en un motor bipolar. El canal 2 (traza inferior) del osciloscopiocorresponde a esta tensin, en la que se puede observar tambin el efecto de la conmutacin delmosfet (componente de muy alta frecuencia) necesaria para conseguir el seguimiento de laconsigna de corriente que corresponde al canal 1.

Al igual que suceda en los circuitos de excitacin unipolar, en los puentes en H tambin se debede contemplar la posibilidad de ofrecer a la corriente de la inductancia del devanado que se extingade una forma ms o menos forzada, en este caso se dispone de un diodo de recirculacin en antiparalelo con cada uno de los interruptores.

Dependiendo del camino que por el que se permita esta recirculacin, se tendr una extincin ms

o menos rpida de la corriente.

En la figura 2.33 se presentan dos casos, se parte del estado anterior del puente en el que estabanen conduccin los transistores Q1 y Q4, si se mantiene conduciendo Q1 y se abre Q4 a la vez quese cierra Q2 se permite una recirculacin tal que la extincin es lenta (slow decay), en caso dedesearse una extincin ms rpida se puede abrir Q1 y cerrar Q3, en este caso la extincin es msrpida (fast decay), pero debe de asegurarse que se introduce un pequeo retardo entre ladesconexin de Q1 y la conexin de Q3 con el fin de evitar posibles cortocircuitos.


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Figura 2.32. Canal 1. Consigna de corriente.Canal 2 Tensin en resistencia de censado de corriente.

Figura 2.33. Recirculacin de corriente.

Drivers comerciales

Actualmente existen numerosos fabricantes de componentes que permiten el control de motoresde pasos, tanto unipolares como bipolares.

Esta amplia gama se puede catalogar en dos grandes grupos. El primero de ellos esta compuestopor componentes que por separado resuelven la etapa de potencia en un componente y en otrointegran el generador de secuencias de pulsos. El segundo grupo esta compuesto por toda unaserie de componentes que integran tanto la parte de potencia como la parte de control y

generacin de secuencias de impulsos.

En cuanto a los fabricantes se puede citar:

St Microelectronics: http://www.st.com

Texas Instruments: http://www.ti.com/

Allegro MicroSystems: http://www.allegromicro.com/

Intersil: http://www.intersil.com

taller motor pap

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