Se presentan los motores paso a paso: desde la mecánica básica hasta los sistemas de control avanzados

Motores paso a paso altamente confiables: potencia y precisión en control de precisión

Los motores paso a paso a menudo están infravalorados en comparación con los servomotores, pero ofrecen una confiabilidad comparable. Estos motores se sincronizan con precisión con las señales de pulso de los controladores a los controladores, lo que permite un posicionamiento preciso y control de velocidad. Con un par alto de torque de baja velocidad y una vibración mínima, sobresalen en aplicaciones de posposición rápida de corta distancia.

Motores paso a paso: una guía completa de principios, tipos y aplicaciones

"¿Motores paso a paso? Los servomotores deben funcionar mejor". Este es un concepto erróneo común al discutir motores paso a paso. En realidad, los motores paso a paso se destacan en diversas aplicaciones, desde equipos industriales avanzados hasta instrumentos automatizados cotidianos. Este artículo desempaqueta por qué siguen siendo una opción principal para los sistemas impulsados ​​por la precisión.

Si bien algunos pueden pasar por alto los motores paso a paso, su papel en el control de alta precisión es fundamental en todas las industrias. Enumeran la automatización de la fábrica (FA), los equipos de fabricación de paneles de semiconductores/FPD/solar, dispositivos médicos, instrumentos analíticos, etapas de precisión, sistemas financieros, máquinas de envasado de alimentos e incluso ajustes de apertura de cámara, lo que aumenta su versatilidad en entornos exigentes y críticos.

¿Por qué usas un motor paso a paso?

Fácil de usar: 34%
Bato: 17%
Operaciones simples: 16%
No hay necesidad de ajuste: 12%
Otro: 21%
*# de cuestionarios: 258 (respuestas múltiples permitidas)/ investigado por Oriental Motor

Ventajas clave: fácil de usar, operación simple y bajo costo

Según una encuesta de usuarios de motores paso a paso, muchos los favorecen por su facilidad de uso, operación simple y bajo costo, beneficios directamente vinculados a su diseño estructural y de sistema. La mecánica directa y la configuración de los motores paso a paso explican naturalmente estas ventajas. Sin embargo, algunos lectores pueden cuestionar su precisión y rendimiento de torque. Tales dudas se abordan mejor a través de comparaciones directas con otros motores de control como los servos. Al comprender las características del motor paso a paso y igualarlas con las necesidades operativas, los usuarios pueden reducir efectivamente los costos del equipo. A continuación, desglosamos sus características clave e ideas técnicas:

Precisión alta de detención con rendimiento rápido de baja/mediana velocidad

Los motores paso a paso ofrecen una precisión excepcional de detención y habilitan un control preciso de circuito abierto. Por ejemplo, la serie RK II logra ± 0.05 ° Precisión de detención (sin carga) al colocar una tabla giratoria. Sin errores de paso acumulativo, aseguran un posicionamiento constante de alta precisión. Su diseño sin codificador simplifica el sistema de accionamiento, reduciendo los costos mientras mantiene la confiabilidad.

Punto 1
Fantástica precisión de parada

Por ejemplo, al convertir la precisión de detención ± 0.05 ° de un motor paso a paso al mecanismo de tornillo de bola:

Condiciones de funcionamiento:
• Motor: serie RK II

• Cape del tornillo de bola: 10 mm

Precisión de parada: ± 1.4 µ-M

En general, la precisión de un tipo de tornillo de bola molida es de ± 10 µm. Cuando se usa un tipo de tornillo de bola enrollada, su precisión disminuye a ± 20 µm, lo que indica que la precisión de detención de un motor paso a paso es mucho mayor que la de los tipos de tornillos de bola.

Los motores paso a paso se destacan en un par de baja/media velocidad, un diferenciador clave de los servomotores, que ofrecen un par constante a través de velocidades medias a alta y se adaptan a tareas de rotación de alta rotas. A diferencia de los servos, los motores paso a paso cuentan con una curva de torque no plana: el par máximo a baja/mediana velocidad cae significativamente a altas velocidades. Esto los hace ideales para aplicaciones de accidente cerebrovascular (por ejemplo, rotaciones limitadas), donde proporcionan:

• Alto torque a velocidades requeridas para posicionamiento rápido en tareas como tablas de rotación múltiple o avance.
• Rendimiento estable a baja velocidad (un desafío para los servos), con una necesidad mínima de operación de alta velocidad, desde que se desaceleran las tareas de accidente cerebrovascular y se detienen antes de alcanzar las rpm máximas.

En resumen, los esteperios optimizan para el torque donde más importa: el rango de baja/media velocidad crítico para aplicaciones de corta distancia e impulsadas por precisión.

Alta capacidad de respuesta y excelente sincronización

La tercera característica sobresaliente de Stepper Motors es su capacidad de respuesta. Con el control de bucle abierto, que envía comandos unidireccionales al motor, los motores paso a paso pueden sincronizarse altamente con señales de comando. En contraste, los servomotores dependen de la retroalimentación del codificador, a menudo causando retrasos en los comandos. Sin embargo, los motores paso a paso operan en tiempo real con pulsos entrantes, minimizando la latencia y garantizando una respuesta rápida.

Esto hace que los motores paso a paso sean ideales para aplicaciones que requieren sincronización multimotor. Por ejemplo, en los sistemas de transferencia de tableros con dos transportadores, cada uno impulsado por un motor separado, los motores paso a paso pueden coordinar con precisión los movimientos, asegurando la transferencia de placa sin problemas entre los transportadores.

Punto 2
¡Excelente rango de baja / mediana velocidad!

Ejemplo: el par de un tamaño de marco motor 85 mm es equivalente a un par nominal de un servomotor de 400 W cuando 1000 r/min.

El par en un rango de velocidad aún más bajo puede ser hasta 5 veces mayor. Para un posicionamiento de corta distancia, es esencial tener un par alto en el rango de baja / media velocidad.

Punto 3
¡Alta capacidad de respuesta!

Aplicaciones adecuadas

Además de una aplicación de avance con inicio y detención frecuentes, los motores paso a paso son adecuados para el posicionamiento de los procesadores de verificación de imágenes que no les gustan las vibraciones, las unidades de cámara que serían difíciles de ajustar con los servomotores y mecanismos de baja rigidez, como una transmisión de cinturón. Además, el costo se reduce significativamente al reemplazar una unidad de tornillo de bola a una transmisión de correa.

Ventaja de excelentes características

Además de la reducción de costos, los motores paso a paso tienen muchas ventajas en términos de rendimiento. El siguiente cuadro muestra el par de conversión del ejemplo de la serie RKII al de los rangos típicos de servo de servo. Se introduce información más abajo, detallada sobre motores paso a paso, como estructura básica, sistema y aplicaciones de ejemplo, para obtener más información sobre motores paso a paso.

Conceptos básicos de los motores paso a paso

Operación y estructura

Un motor paso a paso gira con un ángulo de paso fijo, al igual que la segunda mano de un reloj. Se puede realizar un posicionamiento altamente preciso con control de circuito abierto gracias a la estructura mecánica dentro del motor.

Posicionamiento preciso (número de pasos)

Si bien tiene un control total de la rotación y la velocidad, la estructura simple de los motores paso a paso se logra sin usar componentes eléctricos, como un codificador dentro del motor. Por esta razón, los motores paso a paso son muy robustos y tienen una alta confiabilidad con muy pocas fallas. En cuanto a la precisión de detención, ± 0.05 ° (sin errores de tono acumulativo) es muy preciso. Debido a que el posicionamiento de los motores paso a paso se realiza mediante control de circuito abierto y operado por el estator magnetizado y el rotor magnético con dientes pequeños, los motores paso a paso tienen un mecanismo de seguimiento más alto hacia los comandos que el de los servomotores. Además, no se produce caza al detener los motores paso a paso. También son excelentes en las unidades de cinturón, que tienen baja rigidez.

Útil para el control de velocidad y el control de posición

Cuando los pulsos se ingresan a un controlador a través de un generador de pulso, la posición de los motores paso a paso de acuerdo con el número de pulsos de entrada. El ángulo de paso básico de los motores paso a paso de 5 fases es 0.72 ° y 1.8 ° para motores de paso a paso 2 fases. La velocidad de rotación del motor paso a paso está determinada por la velocidad de la frecuencia de pulso (Hz) dada al conductor, y es posible cambiar libremente la rotación del motor simplemente cambiando el número de pulsos o frecuencias de entrada al controlador. Los motores paso a paso no solo sirven como motores de control de posición, sino también como motores de control de velocidad con alta sincronización.

STEPPER Motors usa:

• Posicionamiento repetitivo de alta frecuencia de ángulos de pasos fijos
• Posicionamiento que requiere un tiempo de detención largo debido al ajuste de ancho, etc.
• Fluctuar cargas y cambiar la rigidez
• Posicionamiento que divide 1 ciclo
• Los ejes de motor que requieren operación síncrona

Sistema operativo

Control simple sin sensor ni retroalimentación

Debido a que es posible realizar una posición precisa y control de posición mientras se sincroniza con el número de pulsos y velocidad de comando, no hay necesidad de dispositivos, como un sensor, para el posicionamiento. Por lo tanto, todo el sistema es fácil de construir. Si no se requiere un control avanzado, como una operación de interpolación, se recomienda el controlador de función del controlador incorporado. El costo se reduce eliminando los controladores, como un generador de pulso y módulos de posicionamiento PLC.

Tipo de circuito cerrado del sensor incorporado

Aunque el posicionamiento de alta precisión es posible con el control de bucle abierto, ¿qué pasaría si ocurriera un problema? Para evitar tales dificultades, se puede usar un tipo de codificador o un motor de control de circuito cerrado de sensor incorporado (serie AR).

¿Se puede reducir aún más el costo?

El problema común entre los ingenieros de diseño es la reducción de costos. ¿Realmente no hay forma de reducir aún más los costos? Para descubrir una prueba de reducción de costos, con mejoras de especificaciones, se realizó en función del mecanismo de tornillo de bola. Lo siguiente explica los detalles de la prueba:

Misión

Mecanismo de movimiento lineal

1. Aumento adicional de la velocidad
2. Reducir aún más el costo
[Condiciones del equipo planificado originalmente] Mecanismo: Tornillo de bola + condiciones del servomotor, como una carga, velocidad y plomo, que se muestra a la derecha, se determinan en función del servomotor unido con tornillos de bolas y placa de acero.

Plan

Cambiar el mecanismo a la polea de la correa
• Tornillo de bola Si intenta aumentar la velocidad => El mecanismo de la correa puede ser más adecuado => 1000 mm/seg a 1500 mm/seg es posible con el mecanismo de la correa. Cambie al cinturón si no hay ningún problema con la precisión del posicionamiento. • Reduzca el costo significativamente si es posible cambiar a la correa => La correa es económica, pero su baja rigidez puede afectar la estabilidad del funcionamiento del servomotor, incluso con un ajuste automático.

Problemas

1. Diferencia en la precisión de detener entre el tornillo y el cinturón ... ¿Cuánta precisión de detención se requiere?
2. Impacto de la baja rigidez ... Impacto en el tiempo de asentamiento, evitando el problema de ajuste
• Mejor precisión de parada con el tornillo. ¿No hay problema para cambiar al cinturón? => La precisión de parada requerida de la aplicación es ± 0.05 ~ 0.1 mm, que no es tan precisa como la del tornillo. Por lo tanto, debería estar bien reemplazar con el cinturón.
• Si cambia a la correa, la rigidez en el mecanismo se baja, por lo tanto, los movimientos del servomotor se vuelven inestables. => Entre los motores de posicionamiento, los motores paso a paso no tienen un codificador incorporado. Por esta razón, no requieren ajuste y son fuertes contra la baja rigidez. Sus movimientos son estables independientemente de las cargas fluctuantes. Si la salida es la misma, considere los motores paso a paso.

Estimación

Mecanismo: Polea de la correa + motor: intente con motor paso a paso

Problemas

1. Diferencia en la precisión de detener entre el tornillo y el cinturón ... ¿Cuánta precisión de detención se requiere?
2. Impacto de la baja rigidez ... Impacto en el tiempo de asentamiento, evitando el problema de ajuste
• Mejor precisión de parada con el tornillo. ¿No hay problema para cambiar al cinturón? => La precisión de parada requerida de la aplicación es ± 0.05 ~ 0.1 mm, que no es tan precisa como la del tornillo. Por lo tanto, debería estar bien reemplazar con el cinturón.
• Si cambia a la correa, la rigidez en el mecanismo se baja, por lo tanto, los movimientos del servomotor se vuelven inestables. => Entre los motores de posicionamiento, los motores paso a paso no tienen un codificador incorporado. Por esta razón, no requieren ajuste y son fuertes contra la baja rigidez. Sus movimientos son estables independientemente de las cargas fluctuantes. Si la salida es la misma, considere los motores paso a paso.

Estimación

Mecanismo: Polea de la correa + motor: intente con motor paso a paso

• Masa transportable -> Máx. Carga permitida 7 kg • Velocidad de viaje -> mejorado a 800 mm/ seg motor => Al cambiar del motor paso a paso al servomotor, costo reducido en un 50%! Mecanismo => Al cambiar de tornillo de bola a mecanismo de correa, ¡un costo reducido en un 7%!

Resultados

¡Había mucho espacio para la reducción de costos!
Al realizar una revisión basada en cero del mecanismo, así como la selección del motor en función de las características, logramos aumentar las especificaciones y reducir los costos, incluso con el tamaño del motor se hizo ligeramente más grande. En el pasado, la selección del motor se realizó en función de su facilidad de uso o familiaridad. Después de este ejercicio, las diferencias de operaciones entre los servomotores y los motores paso a paso se aclararon. Fue sorprendente que los motores paso a paso son más asequibles de lo esperado. Debe haber espacio para la reducción de costos de otros dispositivos utilizando este método. Este ejercicio reaccionó que la clave es la clave de la selección bien equilibrada entre las especificaciones del motor y el costo, mientras que maximizar las características del motor es la clave.

¿Cuál tiene una mayor precisión de detención: motor paso a paso o servomotor?

Consulta del cliente: Buscando un motor con buena precisión de parada. ¿Cuánta diferencia hay entre los motores paso a paso y los servomotores?

Asunción: la serie AC Servo Motor NX está equipada con un codificador de 20 bits, por lo que debería tener una resolución fina y una buena precisión de detención.

Primero, es necesario aclarar la diferencia entre la resolución y la precisión de detención: la resolución es el número de pasos por revolución y también se llama un ángulo de paso para los motores paso a paso. Es necesario al considerar cuán preciso debe ser el posicionamiento requerido. La precisión de detención es la diferencia entre la posición de parada real y la posición de parada teórica.

¿Significa esto que el servomotor de aire acondicionado equipado con un codificador de alta precisión tiene una mejor precisión de detención que los motores paso a paso?
No exactamente. En el pasado no había problemas con el concepto de "detener la precisión de los servomotores iguales a la resolución del codificador dentro del pulso ± 1". Sin embargo, los servomotores recientes están equipados con el codificador de 20 bits (1,048,576 pasos) que tiene una resolución muy fina. Debido a esto, los errores debidos a la precisión de la instalación del codificador tienen un gran efecto en la precisión de detención. Por lo tanto, el concepto de precisión de detención ha comenzado a cambiar ligeramente.
Según las tablas de comparación, la precisión de detención entre los motores paso a paso y los servomotores de CA es casi la misma (± 0.02º ~ 0.03º). La precisión depende de la precisión mecánica del motor para los motores paso a paso, por lo tanto, si la posición de parada se puede hacer por 7.2º, el posicionamiento se realiza mediante los mismos dientes pequeños en el rotor en todo momento, según la estructura del motor. Esto permite mejorar aún más la precisión de detención.
Sin embargo, los motores paso a paso pueden generar un ángulo de desplazamiento dependiendo del valor del par de carga. Además, dependiendo de la condición del mecanismo, los servomotores de CA pueden tener un ancho de caza más amplio como respuesta para obtener ajustes. Por estas razones, se requiere cierta precaución.

Comparación de la precisión de detención entre los motores paso a paso y los servomotores de aire acondicionado