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Servomotores lineales. Conmutación. Instalación. Ventajas y desventajas.

Servomotores lineales

Un motor lineal es esencialmente un motor rotativo que ha sido abierto en forma plana, pero opera con los mismos principios. Un motor  lineal de corriente continua de imán permanente es similar a un motor rotativo de imán permanente, y una jaula de ardilla de un motor de corriente alterna es similar a un motor lineal de inducción. La misma fuerza electromagnética que produce el torque en un motor rotativo, a la vez produce un torque en un motor lineal. Los motores lineales usan los mismos controles y controladores de posición programables que los motores rotativos.

Fig. 1-27. Principios operativos de un servomotor lineal

Antes de los motores lineales, la única forma de producir movimiento lineal era usar cilindros neumáticos o hidráulicos, o convertir movimiento rotativo en movimiento lineal con tornillos de bolas o bandas y poleas.

Un motor lineal consiste en dos conjuntos mecánicos: bobina y magneto (imán), como se ve en la figura 1-27. La corriente que fluye en una bobina en un campo de flujo magnético produce una fuerza. Las espiras de cobre conducen corriente (I), y el conjunto genera una densidad de flujo magnético (B). Cuando la corriente y el flujo magnético interactúan, una fuerza (F) es generada en la dirección mostrada en la figura 1-27, donde F= I x B.

Aún un pequeño motor funcionará eficientemente, y grandes fuerzas pueden ser creadas si un gran número de espiras son devanadas en la bobina y los magnetos son del tipo de tierras raras. Los bobinados están separados en 120° eléctricos, y los mismos deben ser continuamente conmutados para sostener el movimiento.

Sólo veremos aquí motores lineales sin escobillas para aplicaciones de servomotor de lazo cerrado. Dos tipos de estos motores están disponibles comercialmente – con núcleo de acero (también llamado núcleo de hierro) y núcleo de epoxi (también llamado núcleo sin hierro). Cada uno de estos servomotores lineales tiene características que son óptimas en diferentes aplicaciones.

Las espiras de motores de núcleo de acero están devanadas sobre acero al silicio para maximizar la fuerza generada disponible con un imán de lado único o dirección. La figura 1-28 muestra un motor lineal sin escobillas de núcleo de acero. El acero en estos motores concentra el flujo magnético para producir una densidad de muy elevada fuerza. El conjunto de imán consiste en barras imantadas de tierras raras montadas sobre la superficie superior de una placa base dispuesta de manera de tener polaridades alternadas. ( o sea N,S,N,S )

Fig. 1-28. Un servomotor lineal de núcleo de hierro consiste en un circuito magnético y su conjunto de bobinas correspondientes.

El acero en los núcleos es atraído a los imanes permanentes en una dirección que es perpendicular (normal) a la fuerza operativa del motor. La densidad de flujo magnético dentro del entrehierro de los motores lineales es típicamente de varios miles de gauss.

Una fuerza magnética constante está presente esté o no el motor energizado. La fuerza normal de la atracción magnética puede ser de hasta 10 veces el régimen de fuerza del motor. Este flujo disminuye rápidamente a unos pocos gauss a medida que el punto de medición es movido unos pocos centímetros de los imanes.

Una fuerza no uniforme o torque en la rotación del rotor (cogging en Inglés), es una forma de rotación que ocurre a tirones o incrementos magnéticos, y que se produce tanto en los motores lineales como rotativos cuando las láminas de acero del núcleo cruzan los polos alternativos de los imanes del motor. Debido a que esto puede ocurrir en motores con núcleo de acero, los fabricantes incluyen características para minimizar el cogging . Las elevadas fuerzas de empuje alcanzables con motores lineales de núcleo de acero, les permiten acelerar y mover pesadas masas mientras se mantiene la firmeza durante las operaciones de maquinado o proceso.

Las características de los motores de núcleo de epoxi o núcleo sin hierro difieren de aquellas de los motores con núcleo de acero. Por ejemplo, sus espiras están devanadas y encapsuladas dentro de epoxi para formar una delgada placa que es insertada en el entrehierro de aire entre dos bandas de imán permanente fijadas dentro del conjunto del imán, como se ve en la figura 1-29. Debido a que los devanados no contienen núcleos de acero, los motores sin núcleo de acero son mas livianos que los motores de núcleo de acero y menos sujetos al cogging .

Las bandas magnéticas están separadas para formar el entrehierro de aire dentro del cual el conjunto de bobinas es insertado. Este diseño maximiza la fuerza de empuje generada y proporciona además un paso de retorno de flujo para el circuito magnético. Consecuentemente, muy poco flujo magnético existe fuera del motor, minimizando así la atracción magnética residual.

Fig. 1-29. Un servomotor lineal sin núcleo de hierro consiste en un circuito magnético sin hierro y su correspondiente conjunto de bobinas sin núcleo de hierro.

Los motores con núcleo de epoxi proporcionan movimiento excepcionalmente estable, haciéndolos adecuados para aplicaciones que requieren muy poca fricción de soportes y alta aceleración de cargas livianas. Estos permiten además que una velocidad constante sea mantenida, aún a muy bajas velocidades.

Los servomotores pueden alcanzar precisiones de 0,1 µm. La aceleración normal es de 2 a 3 g., pero algunos motores pueden alcanzar 15g. Las velocidades están limitadas por el régimen de datos de un codificador y el voltaje del amplificador. Las velocidades de pico van desde 0,04 pulgadas/s. ( 1 nm/s) a aproximadamente 6,6 pies/s (2 m/s), pero la velocidad de algunos modelos puede exceder 26 pies/s ( 8m/s).

Conmutación

Los bobinados de motores lineales que están desfasados 120° deben ser continuamente conmutados para mantener el movimiento. Hay dos maneras de conmutar motores lineales: en forma sinusoidal y dispositivos de efecto Hall (HED), o trapezoidal. La mayor eficiencia del motor es alcanzada con conmutación sinusoidal, mientras que la conmutación HED es de aproximadamente 10 a 15% menos eficiente.

En conmutación sinusoidal, el codificador lineal que proporciona la retroalimentación en el servosistema es además usado para conmutar el motor. Un proceso llamado “búsqueda de fase” (phase finding) es requerido cuando el motor es encendido, y las fases del motor son luego avanzadas incrementalmente con cada pulso del codificador. Esto produce un movimiento extremadamente estable. En conmutación HED una plaqueta de circuito conteniendo circuitos integrados de efecto Hall está integrada al conjunto de bobinas. Los sensores HED detectan el cambio de polaridad en el recorrido del imán y conmutan las fases del motor cada 60°.

La conmutación sinusoidal es mas eficiente que la conmutación HED debido a que las espiras de las bobinas en los motores diseñados para este método de conmutación son configuradas para proporcionar una fuerza electromagnética con formato sinusoidal. Como resultado, los motores producen una salida de fuerza constante cuando el voltaje de comando en cada fase.

Como resultado, los motores producen una salida de fuerza constante cuando el voltaje de comando en cada fase iguala a la  forma de onda de la fuerza contraelectromotriz.

Instalación de motores lineales.

En una aplicación típica de motor lineal las espiras son fijadas al miembro móvil de la máquina que las soporta y el imán es montado sobra la base no móvil o bastidor. Estos motores pueden ser montados verticalmente, pero en ese caso requieren típicamente un sistema de contrabalanceo para evitar que la carga caiga si la alimentación falla temporariamente  o es rutinariamente desconectada. El sistema de contrabalanceo, típicamente formado por poleas y pesos, resortes, o cilindros de aire, soportan la carga contra la fuerza de gravedad.

Si hay falta de energía, el servocontrol es interrumpido. Las etapas en movimiento tienden a permanecer en movimiento, mientras que las que están detenidas tienden a seguir así. El tiempo de parada y la distancia depende de la velocidad inicial de las etapas y la fricción del sistema. La fuerza contraelectromotriz del sistema puede proporcionar un freno dinámico, y frenos de fricción pueden ser usados para atenuar el movimiento rápidamente. Sin embargo, paradas positivas y los límites de carrera pueden ser colocados en la etapa de movimiento para evitar daños en situaciones donde la energía o la realimentación pueden ser perdidas o el controlador o el servo fallan.

Los servomotores lineales son suministrados al cliente en forma de juegos de partes para montaje sobre la máquina de alojamiento. La estructura de la máquina de alojamiento debe incluir la estructura capaz de soportar la masa de las partes del motor, manteniendo a la vez el entrehierro de aire entre los conjuntos y resistir la fuerza normal de cualquier atracción magnética residual.

Los motores lineales deben ser usados en sistemas de posicionamiento de lazo cerrado, debido a que éstos no incluyen medios propios de detectar su posicionamiento. Una retroalimentación es suministrada por sensores tales como codificadores lineales, interferómetros láser, LVDTs, o sensores Inductosyn lineales.

Ventajas de los servomotores lineales versus los rotativos.

Las ventajas de los servomotores lineales sobre los servomotores rotativos incluyen:

  • Rigidez elevada: el motor lineal está conectado directamente a la carga móvil, por lo tanto no existe juego ni prácticamente ningún desplazamiento entre el motor y la carga. La carga se mueve en forma instantánea en respuesta al movimiento del motor.
  • Simplicidad mecánica: el juego de bobinas es la única parte móvil del motor, y su conjunto de imanes está rígidamente montado a una estructura estacionaria sobre la máquina de alojamiento. Algunos fabricantes de motores lineales ofrecen conjuntos magnéticos modulares en varias longitudes de módulo. Esto permite al usuario formar un recorrido de cualquier longitud deseada uniendo los módulos extremo con extremo, permitiendo un recorrido virtualmente ilimitado. La fuerza producida por el motor es aplicada directamente a la carga sin acoplamientos, rodamientos, u otros mecanismos de conversión. Los únicos alineamientos requeridos son para los entrehierros o espacios de aire, que típicamente van de los 0,039 pulgadas (1 mm) a 0,020 pulgadas (0,5mm).
  • Elevadas aceleraciones y velocidades: debido a que no existe contacto físico entre los conjuntos de bobinas e imanes, son posibles altas aceleraciones y velocidades. Los grandes motores son capaces de aceleraciones de 3 a 5g, pero motores mas pequeños son capaces de mas de 10g .
  • Altas velocidades: las velocidades están limitadas al régimen de datos del codificador y al bus de voltajes del amplificador. Velocidades pico normales llegan hasta 6,6 pies/s (2 m/s), a pesar de que algunos modelos pueden alcanzar los 26 pies/s (8 m/s). Esto se compara con las velocidades lineales de los tornillos a bolas, que son comúnmente limitadas de 20 a 30 pulgadas/s (0,5 a 0,7 m/s) debido a la resonancia y al desgaste.
  • Alta precisión y repetibilidad: los motores lineales con codificadores de retroalimentación de posición pueden alcanzar precisiones de posicionamiento de ± 1 ciclo de codificador o de dimensión de submicrómetro, limitado sólo por la resolución de la retroalimentación del codificador.
  • Sin juego mecánico o desgaste: sin contacto entre las partes móviles, los motores lineales no se desgastan. Esto minimiza el mantenimiento y los hace adecuados para aplicaciones donde una larga vida y picos de performance de largo tiempo son requeridos.
  • Reducción de tamaño del sistema: con el bobinado fijado a la carga, no se requiere espacio adicional. Por el contrario, los motores rotativos típicamente requieren tornillos a bolas, transmisión por cremallera y piñón, y correas de transporte.
  • Compatibilidad con locales limpios: los motores lineales pueden ser usados en locales limpios porque no necesitan lubricación y no producen gravilla o desechos de las escobillas.

Bobinado y disipación de calor.

El control de calor es más crítico en motores lineales que en motores rotativos debido a que los mismos no poseen armazones de metal o gabinetes que puedan actuar como grandes superficies disipadoras de calor. Algunos motores rotativos tienen aletas radiantes sobre sus superficies,  que cumplen la función de aumentar la capacidad de disipación del calor de los armazones. Los motores lineales deben depender de una combinación de alta eficiencia del motor y una buena conducción térmica desde los bobinados a una masa conductora del calor y eléctricamente aislada. Por ejemplo, una barra de fijación de aluminio colocada en un estrecho contacto con los bobinados puede ayudar en la disipación del calor. Más aún, la placa de transporte a la cual la bobina está fijada debe disponer de una efectiva capacidad de disipación del calor.

Motores por pasos

Un motor por pasos (stepper or stepping motor) es un motor de corriente alterna cuyo eje es indexado en parte de una revolución o ángulo de paso por cada pulso de corriente continua enviado al mismo. Los trenes de pulsos proporcionan la corriente de entrada al motor en incrementos que pueden “dar un paso” al motor a través de los 360°, y la rotación angular real del eje está directamente relacionada con el número de pulsos introducidos. La posición de la carga puede ser determinada con precisión razonable contando los pulsos ingresados.

El motor por pasos adecuado para la mayor parte de las aplicaciones de control de movimiento de lazo abierto son con bobinado de campo de estator (espiras electromagnéticas) y de rotores de hierro o imán permanente. A diferencia de los servomotores PM DC con conmutadores mecánicos tipo escobilla, los motores por pasos dependen de controladores externos para el suministro de pulsos para la conmutación. La operación de los motores por pasos está basada en los mismos principios electromagnéticos de atracción y repulsión como otros motores, pero su conmutación proporciona sólo el torque requerido para girar sus rotores.

Los pulsos del controlador externo del motor determina la amplitud y dirección del flujo de corriente en los bobinados de campo del estator, y los mismos pueden girar el rotor del motor en sentido horario u antihorario, y mantenerlo en posición seguramente en la posición deseada. La velocidad rotacional del rotor depende de la frecuencia de los pulsos. Debido a que los controladores pueden dar pasos a la mayoría de los motores a frecuencias de audio, sus rotores pueden girar rápidamente.

Entre la aplicación de los pulsos, cuando el motor está detenido, su armadura no se moverá de su posición estacionaria debido a la habilidad de ubicación en una posición inherente al motor por pasos o torque de detención (detent torque). Estos motores generan muy poco calor mientras están estacionarios, haciéndolos adecuados para muchas aplicaciones de instrumentos impulsados a motor en los cuales la potencia está limitada.

Los tres tipos básicos de motores por pasos son de imán permanente, reluctancia variable e híbridos. El mismo circuito controlador puede comandar tanto los motores híbridos como los motores de imanes permanentes.

Motores por pasos de imán permanente (PM)

Los motores por pasos de imán permanente tienen armaduras que incluyen un núcleo de imán permanente que es magnetizado a los ancho o en forma perpendicular a su eje de rotación. Estos motores usualmente tienen dos bobinados independientes, con o sin derivación central. Los ángulos de paso más comunes para los motores PM son 45° y 90°, pero los motores con ángulos de paso tan fino como 1,8° por paso así como 7,5 ; 15 ; y 30° por paso son generalmente disponibles.

La rotación de armadura ocurre cuando los polos del estator son alternativamente energizados y desenergizados para crear el torque. Un motor por pasos de 90° tiene cuatro polos y un motor de 45° tiene ocho polos, y estos polos deben ser energizados en forma secuencial. Los motores por pasos de imán permanente dan pasos a regímenes relativamente bajos, pero pueden producir elevados torques y tiene características de amortiguación elevadas.

Motores por pasos de reluctancia variable.

Los motores por pasos de reluctancia variable (VR) tienen armaduras de múltiples dientes, constituyendo cada diente un imán individual. . En estado estacionario estos magnetos se alinean entre sí en una posición estable natural, para proporcionar un elevado torque de mantenimiento en dicha posición que puede ser obtenida con un motor por pasos de imán permanente de régimen similar. Los motores VR típicos tienen ángulos de 15° y 30° por paso. El ángulo de 30° es obtenido con un rotor de 4 dientes y un estator de 6 polos, y el ángulo de 15° es alcanzado con un rotor de 8 dientes y un estator de 12 polos.  Estos motores típicamente tienen 3 bobinados con un retorno común, pero están disponibles con cuatro o cinco bobinados. Para obtener una rotación continua, se debe aplicar alimentación a los bobinados en una secuencia coordinada de desenergizar y energizar alternativamente los polos.

Si sólo un devanado de bobinado de un motor por pasos tanto PM como VR es energizado, el rotor ( sin carga) saltará a un ángulo fijo y mantendrá ese ángulo hasta que un torque externo exceda al torque de mantenimiento del motor. En ese punto, el rotor girará, pero todavía tratara de mantener su posición en cada punto de equilibrio sucesivo.

Motores por pasos híbridos.

El motor por pasos híbrido combina las mejores características de los motores por pasos VR y PM. Una vista en corte de un motor por pasos híbrido de uso industrial con una armadura de dientes múltiples es mostrada en la figura 1-30. La armadura es construida en dos secciones, con los dientes en la segunda sección desplazados de aquellos en la primera. Estos motores tienen además polos estatores de dientes múltiples que no son visibles en la figura. Los motores por pasos híbridos pueden alcanzar altos regímenes de pasos, y ofrecen elevado torque estacionario y excelente torque dinámico y estático.

Fig. 1-30. Vista transversal de partes de un motor híbrido por pasos de 5 fases. Un imán permanente está dentro del bloque del rotor, y los segmentos de rotor están desplazados entre sí en 3,5°

Los motores por pasos híbridos tienen dos bobinados en cada polo estator, de manera que cada polo puede volverse norte o sur magnético, dependiendo del sentido de circulación de la corriente. Una vista de sección transversal de un motor por pasos híbrido ilustrando los polos de dientes múltiples con bobinados duales por polo y el rotor de dientes múltiples  es ilustrada en la figura 1-31. El eje es representado por el círculo central en el diagrama.

Fig. 1-31. Sección transversal de un motor por pasos híbrido mostrando los segmentos del núcleo rotor magnético y los polos estatores con su diagrama eléctrico.

Los motores híbridos por pasos más populares tienen cableados de 3 y 5 fases, y ángulos de paso de 1,8 y 3,6° por paso. Estos motores por pasos pueden proporcionar mas torque para un armazón dado que otros tipos de motores por pasos debido a que todos o todos menos uno de los bobinados del motor son energizados en cada punto en el ciclo de impulsión. Algunos motores de 5 fases tiene elevadas resoluciones de 0,72° por paso ( 500 pasos por revolución). Con un controlador compatible, la mayoría de los PM y motores híbridos pueden ser hechos funcionar en medio paso, o micropasos. Motores por pasos híbridos que son capaces de alcanzar un amplio rango de valores de torque están disponibles comercialmente. Este rango es alcanzado escalando las dimensiones de longitud y diámetro.

Los motores por pasos híbridos están disponibles en tamaño NEMA de 17 a 42 cuadros, y la potencia de salida puede ser tan alta como 1000 W de pico.

Aplicación de los motores por pasos.

Muchos y variados factores técnicos y económicos deben ser considerados al seleccionar un motor por pasos híbrido. Por ejemplo, la habilidad del motor por pasos de repetir el posicionamiento de su rotor de dientes múltiples depende de su geometría. Una desventaja del motor por pasos híbrido operando en lazo abierto es que, si se sobrepasa su torque, su “memoria” de posición se perderá y el sistema debe ser reinicializado. Los motores por pasos pueden llevar a cabo un posicionamiento preciso en sistemas de control de lazo abierto si operan a bajos regímenes de aceleración con cargas estáticas. Sin embargo, si valores mayores de aceleración son requeridos para mover cargas variables, los motores por pasos deben ser operados en un lazo cerrado con un sensor de posición.

Actuadores lineales de corriente continua y corriente alterna (DC y AC).

Los actuadores para sistemas de control de movimiento están disponibles de muchas maneras, incluyendo sus  variaciones lineales y rotativas. Una configuración popular es una Thompson Saginaw PPA, mostrada en la sección en corte de la figura 1-32- La misma consiste en un motor AC o DC montado en forma paralela  a un tornillo de bolas o un tornillo ACME a través de un engranaje de reducción con un contacto deslizante y un freno integral.  Los actuadores lineales de éste tipo pueden llevar a cabo un amplio rango de aplicaciones comerciales, industriales e institucionales.

Una versión diseñada para aplicaciones móviles puede ser impulsada por un motor de imán permanente de 12, 24 o 36 VDC (voltios de corriente continua). Estos motores son capaces de llevar a cabo tareas tales como el posicionamiento de antenas reflectoras, apertura y cierre de compuertas de seguridad, tratamiento de materiales, y elevación y descenso de tablas de elevación tipo tijeras, cobertura de máquinas, y brazos de grúas de brazo horizontal de alta exigencia.

Otros actuadores lineales están diseñados para su uso en ubicaciones fijas donde una tensión de suministro de línea de 120 ó 220 VAC está disponible. Los mismos pueden estar equipados con motores de corriente continua o corriente alterna ( AC o DC). Estos motores de 120 VAC pueden estar equipados con frenos eléctricos opcionales que virtualmente eliminan la inercia, permitiendo así desplazamientos de punta a punta a lo largo de la carrera.

Donde sea deseable una velocidad variable y esté disponible una tensión de 120 VAC, un actuador lineal con un motor de 90 VDC puede ser equipado con un controlador de velocidad a rectificador de estado sólido. La retroalimentación de lazo cerrado proporciona regulación de velocidad hasta un décimo del régimen máximo de carrera. Este sistema de retroalimentación puede mantener su régimen de carrera seleccionado a pesar de grandes cambios.

Figura 1-32. Este actuador lineal puede ser alimentado tanto por un motor AC o DC. El mismo contiene tornillo a bolas, caja de reducción, embrague, y sistema de freno. Cortesía de Thomson Saginaw.

Thomson Saginaw ofrece además sus actuadores lineales tanto con sensores de efecto Hall como de potenciómetro para aplicaciones donde es necesario o deseable controlar el posicionamiento del actuador. Con sensado de efecto Hall, seis pulsos son generados por cada giro del eje motriz durante el cual la carrera se desplaza aproximadamente 1/32”  ( 0,033 pulgadas o 0,84mm). Estos pulsos pueden ser contados por una unidad de control separada y sumada o sustraída del conteo de pulsos almacenado en la memoria de la unidad. El actuador puede ser detenido en cualquier incremento de desplazamiento de 0,033 pulgadas a lo largo la carrera seleccionada por programación. Un interruptor de fin de carrera puede ser usado junto con el sensor.

Actuadores lineales basados en motores por pasos.

Los actuadores lineales están disponibles con eje motriz axial lineal roscado y tuercas de perno que convierten el movimiento rotativo en movimiento lineal. Impulsados mediante motores por pasos de imán permanente de fracción de caballos de fuerza, estos actuadores lineales son capaces de posicionar cargas livianas. Los pulsos digitales suministrados al actuador hacen que el eje roscado rote, avanzando o retrocediendo de manera que la carga acoplada al eje pueda ser movida hacia adelante o hacia atrás. El actuador lineal digital bidireccional mostrado en la figura 1-33 puede proporcionar resolución lineal tan fina como 0,001 pulgadas por pulso. El desplazamiento por paso es determinado por el paso del tornillo de desplazamiento y el ángulo de paso del motor. La máxima fuerza lineal para el modelo mostrado es de 75 onzas.

Fig. 1-33. Este actuador lineal de baja exigencia basado en un motor  por pasos de imán permanente tiene un eje motriz que avanza o retrocede.

 

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