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Servomotores. Motores por pasos. Actuadores. Servomotores de corriente continua de imán permanente con o sin escobillas. Conmutadores de efecto Hall.

Servomotores, motores por pasos y actuadores para control de movimiento.

Muchos tipos de motores eléctricos han sido adaptados para su uso en sistemas de control de movimiento debido a sus características lineales. Esto incluye a los motores de corriente alterna lineales y motores rotativos, y los de corriente continua. Estos motores pueden a su vez ser clasificados en aquellos que pueden ser operados en servosistemas de lazo cerrado y aquellos que pueden ser operados en lazo abierto.

Los servomotores más populares son los servomotores rotativos de imán permanente de corriente continua, PM CC, que han sido adaptados de motores convencionales de imán permanente y corriente continua. Estos motores son típicamente clasificados como con escobillas o sin escobilles (brush-type and brushless). Los servomotores de corriente continua de imán permanente a escobillas (brush-type PM DC motors) incluyen aquellos con rotor bobinado y aquellos con menor peso, de armadura bobinada tipo copa y disco con menor inercia. Los motores sin escobillas tienen rotores de imán permanente y estatores bobinados.

Algunos sistemas de control de movimiento son comandados por servomotores lineales de dos partes que se mueven a lo largo de guías o recorridos. Son populares en aplicaciones donde los errores introducidos por los acoplamientos mecánicos entre los motores rotativos y la carga pueden introducir errores no deseados en el posicionamiento. Los motores lineales requieren lazos cerrados para su operación, y se deben tomar las previsiones de acomodar el movimiento hacia delante y hacia atrás de los cables de transporte de datos y alimentación adjuntos.

Los motores por pasos son generalmente usados en sistemas de control de movimiento menos exigentes, donde el posicionamiento de la carga por motores por pasos no es crítica para la aplicación. Un incremento de la precisión se puede obtener encapsulando los motores en lazos de control.

Servomotores de corriente continua de imán permanente.

Los motores rotativos de corriente continua de campo de imán permanente (en Inglés “permanent-magnet (PM) field DC rotary Motors”) han probado ser dispositivos de impulsión confiables para aplicaciones de control de movimiento, donde una alta eficiencia, un esfuerzo de torsión (torque) elevado y curvas de velocidad-torque sean características deseadas. Mientras estos dispositivos comparten muchas de las características de motores rotativos convencionales serie, con derivación y de devanado compuesto con escobillas y de corriente continua, los servomotores PM DC se incrementaron en popularidad con la introducción de magnetos mas fuertes de cerámica y tierras raras, hechos de materiales tales como neodimio-hierro-boro y el hecho de que estos motores pueden ser comandados fácilmente por controladores a microprocesador.

El reemplazo del campo devanado por imanes permanentes elimina la necesidad de separar la excitación de campo y las pérdidas eléctricas que ocurren en dichos devanados de campo. Debido a que existen tanto motores DC con o escobillas, el término motor DC ( o sea motor de corriente continua), implica que es del tipo con escobillas o requiere conmutación mecánica a no ser que sea modificado con el término “sin escobillas”.  Los servomotores PM DC con escobillas pueden además tener armaduras formadas como bobinas laminadas en formas de disco o copa. Son armaduras de bajo peso y poca inercia que permiten a los motores acelerar más rápido que las armaduras bobinadas convencionales mas pesadas.

La mayor intensidad de campo de los magnetos cerámicos o de tierras raras permitieron la construcción de motores de corriente continua más pequeños y livianos que los de generaciones anteriores de régimen similar con imanes de alnico ( aluminio-níquel-cobalto o AlNiCo ). Mas aún, los circuitos integrados y los microprocesadores han incrementado la confiabilidad y economía de los controladores de movimiento digitales y comandos potencia de motores o amplificadores, mientras les permitieron ser encapsulados en gabinetes mas chicos y livianos, reduciendo así el tamaño y peso del conjunto del sistema de control integrado.

Fig. 1-17: Vista en corte de un servomotor de corriente continua de iman permanente de fraccion de caballos de fuerza.

Servomotores tipo escobillas de imán permanente.

La característica de diseño que distingue al servomotor a escobillas de imán permanente  y corriente continua ( “brush-type PM DC servomotor” en Inglés), como se muestra en la figra 1-17, de otros motores a escobillas y corriente continua, es el uso de un campo de imán permanente para reemplazar al campo magnético generado por un bobinado. Como se mencionó previamente, esto elimina la necesidad de separar la excitación de campo y las pérdidas eléctricas que típicamente ocurren en los bobinados de campo.

Fig. 1-18. Una típica familia de curvas de velocidad/torque para un servomotor PM DC a diferentes entradas de voltaje, con incremento del voltaje de izquierda a derecha ( V1 a V5).

Los motores de corriente continua de imán permanente, como otros motores conmutados mecánicamente, son energizados a través de escobillas y un conmutador multisegmento. Mientras todos los motores de corriente continua operan sobre los mismos principios, sólo los motores PM DC tienen las curvas lineales de velocidad-torque mostradas en la figura 1-18, haciéndolos ideales para aplicaciones de servomotor de lazo cerrado y velocidad variable. Estas características lineales describen convenientemente todo el rango de desempeño del motor. Se puede observar que tanto la velocidad como el torque incrementan su linealidad con el voltaje aplicado, indicado en el diagrama como incremento de V1 a V5.

Los estores de motores PM DC tipo escobilla son de pares de polos magnéticos. Cuando el motor es energizado, las polaridades opuestas de los bobinados energizados y los imanes del estator se atraen, y el rotor gira para alinearse a sí mismo con el estator. Justo cuando el rotor alcanza el alineamiento, las escobillas se mueven sobre los segmentos del conmutador y energizan el próximo bobinado. Esta secuencia continua en tanto sea aplicada la alimentación eléctrica, manteniendo el rotor en continuo movimiento. El conmutador es alternado de los polos del rotor, y el número de sus segmentos es directamente proporcional al número de devanados. Si las conexiones de un motor PM DC son invertidas, el motor cambiará de dirección, pero podrá no operar tan eficientemente en la dirección inversa.

Motor tipo disco, de imán permanente y corriente continua.

La vista detallada de partes de un motor tipo disco (“disk-type PM DC Motors” en Inglés ) que se ve en la figura 1-19 tiene una armadura tipo disco con bobinados estampados y laminados. Este disco laminado no ferroso es hecho como estampado de cobre pegado entre capas aisladas de vidrio-epoxy y fijado a un eje axial. El campo del estator puede ser un anillo de muchos imanes cerámicos individuales como se ve, o un imán cerámico tipo anillo fijado al extremo de la campana en forma de plato, que completa el circuito magnético. Las escobillas presionadas a resorte se ubican directamente sobre barras conmutadoras estampadas.

Fig. 1-19. Vista detallada de partes de un servomotor PM DC con armadura tipo disco.

Estos motores son también llamados motores radiales ( ), porque están encapsulados en gabinetes con factores de forma delgada y plana cuyos diámetros exceden a sus longitudes, en forma similar a un panqueque, de ahí su nombre en Inglés. Generaciones anteriores de estos motores fueron llamados motores de circuito impreso (printed-circuit motors) debido a que los discos de armadura estaban hechos mediante un proceso de fabricación de circuitos impresos que ya está en desuso. El gabinete plano del motor concentra el centro de masa del motor cercano a la placa de montaje, permitiendo que sea fácil su montaje. Esto elimina el complejo sistema de sujeción y anclajes necesario para un motor convencional. El factor de forma de un motor tipo disco han hechos populares a estos motores como impulsores axiales para robots industriales donde el espacio es limitado.

La principal desventaja del motor tipo disco es la relativamente frágil construcción de su armadura y su inhabilidad para disipar calor tan rápidamente como los rotores de núcleo de hierro bobinado. Consecuentemente, estos motores son usualmente limitados a aplicaciones donde el motor puede hacerse funcionar bajo condiciones controladas y un ciclo de trabajo mas corto permite menor tiempo para que el calentamiento de la armadura pueda ser disipado.

Motores de corriente continua de imán permanente tipo copa.

Los motores de corriente continua tipo copa (Cup- or Shell-Type PM DC Motors) ofrecen características de baja inercia y baja inductancia así como alta aceleración, haciéndolos útiles en muchas servo aplicaciones. Disponen de armaduras huecas hechas de bobinados de aluminio o cobre pegados por resina de polímeros y fibra de vidrio para formar una rígida “copa sin hierro”, que es fijada a un eje axial. Una vista en corte de esta clase de servomotor está ilustrada en la figura 1-20.

 

Fig. 1-20. Vista detallada de partes de un servomotor PM DC con armadura tipo copa.

Debido a que la armadura no dispone de núcleo de hierro, la misma, como el motor de disco, tiene inercia extremadamente baja y elevada relación de torque a inercia. Esto permite al motor acelerar rápidamente con rápida respuesta requerida en muchas aplicaciones de control de movimiento. La armadura rota en un entrehierro de aire dentro de una elevada densidad de flujo magnético. El circuito del campo magnético de los magnetos estacionarios es completado a través de la armadura tipo copa y un núcleo cilíndrico ferroso estacionario conectado al gabinete del motor. El eje rota dentro del núcleo, que se extiende dentro de la copa rotativa. Escobillas a resorte conmutan estos motores.

Otra versión de un motor PM DC tipo copa es mostrado en la vista de partes detallada en la figura 1-21. La armadura tipo copa está rígidamente fijada al eje mediante un disco en el extremo derecho del bobinado, y el campo magnético es además retornado a través del gabinete de metal ferroso. El conjunto de escobillas de este motor están construidas sobre la tapa del extremo  o brida, mostrado en el extremo derecho.

La principal desventaja de este motor es además la dificultad de su armadura pegada, de disipar la acumulación de calentamiento interno en forma rápida debido a su baja conductividad térmica. Sin el correspondiente enfriamiento y circuito sensitivo electrónico, la armadura podría calentarse hasta temperaturas destructivas en segundos.

 

Figura 1-21. Vista detallada de partes de un servomotor DC de fracción de caballos de fuerza .

Motores sin escobillas de imán permanente y corriente continua.

Estos motores ( PM DC Motors) exhiben las mismas características de velocidad-torque como los motores PM DC tipo escobillas, pero son conmutados electrónicamente. La construcción de estos motores, como se muestra en la figura 1-22, difiere de aquella de un motor típico DC con escobillas en que son de “adentro hacia fuera”. En otras palabras, tienen rotores de imán permanente en lugar de estatores, y los estatores en lugar de los rotores son los que están bobinados. A pesar de que esta geometría es requerida para motores DC sin escobillas, algunos fabricantes han adaptado este diseño para motores DC tipo escobilla.

 

Fig. 1-22. Vista en corte de un motor DC sin escobillas.

La escobilla conmutadora y la barra conmutadora para el motor DC sin escobillas es reemplazado por sensores electrónicos, típicamente dispositivos de efecto Hall ( HEDs). Estos están localizados dentro de los bobinados del estator y cableados a circuitos de conmutación de estado sólido localizados sobre plaquetas de circuitos montadas dentro del gabinete del motor o gabinetes externos. Generalmente, sólo motores  sin escobillas de fracciones de caballo de fuerza tienen los circuitos electrónicos dentro de su gabinete.

Los rotores de magneto cilíndrico de motores DC sin escobillas son magnetizados lateralmente para formar polos opuestos sur y norte a los largo del diámetro del rotor. Estos rotores son hechos típicamente de materiales magnéticos de tierras raras de neodimio-hierro-boro o samario-cobalto, que ofrecen mayores densidades de flujo que los imanes de alnico. Estos materiales permiten que rotores que ofrecen mayor desempeño sean colocados dentro de armazones del mismo tamaño que los diseños de motores anteriores con el mismo régimen o que aquellos con iguales regímenes sean colocados en menores armazones que los diseños anteriores. Mas aún, los imanes de rotores de tierras raras o cerámicos pueden ser hechos con menores diámetros que aquellos modelos de versiones anteriores con imanes de alnico, reduciendo así la inercia.

Figura 1-23. Diagrama simplificado de un dispositivo de conmutación de (HED) para motor DC sin escobillas.

Un diagrama simplificado de un control de motor DC con un dispositivo de efecto Hall (HED) para el conmutador electrónico es mostrado en la figura 1-23. El HED es un sensor de integrado con un amplificador en un chip de silicio. Este circuito integrado es capaz de sensar la polaridad del campo magnético del rotor y luego enviar las señales apropiadas a los transistores de potencia T1 y T2 para hacer que el rotor del motor gire continuamente. Esto se lleva a cabo como sigue:

  1. Con el rotor sin movimiento, el HED detecta el polo norte magnético del rotor, produciendo una señal que excita el transistor T2. Esto hace que la corriente circule, energizando el bobinado W2 para formar un polo electromagnético de rotor orientado al sur. Este polo luego atrae el polo norte del imán para impulsar el rotor en una dirección antihoraria.
  2. La inercia del motor hace que el mismo pase su posición neutral de manera que el HED puede luego sensar el polo magnético sur del rotor. El mismo luego conmuta la excitación al transistor T1, haciendo que la corriente fluya en el bobinado W1, formando así un polo estator orientado al norte que atrae al polo sur del rotor, haciendo que la rotación continúe en la dirección antihoraria.

Los transistores conducen en la secuencia correcta para asegurar que la excitación en los bobinados del estator W2 y W1, siempre produzca un campo de giro del rotor de imán permanente que de un torque necesario para mantener el rotor en rotación constante. Los bobinados son energizados en un esquema que rota alrededor del estator.

Hay usualmente dos o tres HEDs en los motores prácticos sin escobillas que están espaciados entre sí por 90° o 120° alrededor del rotor del motor. Estos envían las señales al controlador de movimientos que es el que controla los transistores de potencia, que excita los bobinados de la armadura a un nivel de corriente y voltaje especificado.

El motor sin escobillas en la vista detallada de partes en la figura 1-24 ilustra un diseño para un motor DC sin escobillas miniatura que incluye conmutación de efecto Hall. El estator está formado como una manga de bobinas de cobre son hierro pegadas entre sí en resina de polímero y fibra de vidrio para formar una rígida estructura similar a los rotores tipo copa. Sin embargo, el mismo está fijado dentro de laminados de acero dentro del gabinete del motor.

Fig. 1-24. Vista detallada de partes de un motor de corriente continua sin escobillas, con conmutación de dispositivos de efecto Hall.

Este método de construcción permite un rango de valores para valores de corriente y de velocidad de arranque específicos (rpm/V) dependiendo del calibre del alambre del devanado y del número de vueltas. Varias resistencias terminales pueden ser obtenidas, permitiendo al usuario seleccionar el motor óptimo para una aplicación específica. Los sensores de efecto Hall y un pequeño disco de imán  que es magnetizado a lo ancho son montados sobre una partición en forma de discos dentro del gabinete del motor.

Determinación de la posición en motores sin escobillas.

Tanto los sensores magnéticos como los resolvers pueden sensar la posición del rotor en motores sin escobillas. El diagrama en la figura 1-25 muestra cómo tres sensores magnéticos pueden determinar la posición del rotor en un motor DC conmutado electrónicamente de tres fases. En éste ejemplo, los sensores magnéticos están localizados dentro de la campana extrema del motor. Esta versión económica es adecuada para controles simples.

En el diseño alternativo mostrado en la figura 1-26, un resolver en la tapa extrema del motor es usado para sensar la posición del rotor cuando mayor precisión de posicionamiento es requerida. Las señales de alta resolución del resolver pueden ser usadas para generar corrientes sinusoidales de motor dentro del controlador del mismo. Las corrientes a través de los tres devanados del motor son independientes de la posición y espaciadas en 120° por fase respectivamente.

 

Fig. 1-25. Un sensor magnético como indicador de posición de rotor: (1) bobinado estacionario de motor a escobillas , (2) rotor del motor de imán permanente. (3) campo magnético conmutado electrónicamente de tres fases, (4) tres sensores magnéticos, (5) plaqueta de circuito electrónica

Fig. 1-26. Un resolver como indicador de posición del rotor: (1) bobinado estacionario de motor, (2) rotor de motor de imán permanente, (3) campo conmutado electrónicamente de tres fases, (4) tres sensores magnéticos, (5) plaqueta de circuito electrónica

Ventajas de los motores sin escobillas.

Los motores sin escobillas tienen al menos cuatro diferentes ventajas sobre los motores tipo DC a escobillas, que son atribuibles al reemplazo de la conmutación mecánica por la conmutación electrónica.

  • No hay necesidad de reemplazar las escobillas o quitar residuos de resinosos causados por el desgaste de las escobillas del motor-.
  • Sin escobillas que causen chisporroteo eléctrico, los motores sin escobillas no presentan riesgo de fuego o explosión en un medio ambiente donde vapores inflamables o explosivos, polvo, o líquidos estén presentes.
  • La interferencia electromagnética (EMI) es minimizada al reemplazar la conmutación mecánica, fuente de radiofrecuencias no deseadas, por la conmutación electrónica.
  • Los motores sin escobillas pueden funcionar más rápida y eficientemente con conmutación electrónica. Velocidades de hasta 50.000 rpm pueden ser alcanzadas, en contraste con el límite superior de cerca de 5000 rpm para motores DC a escobillas.

Desventajas de los motores de corriente continua sin escobillas.

Existen al menos cuatro desventajas de los servomotores DC sin escobillas.

  • Los motores imán permanente de corriente continua (o sea PM DC) sin escobillas no pueden ser invertidos simplemente invirtiendo la polaridad de la fuente de alimentación. El orden en el cual la corriente es alimentada a la bobina de campo debe ser invertido.
  • Los servomotores DC sin escobillas cuestan más que los servomotores DC con escobillas de igual régimen.
  • Cableado adicional de sistema es requerido para alimentar el circuito de conmutación electrónica.
  • El controlador de movimiento y la electrónica de comando necesaria para operar un servomotor DC sin escobillas son más complejos y caros que aquellos requeridos para un servomotor DC convencional.

Consecuentemente, la selección de un motor sin escobillas es generalmente justificada sobre la base de requerimientos de aplicación específicos o el riesgo de su ambiente operativo.

 

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