Motores PAP Unipolares. Destruyendo mitos.

[kreutz]

Hola amigos;

Hoy quiero hablar sobre un tema donde existen muchos mitos creados por intereses comerciales y propagados por la ignorancia del publico en general. Es el tema de los motores PAP unipolares (o conectados en configuración unipolar).

El motor PAP unipolar no es ni mejor ni peor que un motor PAP bipolar. Es exactamente el mismo. Todo depende de la forma en que sus enrollados internos van conectadas, algo parecido a motores trifásicos cuando son conectados en Delta o Estrella. Según el modo de conexión el motor presenta ciertas características que lo hacen comportarse de forma diferente.

El motor que es fabricado para su uso en configuración unipolar solamente tiene solo 5 cables. Los motores que pueden usarse como unipolar o bipolar serie tienen 6 cables.  Los motores que pueden ser conectados unipolar, bipolar serie o bipolar paralelo tienen 8 cables.

Hablemos de estos últimos porque son los que han dado pie a una serie de leyendas. Una de las leyendas dice que "un motor conectado bipolar paralelo ofrece un 40 % mas de torque que un motor en conexión unipolar" y "permite mayor velocidad".

[jmllosa]

muy interesante, sigue sigue.............jodio me has dejado a medias..........

[kreutz]

Continuación...

Las características del motor PAP vienen dadas por su construcción.

Estamos hablando de motores PAP modernos de tipo de imán permanente híbrido (Existen otros tipos de motor PAP como los de reluctancia variable, sincronico-hibrido y de tipo Lavet el cual se usa mucho en relojes mecanicos de bateria). En general un motor PAP de imán permanente híbrido es un caso particular de un motor sincrónico de corriente alterna sin escobillas (BLAC) con mayor cantidad de polos, o lo que es lo mismo, un motor sin escobillas de corriente directa (BLDC) con fuerza contra-electromotriz sinusoidal de un numero muy alto de polos (ver la nota mas adelante).

Los motores PAP pueden tener mas de 2 fases (que son los mas comunes), los hay de tres fases y de cinco fases. El mayor numero de fases los hace menos susceptibles a resonancias y de ahí su uso en la industria.

Las características que mas influyen sobre el torque y velocidad de rotación para un motor determinado son: resistencia e inductancia de los enrollados. El mismo motor conectado unipolar tiene una resistencia dos veces mayor que cuando es conectado en modo bipolar paralelo y la misma inductancia.  Un motor conectado unipolar tiene la mitad de resistencia que el conectado en forma bipolar serie y este ultimo tiene cuatro veces la inductancia que el mismo motor conectado de forma  unipolar.

Nota: Lo que se conoce como motor BLDC en general es un motor sin escobillas de corriente directa con fuerza contra-electromotriz de forma trapezoidal.

[kreutz]

continuación.

Hablemos ahora sobre las controladoras para poder explicar de donde salieron las leyendas.

La controladora usada para manejar un motor unipolar es menos costosa que la hecha para manejar un motor bipolar (esto es un hecho). Por que? porque necesita menos piezas para controlar la parte de potencia. Una controladora esta dividida funcionalmente en dos partes: parte de control (también llamada "translator" y la parte de potencia (que es la que maneja la corriente por los enrollados del motor).

Para una misma tecnología el translator usado para manejar un motor unipolar es exactamente el mismo que el usado para manejar un motor bipolar. Si la tecnología utiliza micro-pasos, el translator continua siendo idéntico. Si la tecnología utiliza control del "Decay" (Rápido o Lento) para mejorar el torque a bajas revoluciones, esto solo es posible en un motor bipolar porque en configuración unipolar solo existe un modo de " decay" (Rápido), así que en ese caso el unipolar es tecnologicamente un poquito mas sencillo, pero como el "translator" es integrado, no sale mas caro (para el fabricante) el usado para manejar el motor bipolar.

Así que la única diferencia esta en la parte de potencia. La controladora bipolar utiliza el doble de los conmutadores de potencia y de ahí su costo de fabricacion un poco mas elevado.

Las compañías que fabrican controladoras prefieren vender controladoras para motores bipolares porque son mas complicadas y el publico y resto de la industria esta dispuesto a pagar mas por ellas. El mercadeo de las controladoras bipolares creo la leyenda de que hablamos al decir medias verdades pero sacando el avance tecnológico en controladoras unipolares del contexto. O sea, es como comparar un modelo T de Ford (de principios del siglo pasado) con un Ferrari de este año.


continuara...

[kreutz]

En que influyen la resistencia e inductancia de los enrollados en cada configuración?

Como ya hemos hablado el motor es exactamente el mismo. El torque dinámico del motor es directamente proporcional a la corriente que fluye por los enrollados. El torque estático llamado "holding torque" (cuando el motor esta parado) depende además de la posición angular del rotor con respecto a las piezas polares del estator. Es decir, en la posición de "detent" cuando la pieza polar esta situada frente por frente a un polo magnético del rotor existe mayor torque (el especificado por el fabricante como "holding torque") y es lo que provoca el movimiento característicos "por pasos" del motor cuando rotamos su eje manualmente (sin energizar el motor).

El torque dinámico es el que produce la rotación del eje del motor y no esta dado por la especificacion del fabricante ( que muy convenientemente, para el, especifica el "holding torque" el cual es un valor mayor que el torque dinamico que es lo que nos interesa fundamentalmente en aplicaciones de posicionado en CNC).

Para proporcionar un mismo torque seria necesario que el motor configurado unipolar tenga la misma corriente que el configurado bipolar paralelo. En ese caso, el motor conectado unipolar se calentaría el doble que el conectado bipolar paralelo porque su resistencia por fase es el doble.

Los motores PAP de tipo de imán permanente híbrido mueren por dos causas naturales (exceptuando desgaste de los rodamientos y el hecho de que algún avispado los trate de desarmar para ver que tienen dentro sin haber previamente cerrado el circuito magnético del mismo): Sobre-calentamiento y sobre-corriente.

El sobre calentamiento influye sobre la intensidad del campo magnético del rotor, al perderse intensidad de campo magnético (al llegar a la temperatura de Curie se pierde totalmente el campo magnético del imán) se pierde el torque.  La sobre-corriente satura el hierro de las piezas polares y tiende a de-magnetizar los imanes. Ambos factores presentes simultaneamente arruinan el motor PAP o reducen su vida útil extraordinariamente. Los motores PAP con imán permanente híbridos actuales utilizan imanes muy potentes hechos de "tierras raras" y son muy susceptibles a la temperatura porque su temperatura de Curie es bastante baja.

Continuara...

[kreutz]

Volviendo al tema.
 
Lógica comercial: "Si el motor conectado unipolar se calienta el doble entonces no podemos manejarlo al mismo nivel de corriente que el bipolar paralelo y por ende no podrá alcanzar el mismo torque"

Esa falsa lógica es lo que ha confundido a muchos ingenieros.

Cuando se estudia el motor PAP nos damos cuenta de que:

Las características que ofrece el fabricante en su hoja de datos están medidas bajo condiciones de trabajo de laboratorio que no coinciden actualmente con la forma en que usamos los motores. Siendo el peor caso el uso de "Full Step" porque el valor pico de la corriente del motor (que es lo que se ajusta en la controladora) en modo "Full Step" coincide con el valor R.M.S. de la corriente (el calentamiento del enrollado es directamente proporcional al valor R.M.S. de la corriente y no a su valor pico)

Los valores máximos especificados por el fabricante del motor son para este caso ("Full Step").

(Hasta aquí no vemos luz al final del camino... pero tengan paciencia...)

Continuara....

[jozsef]

seria interesante desarrollar un pequeño banco de pruebas sencillo pero efectivo.

[kreutz]

Por que es bueno usar micro-step?

El uso de micro-pasos nos permite controlar las oscilaciones del rotor del motor PAP alrededor de su punto de equilibrio o "detent" estas oscilaciones ocurren en cada paso del motor. Las oscilaciones de que hablamos son lo que alimenta (o proporciona energia a) la resonancia mecánica natural del motor (y conjunto motor-carga) y provoca la perdida de torque a ciertas velocidades. Este es un problema inherente al propio principio de funcionamiento del motor y no se puede evitar pero puede ser atenuado si los pasos del motor se hacen en incrementos pequenos y de esa forma se evita que el motor llegue a la posición de "detent" con una aceleración o velocidad muy grandes.

No es nuestro objetivo ahora hablar sobre medidas anti-resonacia. Baste decir que utilizar el modo micro-step reduce considerablemente las resonancias y por ello es recomendable su uso.

Volviendo al tema. Si el motor no es manejado en modo "Full Step" existe una diferencia en el calentamiento del mismo, el calentamiento es proporcional al valor R.M.S. de la corriente y en modo micro-step la corriente tiene una forma casi-sinusoidal por lo que el valor pico de la corriente es 1.41 veces mayor que el valor R.M.S. de la misma. AHA!!

Eso significa que una controladora unipolar que use modo "micro-step" y que compense automáticamente el ajuste de la corriente pico para el modo "Full Step" puede tener y de hecho obtiene el mismo torque que una controladora bipolar "micro-step" manejando el motor en modo "bipolar-paralelo". Es decir, podemos incrementar el valor de la corriente pico en modo unipolar en un 40% hasta obtener el valor especificado para "bipolar Paralelo" sin exceder la temperatura limite del motor.

Bajo estas condiciones (micro-step) y utilizando la tecnología de controladora unipolar adecuada no hay diferencia ni en torque ni en velocidad máxima obtenible.

continuara...

[kreutz]

muy interesante, sigue sigue.............jodio me has dejado a medias..........

Perdona. No te conteste anteriormente porque no queria perder el hilo de la explicacion.

Saludos,

kreutz

[kreutz]

Que es deseable en una controladora unipolar micro-pasos con compensación R.M.S.?

1. - Modo Micro-pasos, por supuesto, de lo contrario no proporciona ninguna ventaja tecnológica ni de torque.
2. - Reducción de la corriente cuando la controladora esta inactiva. Esto de debe a que cuando la controladora esta inactiva es cuando mas se calienta debido a que la corriente en sus enrollados es una pura corriente continua (valor pico= valor r.m.s.) si reducimos la corriente a un valor menor (donde el "holding torque" permita que no  se pierda la posicion del rotor) disminuimos el calentamiento del motor. El valor de corriente (de reducción) puede ser el 50% o el 68% del valor pico prefijado dependiendo del fabricante y los requerimientos del usuario.
3. - Cambio de forma de la referencia de corriente según la velocidad. Esto compensa contra la degradación de la forma de onda sinusoidal en la corriente del motor frente a la velocidad debido al efecto de la Fuerza Contra Electromotriz sobre el voltaje efectivo en el enrollado (disminución del voltaje efectivo). Lo que produce un cambio de modo de trabajo de la controladora (cambiando de modo control de corriente a modo de control de voltaje).
4. - Compensación activa contra resonancia (electrónica). En este caso no es necesario que tenga cambio de forma de onda de referencia.
5.- La compensación de valor pico a r.m.s. debe ser de forma automática en la controladora. Controladoras que no tengan esta compensación no cumplen con el requisito para poder aumentar el torque.

[kreutz]

Hablemos ahora sobre la velocidad máxima de un motor PAP.

Se considera velocidad máxima obtenible a aquella velocidad donde el torque es reducido de tal forma que no existe torque adicional que permita incrementar la velocidad (o sea, que provoque una aceleracion). El torque vs velocidad es reducido por el incremento de la fuerza contra-electromotriz y el efecto de la constante L/R sobre la forma de onda de corriente del motor. Este ultimo efecto se reduce al aumentar el voltaje de la fuente de alimentación del motor (respetando el limite dado por el fabricante de la controladora y por supuesto, el limite de voltaje soportado por el aislamiento del motor).

Como la inductancia en conexión unipolar es la misma que la del enrollado del motor en conexión bipolar paralelo; No existe diferencia en velocidad máxima aun cuando no se use compensación de corriente pico a r.m.s.. Esto se debe a que en ese rango de velocidades la corriente del motor no es una corriente sinusoidal sino que tiene mas bien una forma de onda de  diente de sierra cuyo valor pico esta determinado por la frecuencia de pasos (equivalente full-step) del motor, el voltaje de la fuente de alimentación y la inductancia del enrollado. La influencia de la resistencia del enrollado es practicamente despreciable si el voltaje de la fuente de alimentación es lo suficientemente grande comparado con el especificado para el motor (> 20 veces). Se asume que el control de corriente en la controladora es por modulacion del ancho del pulso, o sea, que es una controladora con control de corriente tipo "chopper". Existen controladoras micro-pasos lineales (es decir, que no son conmutadas) pero no logran alcanzar grandes velocidades por la limitacion dada por el calentamiento de los transistores de potencia, estas controladoras funcionan bien (sin efectos de resonancia) para motores que consuman menos de 1.5 Amperes por fase y fuentes de alimentacion de 12 voltios o menos.
 
Conclusión

No hay que repetir como un papagayo las falacias comerciales. Debemos investigar profundamente el origen de estas leyendas para poder beneficiarnos con soluciones mas baratas a nuestros problemas y adquirir conocimiento. Una controladora unipolar micro-pasos (de ultima tecnologia) puede ser construida por Usted mismo de forma bastante fácil si usted tiene un conocimiento básico de electrónica o un amigo que lo tenga y unas cuantas herramientas para el trabajo electrónico.

[kreutz]

seria interesante desarrollar un pequeño banco de pruebas sencillo pero efectivo.

Un banco de pruebas es lo suficientemente fácil de hacer:

1 .- Tornillo de banco plástico para montar el motor de forma que no haya disipacion de calor en el soporte.
2.- PC Mach3 con salida de puerto paralelo (o un generador de pulsos que llegue a 100 Khz)
3.- Cable de impresora de puerto paralelo
4.- Controladoras a comparar
5.-  Fuente de alimentación que permita ajuste desde 24 voltios a 60 voltios como mínimo y proporcione 5 Amperes como mínimo
6.- Motor PAP de 8 cables.
7.- Un pequeño "fly-wheel" para conectar al eje del motor y un tacometro.
8.- Un termometro con sensor que pueda ser pegado al cuerpo del motor.
9.- Un lapiz laser y una aguja hipodermica de calibre grueso (0.8  a 1 mm), la aguja sirve como colimador del haz de luz.

Aquí hay vídeos del sistema que yo utilice hace años para probar las controladoras (no se fijen en el reguero):

Mardus-Kreutz Unipolar Micro-Stepper Test
Mardus Kreutz Test # 2

Comprobación de la precisión angular de los micro-pasos:
"Mardus Kreutz" Unipolar Micro-Stepper Test # 3

Saludos,

kreutz

[carpin]

Muchas gracias Kreutz por el aporte, es un placer leerte.

[kreutz]

Muchas gracias Kreutz por el aporte, es un placer leerte.

Gracias a ustedes por tomarse la molestia de leerlo. Yo se que mi español técnico no es muy bueno y les agradezco que me corrijan las faltas y traduzcan los términos en ingles que no se como traducir..

Saludos,

kreutz

[kreutz]

Por que no se puede incrementar el torque en bipolar paralelo de la misma forma que hicimos en unipolar?

Si este fuera el caso la leyenda se convertiría en una realidad pero...

La especificación de corriente máxima para configuracion bipolar-paralelo depende de las características del laminado de acero al silicio del estator del motor y la forma fisica de las piezas polares,  fundamentalmente de la intensidad pico del campo magnético a partir del cual se satura el laminado. También influye el valor del campo magnético creado en la pieza polar (que es contrario al producido por el imán del rotor y tiende a de-magnetizarlo). Por esta razon no podemos exceder nunca este valor de corriente sin peligro de dañar el motor.