El microstepping es una técnica de control para motores paso a paso, ampliamente utilizada para lograr una mayor resolución o un movimiento más suave a bajas velocidades. Los motores paso a paso se desplazan en pasos discretos, o fracciones de revolución. Por ejemplo, un motor paso a paso con un ángulo de paso de 8 grados realizará 200 pasos por cada revolución completa del motor (360 ÷ 8). Esta naturaleza discreta del movimiento significa que la rotación del motor no es perfectamente suave, y cuanto más lenta es la rotación, menos suave es debido al tamaño relativamente grande del paso.
Una forma de mitigar esta falta de suavidad a bajas velocidades es reducir el tamaño de los pasos del motor. Aquí es donde entra en juego el microstepping.
¿Cómo Funciona el Microstepping?
El control de microstepping divide cada paso completo en pasos más pequeños para ayudar a suavizar la rotación del motor, especialmente a bajas velocidades. Por ejemplo, un paso de 8 grados se puede dividir hasta 256 veces, proporcionando un ángulo de paso de 0.007 grados (8 ÷ 256), o 51,200 microsteps por revolución. El microstepping se logra utilizando voltaje modulado por ancho de pulso (PWM) para controlar la corriente en los devanados del motor. El controlador envía dos ondas sinusoidales de voltaje, 90 grados fuera de fase, a los devanados del motor. Mientras la corriente aumenta en un devanado, disminuye en el otro. Esta transferencia gradual de corriente da como resultado un movimiento más suave y una producción de par más consistente que el control de paso completo o medio paso.
Ventajas del Microstepping
El microstepping ofrece una serie de ventajas sobre el control de paso completo o medio paso, incluyendo:
- Movimiento más suave: El microstepping reduce la vibración y el ruido del motor al dividir los pasos en unidades más pequeñas. Esto resulta en un movimiento más suave y silencioso.
- Mayor resolución: El microstepping aumenta la resolución del motor, lo que significa que puede moverse en incrementos más pequeños. Esto es particularmente beneficioso para aplicaciones que requieren precisión, como impresoras 3D y máquinas de control numérico.
- Menos resonancia: El microstepping reduce la resonancia del motor, lo que puede causar vibraciones y ruido. Al dividir los pasos, se reduce la frecuencia de la vibración, lo que ayuda a minimizar la resonancia.
- Mejor control de velocidad: El microstepping permite un mejor control de velocidad, especialmente a velocidades bajas. Esto se debe a que el motor puede moverse en incrementos más pequeños, lo que permite un control más preciso de la velocidad.
Limitaciones del Microstepping
Si bien el microstepping ofrece muchas ventajas, también presenta algunas limitaciones:
- Menor par: El par producido por un motor paso a paso con control de microstepping es típicamente alrededor del 70% del par producido con el control de paso completo. Esto se debe a que el microstepping utiliza una corriente promedio más baja para lograr un movimiento suave.
- Torque Ripple: Aunque el microstepping reduce significativamente el ripple del torque, no lo elimina por completo. Esto se debe a que los controladores de microstepping solo pueden aproximar una verdadera onda sinusoidal.
- Mayor frecuencia de pulso: El microstepping requiere una mayor frecuencia de pulsos para el tren de pulsos que impulsa el motor. Esto se debe a que el motor realiza más pasos por revolución.
- Complejidad: Los controladores de microstepping son más complejos que los controladores de paso completo o medio paso, lo que puede aumentar el costo del sistema.
Aplicaciones del Microstepping
El microstepping se utiliza ampliamente en una variedad de aplicaciones, incluyendo:
- Impresoras 3D: El microstepping permite a las impresoras 3D producir impresiones de mayor precisión y calidad.
- Máquinas CNC: El microstepping mejora la precisión y la suavidad del movimiento en las máquinas CNC, lo que permite una mejor mecanización.
- Sistemas de automatización: El microstepping se utiliza en sistemas de automatización para lograr un movimiento preciso y suave.
- Dispositivos médicos: El microstepping se utiliza en dispositivos médicos para garantizar un movimiento preciso y controlado.
- Robótica: El microstepping permite a los robots realizar movimientos más precisos y suaves.
Microstepping vs. Engranajes Mecánicos
El microstepping a veces se considera una buena alternativa a los engranajes mecánicos porque no introduce holgura en el sistema ni reduce la velocidad máxima del sistema. Sin embargo, los engranajes mecánicos multiplican el par del motor y aumentan su capacidad de retención de posición.
Resolución y Torque Incremental
Es importante evitar lo que a veces se denomina "resolución vacía", donde el nivel de división de los pasos (es decir, la resolución) es superior a lo práctico para las restricciones del sistema. Esto ocurre con mayor frecuencia cuando el par producido por el microstep es insuficiente para superar el par de fricción del componente que se está accionando (como una rosca o un husillo de bolas). El par incremental por microstep se determina mediante la siguiente ecuación:
T INC = T HFS / SDR
Donde:
- T INC = par incremental producido con cada microstep
- T HFS = par de retención (operación de paso completo)
- SDR = relación de división de pasos (número de microsteps por paso completo)
Por ejemplo, para un motor con un par de retención de 0.35 Nm que utiliza una relación de división de pasos de 256 (SDR), el par incremental producido por cada microstep sería de 0.002 Nm (0.35 Nm / 256).
Si la rosca tiene un par de fricción de 0.06 Nm, se necesitarán 30 microsteps (0.06 ÷ 0.002) para generar suficiente par para que la rosca se mueva.
Frecuencia de Pulso
Además, operar con más pasos por revolución requiere una frecuencia más alta para el tren de pulsos que impulsa el motor. Usando el SDR 256 en el ejemplo anterior significa que el motor realiza 51,200 pasos, o pulsos, por revolución (200 pasos completos por revolución x 256 microsteps por paso). A una velocidad del motor de 100 rps (6000 rpm), la frecuencia de pulso requerida es superior a 5 MHz.
El microstepping es una técnica eficaz para mejorar la precisión y la suavidad del movimiento de los motores paso a paso. Ofrece ventajas significativas en términos de movimiento más suave, mayor resolución, menos resonancia y mejor control de velocidad. Sin embargo, tener en cuenta las limitaciones del microstepping, como la disminución del par y el aumento de la frecuencia de pulso. Al comprender los principios del microstepping y sus limitaciones, los diseñadores pueden elegir el método de control adecuado para sus aplicaciones específicas.
Si quieres conocer otros artículos parecidos a Microstepping en motores paso a paso puedes visitar la categoría Motor.