UNIVERISDAD POLITCNICA SALESIANA SEDE GUAYAQUIL

FACULTAD DE INGENIERAS

MAQUINAS ELECTRICAS II

ING. RAFAEL ENRIQUE PEREZ ORDOEZ

INVESTIGACION: Servo motores Motores de paso Motor Brushles

INTEGRANTE: MATUTE ARIAS SHRYCA

GRUPO 4601

PERIODO DE ESTUDIO 2016

SERVO MOTORESINTRIDUCCION.-La maquinaria con servomotores tiene tiempos de posicionamiento menores, debido a que el torque, del servomotor, puede funcionar 350 por ciento ms rpido que su valor nominal (preestablecido), para alcanzar la velocidad de posicionamiento de la mquina en menor tiempo. Esto hace que pueda tener ms arranques/pares por minuto; lo que se deriva en mayor productividad. En la industria, empieza a evidenciarse un auge importante de la utilizacin de servomotores en mquinas que, tradicionalmente, trabajan con componentes mecnicos e hidrulicos, no porque estos ltimos sean de menor calidad o no cumplan con lo requerido, sino porque los servomotores poseen caractersticas de adaptabilidad y flexibilidad mayores. Los servomotores pueden ser utilizados en diversas aplicaciones industriales que requieran de una exigencia elevada en dinmica, precisin de posicionamiento y velocidad, adems, de un control confiable y funcionalmente fcil de manejar; factores determinantes para aumentar calidad, competitividad y productividad.EL SERVOMOTOR.-Es pertinente explicar entonces que un servomotor; en su definicin ms bsica, es un motor que puede ser controlado en su velocidad de funcionamiento y en la posicin dentro de un rango de operacin para ejecutar la actividad requerida. Este control es realizado mediante un dispositivo llamado encoder, que mediante una seal electrnicamente codificada, indica las acciones de velocidad y movimiento a ejecutar. El servomotor es instalado en un equipo o mquina, para permitir que esta tenga control de la posicin, direccin y velocidad de una carga o herramienta, mediante su utilizacin. De hecho, la palabra servo viene de siervo, que bsicamente quiere decir que puede cumplir cualquier funcin que le sea programada desde un control maestro, teniendo siempre el mando de la posicin en la que se encuentra. Otras partes del equipo incluyen la fuente de energa y un controlador de movimiento programable o posicionador, que trabajan juntos para desarrollar de forma precisa las tareas o trabajos de la aplicacin. Los primeros servomotores utilizaban un sistema de funcionamiento con corriente continua (DC, por sus siglas en ingls), en la que los electrones generadores de corriente se mueven en un solo sentido: del polo negativo al polo positivo, la energa necesaria para el movimiento es m- nima y puede generarse con pilas y bateras, por lo que los voltajes requeridos son pequeos. En la actualidad, los servomotores utilizados son de corriente alterna (AC por sus siglas en ingls), en estos los electrones cambian de sentido en todo momento (alternan), realizando la transformacin de energa mecnica en elctrica. Este tipo de servomotores admite voltajes ms altos, por lo que son ideales para las potencias requeridas por las mquinas al momento de desempear el proceso solicitado. Continuando con el funcionamiento interno, las mquinas actuales, que cuentan con esta tecnologa, pueden venir con el servomotor elctrico totalmente o un sistema denominado hibrido, que consiste en la combinacin de un servomotor elctrico y uno hidrulico funcionando conjuntamente, la cual consume 70 por ciento menos fluidos hidrulicos que los sistemas tradicionales de este tipo. El sistema elctrico basa su funcionamiento en, como su nombre lo indica, corriente elctrica; mientras que el servomotor hidrulico realiza sus movimientos gracias a el aceite, que es el que genera la potencia, al mover los pistones ubicados estratgicamente.FUNCIONAMIENTO.-El sistema servo se comunica mediante pulsos elctricos a travs de un circuito de control para determinar el ngulo de posicin del motor, el servo espera recibir un pulso cada 20 milisegundos (0.02 segundos). La longitud del pulso determinar los giros de motor; un pulso de 1.5 ms., por ejemplo, har que el motor vaya a una posicin de 90 grados (posicin neutra). Si el pulso es menor de 1.5 ms., entonces el motor se acercar a los 0 grados. Si el pulso es mayor de 1.5ms, el eje se mover acercndose a los 180 grados. Luego de esto, al interior del controlador de movimiento o posicionador est un programa que tiene la capacidad de completar la tarea de una aplicacin especfica; el cual monitorea la posicin del motor y comunica al accionamiento servo controlado la necesidad de mover el servomotor hacia la posicin deseada o comandada. Dicho accionamiento aplica la cantidad de potencia necesaria sobre el motor para de esa forma mover la carga. En caso que el funcionamiento del motor no sea adecuado, en cuanto a velocidad, el dispositivo de retroalimentacin alerta al control de la situacin, que genera y ejerce Foto: www.arburg.com 36 MAQUINARIA WWW.METALACTUAL.COM ms potencia sobre el motor hasta obtener la velocidad ideal para la accin realizada; si la velocidad es muy alta al principio, ocurrir lo inverso.VENTAJAS.-Las mquinas que usan en su sistema de funcionamiento central servomotores, presentan caractersticas que influyen positivamente en la productividad de las empresas que las poseen. Una de estas ventajas se da gracias a la energa utilizada; la cantidad de voltaje aplicado al servomotor es proporcional a la distancia que ste necesita desplazarse. En este caso, si el eje requiere regresar una distancia amplia, el motor regresar a mxima velocidad, si slo requiere regresar un pequeo trayecto, el motor correr a velocidad lenta. A esto se le llama control proporcional, por lo que emplea la energa necesaria sin desperdicios. Los servomotores brindan una capacidad de sobrecarga de trabajo de entre 300 y 400 por ciento ms, lo que quiere decir que puede trabajar tres veces ms rpido y potente que su velocidad y torque nominal valor constante al que puede trabajar el motor, sin que sufra dao alguno. Adems, requieren menor mantenimiento porque es electrnico; a falta de friccin entre los elementos el deterioro es bajo. El hecho de que el tamao de los servomotores sea ms reducido no incide en su potencia, puesto que, precisamente, una caracterstica importante de estos equipos es la capacidad de torque que tienen con una estructura fsica reducida, lo que implica un menor peso (entre 40 y 50 por ciento ms livianos que los hidrulicos, dependiendo la aplicacin). En fuerza y potencia, los servomotores igualan a los motores mecnicos e hidrulicos, puesto que tienen variadas posibilidades. Gracias a estas habilidades, los servos se usan en aplicaciones como corte, impresin, etiquetado, empacado, manipulacin de alimentos, robtica y automatizacin de fbricas. Las especificaciones del diseo tambin incluyen: reversa rpida, auto ajuste y funciones programables para que el servo ejecute tareas especficas. En el mercado existen mquinas como plegadoras, punzonadoras, prensas, entre otras, que mediante el uso de un servomotor elctrico ejercen su fuerza principal de trabajo, optimizando tareas y labores en pro de una produccin rentable.

MOTORES DE PASOINTRODUCCION.-Los motores paso a paso son ideales para la construccin de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos. La caracterstica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90 hasta pequeos movimientos de tan solo 1.8, es decir, que se necesitarn 4 pasos en el primer caso (90) y 200 para el segundo caso (1.8), para completar un giro completo de 360.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.-Bsicamente estos motores estn constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nmero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator. Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imn permanente. Toda la conmutacin (o excitacin de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador.

TIPOS.-Existen dos tipos de motores paso a paso de imn permanente:

BIPOLAR: Estos tiene generalmente cuatro cables de salida (ver figura 1). Necesitan ciertos trucos para ser controlados, debido a que requieren del cambio de direccin del flujo de corriente a travs de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento. En la figura 3 podemos apreciar un ejemplo de control de estos motores mediante el uso de un puente en H (H-Bridge). Como se aprecia, ser necesario un H-Bridge por cada bobina del motor, es decir que para controlar un motor Paso a Paso de 4 cables (dos bobinas), necesitaremos usar dos H-Bridges iguales al de la figura 3. El circuito de la figura 3 es a modo ilustrativo y no corresponde con exactitud a un H-Bridge. En general es recomendable el uso de H-Bridge integrados como son los casos del L293B (ver figura 3bis).

UNIPOLAR: Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexin interna (ver figura 2). Este tipo se caracteriza por ser ms simple de controlar. En la figura 4 podemos apreciar un ejemplo de conexionado para controlar un motor paso a paso unipolar mediante el uso de un ULN2803, el cual es una arreglo de 8 transistores tipo Darlington capaces de manejar cargas de hasta 500mA. Las entradas de activacin (Activa A, B, C y D) pueden ser directamente activadas por un micro controlador.

IDENTIFICACIN.-Cmo reconocer cada tipo de motor?Cuando trabajamos con motores paso a paso, muchas veces podemos no tener la ficha tcnica del motor y por tanto no saber de qu tipo es o de cmo lo podemos conectar a un circuito de control. Lo primero que debemos mirar son los hilos que salen del interior del motor: - Si salen 4 hilos: Tenemos un motor bipolar. Los 4 hilos que salen son los de las bobinas, ya que no tienen toma central. Adems, son de menor tamao que los unipolares.

- Si salen 5,6 u 8 hilos: Tenemos un motor unipolar.- Con 5 hilos: Las bobinas tienen una toma central que las une y que va unida a la toma de tierra.

- Con 6 hilos: Cada bobina tiene su toma central y ambas van unidas a tierra.

Cmo la tensin que soportan? Los motores paso a paso, pueden soportar diversas tensiones (9V, 12V, 15V, etc), pero puede que el circuito de control no lo pueda soportar. Por eso se debe limitar las corrientes de las bobinas con dicho circuito, ya que si las tensiones o la corriente que circulan por el son demasiadas altas, el circuito se daar rpidamente.MOTOR BRUSHLESComponentes del motor brushles.- Los motores brushles estn compuestos por una parte mvil que es el rotor, que es donde se encuentran los imanes permanentes, y una parte fija, denominada estator o carcasa, sobre la cual van dispuestos los bobinados de hilo conductor. La imagen refleja una seccin de uno de estos motores en donde puede verse la disposicin de los bobinados y los imanes permanentes (que en este caso son de neodimio).Funcionamiento del motor brushless.-Como su propio nombre indica, brushless quiere decir "sin escobillas". En este tipo de motor la corriente elctrica pasa directamente por los bobinados del estator o carcasa, por lo tanto aqu no son necesarias ni las escobillas ni el colector que se utilizan en los brushed. Esta corriente elctrica genera un campo electromagntico que interacciona con el campo magntico creado por los imanes permanentes del rotor, haciendo que aparezca una fuerza que hace girar al rotor y por lo tanto al eje del motor. No tenemos ni escobillas, ni colector y tampoco tenemos delgas; por lo que ahora el elemento que controlar que el rotor gire sea cual sea su posicin ser el variador electrnico; que lo que hace bsicamente es ver en qu posicin se encuentra el rotor en cada momento, para hacer que la corriente que le llegue sea la adecuada para provocar el movimiento de rotacin que le corresponde. El variador es capaz de hacer esto, gracias a unos sensores en el motor, o tambin mediante la respuesta obtenida o mejor dicho, observacin de cmo se comporta la corriente del motor. Por este motivo, los variadores empleados en este tipo de motores son algo ms complicados que los utilizados en brushed, ya que deben analizar la respuesta y los datos de funcionamiento del motor segn estn teniendo lugar, es decir, en tiempo real.Qu indica el factor "kV" en un motor Brushless: Cuando hablamos de motores brushless, hay un parmetro importante que debemos considerar, que es factor "kV". Normalmente aparece junto al nmero de vueltas de bobinado del motor, y lo que nos indica es el nmero de revoluciones por minuto a las que es capaz de girar el motor por cada Voltio de electricidad que se le aplica.Es decir, que si tenemos por ejemplo un motor brushless de 3000kV, y le aplicamos a sus bornes 10 voltios, la velocidad ser de 30000rpm. En el mercado podemos encontrar un rango amplio para este factor. Pero como ocurre muchas veces, no todo son ventajas. A mayores valores para el kV, mayores valores de velocidad, pero menores valores de par y viceversa. Por lo tanto se trata de encontrar una solucin de compromiso entre velocidad y par teniendo en cuenta las caractersticas de nuestro modelo. Si tenemos un buggy aligerado, optaremos por motores con valor kV ms elevado, cuya respuesta en velocidad y aceleracin sean mayores; pero si tenemos modelos de mayor peso, como puede ser el caso de los Short Course, quizs sera mejor optar por un valor de kV algo inferior, que tenga una velocidad y aceleracin satisfactoria pero que nos proporcione un mayor valor para el par.

Brushless sensored y brushless sensorlesEl mundo de los motores brushless puede parecer algo complicado, sobre todo a los principiantes en el hobby, por la cantidad de parmetros que hay que tener en cuenta a la hora de hacerse con uno: tamao del motor, nmero de vueltas del bobinado, valor de kV, etc Hay tambin otra opcin importante que hay que considerar a la hora de elegir un motor de este tipo, que es si lo queremos Sensored, es decir, con sensores o Sensorles (sin sensores). Vamos a ver qu diferencia hay entre ambos tipos de sistemas, para ello, vamos a repasar brevemente el principio en el que se basa su funcionamiento.Cmo funcionan los motores brushles?Vamos a empezar con un poco de teora, aunque sin meternos de lleno en conceptos demasiado tcnicos. Un motor brushless se caracteriza porque no tiene escobillas y por lo tanto, no hay ningn elemento que pueda provocar rozamiento entre el rotor y la carcasa del motor. Para conseguir que el motor gire, hay que conseguir que sus bobinados sean capaces de generar un campo magntico que sea perpendicular a la direccin del campo magntico de los imanes permanentes, ya que es en estas condiciones cuando el par generado es mximo, y lo que nos interesa es que el valor de este par sea mximo en todo momento. Pero tenemos que tener en cuenta, que una vez que el rotor inicia su movimiento de giro, la direccin del rotor es variable en cada instante, y por lo tanto en cada momento, tendremos que conocer en qu posicin se encuentra el rotor, para poder excitar las bobinas que correspondan para conseguir ese par mximo en ese instante determinado. Para conocer la posicin del rotor en cada momento se pueden utilizar dos procedimientos, y dependiendo de cul se utilice, el motor ser sensored o sensorles. Los motores Sensored cuentan con varios sensores que determinan la posicin mediante un algoritmo de control. En el caso de los motores Sensorles no se cuenta con sensores, de forma que la posicin se determina realizando clculos sobre el comportamiento que se observa en la corriente en el motor. Vamos a explicar un poco ms cmo funcionan.Motor Brushless SensoredComo ya hemos dicho antes, los motores sensored cuentan con sensores que determinan la posicin durante el giro del rotor, incluso a velocidades bajas, y que permiten conocer el momento ms idneo para aplicar el valor de tensin adecuado en la bobina adecuada. Para poder hacer todo esto, el motor debe ir asociado a un variador electrnico, que se conecta al motor mediante el cableado necesario para enviar los niveles de tensin, ms otro conector que es el que permite recibir la informacin acerca de la posicin del rotor (que tambin es una seal de tensin), y en base a la cual realiza sus ajustes y modifica sus seales de salida a cada bobinado. Por lo tanto en estos motores, el variador se puede decir que conoce la posicin del rotor y va modificando y adaptando su salida de forma que sea la ptima en cada momento. Lgicamente, esto resulta muy til para desaprovechar menos energa, ya que le estamos dando al motor justo lo que necesita en cada instante para que su respuesta sea la ptima; podemos hablar de que existe un buen control de temporizacin o una buena sincronizacin entre motor y variador.

Motor Brushless SensorlesEn este tipo de motores, como ya hemos dicho no tenemos sensores, por lo tanto el variador es menos complicado y debe servirse de otro mtodo para determinar la posicin del rotor. Para ello los variadores asociados a estos motores realizan una monitorizacin de los impulsos o seales que envan al motor; pero esto tiene como inconveniente, que cuando el motor gira a velocidades ms bajas en las cuales la intensidad generada por el campo magntico tiene un valor inferior, puede resultar difcil analizar esto con exactitud. Estos sistemas son generalmente ms econmicos, y como todo, la eleccin final entre un sistema u otro, depender del presupuesto con el que podamos contar y tambin del uso que le vayamos a dar al modelo; aunque en referencia a esto hay gustos para todos los colores. Aqu slo hemos pretendido dar unas pinceladas generales que os puedan ayudar en vuestros inicios a entender mejor a grandes rasgos las diferencias entre ambos tipos, aunque sin profundizar en todo lo que realmente tiene lugar cuando la mquina est en funcionamiento, ya que son conceptos bastante tcnicos.

Ya hemos visto los componentes principales que integran ambos modelos de motores elctricos tanto brushed como brushless. Normalmente cuando se habla de motores, la conversacin gira en torno a factores como la velocidad y el par, que son los dos parmetros que ms interesan. Vamos a ver aqu un breve repaso sobre cmo afecta el bobinado a estos valores, pero como venimos haciendo hasta ahora, a un nivel bastante bsico, para los que empiezan, sin entrar en explicaciones demasiadas tcnicas sobre lo que ocurre en estas mquinas durante su funcionamiento y considerando constante el valor de algunos parmetros que intervienen. Lo que pretendemos es que quede una idea general, que nos ayude a saber interpretar los datos del motor cuando vayamos a comprarlo y dejamos para otro segundo artculo una explicacin en detalle para los que ya tengan ms relacin con este campo, y en la que nos meteremos ms a fondo.Bobinados del motor Qu son y qu hacen?Si queremos hablar de velocidad, no podemos pasar por alto los bobinados. Un bobinado es simplemente un nmero determinado de vueltas (tambin denominadas espiras en lenguaje ms tcnico), que se realizan con un material conductor, que en el caso de los motores, suele ser hilo de cobre. Ya hemos visto en los artculos anteriores donde se encuentra la ubicacin del bobinado en estas mquinas segn sean brushless o brushed. Son los encargados de generar un campo magntico que interacta con el de los imanes cuando por ellos circula una corriente elctrica tambin denominada "intensidad". Cuando compramos un motor el fabricante nos proporciona como dato el nmero de vueltas de que consta. Este factor se puede relacionar con la velocidad de giro del motor. Lo lgico sera pensar que cunto ms mejor, pero cuando hablamos de velocidad y nmero de espiras en el bobinado ocurre justo lo contrario; es decir, la relacin entre ambas variables es inversamente proporcional; un menor nmero de vueltas en el bobinado implica una velocidad mayor en el motor; pero a su vez obtendremos menor par.Menos vueltas = Ms rpido= Menos parAs que cuando ests pensando en qu motor deberas elegir para tu coche, la idea a grandes rasgos que debes tener en cuenta es que a menor nmero de vueltas, mayor ser el nmero de revoluciones por minuto; pero nos proporcionar menor valor de par. La explicacin la tenemos viendo cmo afecta lo que se denomina "flujo por polo" de la mquina. El "flujo por polo" nos da una idea de la intensidad de campo magntico que tenemos en un bobinado de nuestra mquina y su valor es proporcional al nmero de espiras del bobinado y al valor de la intensidad o corriente. Con menor nmero de espiras disminuimos el valor de los amperios-vuelta, obteniendo menos flujo. A menor flujo la mquina girar ms rpido pero su interaccin con el campo magntico de los imanes ser tambin menor proporcionando menos par y viceversa. Por ltimo comentar, que si comparamos dos motores, en la que uno tiene menor nmero de espiras que otro, el motor con menos vueltas necesitar de una corriente mayor para proporcionar la misma cantidad de flujo por polo que el otro motor. Este es el motivo por el que una batera LiPo nos puede durar ms o menos dependiendo del modelo en el que lo usemos, no es lo mismo en un Crawler que normalmente demanda un valor de par ms elevado que un buggy. Lgicamente en las mquinas elctricas de este tipo, hay muchas variables en juego; nosotros para el propsito de este artculo no hemos considerado la influencia de la carga ni dems variables que intervienen, esto lo dejamos para el segundo captulo.Entonces cul elijo?: En el equilibrio est la claveCuando se trate de elegir un motor para tu coche RC, elige con moderacin, ya hemos visto que en este tema no se cumple lo de "cuanto ms mejor". Se trata de encontrar una solucin de compromiso entre velocidad, par y tiempo de duracin; dependiendo de la modalidad en la que ests interesado y sabiendo cmo afecta el bobinado segn lo que hemos visto. Tambin necesitars comprobar que tu modelo elegido es compatible con tu variador. La mayora de ellos tiene establecido un lmite que como su propio nombre indica, representa el lmite de los motores con los que puede ser compatible. Si el motor que elijas est fuera de este rango, debers tambin mejorar tu variador; teniendo en cuenta el gasto.