Cómo dominar el algoritmo de control del motor paso a paso de manera más eficiente.

- Nov 20, 2018-

Cómo dominar el algoritmo de control del motor paso a paso de manera más eficiente.

Al optimizar el diseño de los sistemas de control de movimiento basados en motores paso a paso, los ingenieros deben considerar factores como el costo, el rendimiento, la eficiencia, los desafíos de retroalimentación inesperados (como la resonancia mecánica) y el tiempo de desarrollo. Los sistemas modernos de control de motores enfrentan el desafío de operar en una variedad de entornos adversos, y la eficiencia general de las soluciones tradicionales a menudo está limitada por las condiciones más desfavorables que se presentan en todo el sistema. Los algoritmos de control adaptativo son esenciales para extraer la máxima eficiencia de un sistema electromecánico optimizado.

Mapeo del sistema

Si desea la mayor eficiencia, debe mapear las condiciones de contorno de todo el sistema electromecánico. Todas las variables del sistema deben ser consideradas: temperatura, degradación mecánica, aceleración, velocidad, voltaje de alimentación, etc. La arquitectura del sistema también tiene un impacto en él.

En los sistemas de circuito abierto, a menudo es necesario excitar el motor con los impulsos de corriente y los perfiles de velocidad en el peor de los casos, por lo que podemos suponer que la eficiencia no es el objetivo principal de diseño para tales sistemas. Este tipo de pruebas requiere mucho tiempo porque el sistema debe verificarse en todos los valores de voltaje de suministro, temperatura y velocidad que el motor puede usar para minimizar el riesgo de resonancia. Cada sistema de motor paso a paso tiene el potencial de resonar, generalmente porque opera a (o cerca de) la frecuencia natural del motor. Evitar estas áreas es crítico, ya que la resonancia puede hacer que el motor pierda movimiento o ingrese en una condición de bloqueo. Sin embargo, para sistemas de bucle abierto, determinar estas áreas puede ser muy difícil.

El control de bucle cerrado generalmente toma dos formas: un sistema basado en sensores (luz o efecto Hall) y un sistema sin sensores. Los sistemas sin sensores, también conocidos como "sistemas de bucle semicerrado", suelen utilizar el voltaje generado por las bobinas del motor como retroalimentación. Los sistemas de control basados en sensores son ampliamente utilizados, pero otros cambios en el sensor deben considerarse en la práctica de mapeo. Una ventaja importante de los sistemas sin sensores es que solo necesitan leer información sobre el movimiento físico del motor. Otra ventaja importante es la reducción del costo del sistema de los sistemas de circuito cerrado o semicerrado, al tiempo que reduce la complejidad del sistema al eliminar la necesidad de sensores externos. El diseño exitoso requiere una comprensión de las características de la parte posterior EMF.

Mapeo de SLA

Back EMF facilita la extracción de información detallada relacionada con el movimiento del sistema electromecánico y proporciona datos de diagnóstico. Se genera un voltaje entre los impulsos de corriente de excitación del motor y el movimiento de la bobina del motor a través del campo magnético del motor. Esta información a menudo se conoce como la velocidad y / o el ángulo de carga (SLA) del motor. La velocidad angular del motor paso a paso se puede aproximar bien al monitorear la magnitud del EMF posterior.

La Figura 1 muestra el mapeo de los pines SLA cuando se acciona un motor paso a paso convencional montado en un sistema mecánico utilizando el controlador del motor paso a paso subdividido AMIS-30522. Esta información se recopila durante el barrido de la entrada NXT (la entrada de reloj que determina la velocidad de excitación del motor). A medida que se mueve de izquierda a derecha, la frecuencia de la excitación aumenta y puede ver claramente las diferentes áreas de trabajo. La capacidad de medir las características del motor de todo el sistema es una característica muy poderosa de la serie AMIS-305xx, especialmente puede manejar los desafíos de diseño tradicionales, pero antes de eso, el diseñador del sistema solo analizó el rendimiento de resonancia del motor. No se reconoce que estas áreas pueden cambiar una vez que se haya juntado todo el dispositivo mecánico.

El sistema de control del motor puede muestrear continuamente el voltaje del SLA, y si se encuentra una situación anormal, se pueden tomar las medidas apropiadas. Dado que la fuerza electromotriz trasera es proporcional a la velocidad de rotación del rotor, puede usarse convenientemente para detectar la carga externa en el eje de salida y regular la corriente suministrada al motor. Otra área donde los datos del pin SLA es muy útil es cuando el motor está a punto de ingresar a la región resonante. Al diseñar un algoritmo para identificar rápidamente esta situación, el sistema de control del motor paso a paso puede acelerar inmediatamente a través de esta área para alcanzar una nueva velocidad segura.

El cuadrado rojo en el lado izquierdo de la Figura 1 resalta la resonancia en el sistema. Esto puede deberse a la instalación real del motor, la frecuencia fundamental de la resonancia del motor entre los pasos escalonados u otros factores de segundo orden. Estas suelen ser zonas de velocidad de conmutación que deben evitarse. Si se utiliza la tecnología EMF de respaldo de ON Semiconductor, se puede mapear fácilmente en cuestión de minutos. Esto ayudará a reducir la presión sobre el sistema electromecánico. Esto es importante porque la presión del sistema puede causar un aumento del ruido, un rendimiento degradado y una menor fiabilidad del sistema. Lo más destacado de este método de recopilación de datos es que el proceso de mapeo se puede completar sin cambios físicos en el sistema. El único sensor es el motor en sí, por lo que no hay complejidad mecánica adicional.

El cuadrado rojo en el lado derecho de la Figura 1 indica el área donde el variador de corriente excede la constante de tiempo RLC del sistema, lo que resulta en una corriente residual en la bobina del motor. Es el "límite de velocidad" para este sistema electromecánico particular.

Entre estas dos áreas se encuentra el área de trabajo del motor recomendada. También se debe tener en cuenta que el mismo mapeo también se puede usar para identificar condiciones de bloqueo donde el motor no puede ser conmutado (y por lo tanto no puede generar EMF de retorno). En el controlador del sistema, esta situación solo se puede controlar configurando el umbral mínimo entre las excitaciones del motor.

Usa datos de mapeo en tu diseño

Una vez que se completa la asignación y se conoce el perfil de velocidad ideal, se puede elegir el mejor valor de SLA. Para un sistema dado, representará el punto de trabajo más eficiente. Las variables de control del motor, como el variador de velocidad, la aceleración y la velocidad, pueden ajustarse dinámicamente para evitar problemas que puedan comprometer la eficiencia, como la resonancia mecánica y la corriente excesiva del variador. La ventaja del método EMF sin sensor / posterior es que la retroalimentación del sensor no es una información binaria simple, sino que se puede usar para obtener información de diagnóstico detallada del motor sin agregar complejidad adicional al sistema, lo que nos permite usar cambios sutiles en el SLA Para la compensación en tiempo real para evitar pasos perdidos.


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