Torsión reductora del motor paso a paso

Todo se reduce a la inductancia. Pero primero recapitulemos los motores.

Puede pensar en un motor paso a paso como esencialmente dos circuitos L-R independientes, uno para cada fase. El inductor representa los devanados (devanados = bobina = inductor), y una resistencia que representa una mezcla de pérdidas resistivas (resistencia de devanado, etc.) y potencia mecánica. Para obtener el par motor máximo, debe obtener la mayor potencia mecánica posible del motor, lo que significa que desea que la "resistencia" en el circuito L-R disipe la mayor cantidad de energía posible.

Sin embargo, tienes un inductor en el circuito, ¿qué efecto tiene eso? Recuerde que la tensión a través de un inductor viene dada por:

$$ v_L = L \ frac {\ mathrm {d} i} {\ mathrm {d} t} $$

En otras palabras, cuanto más rápido intentes cambiar la corriente, mayor será la caída de voltaje de un inductor.

En nuestro modelo de motor simple, la tensión de alimentación se comparte entre la inductancia y la resistencia. Cuanto mayor sea la caída de voltaje del inductor, menor será la caída de voltaje de la resistencia y, por lo tanto, menor será la potencia de salida del motor (y por el par de extensión). Por lo tanto, si intenta cambiar la corriente cada vez más rápido, se pierde más y más voltaje a través de la inductancia y, por lo tanto, hay menos potencia de salida del motor.

Podemos ver esto en el diagrama a continuación, que muestra el voltaje a través del inductor y la corriente a través de la resistencia en función del tiempo. Observe cómo se tarda en alcanzar la corriente máxima. Puede leer más aquí .

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Ahora recuerda lo que sucede cuando el motor se está moviendo. A diferencia de un motor de CC, con un paso a paso estamos secuenciando los devanados, activándolos y desactivándolos y / o invirtiendo la polaridad. Claramente, cada vez que 'pisamos', la corriente cambiará en el bobinado, lo que, como hemos visto anteriormente, reduce la potencia de salida.

Si la velocidad es baja (o está detenida), la corriente tiene tiempo de subir a su punto máximo antes del siguiente paso. Sin embargo, si la velocidad es alta, el tiempo de paso más corto que \ $ 5 \ tau \ $ en el diagrama anterior, la corriente no tiene tiempo para alcanzar su pico y, por lo tanto, la salida de potencia máxima disminuye. Y aquí es donde reside tu problema.

Con una relación de engranaje tan alta, el motor tiene que girar muy rápido en comparación con la salida, por lo que pierde mucho torque en el proceso, y en algún punto pierde más torque debido a la velocidad de conmutación que la que gana desde la caja de cambios.

Entonces, ¿cómo lidiamos con el problema? Bueno, los controladores modernos de motores paso a paso utilizan un voltaje mucho más alto del que el motor está calificado, pero aseguran que la corriente se limita a las clasificaciones de los motores. Lo hace utilizando PWM (un circuito chopper). Esto permite que la caída de voltaje a través de la "resistencia" alcance su pico mucho más rápido ya que hay más voltaje compartido entre el inductor y la resistencia. Como resultado, puede hacer funcionar el motor más rápido sin perder el par.

La limitación de corriente se realiza midiendo la corriente a través de la bobina y apagando el suministro justo antes de que sea demasiado alto para el motor. Luego, la corriente comenzará a decaer lentamente, momento en el que se volverá a encender la fuente, y así sucesivamente, esencialmente PWM, con el ciclo de trabajo ajustado para garantizar que la corriente se limite a niveles seguros.

Los controladores como el DRV8825 y A4988, que son comunes entre los aficionados, utilizan esta técnica para permitir velocidades más altas.