Resonancia del motor paso a paso
Los motores paso a paso tienen un efecto indeseable llamado resonancia. El efecto se manifiesta como un funcionamiento más ruidoso, más vibraciones y una caída repentina del par a algunas velocidades. Esto puede provocar la pérdida de pasos y de sincronismo. El efecto aparece si la frecuencia de paso coincide con la frecuencia de resonancia natural del rotor del motor paso a paso.
Cuando el motor mueve un paso, el rotor no se desplaza inmediatamente a una nueva posición, sino que realiza oscilaciones amortiguadas. El hecho es que el sistema rotor - campo magnético - estator puede considerarse como un péndulo de resorte, cuya frecuencia de oscilaciones depende de la inercia del rotor y de la carga y de la magnitud del campo magnético. Debido a la compleja configuración del campo magnético, la frecuencia de resonancia del rotor depende de la amplitud de las oscilaciones. A medida que disminuye la amplitud, aumenta la frecuencia, acercándose a la frecuencia de baja amplitud, que es más fácil de calcular cuantitativamente. Esta frecuencia depende del ángulo de paso y de la relación entre el par de retención y el momento de inercia del rotor. Un par de retención mayor y un momento de inercia menor provocan un aumento de la frecuencia de resonancia.
La frecuencia de resonancia se calcula mediante la fórmula:
F0 = (N ∙ TH / (JR+JL))0.5 / (4 ∙ pi),
F0 – frecuencia de resonancia,
N – número de pasos completos por revolución,
TH – par de retención para el método de control y la corriente de fase utilizados,
JR – momento de inercia del rotor,
JL – momento de inercia de la carga.
Hay que tener en cuenta que la frecuencia de resonancia viene determinada por el momento de inercia del propio rotor del motor más el momento de inercia de la carga conectada al eje del motor. Por lo tanto, la frecuencia de resonancia del rotor de un motor sin carga, que a veces se indica entre los parámetros, tiene poco valor práctico, ya que cualquier carga conectada al motor modificará esta frecuencia.
En la práctica, el efecto de resonancia provoca dificultades cuando se trabaja a frecuencias cercanas a la de resonancia. El par a la frecuencia de resonancia es cero, y sin tomar medidas especiales, el motor paso a paso no puede pasar de la frecuencia de resonancia durante la aceleración. En cualquier caso, el fenómeno de la resonancia puede degradar significativamente las características de precisión del accionamiento.
Los sistemas con poca amortiguación corren el riesgo de perder pasos o aumentar el ruido cuando el motor funciona cerca de su frecuencia de resonancia. En algunos casos, también pueden surgir problemas en los armónicos de la frecuencia de resonancia fundamental.
Cuando se utiliza un modo no micropaso, la principal causa de oscilación es la rotación intermitente del rotor. Al dar un paso, se transmite cierta energía al rotor mediante un empuje. Este empuje excita las vibraciones. La energía suministrada al rotor en el modo de medio paso es aproximadamente el 30% de la energía de un paso completo. Por lo tanto, en el modo de medio paso, la amplitud de oscilación es significativamente menor. En el modo micropaso con un escalón de 1/32 del principal, sólo se suministra aproximadamente el 0,1% de la energía del escalón completo para cada micropaso. Por lo tanto, en el modo micropaso, el fenómeno de resonancia es prácticamente imperceptible.
Se pueden utilizar varios métodos contra el fenómeno de la resonancia. Por ejemplo, el uso de materiales elásticos al realizar acoplamientos mecánicos con una carga. El material elástico favorece la absorción de energía en el sistema resonante, lo que conduce a la atenuación de las oscilaciones parásitas.
Otra forma es utilizar la fricción viscosa. Para ello se utilizan amortiguadores especiales. Estos amortiguadores tienen un disco metálico que puede girar dentro de un cilindro hueco relleno de un lubricante viscoso de silicona. Cuando este sistema gira con aceleración, el disco experimenta una fricción viscosa que amortigua eficazmente el sistema.
También existen métodos eléctricos contra el fenómeno de la resonancia. Un rotor oscilante provoca la aparición de un EMF en los devanados del estator. Si se cortocircuitan los devanados que no se están utilizando, se amortiguará la resonancia.
Y, por último, existen métodos contra el fenómeno de resonancia a nivel del algoritmo de funcionamiento del controlador del motor paso a paso. Por ejemplo, utilizar el hecho de que cuando se trabaja con dos fases encendidas, la frecuencia de resonancia es aproximadamente un 20% mayor que con una fase encendida. Si la frecuencia de resonancia se conoce con precisión, entonces se puede pasar cambiando el modo de funcionamiento.
Si es posible, deben utilizarse frecuencias superiores a la resonante al arrancar y parar. El aumento del momento de inercia del sistema rotor-carga reduce la frecuencia de resonancia.
El modo más efectivo contra la resonancia es utilizar el modo micropasos.