[DUDA] Motores Paso a Paso

[jcmjul]

Buenos dias

Pues vuelvo con un tema recurrente, ya pregunte en Enero y no me quedo claro, asi que por no reflotar de nuevo el tema, pregunto en un hilo nuevo a modo de resumen.

Es sobre el tema de alimentacion de los motores paso a paso. Ya no me refiero como lo hacemos aqui, que eso lo tengo claro, gastamos el pololu de 1A y lo limitamos de 200ma a 400ma, pero lo que no me quedaba claro es la influencia sobre los valores nominales de motor, partiendo de los valores tipicos de un Nema 17 de los que usamos por aqui.

Step Angle (º) 1.8 Length (mm) 48 Rated Voltage (V) 3.1 Rated Current (A) 2.5 Phase Resistance (Ohms) 1.25 Phase Inductance (mH) 1.8 Holding Torque (g·cm) 4800 Number of wires 4 Weight (Kg) 0.34 - See more at: http://leapto3d.com/products/motores-nema-17#sthash.G4MrL8Dl.dpuf

Step Angle (º) 1.8
Length (mm) 48
Rated Voltage (V) 3.1
Rated Current (A) 2.5
Phase Resistance (Ohms) 1.25
Phase Inductance (mH) 1.8
Holding Torque (g·cm) 4800
Number of wires 4
Weight (Kg) 0.34

Tenemos que la tension Nominal es de 3.1v, y la corriente 2.5 Amp, y fuerza de 4800 g·cm o  4.8 kg·cm o 48 N·cm o 0.48 N·m (Porque cada fabricante dá esta unidad como le vienen en gana, y paso de ponerlo en Onzas), Empiezo por lo más básico. 4.8Kg cm ¿es par de empuje, par retentivo, o ambos porque es lo mismo?

Ahora, ignorando los pololus, si yo pillo ese motor y quiero que dé los 4.8Kg cm de par retentivo, es decir, no quiero ni que se mueva, si aplico 3.1v (en una bobina)y tengo una fuente con suficiente chicha, por el motor circularán los 2.5Amp, al final son caracteristivas de motor y se cumple la ley de V=I*R por tanto I=3.1/1.25 = 2.48A que cumple con lo especificado ¿No es cierto?

Bueno, pues una vez más, como influye y porque se usa el pololu, es decir, se alimenta a 12v en lugar de 3.1, y limitamos la corriente a 0,2 amp, estamos poniendo 4 veces mas tension y 12 veces menos corriente, ¿al bajar la corriente no se disminuye el par del motor? y si es asi ¿es proporcinal?, el drive no da mas de 1A, ¿es por eso por lo que limitamos la corriente? ya sé que para la impresora es suficiente, pero la preguntas van mas dirigidas a entender los motores que no a la aplicacion de la impresora en sí, ¿ si montamos un drive que controle mayor corriente se podria mejorar el par del motor?

Y en cuanto a la tension, igualmente, al aplicar 4 veces mas tension de la nominal, como influye en el comportamiento del motor, he leido por aqui que al subir la tension el motor puede correr más, ¿pero por que? ¿en que se basa? y al aumentar la corriente corre menos ¿porque? ¿conoceis si hay alguna formula o regla para aproximar que relacion hay entre tension, corriente, par y velocidad?

Si por ejemplo hubiera que elegir un Drive distinto al pololu, por ejemplo para hacernos nuestro propio drive, ¿no seria mejor buscar un drive con tensiones proximas a la nominal y que aguante corrientes por enciama de la nominal? ¿o que seria lo mas conveniente? por ejemplo, si montas una placa con algun ULN y gestionas la conmutacion de las fases mediante algun micro, que tensiones serian las ideales para los ULN y las corrientes que habria que limitar, me gustaria probar algo, para enero cuando pregunte la otra vez me hice con un par de ULN2003 (solo aguantan 1A por linea tambien) con la intencion de hacerme un circuito para poder jugar con los valores de tensiones y corrientes de excitacion y poder hacer pruebas, pero entre que no saco tiempo y no se de que bases partir, pues me resulta un poco dificil.

¿Alguien puede dar un poco de luz?

Gracias!!!

Step Angle (º) 1.8 Length (mm) 48 Rated Voltage (V) 3.1 Rated Current (A) 2.5 Phase Resistance (Ohms) 1.25 Phase Inductance (mH) 1.8 Holding Torque (g·cm) 4800 Number of wires 4 Weight (Kg) 0.34 - See more at: http://leapto3d.com/products/motores-nema-17#sthash.G4MrL8Dl.dpuf

[PgalludCW]

Hola,

Efectivamente, si alimentas a la tensión nominal (3.1V) pasa la corriente nominal (2.5A) y el motor se queda quieto y para conseguir que se mueva deberás forzarlo sometiendo al eje a un par superior al holding torque del motor. El problema es que en llegar a esa situación se tarda tiempo. Es decir, las bobinas del motor tardan un tiempo en generar el campo magnético y durante ese tiempo la corriente, y por lo tanto el par, son mucho menores. Por eso se usa un driver que al principio fuerza el motor con un voltaje mucho mayor (12V) y cuando la corriente supera la corriente correcta (200mA por ejemplo) baja el voltaje para que no se dispare la corriente. Digamos que cuanto más voltaje inicial le metas al motor más rápido puedes llegar al par nominal y más aceleración puedes generar en el motor.

Si le metes corrientes por encima de la nominal lo más seguro es que te cargues el motor. 

[AdansCW]

A ver si consigo responder a las preguntas:

Disclaimer: Todo lo que sigue son lubricaciones mentales, y deben tratarse como tal..

¿es par de empuje, par retentivo, o ambos porque es lo mismo?

Como decimos en galicia "chamalle X", llámalo como quieras, es al par que tienes que hacer para romper el equilibrio estático que tiene el eje (es decir que empiece a moverse). Si le aplicas más par, el motor no es capaz de aguantar y saltan los pasos. Cogiendo tu ejemplo

Si coges dos fuentes de alimentación, alimentas las bobinas a 3.1V, estas deberías consumir 2.5A... o alggo parecido. En esa situación el eje estará "bloquedao", si aplicas un par de 0.3Nm (por ejemplo poniendo 3Kg de peso a un cm de distancia), el eje no se moverá... si aplicas un par de 0.6Nm )por ejemplo aplicando 6 kg de peso a 1cm de distancia) el eje empezará a moverse y notarás (y oirás) las vibraciones que se produce al saltar los pasos.... entre cada paso que pierdes, además, saltarán las protecciónes de la fuente de alimentación... las bobinas son muy caprichosas con eso de cambiar "su estado de reposo" 

Después de esta interpretación, me dirás... pues entonces es par retentivo... no de empuje. Bueno, este valor te da también el par que es capaz de vencer para dar un paso... para un paso, no es exactamente ese valor, es un poco más pequeño... pero muy poco, prácticamente el mismo.

El problema viene en que este valor de empuje se ve muy (pero mucho) afectado por otros parámetros, como la velocidad del motor (a más velocidad, menos par de empuje), la tensión de alimentación (a más tensión más par para la misma corriente de bobina), a la elección (o no) de micropasos y de como el Driver (polulu) los gestione (cuantos más micropasos, menos par, si quieres más par quita los micropasos)

¿al bajar la corriente no se disminuye el par del motor? y si es asi ¿es proporcinal?

Empiezo por la segunda... En electromagnetísmo, aunque si hay proporcionalidad, esta no es lineal... no hay más que ver las leyes de Maxwell.

Lo que más le importa al driver y las bobinas del motor, es la potencia (y el efecto Joule asociado) que es capaz de disipar... generalmente nos referimos a la corriente, porque la tensión la tenemos todos fijada... pero los drivers pueden trabajar con mucha más tensión. 

Como tu pregunta es genérica, voy a dar mi interpretación también genérica:

La potencia que admite el cobre de la bobina del ejemplo es P=V*I=3.1*2.5=7.75W... y solo hablo del cobre en estático, porque en las bobinas no se comportan de forma lineal con corrientes pulsadas, y ya entramos en calculo diferencial... Si el pololu lo pones a 0.2A a 12V, pues le estarás mandando al motor 0.2*12=2.4W... vamos, que va holgadito... Si lo pones a 500mA... pues 6W... el motor se te calentará. Ten también en cuanta que con el aumento de temperatura también aumenta la resistecia de los conductores aumenta

Luego, volviendo a la pregunta, la curva de par de un motor se ve afectada por multitud de factores, como te comento en el párrafo anterior, la velocidad es un "Torque Killer", como puede comprobar en las curvas... lo fabricantes no cuentan todo sobre los motores, te los parámetro en estático de los motores. Bueno, digamos en su descargo, que eso depende del driver y de las condiciones de operación del motor, y como hay un millón de drivers y situaciones, pues lo único que pueden proporcionar son los parámetros eléctricos.

Aquí por ejemplo, se ve el efecto de la tensión de alimentación.

Pero dicho lo anterior, en unos polulus con microsteping todo esto se va un poco al carajo porque, porque el mirco-stepping es una técnica para sacar más pasos a un motor, pero a costa de perder par.

El motor que pones más arriba es de 200 pasos por revolución (360/1.8), quiere decir, si energizas las bobinas en una polaridad y después la cambias el eje se mueve 1.8ºÑ

Eso es de lo que es capaz del motor de hacer en su forma convecional. El microsteping es un técnica por la cual se energizan dos bobinas contiguas (al 50%, si es un microstepping de 1/2) de forma que el eje se queda "entre dos bobinas" ganadole un paso más al motor:

Ahora somos capaces de hacer saltos de medio paso, por lo que nuestro motor de 200ppr pasa a ser un motor de 400ppr.. pero si te fijas en el imán del rotor no está enfrentado a dos bobinas... por lo que las líneas de campo tienen que "viajar durante más distancia" por el aire... y eso es malo para nuestros circuitos magnéticos y sobre todo para la fuerza que somos capaces de obtener con un mismo nivel de corriente-tensión. 

Además en el microstepping, entra en juego otra técnica que es el chopping que se hace con PWM para generar distintas intensidades de campo en las "dos" bobinas para conseguir el 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 o hasta el 1/32 de pasos...  y cmo se gestiona la corriente que circula por la bobinas...

como influye en el comportamiento del motor, he leido por aqui que al subir la tension el motor puede correr más, ¿pero por que? ¿en que se basa?

Ese ya es un terreno más complejo. Aquí la cosa se complica un poco, porque las bobinas (y los condensadores) no son elementos lineales... además aquí entra otra característica que no se menciona la inductancia de las bobinas. En funicón de la inductncia, la tensión y corriente circulando por ellas y la fuerza de los imanes (y flujos magnéticos dentro del motor), aplicando las leyes de maxwell serías capaz de caracterizar/modelar la respuesta del motor..

¿conoceis si hay alguna formula o regla para aproximar que relacion hay entre tension, corriente, par y velocidad?

Sencilla y aproximada... lo desconozco... las únicas que conozco son las leyes del electromagnetísmo... pero no cumplen con el requisito de ser sencillas de aplicar. Además, en este asunto está el tema del chopping del microstepping... que manda a tomar por saco cualquier intento de caracterizar el comportamiento mediante ecuaciones...

o seria mejor buscar un drive con tensiones proximas a la nominal y que aguante corrientes por enciama de la nominal? ¿o que seria lo mas conveniente? 

Yo creo que no... al final, lo que importa es la potencia que manda a los motores... si te pasas el efecto Joule se encargará de apagar todo

Uff, menudo ladrillaco...

El jueves, 14 de noviembre de 2013 11:38:28 UTC+1, jcmjul escribió:

[Iceflow]

Ale Andres... O.o lo acabo de flipar en colorines!! joe lo que saben algunos... :( tengo que estudiar algo... jejejeje

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[Stanis]

Andres muchas gracias.Sera largo,pero facil de seguir.Hasta un zoquete como yo lo ha podido seguir.
jmcjul gracias a ti tambien,que no entendia yo casi nada de los motores,y con tu pregunta ya lo tengo un poco mas claro.

El jueves, 14 de noviembre de 2013 11:38:28 UTC+1, jcmjul escribió:

[AdansCW]

Bueno, hombre, tampoco he contado nada que no puedas encontrar googleando... 

Hay muchas imprecisiones y alguna incorrección (como lo del Choping y el PWM... pero eso da para otro monográfico)... pero es lo más sencillo para intentar explicar lo que ocurre entre la bobina y el imán, que sigue unas ecuaciones que no son nada triviales porque las las bobinas (espiras)  no son lineales y no siguen Ohm "as it is" (son más caprichosas que la máquina de reñir, no les gustan nada los cambios...).

Saludos

[el sacamantecas]

el sacamantecas aplaude efusivamente a AdansCW

[Juan González]

Me ha recordado a mi época de estudios! Por estas cosas me encanta este mundo..., no dejas de aprender cosas nuevas o de refrescar conceptos medio olvidados.

Gracias!!

[jcmjul]

Gracias AdansCW por la ayuda

Hay una parte en la que comentas sobre la potencia de los motores y dices que con 6W este se calentaria , teniendo en cuenta que es de 7W de nominal se hace raro, es ese caso habria que montar una ventilacion forzada?

¿Se podria usar el valor de la Potencia para calcular la relacion Tension - Corriente a la hora de excitarlo? es decir, lo pololus son lo que son, lo compramos , lo montamos con los motores que se recomiendan, se ajusta la corriente y nos creemos que ha de funcionar, pero si elijo otro seria correcto en funcion de la tension con la que alimente el PaP limitar la corriente para que no pase de los W que marca sus valores Nominales? suponiendo que no trabajo con corriente pulsada.

Por otro lado he visto buscando info para estas preguntas que en muchas ocasiones cuando compras online seleccionas el nema y en los datos que te dan no ponen la tension, sino solo corriete, por ejemplo he buscando en tiendas online llego a este nema 23 de las siguientes caracteristicas

Step Angle (deg) Motor Length (mm) Rated Current (A) Phase Resistance (ohm) Phase Inductance (mH) Holding Torque (N.cm Min) Detent Torque (N.cm Max) Rotor Inertia (g.cm²) Lead Wire (No.) Motor Weight (g)

1.8 76 2.5 1.8 6.5 180 6.0 440 4 105

Solo tengo corrientes nominales 2.5 y  valor ohmico de 1.8, es decir podriamos sacar de esas caracteristicas que su tension nominal de trabajo es 2.5 * 18.8 = 4.5 V, y de ahi sacar que P=Vi o P=I*r^2 y por tanto que es un motor de 11.25 W, entonces si haces un drive, con un ULN2003 que maneja una corriente maxima de 1am y 50V max, y por tanto sera un montaje sin PWM,  ¿seria el mismo comportamiento en cuanto a Par se refiere si alimentamos el Pap con 24V y limitamos la corriente a 11.25/24 = 0.468
que si alimentamos el Pap a 15 v y limitamos la corriente a 11.25/15= 0.75 A ?

Gracias!!!

[AdansCW]

Déjame responderte de forma rápida a la primera cuestión. Para las otras dos voy a necesitar un rato más largo

Hay una parte en la que comentas sobre la potencia de los motores y dices que con 6W este se calentaria , teniendo en cuenta que es de 7W de nominal se hace raro, es ese caso habria que montar una ventilacion forzada?

No es necesaria la ventilación forzada, al menos en mi combinación de polulu-motores-máquina.

No confundas calor con problemas... calor excesivo y problemas, vale, pero calor y problemas, no necesariamente. Para las motores, trabajar en condiciones nominales implica trabajar calientes... es más el motor de tu coche funciona mejor caliente que frio... el problema son los sobrecalentamientos (o la pérdida de equilibrio termodinámico... :P)

Con solo 4 datos no se pueden hacer afirmaciones de las condiciones del motor. El fabricante da esos valores y yo los interpreto como nominales (a lo mejor son son de pico, pero lo dudo), los valores nominales son los parámetros de funcionamiento del motor a los cuales el fabricante garantiza una operación estableo o segura (pero debería especificar en que condiciones...). El efecto Joule (AFG) se produce en cualquier máquina eléctrica, ya sea motor, transformador o alternador... circula corriente por un hilo de cobre (o aluminio) y debido a esa densidad de corriente y la resistividad del material se produce calor, ese calor se disipa a través del cuerpo del motor y mientras no supere una temperatura límite todos contentos. 

Los problemas vienen cuando no se consigue un equilibrio entre el calor generado y el calor disipado, cuando esto ocurre se produce un sobrecalentamiento, entonces el barniz que cubre los hilos de cobre de las bobinas se puede degradarse y provocar cortocircutos... pero siempre hablando de sobrecalentamiento, no de trabajar caliente. Hay otro problema asociado a los trabajos en caliente, y es que los lubricantes de los rodamientos/cojinetes de bronce duran menos jodiendose antes (dependiendo de las condiciones de carga) acortando la vida del motor

Sé que la pregunta que surge ahora es ¿Y cuando se considera sobrecalentamiento y simplemente calentamiento? a mi no me mires, que te lo diga el fabricante la temperatura máxima de trabajo de su motor (de las especificiaciones, la temperatura máxima a la que el motor puede trabajar de forma continua sin sufrir degradación apreciable)... pero bueno, el sentido común te dice que si lo puedes tocar con la mano sin quemarte, no hay problema... ahora, si la cosa pica... malo malo. 

Se que nos movemos en entornos DIY y fabricantes chinos que venden motores como si fuesen gominolas, pero cuando estás diseñando una máquina, las condiciones de operación es un input para elegir el motor(no es lo mismo trabajar en el polo norte, en el shara, debajo del agua ni el espacio), por eso hay que escudriñar los dataheets, y si no viene la info, preguntar directamente al fabricante, y sino te buscas otro fabricante y si no lo tienes pues pides una muestra y le haces perrerías, o cambias el diseño (motor más grande) o te la juegas... etc..

Hala, menudo royo filosófico que me he cascado... menos mal que era de respuesta rápida... miedo me da cuando te contestes al otro asunto... 

[jcmjul]

Gracias por las aclaraciones,y en cuanto a la extension de los post, es normal, mejor que sean extensas y detalladas q no racanas, que luego uno no se entera de lo que le están contando  :), en cuanto al tema de temperaturas maximas he tenido alguna experiencia con servomotores industriales, por ejemplo las series G y G5 de Omron son categoria F, es decir, 135º maximo, lo q sucede que en estos equipos que son para hacer maquinas de verdad no DIY, cuando lo instalas en maquina suele ir conectado a un chasis de acero y no de plastico como aqui, y el mismo chasis hace de disipador, he probado con alguno encima de una mesa, y si le pones un ciclo exigente (ej: aceleraciones de 0 a 3000 rpm en 15 ms, 50 vuetas, y deceleracion, sin hacer delay entre ciclos, en cosa de 10 min lo tienes a 100º. es ponerle un pletina y le bajas 40 grados, aqui como lo conectamos a una pieza plastica, pues la disipacion de calor es casi nula, por eso me preguntaba si era necesario montar ventilacion.