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Solución:
Cuando el controlador acciona el motor, el rotor tiene que moverse lo suficiente (ángulo) para que, cuando se active la siguiente bobina (o par de bobinas), tire del rotor en la dirección correcta. Si el rotor no se ha movido en un ángulo suficiente, entonces las bobinas tirarán del rotor hacia atrás y el motor simplemente se queda ahí y zumba. Puede encontrar muchas ilustraciones y animaciones en línea que explican cómo funciona el funcionamiento normal; imagínese si el rotor solo se moviera una fracción de la cantidad prevista.
El rotor, el eje y todo lo que esté conectado al eje tienen inercia y hay fricciones de varios tipos.
La velocidad máxima que el motor paso a paso puede hacer girar el eje está relacionada con el par disponible del motor y el par requerido para girar el eje (el par disponible cae a medida que aumentan las RPM y el par requerido generalmente aumenta a medida que aumentan las RPM). Eso no está directamente relacionado con la inercia.
En realidad llegar a el máximo (o una fracción del mismo) solo puede acelerar las RPM tan rápido sin perder pasos. La aceleración máxima está relacionada con la inercia y el exceso de par disponible a determinadas RPM. Si el motor está haciendo todo lo posible para mantenerse al día con las RPM actuales, entonces ya no podrá acelerar. Si las RPM son lo suficientemente bajas, no necesita aumentarlas, simplemente puede decirle que dé un paso, pero eso normalmente será solo una fracción de las RPM que el motor es capaz de hacer. A menudo se utilizan rampas lineales para simplificar, pero una curva más convexa sería óptima.
Aquí hay una curva de par motor de Oriental Motor (un importante fabricante japonés):
Para predecir la velocidad máxima de aceleración, es necesario conocer el par y el momento de inercia de la masa. Si excede la tasa máxima de aceleración con una carga determinada, el motor perderá pasos, por lo que un margen de seguridad razonable es una buena idea.
Parece que la descripción que ha leído habla de mejorar velocidad, en otras palabras, la frecuencia de los pasos. Los pulsos de cada paso siguen siendo cuadrados.
La razón es que un motor paso a paso solo puede generar un par de torsión determinado. Cuando superamos este par máximo, el motor pierde pasos.
Además, acelerar el motor requiere par según la segunda ley de movimiento de Newton: la fuerza es igual a la masa multiplicada por la aceleración:
$$ F = ma $$
Para un sistema giratorio, los términos cambian un poco, pero en su mayoría son análogos: el par es igual al momento de inercia multiplicado por la aceleración angular:
$$ tau = I alpha $$
La consecuencia es que para acelerar instantáneamente el motor se requeriría un par infinito, lo que no es posible. Por lo tanto, debemos limitar la aceleración, es decir, “aumentar” la velocidad, para limitar el par requerido a algo que el motor pueda generar sin perder pasos.
Dos años después … Quería agregar algunos detalles sobre la velocidad típica frente a la vibración / ruido de cualquier motor paso a paso.
Al dar un paso muy lento, como uno por segundo, el eje se moverá a la nueva ubicación y sobrepasará y luego subirá muchas veces hasta que se estabilice en ese escalón. El proceso se repite en cada nuevo paso.
El voltaje / corriente eléctrica debe ser suficiente para la carga y el tamaño del motor debe seleccionarse para que coincida con el par requerido.
Una vez que el motor no necesita moverse, el voltaje / corriente se puede reducir entre un 50% y un 75% para mantener esa posición. En los casos en que la fricción sea dominante, o utilizando algún tipo de engranaje, el motor puede desenergizarse por completo. Esto es similar a los relés que necesitan, por ejemplo, 12 voltios para activarse, pero luego mantienen fácilmente el contacto activado con solo 9 voltios.
Al aumentar la velocidad a aproximadamente 20 por segundo, la vibración / ruido alcanza su máximo. Ésta es una velocidad que la mayoría de los ingenieros intentarán evitar.
A medida que aumenta la velocidad, la vibración / ruido disminuye, por el par también disminuye. Si traza el ruido frente a la frecuencia, la forma mostrará una dirección descendente clara con algunos máximos locales, a menudo en frecuencia armónica.
Supongamos que un valor típico por encima de 100 pasos por segundo, la vibración es lo suficientemente baja como para ser tolerable y digamos que el par se vuelve demasiado débil para un funcionamiento confiable por encima de 500 hercios.
Puede arrancar un motor paso a paso utilizando cualquiera de estas frecuencias de inmediato, sin aumentar la velocidad de 100 Hz a 500 Hz. Del mismo modo, puede detener bruscamente los pasos, sin importar la frecuencia. La corriente de retención es suficiente para bloquear el motor en ese paso.
La rampa es necesaria cuando desea superar la frecuencia máxima. Dado el número “típico” anterior, es posible que su motor todavía tenga suficiente par, cuando se acelera suavemente, para trabajar de 500 Hz a 700 Hz. El truco para una operación confiable es iniciar la rampa en algún lugar como 400 Hz, luego dejar que aumente hasta 700 Hz. Manténgalo a esa velocidad hasta que se acerque a la posición de destino.
Luego, desacelere suavemente de 700 Hz a 450 Hz. Si aún no se alcanza la posición objetivo, mantenga el motor a esa velocidad. Luego, a partir de 450 Hz, puede detenerse. Mantenga el motor energizado a la corriente / voltaje máximo durante 0.1 segundo a 1 segundo para asegurarse de que toda fuente de vibración se disipe.
La rampa lineal es más fácil de crear. Pero lo óptimo es la forma de “S”. Empiece en la frecuencia segura, aumente lentamente al principio y cambie la tasa de aumento exponencial de la velocidad hasta llegar al máximo.
Cuando llega el momento de desacelerar, se aplica el mismo algoritmo, disminuyendo la velocidad lentamente y cambiando exponencialmente la tasa de velocidad disminuyendo, dejar de disminuir la velocidad al alcanzar la velocidad segura, lo que permite detener el motor abruptamente.
El código real que hacía todo eso, usando un microcontrolador motorola 68HC05, tomaba alrededor de 500 bytes (la EPROM interna era de 8K en total y la RAM era de 128 bytes). Estaba escrito en ensamblador.
Si tiene el hardware para micropasos, puede ignorar toda la mención sobre el ruido y la vibración. Aún necesita una aceleración en forma de “S” si desea exceder la velocidad máxima habitual. Pero como no hay vibración sin importar la velocidad, puede dejar que la desaceleración sea tan baja como desee.
Las lecciones aprendidas del impulso de onda cuadrada aún se mantienen. Es decir, para que la manera más eficiente de llegar al destino, desee que la desaceleración se asiente a la frecuencia justo por debajo del punto donde el par del motor es suficiente para una parada y arranque abruptos.