Selecionando a melhor fonte de alimentação para sua aplicação de motor de passo ou servomotor

As aplicações de controle de movimento têm alguns requisitos exclusivos em comparação com a maioria das aplicações; dois são particularmente únicos: 1) eles têm uma demanda de potência de pico que normalmente é muito alta em relação à demanda média e 2) os motores geralmente atuam como gerador e não como carga, e bombeiam corrente para a fonte de alimentação em vez de extraí-la. (energia regenerada ou “regeneração”).

Se você precisar de uma fonte de alimentação CC para sua aplicação de motor de passo ou servomotor, você terá três tipos para escolher: 1) fontes lineares em massa não regulamentadas; 2) fontes de alimentação de modo de comutação PWM reguladas (switchers SMPS ou PWM); ou 3) fontes de modo ressonante reguladas e híbridas.

Este artigo discute as considerações técnicas exclusivas do controle de movimento e compara os três tipos de fontes de alimentação.

É importante considerar as demandas exclusivas de uma aplicação de controle de movimento ao selecionar uma fonte de alimentação. Durante as acelerações, os acionamentos do motor podem consumir rapidamente grandes quantidades de energia. Além disso, os motores podem criar regeneração e empurrar a corrente de volta para a fonte de alimentação durante a desaceleração (ou seja, eles atuam como geradores), o que significa que a fonte de alimentação precisa lidar com o aumento de tensão resultante. Aplicações de movimento altamente dinâmico (aquelas com grandes cargas inerciais, acelerações/desacelerações rápidas e altas velocidades de pico) impõem demandas grandes e rápidas de corrente na fonte de alimentação.

Existem muitos outros fatores importantes a serem considerados ao escolher a melhor fonte de alimentação que não estão especificamente relacionados ao controle de movimento. Algumas delas são especialmente importantes para projetistas de máquinas OEM que buscam minimizar o custo de seus produtos e fornecer operação confiável em uma ampla variedade de condições operacionais.

Potência necessária (pico e média): Uma aplicação de bombeamento que geralmente funciona a uma velocidade e torque fixos ou de variação lenta utiliza uma potência de pico bastante próxima de sua potência média (contínua). Uma máquina pick-and-place, por outro lado, com muitas partidas e paradas em alta aceleração tem um pico muito maior do que a demanda média de energia. Para um sistema bem projetado, você precisará considerar o pico e o consumo médio de energia para todos os eixos combinados (que geralmente não é simplesmente a soma dos requisitos de cada eixo individual). Uma máquina multieixos com eixos que possuem perfis de movimento sobrepostos (ou seja, os eixos podem acelerar ao mesmo tempo) provavelmente exigirá muito mais potência de pico do que máquinas onde apenas um eixo se move por vez.

Nível de tensão de saída CC: Supondo que você queira o menor custo geral para a potência mecânica que sua aplicação precisa e esteja usando motores na faixa de 100 a 750 watts (potência fracionária), há um ponto ideal em torno de 65-85 volts DC. Muitas pessoas desejam utilizar uma fonte de alimentação de 24 volts porque são muito fáceis de encontrar ou porque sua aplicação já necessita de 24 volts (para sensores e outros componentes). Muitos motores podem funcionar com uma fonte de 24 volts, então por que não usar 24 volts? A principal razão é que aumentar a tensão de barramento fornecida ao motor (até certo ponto) é a maneira mais barata de obter mais potência do motor. A potência mecânica do eixo de um motor em qualquer velocidade é a velocidade multiplicada pelo torque. A velocidade máxima de qualquer motor está diretamente relacionada à tensão fornecida. A quantidade de torque que você pode obter de um motor é proporcional à corrente que você empurra através de seus enrolamentos, que por sua vez também é limitada pela tensão da fonte de alimentação. Portanto, a maneira de obter o máximo de potência de qualquer motor (velocidade × torque) é aumentar a tensão fornecida. Para qualquer tensão, um motor girará mais rápido se as bobinas do estator do motor tiverem menos voltas de fio de cobre. E com menos voltas, você pode usar um fio de bitola mais pesada, que terá menor resistência e fornecerá mais corrente por volt.

Por outro lado, por que não usar voltagem realmente alta? Para motores maiores que 1-2 cavalos de potência, seria impraticável não usar alta tensão, mas para motores de potência fracionária, o uso de alta tensão traz uma série de questões regulatórias e de segurança que aumentam a complexidade do projeto e aumentam os custos. Ao usar uma fonte na faixa de 75 VCC, a corrente necessária para atingir a potência do motor de até 1-2 cavalos não é alta o suficiente para se preocupar com as perdas resistivas e os problemas de preenchimento de cobre descritos acima. E com 75 VCC, é muito fácil e barato atender às regulamentações de segurança elétrica. Você pode usar uma tensão inferior à ideal e ainda obter a potência mecânica necessária, mas provavelmente terá que usar um motor maior e mais caro.