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MecatrónicaLATAM

MOTOR PASO A PASO

¿QUÉ ES UN MOTOR PASO A PASO?

Un motor a pasos es un motor de CD sin escobillas que puede ser de imán permanente o reluctancia variable que tiene como características de desempeño rotar en ambas direcciones, moverse con incrementos angulares precisos, sostener un torque de retención a velocidad cero y controlarse con circuitos digitales. El motor paso a paso es muy útil porque se puede posicionar con precisión sin ningún sensor de retroalimentación, por lo tanto se puede representar como un controlador de circuito abierto.

El número y tasa de los pulsos controla la posición y velocidad del eje del motor. Por lo general, los motores de pasos se fabrican con pasos por revolución de 12, 24, 72, 144, 180 y 200, lo que resulta en incrementos de eje de 30°, 15°, 2.5°, 2° y 1.8° por paso. A medida que activamos los bobinados del motor paso a paso en un orden en particular, permitimos que fluya una corriente a través de ellos que magnetiza el estator provocando polos electromagnéticos que causarán la propulsión del motor. Se pueden diseñar circuitos especiales de micropaso para permitir una mayor cantidad de pasos por revolución, con frecuencia 10 000 pasos/rev o más.


TIPOS DE MOTORES PASO A PASO

Los motores de pasos pueden ser bipolares que requieren dos fuentes de poder o una fuente de poder de polaridad conmutable, o unipolares que requieren sólo una fuente de poder. Se impulsa mediante una fuente de corriente directa y requieren circuitos digitales para producir secuencias de energización de bobina para la rotación del motor.

  • Bipolares.
  • Unipolares.

Comparaciones entre motor a paso bipolar y unipolar

Bipolares Unipolares
Presenta un mayor torque. Presenta un menor torque.
Es de menor tamaño. Es de mayor tamaño.
Es más económico. Es menos económico.
Su control es más complicado, requiere una tarjeta con etapas de control en potencia y de giro. Su control es más simple al requerir únicamente un circuito de alimentación.
Mayor anclaje debido a los embobinados. Menor anclaje.

Tipos de motores paso a paso por su construcción

Los motores pasos a pasos se fabrican de 3 maneras:

  • Motor paso a paso de reluctancia variable.
  • Motor paso a paso de imán permanente.
  • Motor paso a paso híbrido.

Motor paso a paso de reluctancia variable
Cuentan con un rotor ferromagnético, el movimiento del motor paso a paso y su retención resulta de la atracción de los polos del estator y rotor a posiciones con mínima reluctancia magnética que permite el máximo flujo magnético.

La ventaja de un motor paso a paso de reluctancia variable es que al tener una menor inercia de rotor provocará una respuesta dinámica más rápida.

Motor paso a paso de imán permanente
El estator se conforma de polos devanados y los polos del rotor son imanes permanentes. Al excitar diferentes combinaciones de devanados del estator se mueve y retiene el rotor en diferentes posiciones. Crea polos de polaridad opuestos para su avancé.

La ventaja que presentan se debe a un pequeño torque de retención residual, llamado momento de detención aun cuando el estator no esté energizado.

Motor paso a paso híbrido
Es una combinación del motor paso a paso de reluctancia variable e imán permanente, tiene un rotor de imán permanente y un estator dentado. El rotor cuenta con dos secciones que son opuestas en polaridad y sus dientes están desplazados.


TIPOS DE TORQUES EN UN MOTOR A PASOS

A continuación se mencionan los diferentes torques que son importantes a considerar para el diseño de nuestro proyecto, es recomendar verificar las especificaciones de cada motor para hacer la comparativa. Los motores chinos es recomendable hacer pruebas ya que posiblemente no nos den lo que indica.

  • Torque de arranque(pull in torque): Es el torque máximo para vencer la inercia del rotor para empezar a girar a máxima velocidad o la velocidad indicada.
  • Torque de giro(pull out torque): Es el máximo torque que el motor puede proporcionar sin sufrir pérdida de pasos.
  • Torque de retención(detent torque): Es el torque máximo aplicado sin provocar la rotación del eje cuando el motor se encuentra sin energizar.
  • Torque de anclaje(holding torque): Es el torque máximo que puede ser aplicado sin provocar la rotación, ocurre al tener el motor parado y alimentado.

CONTROL DE MOTOR PASO A PASO

Existen diferentes formas de configurar nuestros motores a pasos para obtener una característica deseada, normalmente se busca que tenga una mejor resolución. Para explicar cada configuración vamos a considerar un motor con 4 bobinas (motor bipolar).

Bobina simple

El método de bobina simple o conocido en inglés como “Wave Drive” consiste en activar una bobina a la vez, como el motor tiene 4 bobinas se concluye que el rotor realizará el ciclo completo en 4 pasos.

  • Par menor.
  • Consumo bajo.
A B A' B'

Paso completo

El método de bobina simple o conocido en inglés como “Full Step Drive” consiste en tener activado siempre 2 bobinas en un momento dado, al tener 2 bobinas activas aumentamos el flujo de corriente por lo tanto el par de salida de nuestro motor paso a paso es mucho más alto. Lamentablemente al utilizar está configuración no se ve afectada la resolución y por lo tanto el rotor nuevamente realizará un ciclo completo en 4 pasos.

  • Par máximo.
  • Buena velocidad.
  • Alto consumo.
A B A' B'

Medio paso

El método de medio paso o conocido en inglés como “Half Step Drive” consiste en tener activado 2 bobinas, posteriormente pasa a una bobina y nuevamente se repite a 2 bobinas activas. Con esta configuración se obtiene el doble de resolución, ahora el rotor realizará un ciclo completo en 8 pasos.

  • Movimiento suave y lento.
  • Consumo y par intermedio.
  • Buena resolución
A B A' B'

Micropasos

El método de micropasos o conocido en inglés como “Microstepping” es el más utilizado en la actualidad para el control de los motores paso a paso, consiste en proporcionar una corriente que es variable y controlada formando en la bobina una media onda senoidal. Al tener la configuración de micropasos se obtiene un movimiento suave del rotor, aumentará la precisión del motor paso a paso y disminuye el consumo.

  • Movimiento suave
  • Menor consumo
  • Muy buena resolución

Nota: Otra forma de aumentar la resolución del motor paso a paso es aumentar los números de polos del rotor y los números de polos del estator. Dependiendo de la configuración seleccionada es recomendable en la programación definir un array.

Mejor control de motor paso a paso

La retroalimentación no siempre es requerida para su control, pero el uso de un sensor de posición puede asegurar la precisión cuando es crucial su control exacto. La ventaja de operar sin retroalimentación es que no requiere un sistema de control de lazo cerrado.


FORMAS DE CONECTAR UN MOTOR PASO A PASO

Motor a pasos bipolar de 4 cables o hilos

A C D B M

La forma de representación de un motor bipolar es mediante la salida de 4 cables correspondiente a 2 bobinas, en la realidad internamente el motor paso a paso tiene una gran cantidad de bobinados. Para identificar los cables que corresponde a cada bobina se pueden identificar de diferentes maneras:

  • Identificar mediante un multímetro: Para eso debemos poner nuestro multímetro en continuidad, debemos hacer las mediciones correspondientes y hacer una anotación de los colores correspondiente a cada cable que marcan continuidad.
  • Identificar mediante un LED: Al girar el motor paso a paso con nuestra mano y tener dos cables conectados al led, se concluye que al encender el led se indica la continuidad de nuestra bobina.
  • Identificar mediante los cables del motor paso a paso: Al unir los cables de una bobina que corresponde podremos observar que al girar el motor tendremos que aplicar mayor fuerza para poder mover, si las bobinas no corresponden entonces la fuerza aplicada permanece igual.

La forma de conectar sería el cable A del motor a la salida 1A de la tarjeta de control, el cable C a la salida 1B de la tarjeta de control, el cable B a la salida 2A de la tarjeta de control y el cable D a la salida 2B de control.

Motor a pasos bipolar de 5 cables o hilos

Básicamente es un motor paso a paso unipolar de 6 cables con la diferencia que las conexiones centrales se encuentran unidas.

A C D B T M

Motor a pasos bipolar de 6 cables o hilos

La forma de representación es mediante la salida de 6 cables correspondiente a los 4 bobinados del diagrama representativo, en la realidad internamente el motor paso a paso tiene una gran cantidad de bobinados. Para identificar los cables que corresponde a cada bobina se pueden identificar de diferentes maneras:

A A' C D B' B M
  • Identificar mediante un multímetro: Primeramente vamos a poner nuestro multímetro en continuidad para identificar los 3 cables que corresponden a un bobinado, correspondiente al diagrama representativo.
    Después de identificar los 3 cables vamos a utilizar un óhmetro para medir la resistencia eléctrica, como resultado debemos obtener que la resistencia de los extremos corresponde a 2R(A → C y B →D) y la resistencia de un extremo a la terminal central o cable central corresponde a R(A→A', C→A', B→ B' y D→ B').

Para convertir un motor de 6 cables a otra configuración se sigue lo siguiente:

  • Convertir motor unipolar de 6 cables a bipolar: Para convertir el motor paso a paso de unipolar a bipolar primeramente debemos identificar los cables correspondientes y posteriormente se debe descartar los cables centrales (No deben conectarse).
  • Convertir motor unipolar de 6 cables a unipolar de 5 cables: Para esto es necesario juntar el cableado central y obtendremos nuestro motor paso a paso unipolar de 5 cables.

Motor a pasos bipolar de 8 cables o hilos

La forma de representación es mediante la salida de 8 cables correspondientes a los 4 bobinados pero que a diferencia de los otros no tienen terminal central unida.

A A' C C' D' D B' B M

Es posible convertir este motor unipolar de 8 cables a 6 cables únicamente uniendo extremos correspondiente a cada bobina con otra bobina.

Al operar este motor como bipolar es posible usar dos cables por cada fase en paralelo o en serie. Al utilizarlo en paralelo disminuye la inductancia del cable lo que aumenta el rendimiento requiriendo más corriente. Al operarlo en serie sería como tener una bobina por fase por lo tanto aumenta la inductancia del cable y disminuyendo la corriente requerida.

  • Conexión en paralelo: Los cables A y C se deben conectar a la salida 1A del controlador, los cables A' y C a la salida 1B del controlador, los cables B y D' a la salida 2A del controlador y los cables B' y D a la salida 2B del controlador.
  • Conexión en serie: Se deben conectar los cables A' y C' por un lado, y los cables B' y D' por otro lado, formando así un motor paso a paso unipolar de 6 cables. Ahora los cables A, C, B y D se conectaran al controlador como si fuera un motor bipolar.

CONSIDERACIONES IMPORTANTES A TOMAR EN CUENTA

  • Es recomendable hacer las mediciones apropiadas a nuestro motor a pasos, esto permite tener conectado apropiadamente y aprovechar al máximo su funcionamiento.
  • Tener cuidado a un torque excesivo por la pérdida de pasos.
  • Incrementar el voltaje de operación puede sobrecalentar el motor a pasos.
  • Un sobrecalentamiento puede desmagnetizar los imanes del rotor.
  • Se recomienda utilizar un sistema de lazo cerrado, ya que si utilizamos un sistema de lazo abierto el motor salta o pierde pulsos del controlador por lo tanto provocaría un error en nuestro sistema o proyecto, también al tener un sistema de lazo cerrado evitamos que los fenómenos de histéresis y resonancia afecten gravemente.

PREGUNTAS FRECUENTES DEL MOTOR A PASOS

¿Qué ocurre si cruzo las fases al conectar el motor?

    Se presenta una vibración en el motor sin algún movimiento o rotación. Es sencillo identificar este error y no causa ningún problema a la electrónica.

¿Cómo puedo cambiar el sentido de giro?

    Se pueden de dos formar, invertir la posición de las conexiones o en la programación.

¿Qué ocurre si intercambio el sentido a alguna de las fases?

    El motor girará en el sentido contrario al esperado.

¿Por qué se calienta mucho mi motor?

    Posiblemente tu motor se encuentra utilizando su máxima potencia y demanda mucha corriente, lo mejor sería hacer las mediciones de corriente para verificar y posteriormente presentar una solución. Otra alternativa es reducir la intensidad de corriente por lo tanto la potencia del motor pero esto afectaría el movimiento realizado o tal vez no pueda con la carga.

¿Por qué mi motor paso a paso se salta pasos?

    Existen varios factores, lo recomendable es tener una retroalimentación de lazo cerrado y así tener la posición correcta, también se puede deber a la corriente así que deben verificar la hoja de datos de su motor paso a paso. Si todo es correcto pueden probar reduciendo la aceleración y comprobar mecánicamente que todo sea correcto.