Motor paso a paso ¿Qué es y cómo funciona?

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¿Qué es un motor paso a paso?

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 pasos bipolar y unipolares

Motores a pasos unipolares

  • Presentan un menor torque.

  • Es de mayor tamaño.

  • Es menos económico.

  • Su control es más simple al requerir únicamente un circuito de alimentación.

  • Menor anclaje.

Motores a pasos bipolares

  • Presentan un mayor torque.

  • Es de menor tamaño.

  • Es más económico.

  • Su control es más complicado ya que requiere una tarjeta con etapas de control en potencia y de giro.

  • Mayor anclaje debido a los embobinados.

 

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.

Diferentes 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 (pullo ut 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.

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.

Control de Motor a Pasos

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)

 
 

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)

 
 

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)

 
 

 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.

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.