Motores Paso a Paso

Los motores paso a paso vienen a cerrar la descripción dedicada a este amplio conjunto de dispositivos capaces de transformar la energía eléctrica en mecánica. Este tipo de motor, a pesar de tener una concepción bastante antigua, únicamente ha podido emplearse en la práctica a partir del momento en que la tecnología de semiconductores ha permitido el desarrollo de circuitos de actuación y control suficientemente rápidos y adecuados.

En definitiva, las aplicaciones fundamentales de este tipo de motor son aquellas en las que se precisa un sistema de posicionamiento seguro y fiable sin tener que recurrir a otros sistemas más complejos del tipo de servomecanismos. Además, soluciona con relativa sencillez otros casos en los que la exigencia en cuanto de la velocidad de accionamiento en determinados movimientos ordinarios asociados a sistemas de frenado de gran seguridad y de muy problemática ejecución práctica.

Lógicamente existen numerosos tipos de motores paso a paso para cubrir esta amplia gama de aplicaciones entre los que existen diferencias en cuanto a su principio de funcionamiento, además de las lógicas derivadas del tamaño y potencia más adecuados para cada caso concreto.

Aplicaciones típicas de los Motores Paso a Paso

Suelen usarse en periféricos de ordenador (scanners, controladores de discos, impresoras, etc), cámaras, telescopios y sistemas de posicionamiento de satélites, aplicaciones médicas, robótica y herramientas mecánicas controladas de forma numérica.

Aspectos negativos de los motores paso a paso:

• Puede producirse una resonancia si no se controlan adecuadamente;

• No funcionan fácilmente a velocidades extremadamente elevadas;

• Si se sobrepasa el par de fuerza, todas las referencias de la posición se pierden y el sistema debe reiniciarse;

• Producen un par de fuerza mucho más pequeño para un determinado tamaño, en comparación con un motor DC/AC equivalente.

Principio de Funcionamiento

El principio de funcionamiento está basado en un estator construido por varios arrollamientos independientes devanados sobre un material ferromagnético y un rotor que puede girar libremente en el seno del estator.

Estos deferentes bobinados son alimentados uno a continuación del otro y causan un determinado desplazamiento angular que se denomina "paso angular" y que es la principal característica del motor. El sentido de rotación estará definido por la secuencia en la que se han excitado los diferentas arrollamientos.

Figura 1: Conexión clásica para un motor paso a paso

Tipos de motores paso a paso

Existen dos tipos básicos de motores paso a paso. El primero de ellos funciona por el efecto de reacción que se produce entre un campo electromagnético y un imán permanente, por este motivo se le denomina "motor paso a paso de imán permanente". Se los conoce también como "tincan" o "canstack". El segundo funciona mediante la acción de un campo electromagnético sobre un rotor de hierro dulce, el cual, como es sabido, presenta un magnetismo remanente muy débil. A este tipo se le conoce con el nombre de " motor paso a paso de reluctancia variable".

En ambos casos se precisa de un circuito o equipo externo que distribuya la alimentación en forma secuencial a todos los arrollamientos del estator, de forma que únicamente se encuentre excitado uno cualquiera de ellos en cada momento. En consecuencia, el sistema de alimentación no será una corriente continua o alterna, sino que será una secuencia constante y uniforme de pulsos de excitación que se envían a los devanados con una frecuencia "f" y que el motor contiene un número de bobinas "n", obtendrá una velocidad de giro v=n/f

Revoluciones por segundo (r. p. s), bien entendido que cada vuelta recorrida por el rotor se compondrá de tantos saltos como bobinas diferentes existan en el estator, cantidad que en este caso se ha definido como "n". El desplazamiento angular obtenido de cada paso se calculará dividiendo los 360° correspondientes a una vuelta por el número de arrollamiento "n", es decir que D= 360/n.

Pasemos a analizar por separado cada uno de los modelos definidos anteriormente.

Tamaño

Generalmente, los motores paso a paso están clasificados de acuerdo al tamaño de su bastidor (diámetro del cuerpo). Por ejemplo, el tamaño 23 de un motor paso a paso tiene un tamaño de cuerpo de aproximadamente 2,3 pulgadas. Los tamaños más comunes de bastidor son los de 11, 17, 23, 34 y 42.

Motor de Imán Permanente

Está formado por un estator de forma cilíndrica con un cierto número de bobinados alimentados en secuencia que crean un campo magnético giratorio de manera discontinua. Tienen una velocidad relativamente baja y un par de fuerza bajo, con un gran ángulo del paso que suele ser de 45° ó 90°, son más económicos. El rotor concéntrico con el estator y situado sobre el eje contiene un imán fuertemente magnetizado que en cada instante tenderá a alinearse con el campo magnético creado por la correspondiente bobina del estator. Como puede observarse, su modo de operación no podría ser más simple, ya que está basado en las fuerzas de atracción desarrolladas entre dos imanes, uno permanente y el otro temporal.

Figura 2: Secuencia de funcionamiento de un motor paso a paso de imán permanente bipolar (dos bobinados)

Normalmente y a diferencia de los motores sincrónicos, el imán del rotor es bipolar y los polos norte y sur se encuentran en los extremos opuestos de uno de los diámetros del cilindro del rotor.

El número de bobinados que se dispone en el estator este tipo concreto suele ser de dos o cuatro, con los que se obtienen cuatro pasos por cada vuelta, y el desplazamiento angular será de 90°. Las frecuencias de trabajo empleadas suelen ser bajas y el par motor debido a la presencia de imán. Sin embargo, es conveniente tener en cuenta algunas consideraciones acerca del máximo par de accionamiento que puede ofrecer este motor.

Supongamos un cierto modelo constituido por dos bobinados a los que se aplican impulsos con doble polaridad, según la secuencia que se puede observar en las ilustraciones.

Cuando la alimentación alcanza al bobinado 1, el imán permanente se va ha alinear con el campo creado, de forma que justo en el momento en que ambos campos se encuentra exactamente en línea, el par motor se anulará. Si el motor está acoplado a algún mecanismo externo, esta situación no podrá alcanzarse, ya que el par desarrollado deberá ser igual al necesario para mover la carga, por lo tanto se formará un cierto ángulo entre los dos campos.

Este par será máximo cuando el ángulo citado sea de 90°, pero al llegar la excitación al segundo bobinado (2) el nuevo ángulo formado será de 180°, con lo que el par se anulará. Por lo tanto se deduce que un motor de este tipo no deberá nunca ser cargado con mecanismos que requieran un par cuyo ángulo de mantenimiento supere los 45°, aunque en la práctica se reduce este valor a 30° aproximadamente.

Motor de reluctancia variable

Este motor no utiliza un campo magnético permanente, como resultado puede moverse sin limitaciones o sin un par de parada. Este tipo de montaje es el menos común y se usa, generalmente, en aplicaciones que no requieren un alto grado de par de fuerza, como puede ser el posicionamiento de un mando de desplazamiento.

Este motor se desarrolló con objeto de poder conseguir unos desplazamientos angulares más reducidos que en el caso anterior, sin que por este motivo haya de aumentarse considerablemente el número de bobinados. El estator presentará la forma cilíndrica habitual conteniendo generalmente un total de tres devanados distribuidos de tal forma que existirá un ángulo de 120° aproximadamente entre dos de ellos. El rotor está formado por un núcleo de hierro dulce de estructura cilíndrica pero con una cierta cantidad de dientes tallados longitudinalmente a lo largo de su superficie lateral.

Figura 3: Partes de un motor paso a paso de reluctancia variable

Para analizar su modo de operación se va a suponer un motor constitutito por tres devanados, B1, B2 y B3, excitados secuencialmente y un rotor con cuatro dientes, D1, D2, D3 y D4. Cuando el primer arrollamiento (B1) recibe la alimentación, atraerá al rotor hasta que el diente mas cercano se alinee con el campo, por ejemplo, D1; al llegar la excitación a B2, el diente D2 será el más próximo , con lo que el rotor girará 30°, de la misma forma, con el siguiente impulso aplicado a B3 será el diente D3 el alineado, con un segundo paso de 30° y al volver la alimentación a B1 será atraído D4, avanzando un ángulo igual a los anteriores.

Como fácilmente puede deducirse, en este caso y a diferencia del anterior, la polaridad o sentido de circulación de la corriente en cada devanado es diferente, ya que al no estar imantado el rotor siempre se desplazará hasta la posición en que la reluctancia del circuito magnético del estator sea mínima.

Figura 3: Secuencia de funcionamiento de un motor de reluctancia variable de cuatro dientes: la corriente circula por B1

Figura 4: alimentación en B2

Figura 5: Ahora la alimentación se aplica a B3

Figura 6: La corriente circula nuevamente por B1

Para obtener desplazamiento angulares de 15° será necesario aumentar el número de dientes del rotor hasta ocho y esta cifra se hará tanto mayor cuanto más reducido sea el avance de cada paso.

En este tipo de motores son también aplicables las consideraciones que sobre el par de accionamiento han sido expuestas anteriormente.

La principal características de estos motores de reluctancia variable es la elevada velocidad de accionamiento que permiten, siendo normal la cifre de 1200 pasos por segundo.

Otra forma constructiva para este tipo de motor es la de efectuar un agrupamiento de varios conjuntos roro-estator, alimentando a estos últimos, secuencialmente. Los pasos se obtienen por el posicionamiento de los bobinados de cada estator, alineando los tres rotores y constituyendo un rotor único. Existe, por último un tercer tipo de motor paso a paso denominado motor híbrido que combina los diseños de ambos, obteniendo importante pares de accionamiento, un gran número de pasos por vuelta y una frecuencia bastante elevada de trabajo. La resolución de paso es de 0,9°, 1,8° ó 3,6°.

Las fases de un motor P a P

Se define al número de caminos diferentes a través de los que puede fluir el campo magnético.

Generalmente los motores tienen dos fases, aunque también los hay con tres o cinco.

• Un motor bipolar tiene un bobinado por fase.

• Un motor unipolar tiene un bobinado con una pequeña lámina centrada, o dos bobinados separados por fase.

Configuraciones

Los polos

Normalmente, tanto el rotor como el estator de un motor p a p tienen igual número de polos, aunque en ocasiones pueden aparecer excepciones.

Figura 7:Conexión básica de motores PaP

Modos de paso a paso

El motor paso a paso puede controlarse mediante un gran número de secuencias diferentes. Las más comunes son las siguientes:

• Control de onda

• Control total del paso (Full Stop)

• Control de la Mitad de Paso (Half Step)

• Mocrostepping.

Ande de establecer las características de cada uno de ellos, será necesario clarificar las partes internas de estos motores y las fases. Para ello se debe considerar si es un motor de accionamiento unipolar o bipolar.

Motores de accionamiento Unipolar

Cada bobina del estator tiene un Terminal conectado a un potencial fijo, como por ejemplo positivo. El sentido de la corriente que fluye a través de la bobina está determinado por el Terminal al cual está conectado el negativo de la línea de alimentación, a través del dispositivo de conmutación. Las dos mitades de las bobinas de conmutación hacen que se inviertan los polos magnéticos del estator.

En la siguiente figura se observa un motor del tipo unipolar.

Figura 8 : Motores de dos estatores (4 fases)

La figura 8 muestra un motor de 4 fases en el cual las fases P y R están activadas: el rotor adopta la posición indicada. Si se acciona el conmutador S1(fases Q y R activadas), se obtienen las condiciones ilustradas en la figura 1b: el rotor se ha desplazado 90°. Por lo tanto accionando los conmutadores S1 y S2 alternativamente se puede hacer que el rotor gire en pasos de 90° y variando la secuencia de conmutación puede invertirse el sentido de rotación.

Esta clase de motor de estator de 4 fases tiene un rotor de imán permanente de 24 polos (ángulos de paso de 7° 30´) ó 12 polos (ángulo de paso de 15°)

Motor para accionamiento bipolar

Las bobinas del estator no tienen conexión centra de alimentación. En vez de utilizar alternativamente media bobina para producir una inversión de la corriente que circula a través de los devanados del estator (como para el accionamiento unipolar), la corriente ahora se invierte a través de la bobina entera mediante la conmutación de ambas líneas de alimentación. El funcionamiento de un motor con el accionamiento bipolar es idéntico al unipolar. Un motor con dos estatores (dos fases) corresponde a un accionamiento del tipo bipolar.

Figura 9: Motor PaP de dos estatores ( 2 fases)

Estos motores tienen un estator de dos fases y un rotor de imán permanente con 24 polos (ángulo de paso 7°30´) ó 12 polos (ángulo de paso de 15°). El diseño es similar al de los motores unipolares. El flujo del estator de un devanado bipolar se invierte al invertir la corriente a través del devanado. Con una excitación de corriente constante., el motor bipolar puede ser utilizado con una alta relación de pasos. Para un funcionamiento continuo con una elevada relación de pasos, la temperatura del motor aumenta debido a las pérdidas, las cuales deben tenerse en cuenta en el cálculo de la máxima temperatura ambiente de trabajo.

Ahora se pueden explicar los modos de los pasos.

• Control de onda: En este modo sólo está alimentada una fase en un momento determinado. Para los motores unipolares esto significa que sólo se están utilizando el 25% de los bobinados disponibles, mientras que para los motores bipolares la utilización es del 50 %.

• Control Total del Paso (Full Step):En este modo se alimentan dos fases a la vez, Para los motores unipolares esto significa que se están utilizando el 50% de los bobinados disponibles, mientras que para los motores bipolares la utilización es del 100%.

• Control de Mitad de Paso (Half Step). En este modo, las secuencias de la onda y el control del paso completo están entremezclados, de manera que se permita que el rotor esté alineado en la mitad de cada paso. Para los motores unipolares esto significa que están empleándose el 37,5% de los bobinados disponibles (como media), mientras que en los motores bipolares el uso alcanza el 75%.

• Microstepping: Las corrientes en los bobinados están variando continuamente para poder dividir un paso completo en muchos pasos discretos más pequeños. Esta secuencia de explicación no será tratada en esta guía.

Terminologías

• Par de Mantenimiento (Holding Torque / HT): Si se activa el motor desde el reposo es necesaria una cierta cantidad de par para desviar el motor un paso y es específico para cada motor dentro de su grupo. Cuando se aplica un par que excede al par de mantenimiento el motor girará continuamente. El HT normalmente es más alto que el par de trabajo (WT) y actúa como un fuerte freno manteniendo la carga en posición. El valor es el más adecuado para mantener la carga en posición.

• Par de parada (Detent Torque / DT): Debido a sus imanes permanentes, los motores de imán permanente y los motores híbridos tiene un par de freno aún cuando no estén activados. Esto es lo que llamaremos detención.

• Par de trabajo (Working Torque / WT): Las características dinámicas de un motor están descritas por las curvas del par respecto a la relación de pasos. La curva de arranque sin error (Pull-in curve) indica que un motor con carga puede arrancar y parar sin pérdida de pasos cuando trabaja con una relación de pasos constante. La curva de estabilización (Pull-out curve) indica el par disponible cuando el motor es gradualmente acelerado y desacelerado a partir de su velocidad de trabajo requerida. El área entre las dos curvas se conoce como campo giratorio. Estas curvas características son la clave para la selección del motor adecuado y de los circuitos de excitación y control.

• Sobreoscilación: Cuando se trabaja a paso simple el rotor tiende a la sobreoscilación y oscila sobre su posición final. La respuesta real depende de la carga y de la potencia de entrada procedente del circuito de excitación. La respuesta puede ser modificada incrementando la carga friccional o añadiendo un amortiguamiento mecánico. No obstante los amortiguamientos mecánicos como discos de fricción o volante hidráulicos añaden al sistema coste y complejidad. Usualmente es mejor utilizar amortiguadores electrónicos.

• Resonancia: Un motor PAP que trabaja sin carga sobre su margen completo de frecuencias de trabajo revelará puntos de resonancia que son audibles o que pueden ser detectados por sensores de vibración. Estas frecuencias deberían ser evitadas utilizando una excitación más suave, añadiendo una inercia extra o un amortiguamiento externo.

Bibliografía

Sin Autor. 1986 .Pequeños Motores. Chile. Nueva Lente

Constandinou.2001. Fundamentos de Motores Paso a Paso. España. Saber Electrónica

PHILIPS. 1990 Ficha Técnica Motor paso a poso.

Autor:

Edgardo Faletti