Motores paso a paso

2. Principio de funcionamiento
3. Tipos de motores paso a paso
4. Parámetros de los motores paso a paso
5. Control de los motores paso a paso
6. Secuencia del circuito de control
7. Aplicaciones de los motores paso a paso
8. Características

INTRODUCCIÓN

En numerosas ocasiones es necesario convertir la energía eléctrica en energía mecánica, esto se puede lograr, por ejemplo, usando los motores de corriente continua. Pero cuando lo deseado es posicionamiento con un elevado grado de exactitud y/o una muy buena regulación de la velocidad, se puede contar con una gran solución: utilizar un motor paso a paso.

El desarrollo de la presente investigación tiene por objeto dar a conocer los principios básicos de funcionamiento de este tipo de motores, sus características constructivas y las formas básicas de hacer funcionar los motores por medio de dispositivos microcontroladores.

Sus principales aplicaciones se pueden encontrar en robótica, tecnología aeroespacial, control de discos duros, flexibles, unidades de CD-ROM o de DVD e impresoras, en sistemas informáticos, manipulación y posicionamiento de herramientas y piezas en general.

Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos.

La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°.

Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas están energizadas, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.

El motor paso a paso está constituido esencialmente por dos partes: a) Una fija llamada "estator", construida a base de cavidades en las que van depositadas las bobinas que excitadas convenientemente formarán los polos norte-sur de forma que se cree un campo magnético giratorio. b) Una móvil, llamada "rotor" construida mediante un imán permanente, con el mismo número de pares de polos, que el contenido en una sección de la bobina del estator; este conjunto va montado sobre un eje soportado por dos cojinetes que le permiten girar libremente.

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Imagen del Rotor

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Imagen de un estator de 4 bobinas

Si por el medio que sea, conseguimos excitar el estator creando los polos N-S, y hacemos variar dicha excitación de modo que el campo magnético formado efectúe un movimiento giratorio, la respuesta del rotor será seguir el movimiento de dicho campo, produciéndose de este modo el giro del motor.

Puede decirse por tanto que un motor paso a paso es un elemento que transforma impulsos eléctricos en movimientos de giro controlados, ya que podremos hacer girar al motor en el sentido que deseemos y el número de vueltas y grados que necesitemos.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Los motores eléctricos, en general, basan su funcionamiento en las fuerzas ejercidas por un campo electromagnético y creadas al hacer circular una corriente eléctrica a través de una o varias bobinas. Si dicha bobina, generalmente circular y denominada estator, se mantiene en una posición mecánica fija y en su interior, bajo la influencia del campo electromagnético, se coloca otra bobina, llamada rotor, recorrida por una corriente y capaz de girar sobre su eje, esta última tenderá a buscas la posición de equilibrio magnético, es decir, orientará sus polos NORTE-SUR hacia los polos SUR-NORTE del estator, respectivamente. Cuando el rotor alcanza esta posición de equilibrio, el estator cambia la orientación de sus polos, aquel tratará de buscar la nueva posición de equilibrio; manteniendo dicha situación de manera continuada, se conseguirá un movimiento giratorio y continuo del rotor y a la vez la transformación de una energía eléctrica en otra mecánica en forma de movimiento circular.

Aún basado en el mismo fenómeno, el principio de funcionamiento de los motores de corriente continua, los motores paso a paso son más sencillos si cabe, que cualquier otro tipo de motor eléctrico.

La figura 1 intenta ilustrar el modo de funcionamiento de un motor paso a paso, suponemos que las bobinas L1 como L2 poseen un núcleo de hierro dulce capaz de imantarse cuando dichas bobinas sean recorridas por una corriente eléctrica. Por otra parte el imán M puede girar libremente sobre el eje de sujeción central.

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Figura 1. Principio de funcionamiento de un motor paso a paso

Inicialmente, sin aplicar ninguna corriente a las bobinas (que también reciben el nombre de fases) y con M en una posición cualquiera, el imán permanecerá en reposo si no se somete a una fuerza externa. 

Si se hace circula corriente por ambas fases como se muestra en la Figura 1(a), se crearán dos polos magnéticos NORTE en la parte interna, bajo cuya influencia M se desplazará hasta la posición indicada en dicha figura.

Si invertimos la polaridad de la corriente que circula por L1 se obtendrá la situación magnética indicada en la Figura 1(b) y M se verá desplazado hasta la nueva posición de equilibrio, es decir, ha girado 90 grados en sentido contrario a las agujas del reloj.

Invirtiendo ahora la polaridad de la corriente en L2, se llega a la situación de la Figura 1 (c) habiendo girado M otros 90 grados. Si, por fin, invertimos de nuevo el sentido de la corriente en L1, M girará otros 90 grados y se habrá obtenido una revolución completa de dicho imán en cuatro pasos de 90 grados.

Por tanto, si se mantiene la secuencia de excitación expuesta para L1 y L2 y dichas corrientes son aplicadas en forma de pulsos, el rotor avanzará pasos de 90 grados por cada pulso aplicado.

Por lo tanto se puede decir que un motor paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte impulsos eléctricos en un movimiento rotacional constante y finito dependiendo de las características propias del motor.

El modelo de motor paso a paso que hemos analizado, recibe el nombre de bipolar ya que, para obtener la secuencia completa, se requiere disponer de corrientes de dos polaridades, presentando tal circunstancia un inconveniente importante a la hora de diseñar el circuito que controle el motor. Una forma de paliar este inconveniente es la representada en la Figura 2, obteniéndose un motor unipolar de cuatro fases, puesto que la corriente circula por las bobinas en un único sentido.

Si inicialmente se aplica la corriente a L1 y L2 cerrando los interruptores S1 y S2, se generarán dos polos NORTE que atraerán al polo SUR de M hasta encontrar la posición de equilibrio entre ambos como puede verse en la Figura 2(a). Si se abre posteriormente S1 y se cierra S3, por la nueva distribución de polos magnéticos, M evoluciona hasta la situación representada en la Figura 2(b).

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 Figura 2.- Principio básico de un motor unipolar de cuatro fases

Siguiendo la secuencia representada en la Figuras 2 (c) y (d), de la misma forma se obtienen avances del rotor de 90 grados habiendo conseguido, como en el motor bipolar de dos fases, hacer que el rotor avance pasos de 90 grados por la acción de impulsos eléctricos de excitación de cada una de las bobinas. En uno y otro caso, el movimiento obtenido ha sido en sentido contrario al de las agujas del reloj; ahora bien, si las secuencias de excitación se generan en orden inverso, el rotor girará en sentido contrario, por lo que fácilmente podemos deducir que el sentido de giro en los motores paso a paso es reversible en función de la secuencia de excitación y, por tanto, se puede hacer avanzar o retroceder al motor un número determinado de pasos según las necesidades.

El modelo de motor paso a paso estudiado, salvo su valor didáctico, no ofrece mayor atractivo desde el punto de vista práctico, precisamente por la amplitud de sus avances angulares.

Una forma de conseguir motores Paso a Paso de paso mas reducido, es la de aumentar el número de bobinas del estator, pero ello llevaría a un aumento del coste y del volumen y a pérdidas muy considerable en el rendimiento del motor, por lo que esta situación no es viable. Hasta ahora y para conseguir la solución más idónea, se recurre a la mecanización de los núcleos de las bobinas y el rotor en forma de hendiduras o dientes, creándose así micropolos magnéticos, tantos como dientes y estableciendo las situaciones de equilibrio magnéticos con avances angulares mucho menores, siendo posible conseguir motores de hasta de 500 pasos.

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Bobinado de un motor paso a paso de una disquetera, en el que pueden apreciarse bobinados, el imán permanente se ha desmontado para poder ver el interior del motor que está montado sobre la propia placa de circuito impreso

TIPOS DE MOTORES PASO A PASO

Hay dos tipos básicos de motores Paso a Paso, los BIPOLARES que se componen de dos bobinas y los UNIPOLARES que tienen cuatro bobinas. Externamente se diferencian entre sí por el número de cables. Los bipolares solo tienen cuatro conexiones dos para cada bobina y los unipolares que normalmente presentan seis cables, dos para cada bobina y otro para alimentación de cada par de éstas, aunque en algunos casos podemos encontrar motores unipolares con cinco cables, básicamente es lo mismo, solo que el cable de alimentación es común para los dos pares de bobinas.

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Motores Unipolares: En este tipo de motores, todas las bobinas del estator están conectadas en serie formando cuatro grupos. Esta a su vez, se conectan dos a dos, también en serie, y se montan sobre dos estatores diferentes, tal y como se aprecia en la Figura 3. Según puede apreciarse en dicha figura, del motor paso a paso salen dos grupos de tres cables, uno de los cuales es común a dos bobinados. Los seis terminales que parten del motor, deben ser conectados al circuito de control, el cual, se comporta como cuatro conmutadores electrónicos que, al ser activados o desactivados, producen la alimentación de los cuatro grupos de bobinas con que está formado el estator. Si generamos una secuencia adecuada de funcionamiento de estos interruptores, se pueden producir saltos de un paso en el número y sentido que se desee.

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Figura 3.- Control de motor Unipolar

Motores Bipolares: En este tipo de motores las bobinas del estator se conectan en serie formando solamente dos grupos, que se montan sobre dos estatores, tal y como se muestra en la Figura 4.

Según se observa en el esquema de este motor salen cuatro hilos que se conectan, al circuito de control, que realiza la función de cuatro interruptores electrónicos dobles, que nos permiten variar la polaridad de la alimentación de las bobinas. Con la activación y desactivación adecuada de dichos interruptores dobles, podemos obtener las secuencias adecuadas para que el motor pueda girar en un sentido o en otro.

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Figura 4.- Control de motor Bipolar

La existencia de varios bobinados en el estator de los motores de imán permanente, da lugar a varias formas de agrupar dichos bobinados, para que sean alimentados adecuadamente. Estas formas de conexión permiten clasificar los motores paso a paso en dos grandes grupos:

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Desde el punto de vista de su construcción existen los siguientes tipos de motores paso a paso:

1.- De reluctancia variable (V.R.): Los motores de este tipo poseen un rotor de hierro dulce que en condiciones de excitación del estator y bajo la acción de su campo magnético, ofrecen menor resistencia a ser atravesado por su flujo en la posición de equilibrio. Su mecanización es similar a los de imán permanente y su principal inconveniente radica en que en condiciones de reposos (sin excitación) el rotor queda en libertad de girar y, por lo tanto, su posicionamiento de régimen de carga dependerá de su inercia y no será posible predecir el punto exacto de reposo. El tipo de motor de reluctancia variable o V.R. (figura 5) consiste en un rotor y un estator cada uno con un número diferente de dientes. Ya que el rotor no dispone de un magneto permanente el mismo gira libremente, o sea que no tiene torque de detención.

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Figura 5.- Vista de sección de un motor por pasos de reluctancia variable

2.- De magneto Permanente: es el modelo en el que rotor es un imán permanente en el que se mecanizan un número de dientes limitado por su estructura física. Ofrece como principal ventaja que su posicionamiento no varía aún sin excitación y en régimen de carga. El motor de magneto permanente (PM) o tipo enlatado (figura 6) es quizá el motor por pasos mas ampliamente usado para aplicaciones no industriales. En su forma mas simple, el motor consiste en un rotor magneto permanentemente magnetizado radial  y en un estator similar al motor V.R. Debido a las técnicas de manufactura usadas en la construcción del estator, los mismos se conocen a veces como motores de "polo de uñas "o "claw pole" en Inglés.

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Figura 6.- Vista en sección de un magneto permanente

3.- Híbridos: Son combinación de los dos tipos anteriores; el rotor suele estar constituido por anillos de acero dulce dentado en un número ligeramente distinto al del estator y dichos anillos montados sobre un imán permanente dispuesto axialmente. El tipo Híbrido es probablemente el más usado de todos los motores por pasos. Originalmente desarrollado como un motor PM sincrónico de baja velocidad su construcción es una combinación de los diseños V.R. y P.M. El motor Híbrido consiste en un estator dentado y un rotor de tres partes (apilado simple). El rotor de apilado simple contiene dos piezas de polos separados por un magneto permanente magnetizado, con los dientes opuestos desplazados en una mitad de un salto de diente (figura 7) para permitir una alta resolución de pasos.

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Figura 7

El incremento de demanda de los sistemas de motor por pasos de reducido ruido acústico, con una mejora en el desempeño al mismo tiempo con reducción de costos fue satisfecho en el pasado con los dos tipos principales de motores por pasos Híbridos. El tipo 2(4) fases que ha sido generalmente implementado en aplicaciones simples y el de 5 fases ha probado ser ideal para las tareas más exigentes. Las ventajas ofrecidas por los motores de 5 fases incluían:

• Mayor resolución
• Menor ruido acústico
• Menor resonancia operacional
• ·       Menor torque de frenado.

A pesar de que las características de los motores de 5 fases ofrecían muchos beneficios, especialmente en micro pasos, el creciente número de conmutaciones de alimentación y el cableado adicional requerido tenían un efecto adverso en el costo del sistema. Con el avance de la electrónica permitiendo circuitos de cada vez mayor grado de integración y mayores características, la fábrica SIG Positec vio una oportunidad y tomó la iniciativa en el terreno  desarrollando tecnología de punta en motores por pasos.

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Figura 8.- Secciones ilustrativas de las laminaciones y rotores para motores de 2, 3 y 5 fases

El motor Híbrido de 3 fases:

A pesar de ser similar en construcción a otros motores por pasos (ver figura 8), la implementación de la tecnología de 3 fases hizo posible que el número de fases del motor sean reducidas dejando al número de pares de polos del rotor y a la electrónica determinar la resolución (pasos por revolución).

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Figura 9.- Corte de sección de un motor por pasos Híbrido ( 3 fases )

 Dado que la tecnología de 3 fases ha sido usada por décadas como un método efectivo de generación de campos rotativos, las ventajas de éste sistema son evidentes en sí. El motor por pasos de 3 fases fue por lo tanto una progresión natural que incorporó todas las mejores características de un sistema de 5 fases a una significativa reducción de costo.

Un problema que se nos puede plantear es como saber cual es cada polo de la bobina, ya que los colores no están estandarizados. Así que tomamos el tester y leemos el valor (resistencia) de todos los polos (supongamos que las bobinas son de 30 Ohm.), el común (alimentación) con cada polo de bobina leerá 30 Ohm y entre polos de la misma bobina 60 Ohm., por eliminación nos será fácil encontrar los polos de las bobinas. Si nos equivocamos no pasa nada, solo que el motor no girará. Cambiando el orden de dos de los polos de una bobina cambiamos el sentido de giro. El orden para el controlador del CeNeCé según esquema Unipolar es:

Si el motor solo tiene cinco cables, el común de alimentación se puede conectar a cualquiera de los lados.

 Hay que tener en cuenta que los motores unipolares de seis u ocho hilos, pueden hacerse funcionar como motores bipolares si no se utilizan las tomas centrales, mientras que los de cinco hilos no podrán usarse jamás como bipolares, porque en el interior están conectados los dos cables centrales.

PARÁMETROS DE LOS MOTORES PASO A PASO

Desde el punto de vista mecánico y eléctrico, es conveniente conocer el significado de algunas de las principales características y parámetros que se definen sobre un motor paso a paso:

        Par dinámico de trabajo ( Working Torque): Depende de sus características dinámicas y es el momento máximo que el motor es capaz de desarrollar sin perder paso, es decir, sin dejar de responder a algún impulso de excitación del estator y dependiendo, evidentemente, de la carga.

Generalmente se ofrecen, por parte del fabrican, curvas denominadas de arranque sin error (pull-in) y que relaciona el par en función el número de pasos.

Hay que tener en cuenta que, cuando la velocidad de giro del motor aumenta, se produce un aumento de la f.c.e.m. en él generada y, por tanto, una disminución de la corriente absorbida por los bobinados del estator, como consecuencia de todo ello, disminuye el par motor.

        Par de mantenimiento (Holding Torque): Es el par requerido para desviar, en régimen de excitación, un paso el rotor cuando la posición anterior es estable ; es mayor que el par dinámico y actúa como freno para mantener el rotor en una posición estable dada

        Para de detención ( Detention Torque): Es una par de freno que siendo propio de los motores de imán permanente, es debida a la acción del rotor cuando los devanados del estator están desactivados.

        Angulo de paso ( Step angle ): Se define como el avance angular que se produce en el motor por cada impulso de excitación. Se mide en grados, siendo los pasos estándar más importantes los siguientes:

          Número de pasos por vuelta: Es la cantidad de pasos que ha de efectuar el rotor para realizar una revolución completa; evidentemente es

Donde NP es el número de pasos y α el ángulo de paso.

        Frecuencia de paso máximo (Maximum pull-in/out): Se define como el máximo número de pasos por segundo que puede recibir el motor funcionando adecuadamente.

        Momento de inercia del rotor: Es su momento de inercia asociado que se expresa en gramos por centímetro cuadrado.

        Par de mantenimiento, de detención y dinámico: Definidos anteriormente y expresados en miliNewton por metro. 

CONTROL DE LOS MOTORES PASO A PASO

Para realizar el control de los motores paso a paso, es necesario generar una secuencia determinada de impulsos. Además es necesario que estos impulsos sean capaces de entregar la corriente necesaria para que las bobinas del motor se exciten, por lo general, el diagrama de bloques de un sistema con motores paso a paso es el que se muestra en la Figura 10.

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Figura 10.- Diagrama de bloques de un sistema con motor paso a paso

SECUENCIA DEL CIRCUITO DE CONTROL

Existen dos formas básicas de hacer funcional los motores paso a paso atendiendo al avance del rotor bajo cada impulso de excitación:

        Paso completo (full step): El rotor avanza un paso completo por cada pulso de excitación y para ello su secuencia ha de ser la correspondiente a la expuesta anteriormente, para un motor como el de la Figura 2, y que es presentada de forma resumida en la Tabla 1 para ambos sentidos de giro, las X indican los interruptores que deben estar cerrados (interruptores en ON), mientras que la ausencia de X indica interruptor abierto (interruptores en OFF).

 Tabla 1.- Secuencia de excitación de un motor paso a paso completo

        Medio paso (Half step): Con este modo de funcionamiento el rotor avanza medio paso por cada pulso de excitación, presentando como principal ventaja una mayor resolución de paso, ya que disminuye el avance angular (la mitad que en el modo de paso completo). Para conseguir tal cometido, el modo de excitación consiste en hacerlo alternativamente sobre dos bobinas y sobre una sola de ellas, según se muestra en la Tabla 2 para ambos sentidos de giro.

Tabla 2.- Secuencia de excitación de un motor Paso a Paso en medio paso

 Según la Figura 2 al excitar dos bobinas consecutivas del estator simultáneamente, el rotor se alinea con la bisectriz de ambos campos magnéticos; cuando desaparece la excitación de una de ellas, extinguiéndose el campo magnético inducido por dicha bobina, el rotor queda bajo la acción del único campo existente, dando lugar a un desplazamiento mitad.

Sigamos, por ejemplo, la secuencia presentada en la Tabla 2: en el paso 1, y excitadas las bobinas L1 y L2 de la Figura 2 mediante la acción de S1 y S2, el rotor se situaría en la posición indicada en la Figura 2 a; en el paso 2, S1 se abre, con lo que solamente permanece excitada L2 y el rotor girará hasta alinear su polo sur con el norte generado por L2. Supuesto que este motor tenía un paso de 90 grados, en este caso sólo ha avanzado 45 grados. Posteriormente, y en el paso 3, se cierra S3, situación representada en la Figura 2 b, con lo que el rotor ha vuelto a avanzar otros 45 grados. En definitiva, los desplazamientos, siguiendo dicha secuencia, son de medio paso.

La forma de conseguir estas secuencias puede ser a través de un circuito lógico secuencial, con circuitos especializados o con un microcontrolador.

 Nos vamos a centrar en el control de los motores paso a paso utilizando el microcontrolador PIC16F84. Además como el microcontrolador no es capaz de generar la corriente suficiente para excitar las bobinas del motor paso a paso se puede utilizar el integrado L293.

El montaje que permite el control de un motor paso a paso es el de la Figura 7, en el que se ha realizado la conexión del motor paso a paso a través de un driver L293. Las líneas RB0,RB1, RB2 y RB3 serán las encargadas de generar la secuencia de activación del motor paso a paso, mientras que RB4 y RB5 se ponen siempre a "1" para habilitar las entradas de inhibición de los drivers. Las salidas de los drivers se conectan a las bobinas del motor para conseguir la corriente necesaria para que este se ponga en funcionamiento. Por su parte las entradas RA0-RA4 se configuran como entrada.

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 Figura 11.- Conexión del motor paso a paso al PIC16F84 y al circuito L293

 El organigrama del programa es el que se muestra en la Figura 12 y el programa correspondiente es paso1.asm que se muestra a continuación:

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Figura 12.- Organigrama del programa

APLICACIONES DE LOS MOTORES PASO A PASO

• Taxímetros.
• Disk-drive.
• Impresoras.
• Plotters.
• Brazo y Robots completos.
• Patrón mecánico de velocidad angular.
• Registradores XY.
• Relojes Eléctricos.
• Casetes Digitales.
• Control Remoto.
• Máquinas de escribir electrónicas.
• Manipuladores.
• Posicionamiento de válvulas en controles industriales.
• Posicionamiento de piezas en general.
• Bombas impelentes en aplicaciones de electromedicina.

CARACTERÍSTICAS

• Larga vida.
• Velocidad de respuesta elevada (<1ms).
• Posicionamiento dinámico preciso.
• Reinicialización a una posición preestablecida.
• Frecuencia de trabajo variable.
• Funcionamiento sincrónico bidireccional.
• Sincronismo unidireccional en régimen de sobrevelocidad.
• Carencia de escobillas.
• Insensibilidad al choque en régimen dinámico, a la regulación de la fuente de alimentación.

Trabajo de investigación realizado por

Javier Colmenares Apitz