Los motores paso a paso son una parte fundamental de muchos sistemas tecnológicos modernos, desde robots industriales hasta impresoras 3D. Su capacidad para proporcionar un control preciso del movimiento los convierte en una opción ideal para una variedad de aplicaciones.
Sin embargo, para aprovechar al máximo el potencial de estos motores, es esencial comprender cómo alimentarlos correctamente. En esta información, exploraremos los aspectos clave del control de motores paso a paso, desde los fundamentos hasta las mejores prácticas para la selección de drivers y el diseño de sistemas de control.
¿Qué son los motores paso a paso?
Un motor paso a paso es un tipo de motor de corriente continua (DC) sin escobillas. Para comprender cómo funcionan los motores paso a paso y por qué son tan útiles, primero necesitamos entender cómo funcionan los motores eléctricos en general.
El propósito principal de un motor eléctrico es convertir la energía eléctrica en energía mecánica. Para lograr esto, los motores eléctricos utilizan diferentes tipos de imanes que interactúan entre sí, lo que hace que las piezas físicas del motor se muevan. El movimiento de estas piezas hace girar el eje del motor, transfiriendo la energía mecánica a otras partes del sistema.
Hay dos tipos de motores eléctricos comúnmente utilizados: motores con escobillas y motores sin escobillas. Cada uno utiliza un método diferente para convertir la energía eléctrica en energía mecánica:
- Motores con escobillas : Estos motores utilizan contactos eléctricos llamados escobillas que transfieren la corriente a una armadura envuelta con bobinas metálicas. Dos imanes permanentes del estator, uno positivo y otro negativo, rodean la armadura y hacen que la armadura energizada gire. Cuando la armadura gira, su energía cinética hace girar el eje del motor.
- Motores sin escobillas : Estos motores utilizan múltiples electroimanes del estator dispuestos en un anillo alrededor de un rotor magnetizado. Los electroimanes pueden activarse y desactivarse en secuencia para controlar la rotación del rotor y posicionarlo con precisión en alineación con cada imán. En este caso, la rotación del rotor es la que produce la energía cinética que hace girar el eje del motor.
Aunque los motores con escobillas todavía se utilizan en varias aplicaciones, como los electrodomésticos, los motores sin escobillas han reemplazado a los motores con escobillas en muchas otras áreas, incluidas muchas tecnologías digitales que impulsan nuestro entorno.
Por lo tanto, es esencial comprender cómo controlar los motores paso a paso y cómo construir sistemas de control que los operen de manera segura y eficiente. Pero antes de profundizar en su funcionamiento, exploremos las ventajas que ofrecen los motores paso a paso y las aplicaciones donde se utilizan comúnmente.
Ventajas de los motores paso a paso
¿Por qué los motores paso a paso suelen ser una opción sólida para aplicaciones robóticas? Aquí hay algunas de las principales ventajas de los motores paso a paso que los hacen ideales para la robótica:
- Control extremadamente preciso sobre el movimiento y la posición del motor
- Requisitos de mantenimiento mucho más bajos que los motores con escobillas
- Funcionamiento altamente eficiente y confiable a velocidades y cargas nominales
- Huella significativamente más pequeña que la mayoría de los motores con escobillas
- Genera mucho menos calor y ruido eléctrico que los motores con escobillas
Los motores paso a paso unipolares, que energizan solo un lado del anillo de la bobina del estator a la vez, también son relativamente económicos, lo que los hace populares entre los aficionados a la electrónica y los profesionales por igual. Los motores paso a paso bipolares, que también transmiten una corriente inversa a la bobina opuesta a la bobina del estator energizada, son más complejos y más caros. Sin embargo, su funcionamiento más suave y preciso los hace más deseables para aplicaciones industriales.
Un motor paso a paso no es la opción correcta para todas las aplicaciones. Si su proyecto requiere rotación continua del motor a velocidades muy altas (típicamente más de 2,000 RPM), los numerosos polos en una unidad paso a paso pueden causar condiciones, como la pérdida de corriente parásita, que reducen la eficiencia del motor. Además, el desgaste del rotor a velocidades tan altas puede reducir su vida útil.
Aplicaciones robóticas para motores paso a paso
Los motores paso a paso son útiles para una amplia variedad de aplicaciones, particularmente en el sector de la robótica. Debido a que los motores paso a paso sobresalen en el posicionamiento preciso y los movimientos repetitivos confiables, son ideales para aplicaciones que requieren largas secuencias de movimientos rápidos y precisos. Las aplicaciones robóticas comunes de los motores paso a paso incluyen:
- Maquinado CNC
- Impresión 3D y 2D
- Fabricación textil
- Dispositivos de imagenología médica
- Sistemas de almacenamiento de discos duros
Cada una de estas aplicaciones requiere un control preciso de rotores, láseres, cabezales de impresión, estiletes y otros componentes robóticos automatizados. Los motores paso a paso proporcionan el control de precisión y la confiabilidad que los ingenieros necesitan cuando diseñan sistemas robóticos. Sin embargo, para que los motores paso a paso cumplan su potencial en estas aplicaciones, tener un conocimiento sólido de cómo controlar los motores paso a paso utilizando los diversos métodos de control de voltaje disponibles.
Fundamentos del control de motores paso a paso
Fundamentalmente, el método básico para controlar un motor paso a paso es energizar y desenergizar las bobinas que rodean el engranaje en la secuencia correcta. Variar la secuencia y la sincronización de las activaciones de la bobina es como los ingenieros personalizan el funcionamiento de un motor paso a paso para satisfacer las necesidades de sus aplicaciones.
Los cambios en el flujo de corriente a un motor paso a paso pueden producir diferencias extremadamente sutiles y precisas en el posicionamiento. La precisión de un motor paso a paso depende de su número de pasos, es decir, la cantidad de posiciones diferentes que ocupa durante un ciclo de rotación completo. Un motor paso a paso con más pasos será más capaz de crear diferencias de posicionamiento más precisas. El nivel de precisión que puede lograr un motor paso a paso se conoce como la resolución del motor.
Los principales modos de control de motores paso a paso son:
- Conducción de onda/monofásica : Una bobina se activa a la vez en secuencia. Este es el modo de operación más básico de los motores paso a paso y produce la resolución más baja.
- Paso completo : Dos bobinas se activan simultáneamente en secuencia, por lo que las posiciones polares del rotor están realmente entre cada bobina. Este modo es útil para mejorar el par y la velocidad del motor, pero no aumenta la resolución del motor porque seguirá teniendo el mismo número de pasos.
- Medio paso : Una bobina se activa y luego dos bobinas se activan simultáneamente en el siguiente paso. Por lo tanto, el rotor se mueve medio paso a la vez, desde una posición directamente alineada cuando una bobina está activa hasta una alineación dividida cuando dos bobinas están activas. Este modo en realidad agrega pasos adicionales a la rotación del motor, por lo que aumenta sustancialmente la resolución.
- Microstepping : Las bobinas se activan utilizando una serie de pulsos de onda sinusoidal que mueven el rotor en pasos extremadamente pequeños. Este método produce la mayor resolución de todos los enumerados aquí, gracias a su capacidad de subdividir el ciclo de pasos completos del rotor en hasta 256 pasos. El microstepping también mueve el rotor de forma muy suave y constante, lo que ayuda a reducir la vibración, el ruido y el desgaste de los componentes del motor. Debido a estos beneficios, el microstepping es el modo de activación más común para los motores paso a paso en las aplicaciones actuales.
También es posible aumentar la resolución de un motor paso a paso aumentando su número de bobinas y polos. La mayoría de los motores paso a paso utilizados por ingenieros profesionales tienen un gran número de bobinas que proporcionan alrededor de 200 pasos antes del microstepping. En conjunto, estas opciones brindan a los ingenieros que utilizan motores paso a paso muchas opciones diferentes para aumentar la precisión de la resolución del motor.
Cada motor paso a paso se controla mediante un circuito de accionamiento, que es lo que transmite corriente a las bobinas para activarlas. Dado que todo el mecanismo que controla los movimientos del motor paso a paso comienza con el controlador del motor, es vital que los controles del motor paso a paso estén diseñados cuidadosamente y de acuerdo con las mejores prácticas. En las siguientes secciones, veremos rápidamente los conceptos básicos que deberá conocer al diseñar el circuito de accionamiento para un motor paso a paso.
Conceptos básicos de la selección de accionamiento de motores paso a paso
El circuito de accionamiento de un motor paso a paso suele estar conectado a un microcontrolador que proporciona al operador del motor control sobre los pulsos de voltaje enviados a las bobinas. Hay muchas opciones diferentes disponibles para los circuitos de accionamiento de motores paso a paso, incluidos algunos modelos diseñados para usarlos directamente como controlador de motores paso a paso. Otros utilizan microcontroladores programables como el Arduino Uno, que se puede programar utilizando su biblioteca de control de motores paso a paso de código abierto.
Al elegir un circuito de accionamiento de motor paso a paso, comience con cuatro factores básicos:
- Voltaje : El accionamiento debe tener una clasificación para una amplia variedad de niveles de voltaje, ya que es probable que deba probar diferentes voltajes para encontrar la mejor opción para su motor paso a paso.
- Corriente : El accionamiento debe tener una clasificación para al menos 4 veces la corriente máxima nominal del motor paso a paso.
- Microstepping : El accionamiento debe tener múltiples opciones de resolución de pasos para que pueda experimentar con diferentes configuraciones de microstepping.
- Pulso de paso máximo : El accionamiento debe tener una clasificación para una cantidad suficiente de pulsos de paso para hacer girar el rotor a la velocidad que requiere su aplicación.
Otros factores en la selección de accionamiento de motores paso a paso
A pesar del diseño relativamente simple de los motores paso a paso, especificar el motor paso a paso adecuado y diseñar un sistema de control apropiado pueden ser tareas desafiantes. Los cuatro factores que acabamos de discutir pueden verse afectados por una amplia variedad de otros factores que merecen consideración.
Asegúrese de tener en cuenta lo siguiente al diseñar un sistema que incorpore un motor paso a paso:
- Cuando su aplicación requiere velocidades de rotación y par específicos, puede ser difícil hacer coincidir el motor y el accionamiento adecuados, incluso cuando se han considerado las condiciones anteriores. Generalmente, el método más preciso para hacer coincidir un motor y un accionamiento es utilizar software de ingeniería con curvas de velocidad-par apropiadas. Comience con un accionamiento que tenga las características de voltaje y corriente deseadas y luego haga coincidirlo con un motor utilizando su curva de velocidad-par.
- Los desajustes de par son un problema común en el diseño de accionamientos de motores paso a paso que pueden causar bloqueo (por par insuficiente) o vibración y ruido (por par excesivo). Para obtener la cantidad correcta de par, comience calculando el par de carga de la tarea deseada que el motor debe realizar. Una vez que haya determinado el par de carga requerido, utilice técnicas de coincidencia de par de carga y motor para asegurarse de que el par de su motor esté en el punto óptimo.
- Recuerde, un motor paso a paso necesita corriente completa para producir un par de retención, lo que significa que un motor paso a paso puede calentarse mucho cuando se mantiene en posición durante un tiempo prolongado. Asegúrese de tener en cuenta esto al diseñar sistemas de refrigeración.
- Los motores paso a paso bipolares requieren circuitos de accionamiento ligeramente más complejos que los motores paso a paso unipolares porque necesitan transmitir una corriente negativa simultáneamente a la bobina opuesta. Si está utilizando un motor paso a paso bipolar, asegúrese de que su unidad de accionamiento esté clasificada para controlar motores bipolares.
- La unidad de control del motor paso a paso debe estar protegida por recintos eléctricos para mantenerla protegida de los peligros ambientales. Dependiendo del entorno operativo del motor, el cableado de su caja de conexiones puede ensuciarse con polvo y residuos o dañarse por salpicaduras de agua (entre muchos otros peligros posibles).
Recintos Polycase para unidades de control de motores paso a paso
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