Los motores paso a paso son dispositivos electromecánicos ampliamente utilizados en aplicaciones que requieren un control preciso de la posición y el movimiento. Su funcionamiento se basa en la rotación del rotor en pasos discretos, lo que permite un control preciso y fiable de la posición del eje.
Introducción a los Motores Paso a Paso
A diferencia de los motores de corriente continua (DC) que giran continuamente hasta que se les aplica una fuerza externa, los motores paso a paso mantienen una posición específica después de cada paso. Esto se logra mediante la energización secuencial de los bobinados del motor, lo que crea un campo magnético que interactúa con el rotor y lo mueve en pasos discretos.
Ventajas de los Motores Paso a Paso
- Control preciso de la posición : Los motores paso a paso permiten un control preciso de la posición del eje, ya que cada paso corresponde a un ángulo de rotación definido.
- Torque alto en bajas velocidades : A diferencia de los motores DC, los motores paso a paso mantienen un alto torque incluso a bajas velocidades o en reposo.
- Posicionamiento estable : Los motores paso a paso pueden mantener una posición fija durante largos períodos de tiempo sin necesidad de un sistema de control adicional.
- Sin escobillas : Al no tener escobillas, los motores paso a paso son más duraderos y silenciosos.
Desventajas de los Motores Paso a Paso
- Vibraciones : Cada paso del motor produce vibraciones que, si coinciden con la frecuencia resonante mecánica, pueden provocar sobrepasos y pérdida de torque.
- Pérdida de pasos : En situaciones de sobrecarga o altas velocidades, el motor puede perder el seguimiento de los pasos, lo que resulta en una pérdida de precisión de posicionamiento.
- Limitación de torque : Los motores paso a paso tienen una limitación de torque máximo, superada la cual, el motor se sobrecarga.
Tipos de Motores Paso a Paso
Los motores paso a paso se clasifican según la configuración de los bobinados, la construcción magnética interna y el tipo de accionamiento.
Tipos de Bobinados
Bipolar
Los motores paso a paso bipolares tienen dos bobinados por fase. La dirección de la corriente en los bobinados determina la dirección de rotación del motor. Los controladores bipolares son más caros porque deben generar corrientes positivas y negativas, pero ofrecen un mayor torque debido a la utilización completa de los bobinados.
Unipolar
Los motores paso a paso unipolares tienen dos bobinados idénticos por fase, conectados en direcciones opuestas. Los controladores unipolares son más simples y económicos, ya que solo requieren corriente positiva. Sin embargo, el torque es generalmente menor debido a la utilización de solo la mitad de cada bobinado.
Tipos de Magnetos
Imán Permanente
Los motores de imán permanente son pequeños, de bajo torque y económicos. Utilizan un imán permanente en el rotor que se atrae o repele por el campo magnético generado por los bobinados del estator. Los ángulos de paso son típicamente de 5° o 15°.
Reluctancia Variable
Los motores de reluctancia variable tienen un rotor de hierro que se alinea con el campo magnético generado por los bobinados del estator. Estos motores no utilizan imanes permanentes, por lo que la dirección de la corriente no es relevante. Los motores de reluctancia variable son generalmente unipolares y tienen ángulos de paso de 15° o más.
Híbrido
Los motores híbridos combinan las características de los motores de imán permanente y de reluctancia variable, ofreciendo un alto torque y una alta velocidad. Los ángulos de paso son típicamente de 0.9° a 75°.
Tipos de Accionamiento
Chopper Drive
El accionamiento Chopper Drive es una técnica de control electrónico que aumenta la potencia, el torque y la eficiencia de ciertos motores. En lugar de depender de la resistencia de los bobinados, se explota la inductancia de los bobinados mediante sofisticados circuitos electrónicos. Los motores diseñados para Chopper Drive suelen ser grandes, cuadrados y con baja resistencia.
Resistive Limited
Los motores paso a paso pequeños y económicos están diseñados para ser construidos y controlados de manera económica. La longitud y el grosor del cable en los bobinados se seleccionan para un voltaje de control particular. Esto permite que el propio bobinado regule la potencia disponible para el motor.
Cómo Funciona un Motor Paso a Paso
Este apartado se centrará en el principio general de funcionamiento de los motores paso a paso híbridos bipolares, que son los más utilizados en aplicaciones industriales.
Un motor paso a paso híbrido bipolar tiene ocho polos con seis dientes cada uno. El motor contiene dos bobinados: uno que envuelve los polos de número impar y otro que envuelve los polos de número par. Un imán permanente cilíndrico rodea el eje del motor.
Al enviar una corriente positiva al bobinado de número impar, los polos 1 y 5 se magnetizan como polos sur, mientras que los polos 3 y 7 se magnetizan como polos norte. Si el imán permanente tiene su polo norte orientado hacia nosotros, el rotor girará hasta que los dientes se alineen con los polos del estator 1 y Al mismo tiempo, los polos 3 y 7 se alinearán en el extremo opuesto del motor.
La rotación del motor continúa enviando corriente negativa al bobinado de número par, luego corriente negativa al bobinado de número impar, luego corriente positiva al bobinado de número par, y así sucesivamente. El controlador del motor puede invertir la dirección de rotación simplemente invirtiendo esta secuencia.
Cuando un motor paso a paso se activa en software y se aplica corriente a los bobinados, puede "engancharse" abruptamente a la posición en la que se está manteniendo el rotor.
Control de un Motor Paso a Paso
Establecimiento del Límite de Corriente
El límite de corriente es una propiedad de control importante de los controladores de motores paso a paso. Debido a que muchos motores paso a paso tienen una resistencia de bobinado muy baja, la corriente a través de los bobinados no puede autoregularse a un nivel seguro por sí misma. Se requieren técnicas de control sofisticadas, como el Chopper Drive, que se utiliza en los controladores de motores paso a paso.
El límite de corriente se establece en función de factores como la aceleración, la velocidad, el voltaje de alimentación, el torque aplicado, la inductancia del motor y la resistencia del bobinado.
En general, se debe establecer un límite de corriente más alto para obtener un mayor torque y velocidad, pero esto puede generar más calor en el motor.
Establecimiento del Límite de Velocidad
El límite de velocidad se utiliza para evitar que el motor gire más rápido de lo que está diseñado, evitando vibraciones y pérdida de torque.
Establecimiento de la Aceleración
La aceleración del motor paso a paso debe ajustarse cuidadosamente para evitar que el motor se detenga, especialmente con cargas pesadas. Una aceleración alta puede generar un alto torque, lo que puede sobrecargar el motor.
Rotación Continua y Movimiento Adelante/Atrás
Un motor paso a paso puede rotar continuamente estableciendo la posición objetivo del controlador a un número extremadamente grande de pasos.
Los motores paso a paso pueden moverse fácilmente hacia adelante o hacia atrás estableciendo una posición objetivo mayor o menor que la posición actual, respectivamente.
Modos de Pasado
Los modos de paso determinan la resolución del movimiento del motor paso a paso.
Paso Completo
Este es el modo de paso predeterminado para los motores bipolares. Las dos fases del motor se controlan mediante dos ondas cuadradas de corriente. Las ondas tienen un desfase de 90 grados, y el movimiento del motor está sincronizado con estas ondas. Cada paso completo se completa cuando las ondas cuadradas avanzan 90 grados. Este modo proporciona el mejor torque, ya que ambas fases siempre están completamente energizadas.
Medio Paso
En este modo, el controlador alterna entre una fase energizada y ambas fases energizadas. Esto hace que el rotor se detenga en pasos intermedios entre los polos, lo que reduce a la mitad el ángulo de paso. Sin embargo, debido a que la corriente a cada bobina no se puede equilibrar exactamente, el ángulo en el que el rotor se detiene entre los polos puede no ser exactamente la mitad del ángulo de paso. El medio paso ofrece menos torque que el paso completo.
Micro-paso
Al controlar la corriente relativa de ambas fases, la posición del rotor puede detenerse en varios subpasos igualmente espaciados entre las dos fases. Esto se logra siguiendo el mismo procedimiento que el paso completo, excepto que la corriente suministrada se asemeja más a una onda sinusoidal que a una onda cuadrada. Algunos controladores bipolares están diseñados para micro-pasar a bajas velocidades, lo que permite una rotación suave.
Selección de una Caja de Engranajes
En aplicaciones que requieren bajas velocidades de rotación y/o alto torque, se puede utilizar un motor paso a paso con una caja de engranajes. La caja de engranajes aumenta el torque de salida y disminuye la velocidad.
La velocidad de salida de la caja de engranajes se calcula de la siguiente manera:
Velocidad de salida = Velocidad del motor / Relación de transmisión
El torque de salida de la caja de engranajes se calcula de la siguiente manera:
Torque de salida = Torque de salida del motor × Relación de transmisión × Eficiencia de la caja de engranajes
El ángulo de paso de la caja de engranajes se calcula de la siguiente manera:
Ángulo de paso de la caja de engranajes = Ángulo de paso del motor / Relación de transmisión
Terminología de la Caja de Engranajes
- Backlash : Cantidad de holgura entre los dientes engranados.
- Relación de transmisión : La caja de engranajes recibe la potencia del motor, reduciendo la velocidad en una proporción determinada y aumentando el torque en la misma proporción.
- Ángulo de paso de la caja de engranajes : El ángulo del paso que realiza la caja de engranajes después de un paso completo del motor.
- Torque de salida de la caja de engranajes : El torque que se obtiene en el eje de salida de la caja de engranajes.
- Tren de engranajes : La caja de engranajes utiliza varios juegos de engranajes para lograr grandes reducciones de velocidad.
Conclusión
Los motores paso a paso son una opción versátil para aplicaciones que requieren un control preciso de la posición y el movimiento. Al comprender los diferentes tipos de motores paso a paso, los modos de paso y los parámetros de control, los usuarios pueden optimizar el rendimiento y la precisión de sus sistemas.
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