Un motor paso a paso , también conocido como motor paso a paso o motor de pasos , [1] es un motor eléctrico de CC sin escobillas que gira en una serie de pasos angulares pequeños y discretos. [2] Los motores paso a paso se pueden configurar en cualquier posición de paso dada sin necesidad de un sensor de posición para la retroalimentación . La posición del paso se puede aumentar o disminuir rápidamente para crear una rotación continua, o se puede ordenar al motor que mantenga activamente su posición en un paso dado. Los motores varían en tamaño, velocidad, resolución de paso y torque .
Los motores de reluctancia conmutada son motores paso a paso muy grandes con un número reducido de polos. Generalmente emplean conmutadores de bucle cerrado .
Los motores de corriente continua con escobillas giran de forma continua cuando se aplica tensión continua a sus terminales. El motor paso a paso es conocido por su propiedad de convertir un tren de pulsos de entrada (normalmente ondas cuadradas) en un incremento definido con precisión en la posición de rotación del eje. Cada pulso hace girar el eje en un ángulo fijo.
Los motores paso a paso tienen varios electroimanes "dentados" dispuestos como un estator alrededor de un rotor central, una pieza de hierro con forma de engranaje. Los electroimanes se activan mediante un circuito controlador externo o un microcontrolador . Para hacer girar el eje del motor, primero se aplica energía a un electroimán, que atrae magnéticamente los dientes del engranaje. Cuando los dientes del engranaje están alineados con el primer electroimán, están ligeramente desplazados del siguiente electroimán. Esto significa que cuando se enciende el siguiente electroimán y se apaga el primero, el engranaje gira ligeramente para alinearse con el siguiente. A partir de ahí, el proceso se repite. Cada una de las rotaciones parciales se denomina "paso", y un número entero de pasos forman una rotación completa. De esa manera, el motor puede girar en un ángulo preciso.
La disposición circular de los electroimanes se divide en grupos, cada uno de los cuales se denomina fase, y hay un número igual de electroimanes por grupo. El diseñador del motor paso a paso elige el número de grupos. Los electroimanes de cada grupo se intercalan con los electroimanes de otros grupos para formar un patrón uniforme de disposición. Por ejemplo, si el motor paso a paso tiene dos grupos identificados como A o B, y diez electroimanes en total, entonces el patrón de agrupación sería ABABABABAB.
Los electroimanes de un mismo grupo se activan todos juntos. Por este motivo, los motores paso a paso con más fases suelen tener más cables (o conductores) para controlar el motor.
Hay tres tipos principales de motores paso a paso: de imán permanente , de reluctancia variable y síncrono híbrido. [1] [3]
Los motores de imán permanente utilizan un imán permanente (PM) en el rotor y funcionan gracias a la atracción o repulsión entre el imán del rotor y los electroimanes del estator . Los pulsos mueven el rotor en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario en pasos discretos. Si se deja encendido en un paso final, queda un retén fuerte en esa ubicación del eje. Este retén tiene una tasa de resorte predecible y un límite de par especificado; se produce un deslizamiento si se excede el límite. Si se elimina la corriente, queda un retén menor que mantiene la posición del eje contra el resorte u otras influencias del par. Luego se puede reanudar el movimiento por pasos mientras se sincroniza de manera confiable con la electrónica de control.
Los motores paso a paso con imán permanente tienen una electrónica de conmutación de CC sencilla, un dispositivo de retención de apagado y no tienen lectura de posición. Estas cualidades son ideales para aplicaciones como impresoras de papel, impresoras 3D y robótica. Estas aplicaciones rastrean la posición simplemente contando la cantidad de pasos que se le ha ordenado a cada motor que realice.
Los motores de reluctancia variable (VR) tienen un rotor de hierro dulce [4] y funcionan según el principio de que la reluctancia mínima se produce con un espacio mínimo, por lo que las puntas del rotor son atraídas hacia los polos magnéticos del estator . Los motores de reluctancia variable tienen topes cuando están encendidos, pero no cuando están apagados.
Los motores síncronos híbridos son una combinación de los tipos de imán permanente y reluctancia variable, para maximizar la potencia en un tamaño pequeño. [5]
Hay dos disposiciones básicas de bobinado para las bobinas electromagnéticas en un motor paso a paso bifásico: bipolar y unipolar.
Un motor paso a paso unipolar tiene un devanado con toma central por fase. Cada sección de devanados se activa para cada dirección del campo magnético. Dado que en esta disposición se puede invertir un polo magnético sin cambiar la polaridad del cable común, el circuito de conmutación puede ser simplemente un solo transistor de conmutación para cada medio devanado. Por lo general, dada una fase, la toma central de cada devanado se hace común: tres cables por fase y seis cables para un motor bifásico típico. A menudo, estos dos cables comunes de fase están unidos internamente, por lo que el motor tiene solo cinco cables.
Se puede utilizar un microcontrolador o un controlador de motor paso a paso para activar los transistores de accionamiento en el orden correcto, y esta facilidad de operación hace que los motores unipolares sean populares entre los aficionados; probablemente sean la forma más barata de obtener movimientos angulares precisos. Para el experimentador, los devanados se pueden identificar tocando los cables terminales en los motores de imán permanente. Si los terminales de una bobina están conectados, el eje se vuelve más difícil de girar. Una forma de distinguir la toma central (cable común) de un cable del extremo de la bobina es midiendo la resistencia. La resistencia entre el cable común y el cable del extremo de la bobina es siempre la mitad de la resistencia entre los cables del extremo de la bobina. Esto se debe a que hay el doble de longitud de bobina entre los extremos y solo la mitad desde el centro (cable común) hasta el final. Una forma rápida de determinar si el motor paso a paso está funcionando es cortocircuitar cada dos pares e intentar girar el eje. Siempre que se sienta una resistencia más alta de lo normal, indica que el circuito hacia el devanado en particular está cerrado y que la fase está funcionando.
Los motores bipolares tienen un par de conexiones de bobinado simple por fase. La corriente en un bobinado debe invertirse para invertir un polo magnético, por lo que el circuito de control debe ser más complicado, generalmente con una disposición de puente en H (sin embargo, hay varios chips controladores disponibles comercialmente que simplifican esta tarea). Hay dos cables por fase, ninguno es común.
Un patrón de conducción típico para un motor paso a paso bipolar de dos bobinas sería: A+ B+ A− B−. Es decir, accionar la bobina A con corriente positiva, luego quitar la corriente de la bobina A; luego accionar la bobina B con corriente positiva, luego quitar la corriente de la bobina B; luego accionar la bobina A con corriente negativa (invirtiendo la polaridad cambiando los cables, por ejemplo, con un puente H), luego quitar la corriente de la bobina A; luego accionar la bobina B con corriente negativa (nuevamente invirtiendo la polaridad igual que la bobina A); el ciclo se completa y comienza de nuevo.
Se han observado efectos de fricción estática utilizando un puente H con ciertas topologías de accionamiento. [6]
Al oscilar la señal del motor paso a paso a una frecuencia más alta que la que puede responder el motor se reducirá este efecto de "fricción estática".
Debido a que los devanados se utilizan mejor, son más potentes que un motor unipolar del mismo peso. Esto se debe al espacio físico que ocupan los devanados. Un motor unipolar tiene el doble de cantidad de cables en el mismo espacio, pero solo se utiliza la mitad en cualquier momento, por lo que tiene una eficiencia del 50 % (o aproximadamente el 70 % del par de salida disponible). Aunque un motor paso a paso bipolar es más complicado de manejar, la abundancia de chips controladores significa que esto es mucho menos difícil de lograr.
Un motor paso a paso de 8 conductores es como un motor paso a paso unipolar, pero los conductores no están conectados a un común interno al motor. Este tipo de motor se puede conectar en varias configuraciones:
Los motores paso a paso multifásicos con muchas fases tienden a tener niveles de vibración mucho más bajos. [7] Si bien son más caros, tienen una mayor densidad de potencia y con la electrónica de accionamiento adecuada suelen ser más adecuados para la aplicación [ cita requerida ] .
El rendimiento del motor paso a paso depende en gran medida del circuito de control . Las curvas de par se pueden extender a velocidades mayores si los polos del estator se pueden invertir más rápidamente, siendo el factor limitante una combinación de la inductancia del devanado. Para superar la inductancia y conmutar los devanados rápidamente, se debe aumentar el voltaje de control. Esto lleva además a la necesidad de limitar la corriente que estos altos voltajes podrían inducir de otro modo.
Una limitación adicional, a menudo comparable a los efectos de la inductancia, es la fuerza contraelectromotriz del motor. A medida que gira el rotor del motor, se genera un voltaje sinusoidal proporcional a la velocidad (velocidad de paso). Este voltaje de CA se resta de la forma de onda de voltaje disponible para inducir un cambio en la corriente.
Los circuitos de controlador L/R también se conocen como controladores de voltaje constante porque se aplica un voltaje positivo o negativo constante a cada devanado para establecer las posiciones de paso. Sin embargo, es la corriente del devanado, no el voltaje, lo que aplica torque al eje del motor paso a paso. La corriente I en cada devanado está relacionada con el voltaje aplicado V por la inductancia del devanado L y la resistencia del devanado R. La resistencia R determina la corriente máxima de acuerdo con la ley de Ohm I=V/R. La inductancia L determina la tasa máxima de cambio de la corriente en el devanado de acuerdo con la fórmula para un inductor dI/dt = V/L. La corriente resultante para un pulso de voltaje es una corriente que aumenta rápidamente en función de la inductancia. Esto alcanza el valor V/R y se mantiene durante el resto del pulso. Por lo tanto, cuando se controla con un controlador de voltaje constante, la velocidad máxima de un motor paso a paso está limitada por su inductancia ya que a cierta velocidad, el voltaje U cambiará más rápido de lo que la corriente I puede mantener. En términos simples, la tasa de cambio de corriente es L/R (por ejemplo, una inductancia de 10 mH con una resistencia de 2 ohmios tardará 5 ms en alcanzar aproximadamente 2/3 del par máximo o alrededor de 24 ms en alcanzar el 99 % del par máximo). Para obtener un par alto a altas velocidades se requiere un voltaje de accionamiento alto con una resistencia baja y una inductancia baja.
Con un variador L/R es posible controlar un motor resistivo de bajo voltaje con un variador de mayor voltaje simplemente agregando una resistencia externa en serie con cada bobinado. Esto desperdiciará energía en las resistencias y generará calor. Por lo tanto, se considera una opción de bajo rendimiento, aunque simple y económica.
Los controladores de modo de voltaje modernos superan algunas de estas limitaciones al aproximar una forma de onda de voltaje sinusoidal a las fases del motor. La amplitud de la forma de onda de voltaje está configurada para aumentar con la velocidad de paso. Si se ajusta correctamente, esto compensa los efectos de la inductancia y la fuerza contraelectromotriz , lo que permite un rendimiento decente en relación con los controladores de modo de corriente, pero a expensas del esfuerzo de diseño (procedimientos de ajuste) que son más simples para los controladores de modo de corriente.
Los circuitos de control de chopper se conocen como controladores de corriente controlada porque generan una corriente controlada en cada devanado en lugar de aplicar un voltaje constante. Los circuitos de control de chopper se utilizan con mayor frecuencia con motores bipolares de dos devanados, en los que los dos devanados se accionan de forma independiente para proporcionar un par motor específico en sentido horario o antihorario. En cada devanado, se aplica un voltaje de "suministro" al devanado como un voltaje de onda cuadrada; por ejemplo, 8 kHz. La inductancia del devanado suaviza la corriente que alcanza un nivel de acuerdo con el ciclo de trabajo de onda cuadrada . La mayoría de las veces, se suministran voltajes de suministro bipolares (+ y -) al controlador en relación con el retorno del devanado. Por lo tanto, el ciclo de trabajo del 50% da como resultado una corriente cero. El 0% da como resultado una corriente V/R completa en una dirección. El 100% da como resultado una corriente completa en la dirección opuesta. El controlador monitorea este nivel de corriente midiendo el voltaje a través de una pequeña resistencia de detección en serie con el devanado. Esto requiere electrónica adicional para detectar las corrientes de bobinado y controlar la conmutación, pero permite que los motores paso a paso funcionen con un par mayor a velocidades más altas que los motores L/R. También permite que el controlador emita niveles de corriente predeterminados en lugar de fijos. La electrónica integrada para este propósito está ampliamente disponible.
Un motor paso a paso es un motor síncrono de CA polifásico (ver la teoría a continuación) y se acciona idealmente con corriente sinusoidal. Una forma de onda de paso completo es una aproximación aproximada de una sinusoide y es la razón por la que el motor exhibe tanta vibración. Se han desarrollado varias técnicas de accionamiento para aproximarse mejor a una forma de onda de accionamiento sinusoidal: estas son el paso a medio paso y el micropaso.
En este método de accionamiento, solo se activa una sola fase a la vez. Tiene la misma cantidad de pasos que el accionamiento de paso completo, pero el motor tendrá un par significativamente menor que el nominal. Se utiliza rara vez. La figura animada que se muestra arriba es un motor de accionamiento unidireccional. En la animación, el rotor tiene 25 dientes y se necesitan 4 pasos para girar una posición de diente. Por lo tanto, habrá25 × 4 = 100 pasos por rotación completa y cada paso será 360 ⁄ 100 =3,6 ° .
Este es el método habitual para accionar el motor en pasos completos. Siempre hay dos fases activadas para que el motor proporcione su par nominal máximo. Tan pronto como se apaga una fase, se enciende otra. El accionamiento por ondas y el motor monofásico de pasos completos son lo mismo, con la misma cantidad de pasos pero con una diferencia de par.
Al realizar el movimiento de medio paso, el motor alterna entre dos fases activadas y una sola fase activada. Esto aumenta la resolución angular. El motor también tiene menos par (aproximadamente el 70 %) en la posición de paso completo (donde solo hay una fase activada). Esto se puede mitigar aumentando la corriente en el devanado activo para compensar. La ventaja del movimiento de medio paso es que no es necesario cambiar la electrónica del motor para soportarlo. En la figura animada que se muestra arriba, si lo cambiamos a medio paso, se necesitarán 8 pasos para rotar una posición de diente. Por lo tanto, habrá 25 × 8 = 200 pasos por rotación completa y cada paso será 360/200 = 1,8°. Su ángulo por paso es la mitad del paso completo.
Lo que comúnmente se conoce como micropasos es a menudo micropasos seno-coseno en el que la corriente del devanado se aproxima a una forma de onda de CA sinusoidal. La forma común de lograr una corriente seno-coseno es con circuitos de accionamiento de chopper. El micropaso seno-coseno es la forma más común, pero se pueden utilizar otras formas de onda. [8] Independientemente de la forma de onda utilizada, a medida que los micropasos se vuelven más pequeños, el funcionamiento del motor se vuelve más suave, lo que reduce en gran medida la resonancia en cualquier parte a la que pueda estar conectado el motor, así como en el motor mismo. La resolución estará limitada por la fricción mecánica , el juego y otras fuentes de error entre el motor y el dispositivo final. Se pueden utilizar reductores de engranajes para aumentar la resolución del posicionamiento.
La reducción del tamaño del paso es una característica importante del motor paso a paso y una razón fundamental para su uso en el posicionamiento.
Ejemplo: muchos motores paso a paso híbridos modernos están clasificados de tal manera que el recorrido de cada paso completo (por ejemplo, 1,8 grados por paso completo o 200 pasos completos por revolución) estará dentro del 3% o 5% del recorrido de cada otro paso completo, siempre que el motor funcione dentro de sus rangos operativos especificados. Varios fabricantes muestran que sus motores pueden mantener fácilmente la igualdad del 3% o 5% del tamaño del recorrido del paso a medida que el tamaño del paso se reduce de paso completo a paso 1/10. Luego, a medida que aumenta el número divisor de micropasos, la repetibilidad del tamaño del paso se degrada. En grandes reducciones del tamaño del paso, es posible emitir muchos comandos de micropasos antes de que se produzca cualquier movimiento y luego el movimiento puede ser un "salto" a una nueva posición. [9] Algunos circuitos integrados de controlador de motor paso a paso utilizan una corriente aumentada para minimizar dichos pasos perdidos, especialmente cuando los pulsos de corriente pico en una fase serían de otro modo muy breves.
Un motor paso a paso puede considerarse como un motor de CA síncrono con el número de polos (tanto en el rotor como en el estator) aumentado, teniendo cuidado de que no tengan un denominador común. Además, el material magnético blando con muchos dientes en el rotor y el estator multiplica de forma económica el número de polos (motor de reluctancia). Los motores paso a paso modernos tienen un diseño híbrido, con imanes permanentes y núcleos de hierro dulce .
Para alcanzar el par nominal completo, las bobinas de un motor paso a paso deben alcanzar su corriente nominal completa durante cada paso. La inductancia del devanado y la fuerza electromotriz contraria generada por un rotor en movimiento tienden a resistir los cambios en la corriente de accionamiento, de modo que a medida que el motor aumenta la velocidad, pasa cada vez menos tiempo con la corriente máxima, lo que reduce el par motor. A medida que aumenta la velocidad, la corriente no alcanzará el valor nominal y, finalmente, el motor dejará de producir par.
Esta es la medida del par producido por un motor paso a paso cuando funciona sin un estado de aceleración. A bajas velocidades, el motor paso a paso puede sincronizarse con una frecuencia de paso aplicada, y este par de tracción debe superar la fricción y la inercia. Es importante asegurarse de que la carga del motor sea friccional en lugar de inercial, ya que la fricción reduce las oscilaciones no deseadas.
La curva de activación define una zona denominada región de arranque/parada. En esta región, el motor puede arrancarse/pararse instantáneamente con una carga aplicada y sin pérdida de sincronismo.
El par de arranque del motor paso a paso se mide acelerando el motor hasta la velocidad deseada y luego aumentando la carga de par hasta que el motor se detenga o se salte algún paso. Esta medición se toma en un amplio rango de velocidades y los resultados se utilizan para generar la curva de rendimiento dinámico del motor paso a paso. Como se indica a continuación, esta curva se ve afectada por el voltaje de accionamiento, la corriente de accionamiento y las técnicas de conmutación de corriente. Un diseñador puede incluir un factor de seguridad entre el par nominal y el par de carga completa estimado requerido para la aplicación.
Los motores eléctricos síncronos que utilizan imanes permanentes tienen un par de retención de posición resonante (llamado par de retención o cogging , y a veces incluido en las especificaciones) cuando no se accionan eléctricamente. Los núcleos de reluctancia de hierro dulce no presentan este comportamiento.
Cuando el motor se mueve un solo paso, sobrepasa el punto de reposo final y oscila alrededor de este punto hasta llegar al reposo. Este zumbido indeseable se percibe como vibración del rotor del motor y es más pronunciado en motores sin carga. Un motor sin carga o con poca carga puede detenerse (y a menudo lo hace) si la vibración que experimenta es suficiente para provocar la pérdida de sincronización.
Los motores paso a paso tienen una frecuencia de funcionamiento natural . Cuando la frecuencia de excitación coincide con esta resonancia, el zumbido es más pronunciado, pueden omitirse pasos y es más probable que se produzcan bloqueos. La frecuencia de resonancia del motor se puede calcular a partir de la fórmula:
donde es el par de retención en N·m, es el número de pares de polos y es la inercia del rotor en kg·m². La magnitud del zumbido indeseable depende de la fuerza contraelectromotriz resultante de la velocidad del rotor. La corriente resultante promueve la amortiguación, por lo que las características del circuito de accionamiento son importantes. El zumbido del rotor se puede describir en términos del factor de amortiguación .
Las placas de identificación de los motores paso a paso suelen indicar únicamente la corriente de bobinado y, ocasionalmente, el voltaje y la resistencia del bobinado. El voltaje nominal producirá la corriente de bobinado nominal en CC, pero en la mayoría de los casos se trata de una clasificación sin sentido, ya que todos los controladores modernos limitan la corriente y los voltajes de accionamiento superan ampliamente el voltaje nominal del motor.
Las hojas de datos del fabricante suelen indicar la inductancia. La fuerza contraelectromotriz es igualmente relevante, pero rara vez se incluye en la lista (es fácil de medir con un osciloscopio). Estas cifras pueden resultar útiles para un diseño electrónico más profundo, al desviarse de los voltajes de suministro estándar, adaptar la electrónica del controlador de terceros o adquirir conocimientos al elegir entre modelos de motor con especificaciones de tamaño, voltaje y par similares.
El par motor a baja velocidad de un motor paso a paso varía directamente con la corriente. La rapidez con la que el par motor disminuye a velocidades más altas depende de la inductancia del bobinado y del circuito de control al que está conectado, especialmente del voltaje de control.
Los motores paso a paso deben dimensionarse de acuerdo con la curva de par publicada , que especifica el fabricante para voltajes de accionamiento particulares o utilizando su propio circuito de accionamiento. Las caídas en la curva de par sugieren posibles resonancias, cuyo impacto en la aplicación debe ser comprendido por los diseñadores.
Los motores paso a paso adaptados a entornos hostiles a menudo se denominan con clasificación IP65 . [10]
La Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos de Estados Unidos (NEMA) estandariza varias dimensiones, marcado y otros aspectos de los motores paso a paso, en la norma NEMA (NEMA ICS 16-2001). [11] Los motores paso a paso NEMA se etiquetan por el tamaño de la placa frontal, siendo NEMA 17 un motor paso a paso con una placa frontal de 1,7 por 1,7 pulgadas (43 mm × 43 mm) y dimensiones expresadas en pulgadas. La norma también enumera los motores con dimensiones de placa frontal expresadas en unidades métricas. Estos motores suelen denominarse con NEMA DD, donde DD es el diámetro de la placa frontal en pulgadas multiplicado por 10 (por ejemplo, NEMA 17 tiene un diámetro de 1,7 pulgadas). Hay más especificadores para describir los motores paso a paso, y dichos detalles se pueden encontrar en la norma ICS 16-2001.
Los motores paso a paso controlados por computadora son un tipo de sistema de posicionamiento de control de movimiento . Por lo general, se controlan digitalmente como parte de un sistema de bucle abierto para su uso en aplicaciones de sujeción o posicionamiento.
En el campo de los láseres y la óptica, se utilizan con frecuencia en equipos de posicionamiento de precisión, como actuadores lineales , plataformas lineales , plataformas de rotación , goniómetros y soportes de espejos . Otros usos son en maquinaria de envasado y en el posicionamiento de etapas piloto de válvulas para sistemas de control de fluidos.
En el ámbito comercial, los motores paso a paso se utilizan en unidades de disquete , escáneres de superficie plana , impresoras de ordenador , plotters , máquinas tragamonedas , escáneres de imágenes , unidades de discos compactos , iluminación inteligente , lentes de cámaras , máquinas CNC e impresoras 3D . Algunos aficionados a la programación han utilizado conjuntos de motores paso a paso como instrumentos musicales electrónicos programando los motores para que giren a las frecuencias de diferentes tonos musicales, en una secuencia que imita la que se encuentra en un archivo MIDI . [12] [13]
Un sistema de motor paso a paso consta de tres elementos básicos, a menudo combinados con algún tipo de interfaz de usuario (computadora host, PLC o terminal tonto):
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