Un motor paso a paso , también conocido como motor paso a paso o motor paso a paso , [1] es un motor eléctrico que gira en una serie de pequeños pasos angulares, en lugar de hacerlo de forma continua. [2] Los motores paso a paso son un tipo de actuador digital . Al igual que otros actuadores electromagnéticos, convierten la energía eléctrica en energía mecánica para realizar un trabajo . [1]
Un motor paso a paso es un motor eléctrico de CC sin escobillas que divide una rotación completa en varios pasos iguales. Se puede ordenar que la posición del motor se mueva y se mantenga en uno de estos pasos sin ningún sensor de posición para retroalimentación (un controlador de bucle abierto ), siempre que el motor tenga el tamaño correcto para la aplicación con respecto al par y la velocidad.
Los motores de reluctancia conmutada son motores paso a paso muy grandes con un número de polos reducido y, por lo general, tienen conmutación de circuito cerrado .
Los motores de CC con escobillas giran continuamente cuando se aplica voltaje de CC 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 efectivamente múltiples electroimanes "dentados" dispuestos como un estator alrededor de un rotor central, una pieza de hierro con forma de engranaje. Los electroimanes son energizados por un circuito controlador externo o un microcontrolador . Para hacer girar el eje del motor, primero se le da 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 se repite el proceso. Cada una de las rotaciones parciales se denomina "paso", y un número entero de pasos forman una rotación completa. De esta manera, el motor puede girar en un ángulo preciso.
La disposición circular de los electroimanes se divide en grupos, cada grupo se denomina fase y hay un número igual de electroimanes por grupo. El número de grupos lo elige el diseñador del motor paso a paso. Los electroimanes de cada grupo están entrelazados 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 dentro del mismo grupo se energizan todos juntos. Debido a esto, los motores paso a paso con más fases generalmente tienen más cables (o conductores) para controlar el motor.
Hay tres tipos principales de motores paso a paso: [1] [3]
Los motores de imanes permanentes utilizan un imán permanente (PM) en el rotor y funcionan mediante la atracción o repulsión entre el imán del rotor y los electroimanes del estator .
Los impulsos mueven el rotor en sentido horario o antihorario en pasos discretos. Si se deja accionado en un paso final, queda un fuerte retén en la ubicación del eje. Este retén tiene una tasa de resorte predecible y un límite de torsión específico; El deslizamiento ocurre si se excede el límite. Si se elimina la corriente, aún queda un retén menor , que mantiene la posición del eje contra el resorte u otras influencias del torque. A continuación se puede reanudar el paso mientras se sincroniza de forma fiable con la electrónica de control.
Los motores de reluctancia variable (VR) tienen un rotor de hierro dulce [4] y funcionan según el principio de que se produce una reluctancia mínima con un espacio mínimo, por lo que los puntos del rotor son atraídos hacia los polos magnéticos del estator . Mientras que los híbridos síncronos son una combinación de imán permanente y tipos de reluctancia variable, para maximizar la potencia en un tamaño pequeño. [5]
Los motores de reluctancia variable tienen retenes cuando están encendidos, pero no cuando están apagados.
Hay dos disposiciones básicas de devanado para las bobinas electromagnéticas en un motor paso a paso de dos fases: bipolar y unipolar.
Un motor paso a paso unipolar tiene un devanado con derivación central por fase. Cada sección de devanados se enciende 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 único transistor de conmutación para cada medio devanado. Normalmente, dada una fase, la derivación central de cada devanado se hace común: tres conductores por fase y seis conductores para un motor bifásico típico. A menudo, estos comunes de dos fases están unidos internamente, por lo que el motor tiene sólo 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 económica de conseguir movimientos angulares precisos. Para el experimentador, los devanados se pueden identificar tocando los cables terminales en los motores PM. Si los terminales de una bobina están conectados, el eje se vuelve más difícil de girar. Una forma de distinguir la derivación central (cable común) de un cable con extremo de 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 la 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 hacer un cortocircuito cada dos pares e intentar girar el eje. Siempre que se siente una resistencia superior a la normal, indica que el circuito del devanado en particular está cerrado y que la fase está funcionando.
Los motores bipolares tienen un par de conexiones de devanado simple por fase. La corriente en un devanado necesita invertirse para invertir un polo magnético, por lo que el circuito de excitación debe ser más complicado, típicamente con una disposición de puente en H (sin embargo, hay varios chips de excitación disponibles en el mercado para hacer de esto una solución). asunto simple). 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, impulse la bobina A con corriente positiva y luego retire la corriente de la bobina A; luego impulse la bobina B con corriente positiva, luego retire la corriente de la bobina B; luego impulse la bobina A con corriente negativa (invirtiendo la polaridad cambiando los cables, por ejemplo, con un puente H), luego retire la corriente de la bobina A; luego impulse 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 al utilizar un puente en H con determinadas topologías de unidades. [6]
La oscilación de la señal paso a paso a una frecuencia más alta a la que el motor puede responder reducirá este efecto de "fricción estática".
Como 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 cables en el mismo espacio, pero solo se utiliza la mitad en un momento determinado, por lo que tiene una eficiencia del 50 % (o aproximadamente el 70 % de la salida de par 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 paso a paso de 8 cables es como un paso a paso unipolar, pero los cables no están unidos al común interno del motor. Este tipo de motor se puede cablear 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 adaptarse mejor a la aplicación [ cita necesaria ] .
El rendimiento del motor paso a paso depende en gran medida del circuito controlador . Las curvas de par pueden extenderse a velocidades mayores si los polos del estator pueden invertirse más rápidamente, siendo el factor limitante una combinación de la inductancia del devanado. Para superar la inductancia y cambiar los devanados rápidamente, se debe aumentar el voltaje del variador. Esto lleva además a la necesidad de limitar la corriente que de otro modo podrían inducir estos altos voltajes.
Una limitación adicional, a menudo comparable a los efectos de la inductancia, es la contraEMF del motor. A medida que el rotor del motor gira, 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 los pasos. Sin embargo, es la corriente del devanado, no el voltaje, la que aplica par 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 según la fórmula para un inductor dI/dt = V/L. La corriente resultante de un impulso de tensión 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 mediante un variador 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 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 para alcanzar el 99% del par máximo). Para obtener un par alto a altas velocidades se requiere un voltaje de accionamiento grande 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 voltaje más alto simplemente agregando una resistencia externa en serie con cada devanado. Esto desperdiciará energía en las resistencias y generará calor. Por tanto, se considera una opción de bajo rendimiento, aunque sencilla y económica.
Los controladores modernos en modo voltaje 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 contraEMF , lo que permite un rendimiento decente en relación con los controladores en modo actual, pero a expensas del esfuerzo de diseño (procedimientos de ajuste) que son más simples para los controladores en modo actual.
Los circuitos de accionamiento del interruptor se denominan accionamientos de corriente controlada porque generan una corriente controlada en cada devanado en lugar de aplicar un voltaje constante. Los circuitos de accionamiento del helicóptero se utilizan con mayor frecuencia con motores bipolares de dos devanados, siendo los dos devanados accionados de forma independiente para proporcionar un par de motor específico en sentido horario o antihorario. En cada devanado, se aplica un voltaje de "alimentación" al devanado como un voltaje de onda cuadrada; ejemplo 8kHz. La inductancia del devanado suaviza la corriente que alcanza un nivel según 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. Entonces, un ciclo de trabajo del 50% da como resultado una corriente cero. 0% da como resultado una corriente V/R completa en una dirección. 100% da como resultado una corriente total 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 componentes electrónicos adicionales para detectar las corrientes de los devanados y controlar la conmutación, pero permite que los motores paso a paso funcionen con un par más alto a velocidades más altas que los variadores L/R. También permite que el controlador genere 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 (consulte la teoría a continuación) y, idealmente, funciona con corriente sinusoidal. Una forma de onda de paso completo es una aproximación burda de una sinusoide y es la razón por la cual el motor exhibe tanta vibración. Se han desarrollado varias técnicas de excitación para aproximarse mejor a una forma de onda de excitación sinusoidal: se trata de semipasos y micropasos.
En este método de accionamiento sólo se activa una fase a la vez. Tiene la misma cantidad de pasos que el variador de pasos completos, pero el motor tendrá un torque significativamente menor que el nominal. Rara vez se utiliza. La figura animada que se muestra arriba es un motor de onda. En la animación, el rotor tiene 25 dientes y se necesitan 4 pasos para girar una posición de diente. Entonces habrá25 × 4 = 100 pasos por rotación completa y cada paso será 360 ⁄ 100 =3,6 ° .
Este es el método habitual para accionar el motor a paso completo. Siempre hay dos fases encendidas para que el motor proporcione su par nominal máximo. Tan pronto como se apaga una fase, se enciende otra. El accionamiento por onda y el paso completo monofásico son lo mismo, con el mismo número de pasos pero diferencia en el par.
Al realizar medio paso, el variador alterna entre dos fases encendidas y una sola fase encendida. Esto aumenta la resolución angular. El motor también tiene menos torque (aproximadamente 70%) en la posición de paso completo (donde solo hay una fase encendida). Esto puede mitigarse aumentando la corriente en el devanado activo para compensar. La ventaja del paso medio es que no es necesario cambiar la electrónica del accionamiento para soportarlo. En la figura animada que se muestra arriba, si lo cambiamos a medio paso, se necesitarán 8 pasos para rotar en la posición de 1 diente. Entonces 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 accionados por helicóptero. 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 de los motores paso a paso y una razón fundamental para su uso en el posicionamiento.
Ejemplo: muchos motores paso a paso híbridos modernos están clasificados de 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 mientras el motor funciona dentro de sus rangos de operación especificados. Varios fabricantes demuestran que sus motores pueden mantener fácilmente una igualdad del 3 % o 5 % en el tamaño del recorrido del paso a medida que el tamaño del paso se reduce desde un paso completo hasta un paso de 1/10. Luego, a medida que crece el número del divisor de micropasos, la repetibilidad del tamaño del paso se degrada. En reducciones de tamaño de paso grandes, 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 controladores paso a paso utilizan una corriente aumentada para minimizar dichos pasos perdidos, especialmente cuando los pulsos de corriente pico en una fase serían muy breves.
Un motor paso a paso puede verse 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 y tienen imanes permanentes y núcleos de hierro dulce .
Para lograr el par nominal total, las bobinas de un motor paso a paso deben alcanzar su corriente nominal máxima durante cada paso. La inductancia del devanado y los contra-EMF generados por un rotor en movimiento tienden a resistir los cambios en la corriente de accionamiento, de modo que a medida que el motor acelera, se pasa cada vez menos tiempo a plena corriente, lo que reduce el par del motor. A medida que las velocidades aumentan aún más, 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 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 en el motor sea por fricción en lugar de inercial, ya que la fricción reduce cualquier oscilación no deseada.
La curva de entrada define un área llamada región de inicio/parada. En esta región, el motor se puede arrancar/parar instantáneamente con una carga aplicada y sin pérdida de sincronismo.
El par de extracción del motor paso a paso se mide acelerando el motor a la velocidad deseada y luego aumentando la carga de par hasta que el motor se detiene o pierde pasos. Esta medición se toma en una amplia gama 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 del variador, la corriente del variador y las técnicas de conmutación de corriente. Un diseñador puede incluir un factor de seguridad entre el par nominal y el par estimado a plena carga requerido para la aplicación.
Los motores eléctricos síncronos que utilizan imanes permanentes tienen un par de retención en posición resonante (llamado par de detención o engranaje , y a veces incluido en las especificaciones) cuando no son accionados eléctricamente. Los núcleos de reluctancia de hierro dulce no presentan este comportamiento.
Cuando el motor avanza un solo paso, sobrepasa el punto de reposo final y oscila alrededor de este punto cuando llega al reposo. Este zumbido indeseable se experimenta como vibración del rotor del motor y es más pronunciado en motores sin carga. Un motor descargado o con poca carga puede pararse, y a menudo lo hará, si la vibración experimentada es suficiente para provocar una 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, es posible que se pierdan pasos y es más probable que se detenga. La frecuencia de resonancia del motor se puede calcular mediante 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 no deseado depende de la fuerza contraelectromotriz resultante de la velocidad del rotor. La corriente resultante promueve la amortiguación, por lo que las características del circuito impulsor son importantes. El zumbido del rotor se puede describir en términos de factor de amortiguación .
Las placas de identificación de los motores paso a paso generalmente solo brindan la corriente del devanado y ocasionalmente el voltaje y la resistencia del devanado. El voltaje nominal producirá la corriente nominal del devanado en CC: pero esto es en su mayoría una clasificación sin sentido, ya que todos los controladores modernos limitan la corriente y los voltajes del variador exceden en gran medida el voltaje nominal del motor.
Las hojas de datos del fabricante suelen indicar Inductancia. Back-EMF es igualmente relevante, pero rara vez se enumera (es fácil de medir con un osciloscopio). Estas cifras pueden ser útiles para un diseño electrónico más profundo, al desviarse de los voltajes de suministro estándar, adaptar la electrónica del controlador de terceros o obtener información al elegir entre modelos de motor con especificaciones de tamaño, voltaje y torque similares.
El par de baja velocidad de un paso a paso variará directamente con la corriente. La rapidez con la que cae el par a velocidades más rápidas depende de la inductancia del devanado y del circuito de accionamiento al que está conectado, especialmente del voltaje de accionamiento.
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 EE. UU. (NEMA) estandariza varias dimensiones, marcas y otros aspectos de los motores paso a paso en el estándar NEMA (NEMA ICS 16-2001). [11] Los motores paso a paso NEMA están etiquetados según el tamaño de la placa frontal; NEMA 17 es un motor paso a paso con una placa frontal de 1,7 por 1,7 pulgadas (43 mm × 43 mm) y las dimensiones se indican en pulgadas. La norma también enumera motores con dimensiones de placa frontal dadas en unidades métricas. Estos motores generalmente se denominan 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). Existen más especificaciones 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 por control de movimiento . Por lo general, se controlan digitalmente como parte de un sistema de circuito 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 , etapas lineales , etapas de rotación , goniómetros y soportes de espejos . Otros usos son en maquinaria de envasado y posicionamiento de etapas piloto de válvulas para sistemas de control de fluidos.
Comercialmente, los motores paso a paso se utilizan en unidades de disquete , escáneres de superficie plana , impresoras de computadora , trazadores , 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):
{{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )Motores de transmisión final