Motor paso a paso

En un motor paso a paso de dos fases, existen dos configuraciones básicas de bobinado para las bobinas electromagnéticas : bipolar y unipolar.

motores unipolares

Un motor paso a paso unipolar tiene un devanado con toma central por fase. Cada sección del devanado se activa para cada dirección del campo magnético. Dado que en esta configuración se puede invertir un polo magnético sin cambiar la polaridad del cable común, el circuito de conmutación puede ser simplemente un transistor de conmutación para cada mitad del devanado. Normalmente, para una fase, la toma central de cada devanado se conecta a un cable común: tres conductores por fase y seis conductores para un motor típico de dos fases. A menudo, estos dos cables comunes de fase están conectados internamente, por lo que el motor tiene solo cinco conductores.

Se puede usar 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 obtener movimientos angulares precisos. Para el experimentador, los devanados se pueden identificar juntando 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 toma central (cable común) de un cable de extremo de bobina es midiendo la resistencia. La resistencia entre el cable común y el cable de extremo de bobina siempre es la mitad de la resistencia entre los cables de extremo de 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 extremo. 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 mayor de lo normal, indica que el circuito al devanado en particular está cerrado y que la fase está funcionando.

motores bipolares

Los motores bipolares tienen un par de conexiones de bobinado simple por fase. Para invertir un polo magnético, es necesario invertir la corriente en un bobinado, por lo que el circuito de control debe ser más complejo, generalmente con una configuración en puente H (aunque existen varios chips controladores comerciales que simplifican este proceso). Hay dos conductores por fase, ninguno de los cuales es común.

Un patrón de funcionamiento típico para un motor paso a paso bipolar de dos bobinas sería: A+ B+ A− B−. Es decir, se aplica corriente positiva a la bobina A, luego se interrumpe la corriente de la bobina A; luego se aplica corriente positiva a la bobina B, luego se interrumpe la corriente de la bobina B; luego se aplica corriente negativa a la bobina A (cambiando la polaridad mediante la inversión de los cables, por ejemplo, con un puente H), luego se interrumpe la corriente de la bobina A; luego se aplica corriente negativa a la bobina B (invirtiendo nuevamente la polaridad, al igual que en 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 ]}

Si se aplica una frecuencia de tramado a la señal del motor paso a paso superior a la que el motor puede responder, se reducirá este efecto de "fricción estática".

Debido a que los devanados se aprovechan 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 cable en el mismo espacio, pero solo utiliza la mitad en un momento dado, por lo que su eficiencia es del 50 % (o aproximadamente el 70 % del par motor disponible). Si bien un motor paso a paso bipolar es más complejo de controlar, la abundancia de chips controladores hace que esto sea mucho más sencillo.

Un motor paso a paso de 8 cables es similar a un motor paso a paso unipolar, pero los cables no están conectados internamente a un común en el motor. Este tipo de motor se puede cablear en varias configuraciones:

• Unipolar.
• Bipolar con bobinados en serie. Esto proporciona una mayor inductancia pero una menor corriente por bobinado.
• Bipolar con bobinados en paralelo. Esto requiere una corriente mayor, pero puede ofrecer un mejor rendimiento al reducirse la inductancia del bobinado.
• Bipolar con un solo devanado por fase. Este método hará funcionar el motor con solo la mitad de los devanados disponibles, lo que reducirá el par disponible a baja velocidad, pero requerirá menos corriente.

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 control adecuada suelen ser más adecuados para la aplicación .

Los circuitos de control L/R también se conocen como variadores de voltaje constante, ya que se aplica un voltaje positivo o negativo constante a cada bobinado para establecer las posiciones de los pasos. Sin embargo, es la corriente del bobinado, no el voltaje, la que aplica el par al eje del motor paso a paso. La corriente I en cada bobinado está relacionada con el voltaje aplicado V mediante la inductancia L y la resistencia R del bobinado. La resistencia R determina la corriente máxima según la ley de Ohm : I = V/R. La inductancia L determina la tasa máxima de cambio de la corriente en el bobinado según 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. Esta corriente 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 de lo que la corriente I puede seguir el ritmo. En términos sencillos, la tasa de cambio de la 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 elevado a altas velocidades se requiere una tensión de accionamiento alta con una resistencia y una inductancia bajas.

Con un variador L/R es posible controlar un motor resistivo de bajo voltaje con un variador de mayor voltaje simplemente añadiendo una resistencia externa en serie con cada bobinado. Esto consume energía en las resistencias y genera calor. Por lo tanto, se considera una opción de bajo rendimiento, aunque sencilla y económica.

Los controladores modernos de modo de 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 se ajusta para que aumente con la velocidad de paso. Si se ajustan correctamente, esto compensa los efectos de la inductancia y la fuerza contraelectromotriz , lo que permite un rendimiento aceptable en comparación con los controladores de modo de corriente, pero a costa de un mayor esfuerzo de diseño (procedimientos de ajuste) que son más sencillos para estos últimos.

Los circuitos de control de chopper se denominan controles de corriente controlada porque generan una corriente controlada en cada bobinado en lugar de aplicar una tensión constante. Estos circuitos se utilizan con mayor frecuencia en motores bipolares de dos bobinados, donde ambos se accionan de forma independiente para proporcionar un par motor específico en sentido horario o antihorario. En cada bobinado se aplica una tensión de alimentación en forma de onda cuadrada; por ejemplo, de 8  kHz. La inductancia del bobinado suaviza la corriente, que alcanza un nivel acorde con el ciclo de trabajo de la onda cuadrada . Generalmente, las tensiones de alimentación bipolar (+ y -) se suministran al controlador con respecto al retorno del bobinado. Así, un ciclo de trabajo del 50 % produce una corriente nula. Un ciclo de trabajo del 0 % produce la corriente V/R máxima en una dirección. Un ciclo de trabajo del 100 % produce la corriente máxima en la dirección opuesta. El controlador monitoriza este nivel de corriente midiendo la tensión en una pequeña resistencia de detección en serie con el bobinado. Esto requiere componentes electrónicos adicionales para detectar las corrientes de bobinado y controlar la conmutación, pero permite accionar motores paso a paso con mayor par a velocidades más altas que con los accionamientos L/R. Además, permite que el controlador genere niveles de corriente predeterminados en lugar de fijos. Existen numerosos componentes electrónicos integrados para este fin.

En este método de accionamiento, solo se activa una fase a la vez. Tiene el mismo número de pasos que el accionamiento de paso completo, pero el motor tendrá un par significativamente menor que el nominal. Rara vez se utiliza. La figura animada que se muestra arriba es un motor de accionamiento de onda. 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 el control por pasos completos del motor. Dos fases permanecen siempre activas, por lo que el motor proporciona su par máximo nominal. En cuanto se desactiva una fase, se activa la otra. El control por ondas y el control por pasos completos monofásico son prácticamente lo mismo, con el mismo número de pasos pero con un par diferente.

Cuando se utiliza el modo de medio paso, el accionamiento alterna entre dos fases activas y una sola fase activa. Esto aumenta la resolución angular. El motor también tiene menos par (aproximadamente un 70 %) en la posición de paso completo (donde solo una fase está activa). Esto se puede mitigar aumentando la corriente en el devanado activo para compensar. La ventaja del modo de medio paso es que la electrónica del accionamiento no necesita modificarse para soportarlo. En la figura animada mostrada arriba, si lo cambiamos a medio paso, entonces se necesitarán 8 pasos para girar 1 posición de diente. Por lo tanto, habrá 25 × 8 = 200 pasos por rotación completa y cada paso será de 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 los 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 usar otras formas de onda. ^{[ 8 ]} Independientemente de la forma de onda utilizada, a medida que los micropasos se hacen más pequeños, el funcionamiento del motor se vuelve más suave, reduciendo así en gran medida la resonancia en cualquier parte a la que pueda estar conectado el motor, así como en el propio motor. La resolución estará limitada por la fricción mecánica , el juego y otras fuentes de error entre el motor y el dispositivo final. Se pueden usar reductores de engranajes para aumentar la resolución de 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 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 se opere dentro de sus rangos de operación 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 crece el número divisor de micropasos, la repetibilidad del tamaño del paso se degrada. Con grandes reducciones del tamaño del paso es posible emitir muchos comandos de micropasos antes de que ocurra cualquier movimiento y luego el movimiento puede ser un "salto" a una nueva posición. ^{[ 9 ]} Algunos circuitos integrados de control de paso utilizan corriente aumentada para minimizar tales pasos perdidos, especialmente cuando los pulsos de corriente pico en una fase de otro modo serían muy breves.

Esta es la medida del par motor que produce un motor paso a paso cuando funciona sin aceleración. A bajas velocidades, el motor paso a paso puede sincronizarse con la frecuencia de paso aplicada, y este par de atracción debe vencer la fricción y la inercia. Es importante asegurarse de que la carga sobre el 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 arrancar o detenerse 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 bloquea o pierde pasos. Esta medición se realiza 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 la tensión de accionamiento, la corriente de accionamiento y las técnicas de conmutación de corriente. El 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 presentan un par de retención de posición resonante (denominado par de retención o efecto de engranaje , y que a veces se incluye en las especificaciones) cuando no se les aplica corriente eléctrica. 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 detenerse. Esta oscilación indeseable se manifiesta como vibración del rotor del motor y es más pronunciada en motores sin carga. Un motor sin carga o con carga insuficiente puede, y a menudo lo hace, detenerse si la vibración experimentada 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 perderse pasos y es más probable que el motor se detenga. La frecuencia de resonancia del motor se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

${\displaystyle f={\frac {100}{2\pi }}{\sqrt {\frac {2pM_{h}}{J_{r}}}}}$

dónde${\displaystyle M_{h}}$es el par de retención en N·m,${\displaystyle p}$es el número de pares de polos, y${\displaystyle J_{r}}$es la inercia del rotor en kg·m². La magnitud de la oscilación 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. La oscilación del rotor se puede describir en términos del factor de amortiguación .

La Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos de EE. UU. (NEMA) estandariza varias dimensiones, marcado y otros aspectos de los motores paso a paso, en la norma NEMA ICS 16.[ ^{11 ]} Los motores paso a paso NEMA se etiquetan según el tamaño de la placa frontal. El NEMA 17 es un motor paso a paso con una ^placa frontal de 1,7 x 1,7 pulgadas (43 mm × 43 mm) y dimensiones expresadas en pulgadas. La norma también incluye motores con dimensiones de placa frontal expresadas en unidades métricas. Estos motores suelen denominarse NEMA DD, donde DD es el diámetro de la placa frontal en pulgadas multiplicado por 10 (por ejemplo, el NEMA 17 tiene un diámetro de 1,7 pulgadas). Existen otras especificaciones para describir los motores paso a paso, cuyos detalles se pueden consultar en la norma ICS 16-2001.   

• Se logró un bajo costo de control.
• Alto par motor al arrancar y a bajas velocidades.
• Robustez
• Sencillez de construcción
• Puede funcionar en un sistema de control de lazo abierto.
• Bajo mantenimiento (alta fiabilidad)
• Menos propenso a detenerse o resbalar
• Funcionará en cualquier entorno.
• Puede utilizarse en robótica a gran escala.
• Alta fiabilidad
• El ángulo de rotación del motor es proporcional al pulso de entrada.
• El motor tiene par máximo en reposo (si los devanados están energizados).
• Posicionamiento preciso y repetibilidad del movimiento, ya que los buenos motores paso a paso tienen una precisión del 3-5% de un paso y este error no es acumulativo de un paso al siguiente.
• Excelente respuesta al arrancar, parar y dar marcha atrás.
• Es muy fiable, ya que el motor no tiene escobillas de contacto. Por lo tanto, la vida útil del motor depende únicamente de la vida útil del rodamiento.
• La respuesta del motor a los pulsos de entrada digitales proporciona un control de lazo abierto, lo que hace que el control del motor sea más sencillo y menos costoso.
• Es posible lograr una rotación síncrona a muy baja velocidad con una carga acoplada directamente al eje.
• Se puede lograr una amplia gama de velocidades de rotación, ya que la velocidad es proporcional a la frecuencia de los pulsos de entrada.

• El efecto de resonancia se manifiesta a menudo a bajas velocidades y el par disminuye al aumentar la velocidad. ^{[ 14 ]}