Los motores paso a paso pueden utilizarse para movimiento y posicionamiento y muchas otras funciones en las que se requiere un control preciso de la posición de una palanca de eje o de una parte móvil de un dispositivo. El propósito de este artículo es dar al lector información básica sobre el uso de motores paso a paso en mecatrónica y robótica y otros proyectos.
Nota: este artículo fue originalmente publicado en portugués y traducido al inglés por el autor para ser insertado en uno de sus libros.
El principio de funcionamiento básico de un motor paso a paso no es muy diferente del de un motor de corriente continua o de corriente alterna: están formados por bobinas e imanes con un eje móvil que se mueve cuando se aplica potencia.
La diferencia está en la forma en que se mueve el eje; Mueven el rotor aplicando potencia a diferentes bobinas en una secuencia predeterminada (escalonada).
Motores de paso están diseñados para los requisitos de control fino y no sólo girar en el comando, sino también viajar cualquier número de pasos por segundo hasta la velocidad máxima.
Otra característica escalonada que no puede ser emparejada por motores comunes es que los motores paso a paso pueden sostener su posición y resistir girar.
La figura 1 muestra el símbolo que se ha adoptado para representar un motor paso a paso y la aparición de los tipos más comunes.
El diseñador en muchos casos no necesita comprar motores de pasos caros para estos proyectos, ya que muchos de ellos se pueden encontrar en buenas condiciones de funcionamiento en unidades de disquetes de computadora viejas, impresoras y muchos otros dispositivos que se han retirado.
Como funciona
Un motor paso a paso convierte la información digital en movimiento mecánico proporcional.
Son diferentes de los motores de corriente continua, que se controlan cambiando la corriente que fluye a través de ellos.
Los motores paso a paso son digitales en la operación los motores paso a paso se pueden encontrar en tres tipos básicos magnetz permanente, reluctancia variable e híbrido.
La manera en que los devanados están organizados dentro de un motor determina cómo funciona.
El tipo más común es el motriz escalonado de cuatro fases, pero también hay tipos de dos fases y seis fases.
La figura 2 muestra la versión más popular: el motor paso a paso de cuatro fases.
Dentro de este motor tenemos cuatro devanados. Dado que cada par de devanados tiene una conexión común, este tipo de motor puede ser identificado fácilmente por los seis cables como se muestra en la Figura 3.
En funcionamiento normal los cables comunes están conectados al cable positivo de la fuente de alimentación y los otros cables están conectados a tierra durante un corto período de tiempo, durante el tiempo que desee energizar el devanado correspondiente.
Cada vez que el motor está energizado, el eje del motor avanza por una fracción de revolución para que el eje gire correctamente, el devanado debe ser energizado por una secuencia de pulsos o ondas.
Por ejemplo, si energiza los devanados A, B, C y D en esta secuencia, el eje gira en el sentido de las agujas del reloj.
Por otro lado, si se invierte la secuencia, el motor gira en sentido contrario a las agujas del reloj.
La Figura 4 muestra la secuencia que se utiliza habitualmente para energizar motores paso a paso de cuatro fases.
Otra forma de energizar un motor paso a paso es aplicando una secuencia on-on / off-off.
Esta secuencia se muestra en la Figura 5.
Tiene la ventaja de aumentar la potencia de accionamiento del motor y proporcionar una rotación de eje más precisa.
Otro tipo común de motor paso a paso es la unidad de dos fases mostrada en la Figura 6.
Este motor paso a paso está formado por dos bobinas, como se muestra en la figura, y se puede identificar fácilmente por sus cuatro hilos.
Este tipo de motor es energizado utilizando una secuencia diferente en la que se considera la dirección de la corriente a través de cada ensanchamiento, como se muestra en la Figura 7.
En algunos tipos, la conexión -V se puede reemplazar por tierra.
También hay motores paso a paso con más fases, p. El motor paso a paso de seis fases, pero no son muy comunes. Los motores con más fases son más precisos pero también más caros.
Para un propósito sencillo, que abarca muchas aplicaciones en proyectos de robótica y mecatrónica, se recomienda el motor paso a paso de cuatro fases y la mayoría de los proyectos de esta sección están diseñados para este tipo de motor.
Cómo utilizar motores paso a paso
Como hemos visto, los devanados de un motor paso a paso deben estar energizados correctamente para lograr un funcionamiento correcto.
Esto significa que cuando utilice un motor paso a paso, necesitará conocer no sólo las especificaciones eléctricas del dispositivo, sino también las especificaciones mecánicas.
Las especificaciones más importantes se describen a continuación.
Tensión y corriente
Los motores paso a paso se clasifican generalmente para 5, 6 o 12 V.
A diferencia de los motores de corriente continua, no se recomienda aplicar sobretensiones a los devanados de un motor paso a paso.
Las sobretensiones de más del 30% de la tensión nominal pueden quemar los devanados.
Las clasificaciones de corriente dependen de la aplicación (tamaño y par). Los tipos comunes pueden dibujar corrientes en el rango de 50 mA a más de 1 A.
Cuanto mayor sea la corriente y la tensión, mayor será el torque.
Cuando se diseña una fuente de alimentación para una aplicación que utiliza un motor paso a paso, es importante considerar que las clasificaciones de corriente se dan por devanado.
Por lo tanto, la fuente de alimentación debe ser capaz de suministrar al menos el doble de corriente por devanado u ocho veces la corriente por devanado en un tipo de cuatro fases.
Secuencia
Aunque la mayoría de los motores paso a paso usan una de las dos secuencias mostradas anteriormente en la teoría de pasos, es posible ñnd unidades que funcionan de manera diferente.
Cuando se utilizan tales unidades, es importante determinar la secuencia de pulso operacional correcta.
Ángulo de paso
Cuando un pulso de la secuencia se aplica al motor avanza un paso.
Esto significa que el eje mueve un número especificado de grados, denominado ángulo de escalón.
El ángulo puede variar entre los tipos de motor en el rango entre 0,8 y 90 °.
En un motor paso a paso de 90 °, cuatro impulsos mueven el eje uno completo como se muestra en la Figura 8.
Sin embargo, es más frecuente que los motores paso a paso con ángulos de paso de 1,8 °.
Esto significa que usted tiene que aplicar 200 impulsos al circuito de control para hacer que el motor complete una revolución.
La frecuencia del pulso
La frecuencia del pulso determina la velocidad del motor.
Si está utilizando un motor de ángulo de paso de 1,8 ° y aplica 200 impulsos por segundo, este motor funcionará con una rotación por segundo o 60 rotaciones por minuto (60 rpm).
Dado el ángulo de paso, es fácil calcular las rpm.
Los motores paso a paso no están destinados a aplicaciones de alta velocidad.
La velocidad máxima recomendada está en el rango de 2 o 3 vueltas por segundo, o en el rango de 120 a 180 rpm.
Es importante recordar que en este tipo de motor el par disminuye a medida que aumenta la velocidad.
Torque
El torque producido por un motor paso a paso no es alto. Un motor paso a paso típico puede proporcionar sólo unos pocos gramos por centímetro de torque en funcionamiento.
Esto significa que, en aplicaciones donde se necesita un par de torsión alto, se deben añadir cajas de cambio.
Dado que el par cae a velocidades más altas, este tipo de motor se utiliza mejor en los modos de baja velocidad.
Efecto de frenado
Si la corriente en un devanado se mantiene después de que se aplica un pulso, el motor paso a paso no puede continuar girando.
El eje se bloqueará como si hubiera aplicado un freno.
Un circuito que mantiene la corriente en un devanado para establecer una posición fijada actúa efectivamente como freno electrónico en un motor paso a paso.
