Estás navegando en la página web para clientes de: Spain. Según los datos de ubicación, la versión sugerida de la página para usted es USA / US
Panel del cliente
En su cesta
Registre se

Motor paso a paso – tipos y ejemplos del uso de motores paso a paso

2020-09-08

Motor paso a paso – tipos y ejemplos del uso de motores paso a paso

El motor paso a paso es un motor de corriente continua sin escobillas en el que la rotación se divide en un cierto número de pasos resultantes de la estructura del motor. Normalmente, una revolución completa del eje de 360° se divide en 200 pasos, lo que significa que se realiza una sola carrera del eje cada 1,8°. También hay motores donde la carrera del eje se realiza cada 2; 2,5; 5, 15 o 30°.La funcionalidad descrita es posible gracias a la construcción especial del motor paso a paso, que se discutirá más adelante en el texto. Debido al hecho de que la rotación completa del eje se divide en ciertas secciones discretas, el motor paso a paso no gira suavemente, sino que realiza saltos y cruza estados intermedios, por lo que el funcionamiento del motor paso a paso se acompaña de un sonido y vibración característicos.

Actualmente los controladores de motores de paso a paso se realizan sobre la base de circuitos digitales que controlan los drivers aumentando la capacidad de carga de las salidas. Por lo general, en un controlador de este tipo encontramos un microcontrolador, pero no necesariamente, porque dicho controlador se puede hacer basado en puertas y flip-flops sin mucha dificultad. El propio método de control del motor depende de su tipo, el número de fases y si es con o sin retroalimentación. En algunos controladores, la corriente que fluye a través de los devanados se puede ajustar usando la forma de onda PWM, mientras que la dirección de rotación y el control de los pasos (saltos) se llevan a cabo usando formas de onda cuadradas. Sin embargo, cuando se trata de un modelo de motor específico y su controlador, para determinar el método de control correcto, uno debe consultar sus fichas de catálogo.

Los devanados que son la carga en las salidas del controlador son bobinas con cierta inductancia y capacitancia. Su reactancia aumenta al aumentar la frecuencia, lo que limita la corriente que fluye y limita la frecuencia de conmutación máxima. Al seleccionar un motor para una aplicación específica, siempre hay algunas compensaciones a considerar, como, por ejemplo, la velocidad angular máxima y el par requerido con respecto a la resolución. El artículo proporciona información básica sobre el principio de funcionamiento de los motores paso a paso bipolares y unipolares y a lo que debe prestar atención al elegir un motor para una aplicación determinada.

Motor paso a paso - ¿Cómo funciona?

El motor paso a paso está compuesto por rotor y estator. El estator es una parte estacionaria, mientras que el rotor montado en el eje con un cojinete gira siguiendo el campo magnético giratorio creado alrededor del estator. El estator, hecho de acero u otro metal, es el marco de un conjunto de electroimanes, que son bobinas montadas en lugares específicos alrededor del rotor. Cuando la corriente fluye a través de las bobinas del estator, se crea un campo magnético a su alrededor. Los flujos magnéticos particulares tienen una dirección e intensidad que dependen de la intensidad y la dirección de la corriente que fluye a través de una bobina determinada.

Cuando la bobina se energiza, se forma un electroimán atrayendo a un imán (diente) montado en el rotor, desplazado por un cierto desplazamiento con respecto a él. Luego, el rotor y el eje giran en el ángulo en el que su posición se opone menos al flujo magnético o la resultante de múltiples flujos. Después de pasar por este desplazamiento, se enciende otro electroimán (bobina o bobinas) en el estator y se tira del rotor a su nueva posición. Al conmutar bobinas sucesivas, es posible realizar más saltos hacia adelante o hacia atrás, o completar o girar parcialmente el rotor y el eje con él.Con base en la descripción dada, es posible imaginar un motor paso a paso como una serie de electroimanes que atraen el imán del rotor. En realidad, sin embargo, la situación es mucho más compleja ya que el imán es atraído por el campo resultante alrededor del conjunto del electroimán, lo que permite no solo la operación de paso completo, sino también la operación de medio paso (división de la carrera por 2) o menos, lo que se denomina operación de micropaso.

Motor paso a paso – trabajo en modo de paso completo

El principio de funcionamiento del motor paso a paso en el modo de paso completo se ilustra en el dibujo 1. En este modo, el motor gira en un ángulo resultante de su construcción, que puede ser, por ejemplo, 1,8°. Como es fácil de calcular, en tal caso es necesario dar 200 pasos para un giro completo (200×1.8° = 360°).

El recorrido del eje se realiza después de energizar una o dos bobinas. El funcionamiento de una sola bobina requiere una potencia mínima del controlador. En funcionamiento bifásico, con suministro de bobinas opuestas, se requiere el doble de potencia, pero también aumentan la velocidad y el par.

Motor en modo de paso completo Dibujo 1. El principio de funcionamiento del motor en modo de paso completo en una fuente de alimentación de 2 fases.

Motor paso a paso – funcionamiento en modo de medio paso

El principio de funcionamiento del motor en el modo de medio paso se muestra en el dibujo 2. Como su nombre lo indica, en este modo la carrera discreta del rotor se divide por 2 y, haciendo una sola carrera, gira la mitad del ángulo nominal. Con referencia al ejemplo anterior, una sola carrera será de 0,9°, mientras que el número de pasos por revolución completa aumentará a 400.

En el trabajo en modo de medio paso, se requiere energía alterna para las dos fases (bobinas). Esto da como resultado un aumento del par en comparación con el funcionamiento con un suministro monofásico, un funcionamiento "más suave" del motor y la duplicación de la resolución angular mencionada anteriormente.

Motor en modo de medio paso

Dibujo 2. El principio de funcionamiento del motor en modo de medio paso con suministro de 2 fases.

Motor paso a paso – funcionamiento en modo microstep (micropaso)

En el modo de micropasos, el paso nominal se divide en secciones aún más cortas que en el modo de medio paso. La relación de división máxima es 256. Las posiciones individuales de los rotores se obtienen mediante el flujo magnético resultante de las bobinas alimentadas por la onda escalonada. Se prefiere la operación de micropasos en aquellas aplicaciones donde se requiere un funcionamiento "suave" del motor y/o una alta precisión de posicionamiento.

Cuando utilice el motor en modo de micropasos, preste atención a los requisitos de velocidad de la aplicación. Como se mencionó, la reactancia inductiva de la bobina aumenta con la frecuencia de conmutación de la corriente en los devanados del motor. Una velocidad de rotación más alta requiere una conmutación más frecuente y, por lo tanto, una mayor frecuencia de conmutación de bobinado. Esto da como resultado un aumento en la impedancia de la bobina y, por lo tanto, una disminución en la corriente promedio que fluye a través de los devanados. No deja de tener importancia para el funcionamiento del motor: a medida que disminuye la corriente que fluye a través de los devanados, el par también disminuye, lo que puede provocar una oscilación, detener el rotor o perder carreras en el motor y, por lo tanto, en el elemento accionado de la máquina. Por lo tanto, cuando utilice el motor en el modo de micropasos, debe prestar especial atención a su tarjeta de catálogo, que debe incluir un gráfico que muestre el valor del par en función de la frecuencia de la corriente que fluye a través de la bobina.

Tipos de motores paso a paso

El motor paso a paso, en comparación con un motor de CC con escobillas típico, no es particularmente complicado y de construcción más compleja, pero requiere más precisión. Los motores BLDC modernos son muy similares a los motores paso a paso de imanes permanentes, que además se controlan de manera muy similar.

Según el criterio básico, los tipos de motores paso a paso se dividen según la forma en que están construidos y el número de fases necesarias para alimentar las bobinas. Dependiendo del diseño, los tipos individuales difieren en su propósito (aplicación de destino), resolución y par alcanzado.

Motor paso a paso de imán permanente

Un motor de imán permanente podría tener dos bobinas (electroimanes) formando los cuatro polos variables, y el rotor del motor estaría magnetizado radialmente. Cambiar la posición del rotor cambiaría la dirección del flujo de corriente en las bobinas, lo que cambiaría los polos magnéticos. Si la dirección de la corriente se cambiara en consecuencia, el rotor de dicho motor giraría 90°. Un solo paso de dicho motor, aunque podría ser útil en algunas aplicaciones, sería muy grande y no muy precisa. Por lo tanto, de hecho, los motores de imanes permanentes tienen más polos de rotor y, para aumentar el número de pasos y la precisión de posicionamiento, se montan varios imanes en su rotor.

Normalmente, los motores paso a paso de imán permanente tienen un paso de 7,5° a 15°, dando de 48 a 24 carreras por revolución completa. Los polos de rotor magnetizados aumentan la inducción magnética, por lo que los motores de imanes permanentes se caracterizan por un par elevado. La construcción sencilla da como resultado un precio moderado del motor con una resolución bastante baja.

Motor paso a paso de reluctancia variable

Los motores de reluctancia variable estuvieron entre los primeros modelos de motores paso a paso. Hoy en día son bastante raros y usados. En este tipo de motor, el rotor consta de varios dientes hechos de hierro dulce. Cuando las bobinas del estator son alimentadas por una corriente continua, el diente del rotor es atraído por el campo magnético. Gracias a la conmutación secuencial, el rotor gira en el ángulo determinado por la estructura del motor.

Los motores de este tipo, aunque de construcción simple y fáciles de controlar, tienen baja resolución y bajo par.

Motor paso a paso híbrido

El motor híbrido es uno de los tipos de motores paso a paso más utilizados en la industria. Se caracteriza por una alta resolución: su rotor realiza saltos de 0,9° a 3,6° (de 400 a 100 golpes). Este tipo de motor supera al resto en cuanto a fiabilidad, par, par de retención y velocidad alcanzada.

El rotor del motor híbrido está compuesto de imanes permanentes, pero a diferencia de los motores de imanes permanentes discutidos anteriormente, no están montados radialmente sino magnetizados axialmente. Normalmente, el rotor consta de dos anillos magnetizados de forma diferente colocados en el eje del motor. Cada anillo tiene ranuras que forman los dientes del rotor.

Motores unipolares y bipolares

Otra división de los motores paso a paso resulta del método de hacer el devanado en motores de 2 fases. Dependiendo de él, los motores se dividen en unipolares y bipolares. La principal diferencia es que el motor unipolar funciona con una polaridad de corriente (voltaje), mientras que el motor bipolar funciona con dos polaridades, lo que significa que la dirección del flujo de corriente en la bobina es variable. Otra diferencia es que las bobinas del motor deben estar conectadas de tal manera que sea posible transferir energía desde el final de una bobina al principio de la otra. Este método de conexión permite el uso de corriente (voltaje) de una polaridad. Las diferencias en la construcción de ambos tipos de motores se ilustran de forma simplificada en los dibujos 3 y 4.

Motor bipolar Dibujo. 3. Motor bipolar y el método de conectar sus devanados.

Motor unipolar Dibujo 4. Dibujo conceptual de un motor unipolar y el método de conexión de sus devanados.

Un motor bipolar tiene más par que un motor unipolar, aunque esto se produce a expensas de controles más complejos.

Ventajas y desventajas de los motores paso a paso

Las principales ventajas del motor paso a paso son un funcionamiento preciso, un fácil control de la posición del rotor y su velocidad de rotación. Esto se puede lograr con una estructura relativamente simple y un bajo costo de la solución terminada. El par motor es muy alto a baja velocidad. No hay escobillas en la construcción del motor, lo que se traduce en una alta durabilidad mecánica y una mayor fiabilidad. Otra característica importante es el fácil control del motor: arranque rápido gracias a un par elevado, parada fácil gracias al par de retención elevado y la capacidad de cambiar rápidamente el sentido de giro. En muchas aplicaciones, la facilidad para configurar las características de inicio y parada también es de gran importancia.

Una de las desventajas más importantes del motor paso a paso es su requerimiento de energía. El motor requiere energía tanto cuando está en movimiento como cuando está parado. El par motor es mayor a rpm relativamente bajas y disminuye a altas rpm. Como se mencionó anteriormente, está fuertemente relacionado con la corriente a través de las bobinas, que a su vez depende de su impedancia, que aumenta al aumentar la frecuencia de conmutación. Esta es la razón por la que es imposible obtener una alta velocidad de rotación mientras se mantiene el par y la capacidad del motor para "soportar" la carga establecida.

Si el par es insuficiente, se produce un fenómeno llamado deslizamiento o pasos faltantes. Por lo tanto, se requiere un mecanismo de retroalimentación para un control confiable del motor, que se puede realizar, por ejemplo, sobre la base de un codificador u otro tipo de sensor. Gracias a él, el controlador del motor puede "asegurarse" de que el motor ha realizado el número de carreras indicado.

Control de motor paso a paso

Es una buena práctica construir accionamientos para tener en cuenta todo el conjunto, es decir, el motor con el controlador, porque es imposible considerar las propiedades de todo el sistema de accionamiento sin tener en cuenta los parámetros de ambos. En pocas palabras, se puede decir que incluso el mejor motor no funcionará correctamente sin el controlador correcto y viceversa. La selección del motor + unidad de control tendrá un impacto significativo en las características del sistema de transmisión.

El desarrollo principal de los motores paso a paso es reducir la inercia del motor al tiempo que aumenta la resolución (número de pasos), el par y la eficiencia energética. Por lo tanto, en la práctica, además de los tipos de motores antes mencionados, puede encontrar muchas modificaciones destinadas a mejorar los parámetros mencionados anteriormente. Los motores particulares, según la aplicación, también difieren en el número de devanados y, por lo tanto, también en el algoritmo de control.

En Internet puede encontrar muchos diseños de controladores de motor paso a paso, desde los más fáciles de construir, equipados con un potenciómetro para regular la velocidad de rotación y un botón para cambiar la dirección de rotación o un botón de inicio/parada, construido con el uso de componentes discretos, como puertas, flip-flops y llaves de transistores, hasta muy complicado, por ejemplo, realizado sobre la base de circuitos integrados especializados de controladores y un procesador DSP. Sin embargo, parece que dichos proyectos serán más útiles para la construcción de dispositivos no profesionales o experimentales que, por ejemplo, para su uso en la industria. En este caso, buscaremos soluciones listas para usar de fabricantes probados.

En el uso no profesional, la forma más fácil es construir un controlador de motor basado en Arduino y un amplificador de corriente o controlador de motor apropiado. La elección de la placa de expansión dependerá del motor utilizado.

En un motor bipolar, la corriente debe fluir en dos direcciones. Por lo tanto, para cambiar la dirección del flujo magnético en el núcleo, un solo interruptor de palanca que consta de conmutados alternativamente transistores (diseño de medio puente). Al controlar un motor unipolar, el flujo de corriente en un devanado determinado debe asegurarse solo en una dirección, por lo que es suficiente usar una sola llave de transistor por bobina. Como puede ver, el control unipolar requiere menos transistores clave, pero como recordamos de la lectura anterior, solo la mitad del devanado está funcionando en un momento dado, por lo que el motor unipolar en sí mismo produce menos torque que el motor bipolar.Por lo tanto, un motor bipolar requiere un sistema de control más extenso, pero muchos fabricantes de semiconductores ofrecen circuitos integrados especializados que incluyen dos puentes de transistores completos, circuitos de protección contra sobrecalentamiento, sobrecorriente y sobretensión y puertas lógicas para simplificar el control del motor. Estos circuitos integrados se pueden encontrar en la cartera de STM, Toshiba Electric y otros.

Consulta la oferta de controladores

Los controladores en modo de medio paso o micro paso son mucho más complejos. Requiere una manipulación adecuada de los flujos magnéticos individuales de tal manera que el campo resultante provoque un cambio en la posición del rotor no en un paso completo, sino en una cierta parte del mismo.

Conclusión

Hoy en día, los motores paso a paso se utilizan en muchos dispositivos diferentes que requieren precisión en el control del movimiento y un posicionamiento preciso. Por lo tanto, se utiliza principalmente en aplicaciones que requieren un control de desplazamiento preciso, dispositivos de posicionamiento, porque es fácil hacer el dispositivo y el software adecuados utilizando una computadora y un controlador. También se utilizan ampliamente en aparatos biomédicos, unidades de disco de computadora, impresoras, escáneres, iluminación inteligente, para controlar lentes de cámaras, la posición de elementos de control en motores de combustión, robótica, escáneres e impresoras 3D, trazadores XY, máquinas CNC y otros dispositivos. Entre los dispositivos populares en los que se utilizan ampliamente los motores paso a paso, se pueden mencionar las impresoras: desde los modelos más antiguos de impresoras matriciales de puntos, hasta los modernos, que tienen poco en común con la impresión 3D tradicional.Las aplicaciones de motores paso a paso son hoy en día muy conocidas y fáciles de usar también por los aficionados que las utilizan, por ejemplo, con máquinas herramienta CNC para aficionados o impresoras 3D. El motor paso a paso se puede controlar fácilmente con un Arduino con un adaptador apropiado (por ejemplo, escudo con un chip L293D). Esto abre una amplia gama de posibilidades para construir muchas aplicaciones interesantes que se pueden utilizar en diversas industrias, en el hogar o en el taller del hogar.

LEA TAMBIÉN

Su navegador ya no es compatible, descargue la nueva versión

Firefox Firefox Descargar
Internet explorer Internet Explorer Descargar