Motores Paso a Paso (página 2)

Imagen del rotor 

Existen dos tipos de motores paso a
paso de imán permanente:

En los motores paso a paso debemos diferenciar los
motores unipolares de los bipolares. Los motores unipolares se
llaman así porque la corriente que circula por los
diferentes bobinados siempre circula en el mismo sentido. En los
motores bipolares para que el motor funcione la
corriente que circula por los bobinados cambia de sentido en
función
de la tensión que se aplica. por lo que un mismo bobinado
puede tener en uno de sus extremos distinta polaridad
(bipolar). 

Algunos motores tienen los bobinados de tal manera que
en función de puentes pueden convertirse en unipolares o
bipolares.

Lo mas importante de un motor es saber el tipo de motor
que es, la potencia, el
numero de pasos, el par de fuerza, la
tensión de alimentación y poco
mas si son motores sencillos. 

• Bipolar: Estos tiene generalmente cuatro
  cables de salida (ver figura 1). Necesitan ciertos trucos para
  ser controlados, debido a que requieren del cambio de
  dirección del flujo de corriente a
  través de las bobinas en la secuencia apropiada para
  realizar un movimiento.      En
  figura 3 podemos apreciar un ejemplo de control de
  estos motores mediante el uso de un puente en H (H-Bridge).
  Como se aprecia, será necesario un H-Bridge por cada
  bobina del motor, es decir que para controlar un motor Paso a
  Paso de 4 cables (dos bobinas), necesitaremos usar dos
  H-Bridges iguales al de la figura 3 . El circuito de la figura
  3 es a modo ilustrativo y no corresponde con exactitud a un
  H-Bridge. En general es recomendable el uso de H-Bridge
  integrados como son los casos del L293 (ver figura 3
  bis).

• Unipolar: Estos motores suelen
  tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado
  interno (ver figura 2). Este tipo se caracteriza por ser
  más simple de controlar. En la figura 4 podemos apreciar
  un ejemplo de conexionado para controlar un motor paso a paso
  unipolar mediante el uso de un ULN2803, el cual es una array de
  8 transistores
  tipo Darlington capaces de manejar cargas de hasta 500mA. Las
  entradas de activación (Activa A, B , C y D) pueden ser
  directamente activadas por un microcontrolador.

Secuencias para manejar motores paso a paso
Bipolares

Como se dijo anteriormente, estos motores necesitan la
inversión de la corriente que circula en
sus bobinas en una secuencia determinada. Cada inversión
de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso, cuyo
sentido de giro está determinado por la secuencia
seguida.

A continuación se puede ver la tabla con la
secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo
Bipolares:

Secuencias para manejar motores paso a paso
Unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de
motores, las cuales se detallan a continuación. Todas las
secuencias comienzan nuevamente por el paso 1 una vez alcanzado
el paso final (4 u 8). Para revertir el sentido de giro,
simplemente se deben ejecutar las secuencias en modo
inverso.

 Secuencia Normal: Esta es la secuencia
más usada y la que generalmente recomienda el fabricante.
Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que
siempre hay al menos dos bobinas activadas, se obtiene un alto
torque de paso y de retención.

Secuencia del tipo wave drive: En esta secuencia
se activa solo una bobina a la vez. En algunos motores esto
brinda un funcionamiento mas suave. La contrapartida es que al
estar solo una bobina activada, el torque de paso y
retención es menor.

Secuencia del tipo medio paso: En
esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un
movimiento igual a la mitad del paso real. Para ello se activan
primero 2 bobinas y luego solo 1 y así sucesivamente. Como
vemos en la tabla la secuencia completa consta de 8 movimientos
en lugar de 4.

Como comentario final, cabe destacar que debido a que
los motores paso a paso son dispositivos mecánicos y como
tal deben vencer ciertas inercias, el tiempo de
duración y la frecuencia de los pulsos aplicados es un
punto muy importante a tener en cuenta. En tal sentido el motor
debe alcanzar el paso antes que la próxima secuencia de
pulsos comience. Si la frecuencia de pulsos es muy elevada, el
motor puede reaccionar en alguna de las siguientes
formas:

• Puede que no realice ningún movimiento en
  absoluto.
• Puede comenzar a vibrar pero sin llegar a
  girar.
• Puede girar erráticamente.
• O puede llegar a girar en sentido
  opuesto.

Para obtener un arranque suave y preciso, es
recomendable comenzar con una frecuencia de pulso baja y
gradualmente ir aumentándola hasta la velocidad
deseada sin superar la máxima tolerada. El giro en reversa
debería también ser realizado previamente bajando
la velocidad de giro y luego cambiar el sentido de
rotación.

 Una referencia importante:

Cuando se trabaja con motores P-P usados o bien nuevos,
pero de los cuales no tenemos hojas de datos. Es posible
averiguar la distribución de los cables a los bobinados
y el cable común en un motor de paso unipolar de 5 o 6
cables siguiendo las instrucciones que se detallan a
continuación:

1. Aislando el cable(s) común que va a la
fuente de alimentación: Como se aprecia en las figuras
anteriores, en el caso de motores con 6 cables, estos poseen dos
cables comunes, pero generalmente poseen el mismo color, por lo que
lo mejor es unirlos antes de comenzar las pruebas.

Usando un tester para chequear la resistencia entre
pares de cables, el cable común será el
único que tenga la mitad del valor de la
resistencia entre ella y el resto de los cables. 

Esto es debido a que el cable común tiene
una bobina entre ella y cualquier otro cable, mientras que cada
uno de los otros cables tienen dos bobinas entre ellos. De
ahí la mitad de la resistencia medida en el cable
común.

2.Identificando los cables de las bobinas (A, B, C y
D): aplicar un voltaje al cable común 
(generalmente 12 volts, pero puede ser más o menos) y
manteniendo uno de los otros cables a masa (GND) mientras vamos
poniendo a masa cada uno de los demás cables de forma
alternada y observando los resultados.

El proceso se
puede apreciar en el siguiente cuadro:

Nota: La nomenclatura de
los cables (A, B, C, D) es totalmente arbitraria.

Identificando los cables en Motores P-P
Bipolares:

Para el caso de motores paso a paso bipolares
(generalmente de 4 cables de salida), la identificación es
más sencilla. Simplemente tomando un tester en modo
ohmetro (para medir resistencias),
podemos hallar los pares de cables que corresponden a cada
bobina, debido a que entre ellos deberá haber continuidad
(en realidad una resistencia muy baja). Luego solo deberemos
averiguar la polaridad de la misma, la cual se obtiene
fácilmente probando. Es decir, si conectado de una manera
no funciona, simplemente damos vuelta los cables de una de las
bobinas y entonces ya debería funcionar correctamente. Si
el sentido de giro es inverso a lo esperado, simplemente se deben
invertir las conexiones de ambas bobinas y el
H-Bridge.

Para recordar

• Un motor de paso con 5 cables es casi seguro de 4
  fases y unipolar.
• Un motor de paso con 6 cables también puede
  ser de 4 fases y unipolar, pero con 2 cables comunes para
  alimentación. pueden ser del mismo color.
• Un motor de pasos con solo 4 cables es
  comúnmente bipolar.

PARÁMETROS DE LOS MOTORES PASO A
PASO

Desde el punto de vista mecánico y
eléctrico, es conveniente conocer el significado de
algunas de las principales características y
parámetros que se definen sobre un motor paso a
paso:

• Par dinámico de trabajo (
  Working Torque): Depende de sus
  características dinámicas y es el momento
  máximo que el motor es capaz de desarrollar sin perder
  paso, es decir, sin dejar de responder a algún impulso
  de excitación del estator y dependiendo,
  evidentemente, de la carga.

Generalmente se ofrecen, por parte del fabrican,
curvas denominadas de arranque sin error (pull-in) y que
relaciona el par en función el número de
pasos.

Hay que tener en cuenta que, cuando la velocidad de
giro del motor aumenta, se produce un aumento de la f.c.e.m. en
él generada y, por tanto, una disminución de la
corriente absorbida por los bobinados del estator, como
consecuencia de todo ello, disminuye el par motor.

• Par de mantenimiento (Holding Torque): Es
  el par requerido para desviar, en régimen de
  excitación, un paso el rotor cuando la posición
  anterior es estable ; es mayor que el par dinámico y
  actúa como freno para mantener el rotor en una
  posición estable dada
• Para de detención ( Detention
  Torque): Es una par de freno que siendo propio de los
  motores de imán permanente, es debida a la acción del rotor cuando los devanados
  del estator están desactivados.
• Angulo de paso ( Step angle ): Se
  define como el avance angular que se produce en el motor por
  cada impulso de excitación. Se mide en grados, siendo
  los pasos estándar más importantes los
  siguientes:

• Número de pasos por vuelta: Es la
  cantidad de pasos que ha de efectuar el rotor para realizar
  una revolución completa; evidentemente es
  donde NP
  es el número de pasos y
  α el ángulo de
  paso.
• Frecuencia de paso máximo (Maximum
  pull-in/out: Se define como el máximo
  número de pasos por segundo que puede recibir el motor
  funcionando adecuadamente.
• Momento de inercia del rotor: Es su momento
  de inercia asociado que se expresa en gramos por
  centímetro cuadrado.
• Par de mantenimiento, de detención y
  dinámico: Definidos anteriormente y expresados en
  miliNewton por metro.

CONTROL DE LOS MOTORES PASO A PASO

Para realizar el control de los motores paso a paso, es
necesario como hemos visto generar una secuencia determinada de
impulsos. Además es necesario que estos impulsos sean
capaces de entregar la corriente necesaria para que las bobinas
del motor se exciten, por lo general, el diagrama de
bloques de un sistema con
motores paso a paso es el que se muestra en la
Figura 6.

Figura 6.- Diagrama de bloques de un
sistema con motor paso a paso

Rubén Muquillaza Valenzuela

2006