Motores Paso a Paso

Enviado por Rubén Muquillaza Valenzuela

Partes: 1, 2

En numerosas ocasiones como puede verse es necesario
convertir la energía
eléctrica en energía mecánica, utilizaremos los motores de
corriente continua. Pero cuando lo que queremos es posicionamiento
con un elevado grado de exactitud y/o una muy buena
regulación de la velocidad,
tenemos dos soluciones, la
primera es utilizar un motor paso a paso
y la segunda utilizar un servomotor.

Nos vamos a centrar en esta ocasión, la primera
de las posibilidades, los motores paso a paso (stepping
motor), vamos a realizar el estudio de su funcionamiento y su
regulación.

Sus principales aplicaciones se pueden encontrar en
robótica, tecnología
aeroespacial, control de
discos duros,
flexibles, unidades de CD-ROM o de
DVD e impresoras, en
sistemas
informáticos, manipulación y posicionamiento de
herramientas y
piezas en general.

Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en donde se
requieren movimientos muy precisos.

La característica principal de estos motores es
el hecho de poder moverlos
un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso
puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de
tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en
el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°),
para completar un giro completo de 360°.

Estos motores poseen la habilidad de poder quedar
enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si
una o más de sus bobinas está energizada, el motor
estará enclavado en la posición correspondiente y
por el contrario quedará completamente libre si no circula
corriente por ninguna de sus bobinas.

Los motores Paso a Paso son motores en los que podemos
controlar el desplazamiento del rotor en función de
tensiones que se aplican a las bobinas. Por lo que podemos
conseguir controles de los desplazamientos adelante y
detrás y determinado numero de pasos por
vuelta.

Principio de
funcionamiento

Los motores
eléctricos, en general, basan su funcionamiento en las
fuerzas ejercidas por un campo electromagnético y creadas
al hacer circular una corriente
eléctrica a través de una o varias bobinas. Si
dicha bobina, generalmente circular y denominada estator, se
mantiene en una posición mecánica fija y en su interior, bajo la
influencia del campo electromagnético, se coloca otra
bobina, llamada rotor, recorrida por una corriente y capaz de
girar sobre su eje, esta última tenderá a buscas la
posición de equilibrio
magnético, es decir, orientará sus polos NORTE-SUR
hacia los polos SUR-NORTE del estator, respectivamente. Cuando el
rotor alcanza esta posición de equilibrio, el estator
cambia la orientación de sus polos, aquel tratará
de buscar la nueva posición de equilibrio; manteniendo
dicha situación de manera continuada, se conseguirá
un movimiento
giratorio y continuo del rotor y a la vez la
transformación de una energía eléctrica en
otra mecánica en forma de movimiento circular.

Aun basado en el mismo fenómeno, el principio de
funcionamiento de los motores de corriente continua, los motores
paso a paso son más sencillos si cabe, que cualquier otro
tipo de motor eléctrico.

La Figura A intenta ilustrar el modo de funcionamiento
de un motor paso a paso, suponemos que las bobinas L1 como L2
poseen un núcleo de hierro dulce
capaza de imantarse cuando dichas bobinas sean recorridas por una
corriente eléctrica. Por otra para el imán M puede
girar libremente sobre el eje de sujeción
central.

Figura A.- Principio de funcionamiento
de un motor paso a paso

Inicialmente, sin aplicar ninguna corriente a las
bobinas (que también reciben el nombre de fases) y con M
en una posición cualquiera, el imán
permanecerá en reposo si no se somete a una fuerza
externa.

Si se hace circula corriente por ambas fases como se
muestra en la
Figura A(a), se crearán dos polos magnéticos NORTE
en la parte interna, bajo cuya influencia M se desplazará
hasta la posición indicada en la dicha figura.

Si invertimos la polaridad de la corriente que circula
por L1 se obtendrá la situación magnética
indicada en la Figura A(b) y M se verá desplazado hasta la
nueva posición de equilibrio, es decir, ha girado 90
grados en sentido contrario a las agujas del reloj.

Invirtiendo ahora la polaridad de la corriente en L2, se
llega a la situación de la Figura A( c) habiendo girado M
otros 90 grados. Si, por fin, invertimos de nuevo el sentido de
la corriente en L1, M girará otros 90 grados y se
habrá obtenido una revolución
completa de dicho imán en cuatro pasos de 90
grados.

Por tanto, si se mantiene la secuencia de
excitación expuesta para L1 y L2 y dichas corrientes son
aplicadas en forma de pulsos, el rotor avanzará pasos de
90 grados por cada pulso aplicado.

Por lo tanto es podemos decir que un motor paso a paso
es un dispositivo electromecánico que convierte impulsos
eléctrico en un movimiento rotacional constantes y finito
dependiendo de las características propias del
motor.

El modelo de
motor paso a paso que hemos analizado, recibe el nombre de
bipolar ya que, para obtener la secuencia completa, se requiere
disponer de corrientes de dos polaridades, presentando tal
circunstancia un inconveniente importante a la hora de
diseñar el circuito que controle el motor. Una forma de
paliar este inconveniente es la representada en la Figura B,
obteniéndose un motor unipolar de cuatro fases, puesto que
la corriente circula por las bobinas en un único
sentido.

Si inicialmente se aplica la corriente a L1 y L2
cerrando los interruptores S1 y S2, se generarán dos polos
NORTE que atraerán al polo SUR de M hasta encontrar la
posición de equilibrio entre ambos como puede verse en la
Figura B(a). Si se abre posteriormente S1 y se cierra S3, por la
nueva distribución de polos magnéticos, M
evoluciona hasta la situación representada en la Figura
B(b).

Figura B.- Principio
básico de un motor unipolar de cuatro fases

Siguiendo la secuencia representada en la Figuras B (c )
y (d), de la misma forma se obtienen avances del rotor de 90
grados habiendo conseguido, como en el motor bipolar de dos
fases, hacer que el rotor avance pasos de 90 grados por la
acción
de impulsos eléctricos de excitación de cada una de
las bobinas.

En uno y otro caso, el movimiento obtenido ha sido en
sentido contrario al de las agujas del reloj; ahora bien, si las
secuencias de excitación se generan en orden inverso, el
rotor girará en sentido contrario, por lo que
fácilmente podemos deducir que el sentido de giro en los
motores paso a paso es reversible en función de la
secuencia de excitación y, por tanto, se puede hacer
avanzar o retroceder al motor un número determinado de
pasos según las necesidades.

El modelo de motor paso a paso estudiado, salvo su
valor
didáctico, no ofrece mayor atractivo desde el punto de
vista práctico, precisamente por la amplitud de sus
avances angulares.

Una forma de conseguir motores PAP de paso mas reducido,
es la de aumentar el número de bobinas del estator, pero
ello llevaría a un aumento del coste y del volumen y a
pérdidas muy considerable en el rendimiento del motor, por
lo que esta situación no es viable. Hasta ahora y para
conseguir la solución más idónea, se recurre
a la mecanización de los núcleos de las bobinas y
el rotor en forma de hendiduras o dientes, creándose
así micropolos magnéticos, tantos como dientes y
estableciendo las situaciones de equilibrio magnéticos con
avances angulares mucho menores, siendo posible conseguir motores
de hasta de 500 pasos.

Básicamente estos motores están
constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados
distintos imanes permanentes y por un cierto número de
bobinas excitadoras bobinadas en su estator.

Las bobinas son parte del estator y el rotor es un
imán permanente. Toda la conmutación (o
excitación de las bobinas) deber ser externamente manejada
por un controlador.

Partes: 1, 2

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