Motores Paso a Paso

Los motores paso a paso vienen a cerrar la
descripción dedicada a este amplio conjunto de
dispositivos capaces de transformar la energía
eléctrica en mecánica. Este tipo de motor, a pesar
de tener una concepción bastante antigua,
únicamente ha podido emplearse en la práctica a
partir del momento en que la tecnología de semiconductores
ha permitido el desarrollo de circuitos de actuación y
control suficientemente rápidos y adecuados.

En definitiva, las aplicaciones fundamentales de este
tipo de motor son aquellas en las que se precisa un sistema de
posicionamiento seguro y fiable sin tener que recurrir a otros
sistemas más complejos del tipo de servomecanismos.
Además, soluciona con relativa sencillez otros casos en
los que la exigencia en cuanto de la velocidad de accionamiento
en determinados movimientos ordinarios asociados a sistemas de
frenado de gran seguridad y de muy problemática
ejecución práctica.

Lógicamente existen numerosos tipos de motores
paso a paso para cubrir esta amplia gama de aplicaciones entre
los que existen diferencias en cuanto a su principio de
funcionamiento, además de las lógicas derivadas del
tamaño y potencia más adecuados para cada caso
concreto.

Aplicaciones
típicas de los Motores Paso a Paso

Suelen usarse en periféricos de ordenador
(scanners, controladores de discos, impresoras, etc),
cámaras, telescopios y sistemas de posicionamiento de
satélites, aplicaciones médicas, robótica y
herramientas mecánicas controladas de forma
numérica.

Aspectos negativos de los motores paso a
paso:

• Puede producirse una resonancia si no se controlan
  adecuadamente;

• No funcionan fácilmente a velocidades
  extremadamente elevadas;

• Si se sobrepasa el par de fuerza, todas las
  referencias de la posición se pierden y el sistema
  debe reiniciarse;

• Producen un par de fuerza mucho más
  pequeño para un determinado tamaño, en
  comparación con un motor DC/AC equivalente.

Principio de
Funcionamiento

El principio de funcionamiento está basado en un
estator construido por varios arrollamientos independientes
devanados sobre un material ferromagnético y un rotor que
puede girar libremente en el seno del estator.

Estos deferentes bobinados son alimentados uno a
continuación del otro y causan un determinado
desplazamiento angular que se denomina "paso angular" y que es la
principal característica del motor. El sentido de
rotación estará definido por la secuencia en la que
se han excitado los diferentas arrollamientos.

Figura 1: Conexión clásica
para un motor paso a paso

Tipos de motores
paso a paso

Existen dos tipos básicos de motores paso a paso.
El primero de ellos funciona por el efecto de reacción que
se produce entre un campo electromagnético y un
imán permanente, por este motivo se le denomina "motor
paso a paso de imán permanente". Se los conoce
también como "tincan" o "canstack". El segundo funciona
mediante la acción de un campo electromagnético
sobre un rotor de hierro dulce, el cual, como es sabido, presenta
un magnetismo remanente muy débil. A este tipo se le
conoce con el nombre de " motor paso a paso de reluctancia
variable".

En ambos casos se precisa de un circuito o equipo
externo que distribuya la alimentación en forma secuencial
a todos los arrollamientos del estator, de forma que
únicamente se encuentre excitado uno cualquiera de ellos
en cada momento. En consecuencia, el sistema de
alimentación no será una corriente continua o
alterna, sino que será una secuencia constante y uniforme
de pulsos de excitación que se envían a los
devanados con una frecuencia "f" y que el motor contiene un
número de bobinas "n", obtendrá una velocidad de
giro v=n/f

Revoluciones por segundo (r. p. s), bien entendido que
cada vuelta recorrida por el rotor se compondrá de tantos
saltos como bobinas diferentes existan en el estator, cantidad
que en este caso se ha definido como "n". El desplazamiento
angular obtenido de cada paso se calculará dividiendo los
360° correspondientes a una vuelta por el número de
arrollamiento "n", es decir que D= 360/n.

Pasemos a analizar por separado cada uno de los modelos
definidos anteriormente.

Tamaño

Generalmente, los motores paso a paso están
clasificados de acuerdo al tamaño de su bastidor
(diámetro del cuerpo). Por ejemplo, el tamaño 23 de
un motor paso a paso tiene un tamaño de cuerpo de
aproximadamente 2,3 pulgadas. Los tamaños más
comunes de bastidor son los de 11, 17, 23, 34 y 42.

Motor de
Imán Permanente

Está formado por un estator de forma
cilíndrica con un cierto número de bobinados
alimentados en secuencia que crean un campo magnético
giratorio de manera discontinua. Tienen una velocidad
relativamente baja y un par de fuerza bajo, con un gran
ángulo del paso que suele ser de 45° ó 90°,
son más económicos. El rotor concéntrico con
el estator y situado sobre el eje contiene un imán
fuertemente magnetizado que en cada instante tenderá a
alinearse con el campo magnético creado por la
correspondiente bobina del estator. Como puede observarse, su
modo de operación no podría ser más simple,
ya que está basado en las fuerzas de atracción
desarrolladas entre dos imanes, uno permanente y el otro
temporal.

Figura 2: Secuencia de funcionamiento de
un motor paso a paso de imán permanente bipolar (dos
bobinados)

Normalmente y a diferencia de los motores
sincrónicos, el imán del rotor es bipolar y los
polos norte y sur se encuentran en los extremos opuestos de uno
de los diámetros del cilindro del rotor.

El número de bobinados que se dispone en el
estator este tipo concreto suele ser de dos o cuatro, con los que
se obtienen cuatro pasos por cada vuelta, y el desplazamiento
angular será de 90°. Las frecuencias de trabajo
empleadas suelen ser bajas y el par motor debido a la presencia
de imán. Sin embargo, es conveniente tener en cuenta
algunas consideraciones acerca del máximo par de
accionamiento que puede ofrecer este motor.

Supongamos un cierto modelo constituido por dos
bobinados a los que se aplican impulsos con doble polaridad,
según la secuencia que se puede observar en las
ilustraciones.

Cuando la alimentación alcanza al bobinado 1, el
imán permanente se va ha alinear con el campo creado, de
forma que justo en el momento en que ambos campos se encuentra
exactamente en línea, el par motor se anulará. Si
el motor está acoplado a algún mecanismo externo,
esta situación no podrá alcanzarse, ya que el par
desarrollado deberá ser igual al necesario para mover la
carga, por lo tanto se formará un cierto ángulo
entre los dos campos.

Este par será máximo cuando el
ángulo citado sea de 90°, pero al llegar la
excitación al segundo bobinado (2) el nuevo ángulo
formado será de 180°, con lo que el par se
anulará. Por lo tanto se deduce que un motor de este tipo
no deberá nunca ser cargado con mecanismos que requieran
un par cuyo ángulo de mantenimiento supere los 45°,
aunque en la práctica se reduce este valor a 30°
aproximadamente.

Motor de
reluctancia variable

Este motor no utiliza un campo magnético
permanente, como resultado puede moverse sin limitaciones o sin
un par de parada. Este tipo de montaje es el menos común y
se usa, generalmente, en aplicaciones que no requieren un alto
grado de par de fuerza, como puede ser el posicionamiento de un
mando de desplazamiento.

Este motor se desarrolló con objeto de poder
conseguir unos desplazamientos angulares más reducidos que
en el caso anterior, sin que por este motivo haya de aumentarse
considerablemente el número de bobinados. El estator
presentará la forma cilíndrica habitual conteniendo
generalmente un total de tres devanados distribuidos de tal forma
que existirá un ángulo de 120° aproximadamente
entre dos de ellos. El rotor está formado por un
núcleo de hierro dulce de estructura cilíndrica
pero con una cierta cantidad de dientes tallados
longitudinalmente a lo largo de su superficie lateral.

Figura 3: Partes de un motor paso a paso
de reluctancia variable

Para analizar su modo de operación se va a
suponer un motor constitutito por tres devanados, B1, B2 y B3,
excitados secuencialmente y un rotor con cuatro dientes, D1, D2,
D3 y D4. Cuando el primer arrollamiento (B1) recibe la
alimentación, atraerá al rotor hasta que el diente
mas cercano se alinee con el campo, por ejemplo, D1; al llegar la
excitación a B2, el diente D2 será el más
próximo , con lo que el rotor girará 30°, de la
misma forma, con el siguiente impulso aplicado a B3 será
el diente D3 el alineado, con un segundo paso de 30° y al
volver la alimentación a B1 será atraído D4,
avanzando un ángulo igual a los anteriores.

Como fácilmente puede deducirse, en este caso y a
diferencia del anterior, la polaridad o sentido de
circulación de la corriente en cada devanado es diferente,
ya que al no estar imantado el rotor siempre se desplazará
hasta la posición en que la reluctancia del circuito
magnético del estator sea mínima.

Figura 3: Secuencia de funcionamiento de un
motor de reluctancia variable de cuatro dientes: la corriente
circula por B1

Figura 4: alimentación en
B2

Figura 5: Ahora la alimentación se
aplica a B3

Figura 6: La corriente circula nuevamente
por B1

Para obtener desplazamiento angulares de 15°
será necesario aumentar el número de dientes del
rotor hasta ocho y esta cifra se hará tanto mayor cuanto
más reducido sea el avance de cada paso.

En este tipo de motores son también aplicables
las consideraciones que sobre el par de accionamiento han sido
expuestas anteriormente.

La principal características de estos motores de
reluctancia variable es la elevada velocidad de accionamiento que
permiten, siendo normal la cifre de 1200 pasos por
segundo.

Otra forma constructiva para este tipo de motor es la de
efectuar un agrupamiento de varios conjuntos roro-estator,
alimentando a estos últimos, secuencialmente. Los pasos se
obtienen por el posicionamiento de los bobinados de cada estator,
alineando los tres rotores y constituyendo un rotor único.
Existe, por último un tercer tipo de motor paso a paso
denominado motor híbrido que combina los diseños de
ambos, obteniendo importante pares de accionamiento, un gran
número de pasos por vuelta y una frecuencia bastante
elevada de trabajo. La resolución de paso es de 0,9°,
1,8° ó 3,6°.

Las fases de un
motor P a P

Se define al número de caminos diferentes a
través de los que puede fluir el campo
magnético.

Generalmente los motores tienen dos fases, aunque
también los hay con tres o cinco.

• Un motor bipolar tiene un bobinado por
  fase.

• Un motor unipolar tiene un bobinado con una
  pequeña lámina centrada, o dos bobinados
  separados por fase.

Configuraciones

Los polos

Normalmente, tanto el rotor como el estator de un motor
p a p tienen igual número de polos, aunque en ocasiones
pueden aparecer excepciones.

Figura 7:Conexión básica de
motores PaP

Modos de paso a
paso

El motor paso a paso puede controlarse mediante un gran
número de secuencias diferentes. Las más comunes
son las siguientes:

• Control de onda

• Control total del paso (Full Stop)

• Control de la Mitad de Paso (Half Step)

• Mocrostepping.

Ande de establecer las características de cada
uno de ellos, será necesario clarificar las partes
internas de estos motores y las fases. Para ello se debe
considerar si es un motor de accionamiento unipolar o
bipolar.

Motores de
accionamiento Unipolar

Cada bobina del estator tiene un Terminal conectado a un
potencial fijo, como por ejemplo positivo. El sentido de la
corriente que fluye a través de la bobina está
determinado por el Terminal al cual está conectado el
negativo de la línea de alimentación, a
través del dispositivo de conmutación. Las dos
mitades de las bobinas de conmutación hacen que se
inviertan los polos magnéticos del estator.

En la siguiente figura se observa un motor del tipo
unipolar.

Figura 8 : Motores de dos estatores (4
fases)

La figura 8 muestra un motor de 4 fases en el cual las
fases P y R están activadas: el rotor adopta la
posición indicada. Si se acciona el conmutador S1(fases Q
y R activadas), se obtienen las condiciones ilustradas en la
figura 1b: el rotor se ha desplazado 90°. Por lo tanto
accionando los conmutadores S1 y S2 alternativamente se puede
hacer que el rotor gire en pasos de 90° y variando la
secuencia de conmutación puede invertirse el sentido de
rotación.

Esta clase de motor de estator de 4 fases tiene un rotor
de imán permanente de 24 polos (ángulos de paso de
7° 30´) ó 12 polos (ángulo de paso de
15°)

Motor para accionamiento bipolar

Las bobinas del estator no tienen conexión centra
de alimentación. En vez de utilizar alternativamente media
bobina para producir una inversión de la corriente que
circula a través de los devanados del estator (como para
el accionamiento unipolar), la corriente ahora se invierte a
través de la bobina entera mediante la conmutación
de ambas líneas de alimentación. El funcionamiento
de un motor con el accionamiento bipolar es idéntico al
unipolar. Un motor con dos estatores (dos fases) corresponde a un
accionamiento del tipo bipolar.

Figura 9: Motor PaP de dos estatores ( 2
fases)

Estos motores tienen un estator de dos fases y un rotor
de imán permanente con 24 polos (ángulo de paso
7°30´) ó 12 polos (ángulo de paso de
15°). El diseño es similar al de los motores
unipolares. El flujo del estator de un devanado bipolar se
invierte al invertir la corriente a través del devanado.
Con una excitación de corriente constante., el motor
bipolar puede ser utilizado con una alta relación de
pasos. Para un funcionamiento continuo con una elevada
relación de pasos, la temperatura del motor aumenta debido
a las pérdidas, las cuales deben tenerse en cuenta en el
cálculo de la máxima temperatura ambiente de
trabajo.

Ahora se pueden explicar los modos de los
pasos.

• Control de onda: En este modo sólo
  está alimentada una fase en un momento determinado.
  Para los motores unipolares esto significa que sólo se
  están utilizando el 25% de los bobinados disponibles,
  mientras que para los motores bipolares la utilización
  es del 50 %.

• Control Total del Paso (Full Step):En este modo se
  alimentan dos fases a la vez, Para los motores unipolares
  esto significa que se están utilizando el 50% de los
  bobinados disponibles, mientras que para los motores
  bipolares la utilización es del 100%.

• Control de Mitad de Paso (Half Step). En este modo,
  las secuencias de la onda y el control del paso completo
  están entremezclados, de manera que se permita que el
  rotor esté alineado en la mitad de cada paso. Para los
  motores unipolares esto significa que están
  empleándose el 37,5% de los bobinados disponibles
  (como media), mientras que en los motores bipolares el uso
  alcanza el 75%.

• Microstepping: Las corrientes en los bobinados
  están variando continuamente para poder dividir un
  paso completo en muchos pasos discretos más
  pequeños. Esta secuencia de explicación no
  será tratada en esta guía.

Terminologías

• Par de Mantenimiento (Holding Torque / HT): Si se
  activa el motor desde el reposo es necesaria una cierta
  cantidad de par para desviar el motor un paso y es
  específico para cada motor dentro de su grupo. Cuando
  se aplica un par que excede al par de mantenimiento el motor
  girará continuamente. El HT normalmente es más
  alto que el par de trabajo (WT) y actúa como un fuerte
  freno manteniendo la carga en posición. El valor es el
  más adecuado para mantener la carga en
  posición.

• Par de parada (Detent Torque / DT): Debido a sus
  imanes permanentes, los motores de imán permanente y
  los motores híbridos tiene un par de freno aún
  cuando no estén activados. Esto es lo que llamaremos
  detención.

• Par de trabajo (Working Torque / WT): Las
  características dinámicas de un motor
  están descritas por las curvas del par respecto a la
  relación de pasos. La curva de arranque sin error
  (Pull-in curve) indica que un motor con carga puede arrancar
  y parar sin pérdida de pasos cuando trabaja con una
  relación de pasos constante. La curva de
  estabilización (Pull-out curve) indica el par
  disponible cuando el motor es gradualmente acelerado y
  desacelerado a partir de su velocidad de trabajo requerida.
  El área entre las dos curvas se conoce como campo
  giratorio. Estas curvas características son la clave
  para la selección del motor adecuado y de los
  circuitos de excitación y control.

• Sobreoscilación: Cuando se trabaja a paso
  simple el rotor tiende a la sobreoscilación y oscila
  sobre su posición final. La respuesta real depende de
  la carga y de la potencia de entrada procedente del circuito
  de excitación. La respuesta puede ser modificada
  incrementando la carga friccional o añadiendo un
  amortiguamiento mecánico. No obstante los
  amortiguamientos mecánicos como discos de
  fricción o volante hidráulicos añaden al
  sistema coste y complejidad. Usualmente es mejor utilizar
  amortiguadores electrónicos.

• Resonancia: Un motor PAP que trabaja sin carga sobre
  su margen completo de frecuencias de trabajo revelará
  puntos de resonancia que son audibles o que pueden ser
  detectados por sensores de vibración. Estas
  frecuencias deberían ser evitadas utilizando una
  excitación más suave, añadiendo una
  inercia extra o un amortiguamiento externo.

Bibliografía

Sin Autor. 1986 .Pequeños Motores. Chile. Nueva
Lente

Constandinou.2001. Fundamentos de Motores Paso a Paso.
España. Saber Electrónica

PHILIPS. 1990 Ficha Técnica Motor paso a
poso.

Autor:

Edgardo Faletti