Motores paso a paso

Motores paso a paso (step- / stepper / stepping motors)

• Introducción
• Funcionamiento
• Características

Introducción

Los motores paso a paso (P-P) pueden verse como motores eléctricos sin sistema de conmutación. Típicamente, todas las bobinas del motor están en el estator y el rotor es, o un imán permanente o, en el caso de motores de reluctancia variables, un bloque de algún material magnéticamente blando. Toda la conmutación debe ser manejada externamente por el controlador del motor y, habitualmente, los motores y controladores están diseñados para que el motor pueda ser mantenido en una posición o rotar en uno u otro sentido. La mayoría de estos motores pueden ser manejados a frecuencias de audio permitiendo un giro rápido y, con un controlador apropiado, pueden ser arrancados y parados en posiciones controladas.
    
Para algunas aplicaciones existe una posibilidad de elección entre el uso de servomotores y de motores P-P. Ambos tipos ofrecen prestaciones similares para posicionamientos precisos, pero difieren en algunos aspectos. Los servomotores requieren sistemas de realimentación analógica. Típicamente, esto involucra un potenciómetro para proporcionar realimentación acerca de la posición del rotor, y alguna circuitería para dirigir corriente a través del motor de forma inversamente proporcional a la diferencia entre la posición actual y la deseada. La elección entre uno u otro tipos de motor dependen fundamentalmente de la aplicación. Por ejemplo, la repetibilidad del posicionado con un motor P-P depende de la geometría del rotor, mientras que en el servomotor generalmente depende de la estabilidad del potenciómetro y de otros componentes del circuito de realimentación.
Los motores P-P pueden ser usados en sistemas simples de control en lazo abierto. Estos son adecuados generalmente en sistemas que operan a bajas aceleraciones con cargas estáticas; el lazo cerrado puede ser esencial para aceleraciones elevadas, particularmente si involucran cargas variables. Si se sobrecara un motor P-P en un sistema de control de lazo abierto todo el conocimiento acerca de la posición del rotor se pierde y el sistema debe ser reiniciado. Lo servomotores no presentan este problema.
Los motores P-P 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 por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8° (e incluso hasta de 0.72º), 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° (resolución de un motor P-P).
Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición, o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas está alimentada, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y, por el contrario, quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.

Principio de funcionamiento

Los motores P-P se presentan en dos variedades, de imán permanente y de reluctancia variable (existen también motores híbridos, que son indistinguibles de los de imán permanente desde el punto de vista del controlador).
Si el estator del motor tiene tres bobinas, conectadas típicamente como en la siguiente figura, con un terminal común, C, a todas las bobinas, será probablemente un motor P-P de reluctancia variable. El conductor común se conecta habitualmente al borne positivo y las bobinas son alimentadas siguiendo una secuencia consecutiva.


Estos motores no contienen imanes permanentes. El estator es similar a un motor de c.c. de escobillas, sin embargo, el rotor sólo consta de hierro laminado. El par se produce como resultado de la atracción entre las bobinas y el rotor férrico. El rotor forma un circuito magnético con el polo del estator. La reluctancia de un circuito magnético es el equivalente magnético a la resistencia de un circuito eléctrico. Cuando el rotor está alineado con el estator el hueco entre ambos es muy pequeño y en este momento la reluctancia está al mínimo. La inductancia del bobinado también varía cuando el rotor gira. Cuando el rotor está fuera de la alineación, la inductancia es muy baja, y la corriente aumentará rápidamente. Cuando el rotor se alinea con el estator, la inductancia será muy grande. Esta es una de las dificultades de manejar un motor de esta clase.
Los motores P-P de imán permanente son los mas usados en robótica. Básicamente, están constituidos por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes, y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en su estator. Así, las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) debe ser externamente manejada por un controlador. 
 

Rotor

Estator de 4 bobinas

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

Bipolar: Estos tienen generalmente cuatro cables de salida. 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. Esto hace que la controladora se vuelva mas compleja y costosa. Su uso no es tan común como en el caso de los de tipo unipolar.

Unipolar: Estos motores suelen tener 8, 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado interno. Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar.

Secuencias para manejar motores paso a paso Unipolares

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

• Secuencia de paso completo doble (normal): Consiste en tener activar dos bobinas al mismo tiempo, ambas consecutivas, de modo que el eje del motor se oriente hacia el punto medio de ambas bobinas. Esta es la secuencia más usada y la que generalmente recomienda el fabricante. Con ésta el motor avanza un paso cada vez y, debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas, se obtiene un alto par de paso y de retención.

 
A continuación se puede apreciar la secuencia animada en modo normal:
 
   
 

• Secuencia de paso completo básica (wave drive): Consiste en activar cada una de las bobinas de forma independiente, lo que provoca que el eje del motor se oriente hacia la bobina activa. En algunos motores esto brinda un funcionamiento más suave. La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el par de paso y de retención es menor.

 
A continuación se puede apreciar la secuencia animada en modo básico:
 
   
 

 

• Secuencia de medio paso: Si se combinan las secuencias anteriores, el resultado que se obtiene es un paso más corto (de hecho, es la mitad del paso generado en las anteriores) y se sitúa el motor en todas las posiciones de las mismas. Para ello se activan primero 2 bobinas y luego sólo 1, y así sucesivamente. Como vemos en la tabla, la secuencia completa consta de 8 movimientos en lugar de 4.

 
A continuación se puede apreciar la secuencia animada en modo medio paso:
 
   
 

 

Características comunes de los motores P-P

Estos motores no se caracterizan únicamente por su voltaje. Las siguientes magnitudes caracterizan a un determinado motor P-P:

• Voltaje: éste se halla directamente impreso sobre la unidad o se especifica en su hoja de características. A veces es preciso exceder el voltaje nominal para obtener el par deseado, pero ello contribuye a un mayor calentamiento e incluso al acortamiento de la vida del motor.
• Resistencia: La resistencia por bobina determina la corriente del estator y, por tanto, afecta a la curva característica del par y a la velocidad máxima.
• Resolución: como se ha comentado anteriormente el ángulo girado en cada paso es el factor más importante de un motor P-P a efectos de una aplicación dada. La operación de medio paso dobla el número de pasos por revolución. Números grados/paso habituales son: 0.72, 1.8, 3.6, 7.5, 15 e, incluso, 90.

Observaciones

 
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 de 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 inversa debería también ser realizado previamente bajando la velocidad de giro y luego cambiar el sentido de rotación.
Este tipo de motores es muy interesante para aquellas aplicaciones en las que se necesita tener un control del movimiento del motor (conocer cuánto se ha desplazado el motor) sin necesidad de tener que añadir ningún tipo de encoder. Las posibles desventajas encontradas en la utilización de este tipo de motor son: primero, la necesidad de emplear un encoder para situar el motor en la posición inicial antes de arrancar el motor, ya que nunca se puede saber hacia donde se encuentra orientado el eje al inicio y, segundo, si se quiere mover el motor un número de grados determinado, es necesario hacer pasar al motor por todos los pasos anteriores a esa posición. En estas situaciones, el uso de un servo es más eficiente, ya que en todo momento se puede situar el motor en la posición requerida y con una única orden, la señal PWM adecuada.