MOTORES PASO A PASO

INTRODUCCIÓN

• Los motores de pasos o motores paso a paso (PaP) 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.

Existen variadas formas constructivas de los motores PaP, pero se identifican tres tipos de categorías básicas:

• Motor paso a paso de reluctancia variable• Motor paso a paso de imanes permanentes• Motor paso a paso híbridos

Otro aspecto en la caracterización de los motores corresponde a la forma se interconectan las bobinas y las estrategias de control para generar el giro del motor. Dentro de las técnicas utilizadas se encuentran los motores unipolares, bipolares, multifases y bifilares.

Tipos de motores y su principio de funcionamiento

• Motor de Reluctancia variable

Si el motor PaP posee 3 bobinas conectadas como lo indica la figura 1.1, lo mas probable es que sea uno de reluctancia variable.

Tipos de motores y su principio de funcionamiento

• Motor Paso a Paso de imanes permanentes

En este tipo de motores, el rotor está provisto de imanes los que se encuentran dispuestos de tal manera que los polos N-S se encuentran opuestos entre sí en forma radial. En la figura 4 (arriba) se puede visualizar un esquema del rotor y estator.

Tipos de motores y su principio de funcionamiento• Motores HíbridosUn motor PaP híbrido es una combinación de los motores de reluctancia variable e imanes permanentes. En la figura 5 se observa que además de tener una geometría no regular en el rotor, los dientes poseen una determinada magnetización.

Interconexión y operación de los devanados

• Motores UnipolaresLos motores con conexión unipolar, generalmente se conectan como se muestra en la figura. Existen dos terminales centrales (1-2) de los devanados que se conectan al positivo de la fuente y los otros dos terminales de cada devanado son conectados alternadamente al negativo para revertir la dirección del campo.

Interconexión y operación de los devanados

• Motores PaP BipolaresLos motores bipolares se construyen en forma similar que los unipolares. El motor en sí es más sencillo, pero el circuito de control se torna más complejo puesto a que se necesita revertir la polaridad de cada bobina.

Para alimentar este tipo de motores se utiliza el puente H (H-bridge) con la estrategia de control bipolar. El puente H permite energizar las bobinas con la polaridad que se desea.

Interconexión y operación de los devanados

• Motores BifilaresLos motores PaP bifilares son desarrollados de la misma forma que los motores bipolares, pero en lugar de enrollar cada bobina con un solo conductor, se utilizan dos conductores en paralelo. Como resultado el motor posee 8 conductores en lugar de 4 del bipolar.

Interconexión y operación de los devanados

• Motores MultifaseEstos motores poseen sus bobinas interconectadas en una serie cíclica, que entre cada par de bobinas conectadas hay un terminal, mientras que los otros extremos se encuentran en una conexión interna inaccesible.En el contexto, los motores comúnmente utilizados son los trifásicos, las interconexiones corresponderían a las configuraciones estrella (Y) y delta (D). También son utilizados los motores de 5 fases (se muestran las conexiones en la figura). Algunos motores tienen todos sus terminales disponibles para que el usuario escoja la conexión que desee.

Funcionamiento dinámico del motor

Cada vez que funciona el motor PaP, electrónicamente las bobinas del motor se energizan en una secuencia tal que desplazan la curva de torque. La siguiente gráfica muestra el desplazamiento en S radianes de la curva de torque desde la posición inicial (rotor trancado)

Lo primero que se debe observar a partir de este cambio de estado, es el que el máximo torque disponible se encuentra en un mínimo a la mitad desde el paso del otro (indicado en la figura como running torque). Este será el torque máximo que podrá cargar el motor mientras avanza lentamente. A mayores velocidades, el torque dinámico es a veces definido como el pull out torq. Este es el máximo torque de fricción que el motor puede soportar con una carga que rota, antes que la carga sea sacada del paso por la fricción. Algunas hojas características de motores PaP definen un segundo gráfico con el pull out torq. Este es el máximo torque que el motor puede acelerar con carga detenida. Esta información se apunta sólo en algunos motores puesto que este torque dependerá del momento de inercia de la carga.

ResonanciaLa gráfica muestra un peak del torque en la frecuencia de resonancia eléctrica y un valle en la frecuencia de resonancia mecánica. Si la frecuencia de resonancia eléctrica es ubicada apropiadamente sobre lo que hubiese sido la velocidad de corte del motor utilizando un controlador basado en diodos, el efecto puede ser un aumento considerable en la velocidad efectiva de corte.

La frecuencia de resonancia mecánica (f.r.m) depende del torque, por lo que si la frecuencia de resonancia eléctrica (f.r.e.) se ubica cerca de la primera (f.r.m.) será sustituida por la (f.r.e). Existen técnicas para modificar los modos naturales del circuito del motor PaP y así conseguir modificar la f.r.e.

Formalmente, la f.r.m. puede ser calculada de la siguiente manera: La ecuación de la ley de Newton define el torque como T = µ A donde: T – torque aplicado al rotor µ -- momento de inercia del rotor y carga A – aceleración angular en radianes por segundo

Accionamientos del motor

• Etapa de PotenciaLos motores PaP al igual que cualquier máquina eléctrica accionada por control electrónico, requiere de una etapa de potencia que energice y suministre la potencia necesaria para generar el torque solicitado. Muchos controladores traen integrada la etapa de potencia. Otros, deben ser instalados en forma independiente al control.

Figura. Conexión y desconexión de una bobinaSi se modela la bobina como un sistema R-L se obtiene una respuesta en la corriente en una conexión y desconexión como se muestra en la figura. El interruptor debe soportar los cambios bruscos de estados de la tensión y corriente por lo que el dimensionamiento de este dependerá de las características eléctricas del motor.

Puente H (H-bridge)

El puente H (de acuerdo a la literatura encontrada de motores PaP) es uno de las conexiones más utilizadas para energizar las bobinas del motor. En la figura se observan los IGBT’s Q1, Q2, Q3 y Q4 (o algún semiconductor que se sature por efecto campo) que pueden estar abiertos o cerrados según se disponga para alimentar la carga. También se observan los diodos conectados con polaridad inversa para proteger por sobre tensiones inversas a los IGBT’s.

Control

Es importante mencionar que el control de este tipo de motores se realiza a lazo abierto. Es posible construir un controlador o simplemente utilizar el PC para generar la secuencia lógica para mover el motor. Existe una gran variedad de controladores de motores PaP en el mercado. Algunos ejemplos son: L297, PMB3960, NJM3771.

Controlador de motor PaP L297

Esquemático del controlador de motor PBM 3960