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Seminario control de motores paso a paso

Ing. Héctor Hugo Mazzeo 1

Motores paso a paso: Características

• Similares a los motores de corriente continua.

• Diferencia principal: se usan más para posicionamiento electromecánico.

• Otras diferencias:– la conmutación de polos es

externa;– nº polos grande, paso

pequeño ->precisión en movimientos

– nº de polos variable (relacionado con nº pasos necesario para completar una vuelta)



Motores paso a paso: Especificaciones

• Tensión de operación• Resistencia de los arrollamientos• nº de pasos por revolución (o

ángulo de cada paso)• Torque o cupla disponible• Velocidad máxima de operación• Otros: peso, cte. máxima/bobina,

etc.

Resolución: número de pasos para completar una vuelta (mayor cantidad de pasos, mayor resolución).



Motores paso a paso: Funcionamiento

2 arrollamientos excitados: posición estable, S y N, N y S enfrentados.

1 arrollamiento excitado: posición estable, N y S enfrentados. El rotor giró ½ paso.

2 arrollamientos excitados: posición estable (similar a la inicial). El rotor giró 1 paso.



Motores paso a paso: Control

• Secuencia de accionamiento 2-2 (2 arrollamientos consecutivos siempre activos).

• Cada fase de esta secuencia avanza el stepper un paso.

• Recorriendo la secuencia inversa, gira al revés.



Motores paso a paso: Control

• Secuencia de accionamiento1-2 (alternativamente 1 y 2 arrollamientos energizados).

• Cada fase avanza el stepper ½ paso.



Motores paso a paso: Tipos de steppers

• Existen 3 tipos básicos:

– De reluctancia variable– De imán permanente– Híbridos

• Se diferencian por el tipo de construcción (uso o no de imanes permanentes en el rotor y estatores de acero laminado).




• No usa imanes permanentes en el rotor

• Por eso, se mueve libremente al girarlo

• Uso: aplicaciones no industriales que requieren poco torque

Motor de reluctancia variable

Motor de 15 grados por paso




• Usualmente tienen 3 (a veces 4) bobinados, con un retorno común.

• El stepper de la figura tiene 4 “dientes” en el rotor y 6 polos en el estator.

Motor de reluctancia variable




• El rotor está compuesto por varios polos (imanes permanentes).

• El rotor no tiene “dientes”• Tienen baja velocidad y

bajo torque.• Bajo costo.• Ideales para aplicaciones no

industriales (por ej. impre-soras, scanners, disketeras).

Motor de imán permanente

Motor de 90º por paso con 4 fases (A-D)




• Combina las mejores características de los anteriores.

• Tienen muchos polos en el rotor (p.ej. 200).

• Tienen altas resoluciones (hasta < 1º).

• Tienen gran torque.• Son más caros.• Ideales para aplicaciones

industriales (p.ej. robots).

Motor híbrido




• Tienen 5 o 6 terminales, con una derivación en el centro de cada bobina.

• Los puntos medios(1 y 2) se conectan a c.c. y los terminales (a y b) a masa alternativamente.

Motores unipolares

• El rotor de la figura es un magneto de 6 polos.

• Cada arrollamiento o bobina está distribuido entre 2 polos en el estator.



Motores paso a paso: Conexión de las bobinas




• Similares a unipolares pero sin derivación central en las bobinas.

• Es más simple que unipolares, pero el driver es más complejo.

• Requiere un “puente H” para alimentar cada bobina con ambas polaridades.

Motores bipolares



Motores paso a paso: Control de steppers

Una unidad de control (no representada) provee las señales necesarias para abrir y cerrar las llaves con la secuencia apropiada para posicionar el motor o hacerlo girar. Puede ser una computadora con soft adecuado.

Circuito de control para un stepper de reluctancia variable

• Se requiere una llave por cada bobina (transistor).

• Como las cargas son inductivas, hay que agregar diodos de “damping” en paralelo para proteger los transistores.




Como en el caso anterior, cada cuadro representa una llave electrónica.

Circuito de control para steppers unipolares e híbridos

Como la corriente circula en 2 sentidos por cada semibobina, se requieren 2 diodos por cada una.




Circuito de control para steppers bipolares: puente H

En este tipo de circuitos hay que ser cuidadoso con el control para no cortocircuitar la fuente! (p.ej. al cerrar A y B simultáneamente).

Para evitar cortocircuitar la fuente:



Motores paso a paso: Circuitos de drivers prácticos

• Cada llave es compatible con una entrada TTL.

• Los 5 V para la lógica, incluyendo la del driver open collector 7407 debe estar bien regulada.

• El SK3180 es un Darlington con ganancia de corriente = 1000.

• El IRL540 puede manejar hasta 20 A, soportando tensiones inversas de hasta 100 V.

Para motores unipolares y de reluctancia variable.

El ULN2003, circuito comercial con 7 transistores Darlington con entradas compatibles con TTL, c/u protegido con 2 diodos ( protegen contra tensiones inversas y picos inductivos).



Drivers para el control: el ULN2003

• Corriente máxima: 500 mA (sólo se muestran 4 de los 7 transistores).• Incluye los diodos de “damping” para proteger al transistor de la cte.

inversa cuando se desconecta la carga inductiva



Motores paso a paso: Circuitos de drivers prácticos

Para motores bipolares y puentes H

• Las entradas X e Y pueden controlarse con drivers TTL open collector.

• Conocidos como puente H.

• Para energizar la bobina, sólo con X alto e Y bajo o viceversa.

Para cargas y tensiones pequeñas puede usarse un tri-state TTL tipo LS244 como semipuente.



Motores paso a paso:Circuitos de drivers comerciales

Circuito “puente H” comercial

• El L293 contiene 2 puentes H (puente H dual).

• La versión L293D es igual pero incluye los diodos de protección.

• Permiten manejar steppersbipolares de hasta 1 A por bobina y 36 V.



Motores paso a paso: Circuitos de drivers comerciales: L298

Para cargas mayores (hasta 2 A) puede usarse el L298, también puente H dual.



Motores paso a paso: Circuitos de drivers comerciales: L298

Para corrientes mayores (4 A) pueden conectarse ambos puentes en paralelo:



Motores paso a paso: Drivers

• El driver recibe los pulsos de bajo nivel desde el sistema de control (indexer), generando los pasos para mover el motor.

• La velocidad y torque depende del flujo de corriente a las bobinas, que está limitada por la inductancia.

• Para reducir este efecto, muchos drivers trabajan con mayores tensiones que las del motor.



Motores paso a paso: Indexer o controlador

• Provee la cantidad de pasos y dirección de giro al driver.• A veces incluye otros parámetros como aceleración,

desaceleración, pasos por segundo.• Los basados en microprocesador pueden funcionar stand-alone

o controlados por una computadora vía RS232. En nuestro ejemplo se hace por el pto. paralelo.



Motores paso a paso: Circuito controlador + driver

Mediante el L297 se generan las señales necesarias (paso o semipaso, cantidad de pasos, dirección, etc.).

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