CONTROL DE MOTORES A PASOS

Por: Guillermo Nieto HernándezProf. Javier Conde Enríquez

Instituto Tecnológico de Toluca

INTRODUCCIÓN

Un motor a pasos dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que significa que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control. Este tipo de motor, al igual que cualquier otro motor, presenta ciertas ventajas y desventajas:

Ventajas:

El ángulo de rotación es proporcional a los pulsos de entrada. Presentan una exactitud en la posición y repetición de movimientos. Presentan un error de posición de 3% a 5% en cada paso, el cual no es

acumulativo. Tienen una excelente respuesta ante el arranque, parada y reversa. Tienen una eficiencia mecánica muy elevada una que no tienen escobillas El motor responde a pulsos de entrada digitales, lo cual permite un control

de lazo abierto. Pueden tener un gran rango de velocidades de rotación, la cual es

proporcional a la frecuencia de los pulsos de entrada.

Desventajas:

Puede ocurrir un fenómeno de resonancia si el motor no es controlado adecuadamente.

Muy difícil de operar a altas velocidades.

Existen tres tipos motores a pasos y son:

Reluctancia variable, su rotor está fabricado por un cilindro de hierro dentado y el estator está formado por bobinas.

Imán permanente, su rotor es un imán que posee una ranura en toda su longitud y estator está formado por una serie de bobinas enrolladas alrededor de un núcleo.

Híbridos, el cual es una combinación de los anteriores.

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En el presente documento nos centraremos únicamente en los motores de imán permanente, los cuales son muy populares y fáciles de controlar. Dentro de la categoría de motores a paso de imán permanente podemos encontrar dos tipos, los unipolares y los bipolares:

Unipolares

Figura 1. Motor a pasos unipolar.

Éste tipo de motor se compone de 4 bobinas y puede tener 5 o 6 cables de conexión. Se denomina bipolar debido a que la corriente que circula por sus bobinas lo hace en un mismo sentido.

Bipolares

Figura 2. Motor a pasos bipolar.

Éste tipo de motor está compuesto por dos bobinas y tiene únicamente 4 cables, 2 por cada bobina. Se llaman bipolares debido a que para realizar un paso, requieren un cambio de dirección en el flujo de corriente en cada bobina, esto hace que el control del movimiento se mas complejo.

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CONFIGURACIÓN DEL MOTOR

Como ya se ha mencionado antes, la diferencia entre un motor unipolar y un motor bipolar radica en el sentido de la corriente que excita la bobina. En el caso del motor bipolar, se tiene una bobina por fase por lo que se necesitan dos switches de cambio, o un puente completo por cada fase. Lo switches se encargan de cambiar la dirección del flujo de corriente en la bobina. El motor unipolar tiene varios embobinados el estator, por lo que únicamente necesita un switch por cada bobina.

Figura 3. Configuración de un motor a paso bipolar (izquierda) y un motor a pasos unipolar (derecha).

La siguiente figura muestra la configuración de cada driver para cada motor a pasos:

Figura 4. Configuración del driver para cada uno de los motores, izquierda unipolar, derecha bipolar.

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SECUENCIA DE PASOS PARA MOTORES BIPOLARES

En ambas configuraciones, el motor realiza un paso cada vez que la polaridad de la corriente en el estator cambia. Para un motor bipolar esto corresponde a 4 pasos por ciclo eléctrico. La figura 5 muestra la secuencia del paso y el sentido de la corriente ideal. En la figura 5 se aprecia que cada vez que la corriente en cada bobina cambia de sentido, el motor realiza un paso de 90°. Sin embargo esto no es útil; un motor típico presenta una resolución de 1.8° o 7.5° por paso, o sea 200 o 48 pasos por rotación. Un motor de 200 pasos por rotación puede tener 50 pares de polos en el rotor y necesita 50 ciclos eléctricos por rotación mecánica.

Figura 5. Secuencia de paso completo de un motor bipolar.

Para mejorar la resolución es posible generar una secuencia de medio paso. Ésta nueva secuencia duplicará los ciclos eléctricos necesarios para generar una rotación completa. La principal desventaja de ésta secuencia radica en que debido a que en cierto momento la corriente deja de circular por un embobinado, el torque generado es aproximadamente el 70% de torque generado en una secuencia de paso completo.

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Figura 6. Secuencia de medio paso de un motor bipolar.

Expliquemos un poco porque se reduce el torque en una secuencia de medio paso. En una secuencia de paso completo el vector magnético generado por el estator es la suma de los vectores magnéticos de dos de las bobinas. Cuando ambas bobinas son excitadas simultáneamente, la suma de los vectores tiene un ángulo de 45° y tiene una magnitud de √2 veces la magnitud de cada vector individual. Cuando una sola bobina está activa, como es el caso de la secuencia de medio paso, el vector magnético total es solo el vector de una bobina. Esto reduce en un 30% el torque para ésta secuencia. Para compensar ésta reducción en el torque, podemos incrementar la corriente de cada bobina cuanto está activa. Si la corriente se incrementa en √2 al momento de activar la bobina, como en la figura 7, el torque es esencialmente igual al producido en una secuencia de paso completo.

Figura 7. Forma de onda de la corriente para reducir el rizo de torque en la secuencia de medio paso.

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SECUENCIAS DE PASOS PARA MOTORES UNIPOLARES

Los motores a pasos unipolares tienen tres tipos de secuencias y aplican para motores de 5 y 6 hilos.

Secuencia de paso completo

Con ésta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas, se obtiene un alto torque de paso y retención. La siguiente tabla muestra la polaridad de los voltajes en las bobinas para lograr está secuencia:

Tabla 1. Polaridad de los voltajes de las bobinas para lograr secuencia de paso completo.

Secuencia wave drive

En ésta secuencia se activa solo una bobina a la vez. En algunos motores esto brinda un funcionamiento más suave, pero por otro lado al estar solo una bobina activada, el torque de paso y retención es menor. La siguiente tabla muestra la polaridad de los voltajes para ésta secuencia:

Tabla 2. Polaridad de los voltajes de la bobinas para la secuencia wave drive.

Secuencia de medio paso

En ésta secuencia se activan las bobinas de tal forma que se realice un movimiento igual a la mitad de un paso completo. Para ello se activan primero dos bobinas y luego solo una, así sucesivamente.

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Tabla 3. Polaridad de los voltajes para lograr una secuencia de medio paso.

LOS MOTORES A PASOS BIPOLARES PRODUCEN MAS TORQUE

El torque de los motores a pasos es proporcional a la intensidad del campo magnético de los embobinados del estator, el cual es proporcional al número de vueltas y a la corriente en dichos embobinados, por lo tanto el torque es proporcional al producto del número de vueltas y la corriente de los embobinados. Un límite natural de cualquier incremento de corriente, es el peligro de saturar el núcleo de hierro, aunque esto típicamente no es un factor principal en los motores a pasos, aunque se debe tener en cuenta cuando se diseñe el driver. Algo más importante que esto, es el máximo aumento de la temperatura, debido a las pérdidas de potencia en los embobinados del estator. La disipación en os embobinados es igual al producto del cuadrado de la corriente por la resistencia de los embobinados. Si la resistencia es proporcional al número de vueltas, la disipación es proporcional al producto anterior. Representado la disipación de potencia y el torque con expresiones algebraicas:

Para un motor unipolar:

Pd N∗Iu2 yT u N∗I u…..(1)donde I u=Corriente unipolarN=númerode vueltas

Pd=PotenciadisipadaT u=Torqueunipolar

Si el mismo motor es manejado como bipolar, desconectando el centro común, la corriente fluye a través de ambas mitades por lo tanto el número de vueltas se duplica:

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Pd 2N∗I b2 yT b 2N∗I b… ..(2)donde I b=CorrientebipolarN=númerode vueltas

Pd=Potencia disipadaT b=Torque bipolar

Si Pd se estable para ser la misma en ambas condiciones, sustituyendo en (1) en (2):

I b=I u1

√2y Tb=√2∗T u….(3)

Figura 8. Gráfica comparativa de los torques en ambos motores.

INCREMENTANDO EL TORQUE DE ALTA VELOCIDAD EN MOTORES A PASOS BIPOLARES

Para seguir satisfactoriamente un perfil de velocidad, la combinación del motor y el driver deberán generar suficiente torque para: acelerar la inercia de carga a la taza deseada, y manejar el torque de carga a la velocidad deseada. Mientras que el tamaño del motor a pasos dicta el torque a baja velocidad, la habilidad de el driver electrónico para forzar corriente a través del los embobinados de motor dicta el torque de alta velocidad.

En una operación estándar de paso completo, las corrientes bipolares en cuadratura energizan los embobinados del motor (Figura 9). Un paso ocurre cada

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vez que existe un cambio de corriente en el embobinado, como ya se vio anteriormente. Las corrientes ideales en lo embobinados se muestran también en la figura 8 y presentan una velocidad de cambio infinita.

Figura 8. Corrientes ideales en cuadratura de los embobinados.

Idealmente, cada fase contribuye un torque sinusoidal:

N representa el número de polos, esto es el número de ciclos eléctricos por ciclos mecánicos, por lo tanto Nθ representa el equivalente eléctrico de posición mecánica del rotor. Las contribuciones de torque se añaden directamente para producir un torque total:

Intengrando (3) sobre un período completo de una de las constantes de torque y multiplicando el resultado por el recíproco de ese período obtenemos el torque promedio generado por el motor. Asumiendo que las señales cuadradas de la corriente de los embobinados son ideales y el torque sinusoidal es constante:

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En aplicaciones de lazo abierto, ϕ se ajusta automáticamente para que coincida el torque promedio generado por el motor con el requerido para ejecutar la tarea de movimiento. Cuando las corrientes y sus respectivos torques constantes están en fase (ϕ es cero), el motor genera el máximo torque promedio o simplemente par máximo.

ASPECTOS IMPORTANTES PARA UN SISTEMA DE MOTOR A PASOS

Cuando se trabaja con motores a pasos, es necesario tener en cuentas ciertos aspectos del sistema:

Torque: Fuerza necesaria en un eje para mover una carga, se expresa en kgf-cm. 1 kgf-cm es el torque necesario para mover un cuerpo de 1kg de peso a través del giro de un disco de 1cm de diámetro (ignorando el peso del disco).

Figura 9. Representación gráfica del torque 1kgf-cm

Sistemas mecánicos a usar para transmitir el movimiento:

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Los aspectos más importantes para un sistema con motores a pasos son:

Saber el peso del objeto a mover para calcular el torque. Velocidad esperada (tiempo disponible para el movimiento del objeto). Saber el tipo de mecanismo de transmisión del movimiento. Usar el torque siguiente disponible del motor al calculado, así se asegurará

un correcto funcionamiento.

CONCLUSIONES

Los motores a pasos son elementos útiles y populares pudiéndolos encontrar como dispositivos de rehúso en impresoras y escáneres, también son fáciles de controlar y tienen un sinfín de aplicaciones en la robótica pero sin embargo tienen sus limitaciones, las cuales radican en el torque y la resolución de cada paso. A pesar de esto utilizando el driver adecuado y el control correcto podremos lograr que estos elementos funcionen sin ningún inconveniente, satisfaciendo los requerimientos de diseño.

REFERENCIAS

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http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lep/hernandez_b_ii/capitulo3.pdf http://www.engr.mun.ca/~dpeters/6806/postings/AN-828.pdf http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/application_note/

CD00003774.pdf http://dominion.com.mx/descargas/sistemas-de-motor-a-pasos.pdf

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