Motores Paso a Paso (Prof. Edgardo Faletti)

8/2/2019 Motores Paso a Paso (Prof. Edgardo Faletti)

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Motores Paso a Paso (PAP)Compilacin Prof. Edgardo Faletti

(2009)

Los motores paso a paso vienen a cerrar la descripcin dedicada a este amplio

conjunto de dispositivos capaces de transformar la energa elctrica enmecnica. Este tipo de motor, a pesar de tener una concepcin bastanteantigua, nicamente ha podido emplearse en la prctica a partir del momentoen que la tecnologa de semiconductores ha permitido el desarrollo de circuitosde actuacin y control suficientemente rpidos y adecuados.En definitiva, las aplicaciones fundamentales de este tipo de motor sonaquellas en las que se precisa un sistema de posicionamiento seguro y fiablesin tener que recurrir a otros sistemas ms complejos del tipo deservomecanismos. Adems, soluciona con relativa sencillez otros casos en losque la exigencia en cuanto de la velocidad de accionamiento en determinadosmovimientos ordinarios asociados a sistemas de frenado de gran seguridad y

de muy problemtica ejecucin prctica.Lgicamente existen numerosos tipos de motores paso a paso para cubrir estaamplia gama de aplicaciones entre los que existen diferencias en cuanto a suprincipio de funcionamiento, adems de las lgicas derivadas del tamao ypotencia ms adecuados para cada caso concreto.

Aplicaciones tpicas de los Motores Paso a Paso

Suelen usarse en perifricos de ordenador (scanners, controladores de discos,impresoras, etc), cmaras, telescopios y sistemas de posicionamiento desatlites, aplicaciones mdicas, robtica y herramientas mecnicas controladas

de forma numrica.

Aspectos negativos de los motores paso a paso:

Puede producirse una resonancia si no se controlan adecuadamente;

No funcionan fcilmente a velocidades extremadamente elevadas;

Si se sobrepasa el par de fuerza, todas las referencias de la posicin sepierden y el sistema debe reiniciarse;

Producen un par de fuerza mucho ms pequeo para un determinadotamao, en comparacin con un motor DC/AC equivalente.

Principio de Funcionamiento

El principio de funcionamiento est basado en un estator construido por variosarrollamientos independientes devanados sobre un material ferromagntico yun rotor que puede girar libremente en el seno del estator.Estos deferentes bobinados son alimentados uno a continuacin del otro ycausan un determinado desplazamiento angular que se denomina pasoangular y que es la principal caracterstica del motor. El sentido de rotacinestar definido por la secuencia en la que se han excitado los diferentasarrollamientos.


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Figura 1: Conexin clsica para un motor paso a paso

Tipos de motores paso a paso

Existen dos tipos bsicos de motores paso a paso. El primero de ellos funcionapor el efecto de reaccin que se produce entre un campo electromagntico y un

imn permanente, por este motivo se le denomina motor paso a paso de imnpermanente. Se los conoce tambin como tincan o canstack. El segundofunciona mediante la accin de un campo electromagntico sobre un rotor dehierro dulce, el cual, como es sabido, presenta un magnetismo remanente muydbil. A este tipo se le conoce con el nombre de _ motor paso a paso dereluctancia variable.En ambos casos se precisa de un circuito o equipo externo que distribuya laalimentacin en forma secuencial a todos los arrollamientos del estator, deforma que nicamente se encuentre excitado uno cualquiera de ellos en cadamomento. En consecuencia, el sistema de alimentacin no ser una corrientecontinua o alterna, sino que ser una secuencia constante y uniforme de pulsos

de excitacin que se envan a los devanados con una frecuencia f y que elmotor contiene un nmero de bobinas n, obtendr una velocidad de giro v=n/fRevoluciones por segundo (r. p. s), bien entendido que cada vuelta recorridapor el rotor se compondr de tantos saltos como bobinas diferentes existan enel estator, cantidad que en este caso se ha definido como n. Eldesplazamiento angular obtenido de cada paso se calcular dividiendo los 360correspondientes a una vuelta por el nmero de arrollamiento n, es decir queD= 360/n.Pasemos a analizar por separado cada uno de los modelos definidosanteriormente.


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Tamao

Generalmente, los motores paso a paso estn clasificados de acuerdo altamao de su bastidor (dimetro del cuerpo). Por ejemplo, el tamao 23 de unmotor paso a paso tiene un tamao de cuerpo de aproximadamente 2,3

pulgadas. Los tamaos ms comunes de bastidor son los de 11, 17, 23, 34 y42.

Motor de Imn Permanente

Est formado por un estator de forma cilndrica con un cierto nmero debobinados alimentados en secuencia que crean un campo magntico giratoriode manera discontinua. Tienen una velocidad relativamente baja y un par defuerza bajo, con un gran ngulo del paso que suele ser de 45 90, son mseconmicos. El rotor concntrico con el estator y situado sobre el eje contieneun imn fuertemente magnetizado que en cada instante tender a alinearse

con el campo magntico creado por la correspondiente bobina del estator.Como puede observarse, su modo de operacin no podra ser ms simple, yaque est basado en las fuerzas de atraccin desarrolladas entre dos imanes,uno permanente y el otro temporal.

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

Normalmente y a diferencia de los motores sincrnicos, el imn del rotor esbipolar y los polos norte y sur se encuentran en los extremos opuestos de uno

de los dimetros del cilindro del rotor.El nmero de bobinados que se dispone en el estator este tipo concreto sueleser de dos o cuatro, con los que se obtienen cuatro pasos por cada vuelta, y eldesplazamiento angular ser de 90. Las frecuencias de trabajo empleadassuelen ser bajas y el par motor debido a la presencia de imn. Sin embargo, esconveniente tener en cuenta algunas consideraciones acerca del mximo parde accionamiento que puede ofrecer este motor.Supongamos un cierto modelo constituido por dos bobinados a los que seaplican impulsos con doble polaridad, segn la secuencia que se puedeobservar en las ilustraciones.Cuando la alimentacin alcanza al bobinado 1, el imn permanente se va ha

alinear con el campo creado, de forma que justo en el momento en que amboscampos se encuentra exactamente en lnea, el par motor se anular. Si el


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motor est acoplado a algn mecanismo externo, esta situacin no podralcanzarse, ya que el par desarrollado deber ser igual al necesario paramover la carga, por lo tanto se formar un cierto ngulo entre los dos campos.Este par ser mximo cuando el ngulo citado sea de 90, pero al llegar laexcitacin al segundo bobinado (2) el nuevo ngulo formado ser de 180, con

lo que el par se anular. Por lo tanto se deduce que un motor de este tipo nodeber nunca ser cargado con mecanismos que requieran un par cuyo ngulode mantenimiento supere los 45, aunque en la prctica se reduce este valor a30 aproximadamente.

Motor de reluctancia variable

Este motor no utiliza un campo magntico permanente, como resultado puedemoverse sin limitaciones o sin un par de parada. Este tipo de montaje es elmenos comn y se usa, generalmente, en aplicaciones que no requieren unalto grado de par de fuerza, como puede ser el posicionamiento de un mando

de desplazamiento.Este motor se desarroll con objeto de poder conseguir unos desplazamientosangulares ms reducidos que en el caso anterior, sin que por este motivo hayade aumentarse considerablemente el nmero de bobinados. El estatorpresentar la forma cilndrica habitual conteniendo generalmente un total detres devanados distribuidos de tal forma que existir un ngulo de 120aproximadamente entre dos de ellos. El rotor est formado por un ncleo dehierro dulce de estructura cilndrica pero con una cierta cantidad de dientestallados 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 operacin se va a suponer un motor constitutito portres devanados, B1, B2 y B3, excitados secuencialmente y un rotor con cuatrodientes, D1, D2, D3 y D4. Cuando el primer arrollamiento (B1) recibe laalimentacin, atraer al rotor hasta que el diente mas cercano se alinee con elcampo, por ejemplo, D1; al llegar la excitacin a B2, el diente D2 ser el msprximo , con lo que el rotor girar 30, de la misma forma, con el siguienteimpulso aplicado a B3 ser el diente D3 el alineado, con un segundo paso de30 y al volver la alimentacin a B1 ser atrado D4, avanzando un ngulo iguala los anteriores.


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Como fcilmente puede deducirse, en este caso y a diferencia del anterior, lapolaridad o sentido de circulacin de la corriente en cada devanado esdiferente, ya que al no estar imantado el rotor siempre se desplazar hasta laposicin en que la reluctancia del circuito magntico del estator sea mnima.

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


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Figura 4: alimentacin en B2

Figura 5: Ahora la alimentacin se aplica a B3

Figura 6: La corriente circula nuevamente por B1

Para obtener desplazamiento angulares de 15 ser necesario aumentar elnmero de dientes del rotor hasta ocho y esta cifra se har tanto mayor cuantoms reducido sea el avance de cada paso.


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En este tipo de motores son tambin aplicables las consideraciones que sobreel par de accionamiento han sido expuestas anteriormente.La principal caractersticas de estos motores de reluctancia variable es laelevada velocidad de accionamiento que permiten, siendo normal la cifre de1200 pasos por segundo.

Otra forma constructiva para este tipo de motor es la de efectuar unagrupamiento de varios conjuntos roro-estator, alimentando a estos ltimos,secuencialmente. Los pasos se obtienen por el posicionamiento de losbobinados de cada estator, alineando los tres rotores y constituyendo un rotornico. Existe, por ltimo un tercer tipo de motor paso a paso denominado motorhbrido que combina los diseos de ambos, obteniendo importante pares deaccionamiento, un gran nmero de pasos por vuelta y una frecuencia bastanteelevada de trabajo. La resolucin de paso es de 0,9, 1,8 3,6.

Las fases de un motor P a P

Redefine al nmero de caminos diferentes a travs de los que puede fluir elcampo magntico.Generalmente los motores tienen dos fases, aunque tambin los hay con tres ocinco.

Un motor bipolar tiene un bobinado por fase.

Un motor unipolar tiene un bobinado con una pequea lmian centrada,o dos bobinados separados por fase.

Configuraciones

Terminales Motor Esquema de conexin4 Terminales Bipolar5 Terminales Unipolar

6 TerminalesUnipolar

Bipolar (conectados en serie)

8 Terminales

Unipolar

Bipolar (conectados en serie)Bipolar(conectados en paralelo)

Los polos

Normalmente, tanto el rotor como el estator de un motor papa tienen igualnmero de polos, aunque en ocasiones pueden aparecer excepciones.


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Figura 7:Conexin bsica de motores PaP

Modos de paso a paso

El motor paso a paso puede controlarse mediante un gran nmero desecuencias diferentes. Las mas comunes son las siguientes:

Control de onda

Control total del paso (Full Step)

Control de la Mitad de Pso (Half Step)

Mocrostepping.

Ande de establecer las caractersticas de cada uno de ellos, ser necesarioclarificar las partes internas de estos motores y las fases. Para ello se debeconsiderar 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, comopor ejemplo positivo. El sentido de la corriente que fluye a travs de la bobina


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est determinado por el Terminal al cual est conectado el negativo de la lneade alimentacin, a travs del dispositivo de conmutacin. Las dos mitades delas bobinas de conmutacin hacen que se inviertan los polos magnticos delestator.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 estnactivadas: el rotor adopta la posicin indicada. Si se acciona el conmutador

S1(fases Q y R activadas), se obtienen las condiciones ilustradas en la figura1b: el rotor se ha desplazado 90. Por lo tanto accionando los conmutadores S1y S2 alternativamente se puede hacer que el rotor gire en pasos de 90 yvariando la secuencia de conmutacin puede invertirse el sentido de rotacin.Esta clase de motor de estator de 4 fases tiene un rotor de imn permanentede 24 polos (ngulos de paso de 7 30) 12 polos (ngulo de paso de 15)

Motor para accionamiento bipolar

Las bobinas del estator no tienen conexin centra de alimentacin. En vez deutilizar alternativamente media bobina para producir una inversin de la


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corriente que circula a travs de los devanados del estator ( como para elaccionamiento unipolar), la corriente ahora se invierte a travs de la bobinaentera mediante la conmutacin de ambas lneas de alimentacin. Elfuncionamiento de un motor con el accionamiento bipolar es idntico alunipolar. 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 imn permanentecon 24 polos (ngulo de paso 730) 12 polos (ngulo de paso de 15). Eldiseo es similar al de los motores unipolares. El flujo del estator de undevanado bipolar se invierte al invertir la corriente a travs del devanado. Conuna excitacin de corriente constante., el motor bipolar puede ser utilizado conuna alta relacin de pasos. Para un funcionamiento continuo con una elevadarelacin de pasos, la temperatura del motor aumenta debido a las prdidas, lascuales deben tenerse en cuenta en el clculo de la mxima temperaturaambiente de trabajo.

Ahora se pueden explicar los modos de los pasos.

Control de onda: En este modo slo est alimentada una fase en unmomento determinado. Para los motores unipolares esto significa queslo se estn utilizando el 25% de los bobinados disponibles, mientrasque para los motores bipolares la utilizacin es del 50 %.

Orden Fase A Fase B Fase A Fase B123

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Control Total del Paso (Full Step):En este modo se alimentan dos fasesa la vez, Para los motores unipolar esto significa que se estn utilizandoel 50% de los bobinados disponibles, mientras que para los motores

bipolares la utilizacin es del 100%.


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Control de Mitad de Paso (Half Step). En este modo, las secuencias dela onda y el control del paso completo estn entremezclados, de maneraque se permita que el rotor est alineado en la mitad de cada paso. Paralos motores unipolares esto significa que estn emplendose el 37,5%de los bobinados disponibles (como media), mientras que en los motoresbipolares el uso alcanza el 75%.


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Microstepping: Las corrientes en los bobinados estn variandocontinuamente para poder dividir un paso completo en muchos pasosdiscretos ms pequeos. Esta secuencia de explicacin no ser tratadaen esta gua.

Terminologas

Par de Mantenimiento (Holding Torque / HT): Si se activa el motor desdeel reposo es necesaria una cierta cantidad de par para desviar el motorun paso y es especfico para cada motor dentro de su grupo. Cuando seaplica un par que excede al par de mantenimiento el motor girarcontinuamente. El HT normalmente es ms alto que el par de trabajo(WT) y acta como un fuerte freno manteniendo la carga en posicin. Elvalor es el ms adecuado para mantener la carga en posicin.


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Par de parada (Detent Torque / DT): Debido a sus imanes permanentes,los motores de imn permanente y los motores hbridos tiene un par defreno an cuando no estn activados. Esto es lo que llamaremosdetencin.

Par de trabajo (Working Torque / WT): Las caractersticas dinmicas deun motor estn descritas por las curvas del par respecto a la relacin depasos. La curva de arranque sin error (Pull-in curve) indica que un motorcon carga puede arrancar y parar sin prdida de pasos cuando trabajacon una relacin de pasos constante. La curva de estabilizacin (Pull-outcurve) indica el par disponible cuando el motor es gradualmenteacelerado y desacelerado a partir de su velocidad de trabajo requerida.El rea entre las dos curvas se conoce como campo giratorio. Estascurvas caractersticas son la clave para la seleccin del motor adecuadoy de los circuitos de excitacin y control.

Sobreoscilacin: Cuando se trabaja a paso simple el rotor tiende a lasobreoscilacin y oscila sobre su posicin final. La respuesta realdepende de la carga y de la potencia de entrada procedente del circuitode excitacin. La respuesta puede ser modificada incrementando lacarga friccional o aadiendo un amortiguamiento mecnico. No obstantelos amortiguamientos mecnicos como discos de friccin o volantehidrulicos aaden al sistema coste y complejidad. Usualmente es mejorutilizar amortiguadores electrnicos.

Resonancia: Un motor PAP que trabaja sin carga sobre su margen

completo de frecuencias de trabajo revelar puntos de resonancia queson audibles o que pueden ser detectados por sensores de vibracin.Estas frecuencias deberan ser evitadas utilizando una excitacin massuave, aadiendo una inercia extra o un amortiguamiento externo.

Bibliografa:

Sin Autor. 1986 .Pequeos Motores. Chile. Nueva LenteConstandinou.2001. Fundamentos de Motores Paso a Paso. Espaa. SaberElectrnica

PHILIPS. 1990 Ficha Tcnica Motor paso a poso.


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Anexo

Motores Paso a Paso (Prof. Edgardo Faletti)

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