domingo, 19 de abril de 2015

Tutorial Motor Paso a Paso - Stepper Motor

Los motores paso a paso (stepper motor) están diseñados para girar una cantidad de grados especifica por cada pulso eléctrico que reciba. Pasos típicos son 1,8º, 7,5º por pulso. Dada esta característica estos motores son ampliamente utilizados en sistemas de control en los cuales se regula la posición ya que no es necesario un sistema de realimentación para saber la posición y velocidad del motor. La posición se puede conocer en función de la posición inicial y la cantidad de pulsos enviados, y la velocidad estará dada por la frecuencia de los pulsos y la cantidad de pasos necesarias para realizar una vuelta, para así poder expresarla en RPM.
Foto motor paso a paso Nema 17
Motor paso a paso

Estos motores además tienen un característica especial, y es que pueden quedar enclavados en una posición, esto se logra manteniendo energizadas alguna de las bobinas, en caso que no circule corriente por ninguna bobina el motor queda libre. Es una característica interesante que no poseen los motores de corriente continua ya que no es necesario recurrir a un freno mecánico para mantener al motor en una posición.

Tipos de Motores paso a paso

Existen 3 tipos de motores:
  • de Imán permanente: El rotor es un imán permanente como lo indica su nombre; cuando se excita el estator, las bobinas actúan como un electroimán y el rotor gira para alinearse con el campo magnético.
  • de Reluctancia variable: El rotor es dentado y de hierro dulce, por lo que no es de imán permanente.
  • Híbrido: Es una combinación de los dos anteriores, básicamente tanto el rotor como el estator son dentados y el rotor es de imán permanente.
A su vez lo motores de imán permanente lo podemos dividir en dos tipos: Unipolares y Bipolares. La diferencia entre el unipolar y el bipolar esta en el modo de construcción y como es invertido el campo magnético.

Motor paso a paso unipolar

Tiene una bobina con derivación central por fase(enrealidad son dos bobinas por fase con sus extremos opuestos unidos.), el común de la bobina se conecta a la alimentación. Este tipo de diseño facilita el sistema de control ya que se puede utilizar solamente un transistor por cada bobinado. Suele venir con 5 o 6 cables. Si tiene 5 es porque las cuatro bobinas comparten el común, en el caso de 6 cables es porque cada par de bobina tiene un común.

Esquema Motor paso a paso Unipolar
Esquema Motor paso a paso Unipolar
El circuito de control para el motor unipolar necesita solo un switch por fase, que se puede implementar como dos transistores a masa, por cada fase.
Circuito de control para Motor paso a paso Unipolar
Implementación del circuito de control

Motor paso a paso bipolar

Tiene una bobina por fase, con lo cual se debe invertir la circulación de corriente por estas para así invertir el flujo. Viene con 4 cables, dos por bobina. La ventaja del circuito bipolar es que solo hay un solo devanado. La desventaja es que el circuito es mas complejo al necesitar dos switches por fase, para poder realizar la inversión de corriente.
Representación motor paso a paso bipolar
Representación motor paso a paso bipolar
El circuito para la inversión de corriente es implementado como un puente H completo para cada fase con lo que requiere mas transistores que la configuración unipolar.
Circuito puente h
Circuito Puente H, es necesario uno fase

Los motores unipolares siguen siendo populares hoy en día para aplicaciones de baja performance porque el circuito driver es mucho mas simple cuando es implementado con componentes discretos. Sin embargo, con los circuitos integrados disponibles hoy en día, los motores bipolares pueden ser controlados fácilmente y con igual o menor cantidad de componentes que los necesarios para motores unipolares.

Secuencias para controlar motor paso a paso

Existen 3 tipos de secuencias para realizar el control de los motores, que dependen de la cantidad de bobinas energizadas, independientemente si es unipolar o bipolar. La diferencia va a ser una cuestión de implementación del circuito eléctrico.

Normal o Full Step

Es la secuencia mas usada. Consiste en excitar dos bobinas en simultaneo, con lo que se obtiene un alto torque. Con esta secuencia el motor avanza un paso completo por vez.

Secuencia para Motor Bipolar
Paso/Terminal A B C D
1 V+ V- V+ V-
2 V- V+ V+ V-
3 V- V+ V- V+
4 V+ V- V- V+
Animacion secuencia full step, stepper motor bipolar
Animación secuencia full step, motor paso a paso bipolar


Secuencia para Motor Unipolar
Paso/Bobina A B C D
1 ON ON OFF OFF
2 OFF ON ON OFF
3 OFF OFF ON ON
4 ON OFF OFF ON
Animacion secuencia full step, stepper motor unipolar
Animación secuencia normal, motor unipolar

Wave Drive

En esta secuencia el motor también avanza una paso por vez, pero el torque logrado es menor, ya que solo se excita una bobina.

Secuencia para Motor Bipolar
Paso/Terminal A B C D
1 V+ V- V- V-
2 V- V- V+ V-
3 V- V+ V- V-
4 V- V- V- V+

Animación secuencia wave drive, stepper motor bipolar
Animación secuencia wave drive, stepper motor bipolar

Secuencia para Motor Unipolar
Paso/Bobina A B C D
1 ON OFF OFF OFF
2 OFF ON OFF OFF
3 OFF OFF ON OFF
4 OFF OFF OFF ON
Animacion secuencia wave drive, stepper motor unipolar
Animación secuencia wave drive, stepper motor unipolar

Medio Paso o Half Step

Con este secuencia se logra un movimiento igual a la mitad del paso normal, lo que permite incrementar la resolución. Esto se logra alimentando primero 2 bobinas y luego 1, y así sucesivamente. Es decir que ahora una secuencia completa implica 8 movimientos. Cabe destacar en este tipo de secuencia el torque no sera igual en cada movimiento, ya que sera mayor cuando se exciten dos bobinas. Cuando una sola bobina se excita el torque se reduce un 30%. La reducción de torque se puede compensar aumentando la corriente en veces cuando se alimenta una sola bobina, se esta forma se obtiene un torque igual al de la secuencia de paso completo.

Secuencia para Motor Bipolar
Paso/Terminal A B C D
1 V+ V- V+ V-
2 V- V- V+ V-
3 V- V+ V+ V-
4 V- V+ V- V-
5 V- V+ V- V+
6 V- V- V- V+
7 V+ V- V- V+
8 V+ V- V- V-
Animación secuencia half step, motor bipolar
Animación secuencia half step, motor bipolar

Secuencia para Motor Unipolar
Paso/Bobina A B C D
1 ON ON OFF OFF
2 OFF ON OFF OFF
3 OFF ON ON OFF
4 OFF OFF ON OFF
5 OFF OFF ON ON
6 OFF OFF OFF ON
7 ON OFF OFF ON
8 ON OFF OFF OFF
Animación secuencia half step, motor unipolar
Animación secuencia half step, motor unipolar

NOTA: Invirtiendo la secuencia(en cualquiera de los casos) se invierte el sentido de giro.
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