ESPECIALIDAD: ELECTRICIDAD. Motor paso a paso. Juan J Plaza Lagunas. Liceo: Vicente Pérez Rosales.

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1 ESPECIALIDAD: ELECTRICIDAD. Motor paso a paso. Juan J Plaza Lagunas Liceo: Vicente Pérez Rosales.

2 Tanto los motores de corriente alterna como los de corriente continua, son utilizados cotidianamente en infinidad de máquinas. Uno de los problemas que presentan estos motores, consiste en la imposibilidad de controlar la inercia mecánica, lo cual, los deja fuera de un sector que la industria de alta precisión demanda con mayor insistencia cada día. Nos referimos al control de giro de un motor que no se vea influenciado por la mencionada inercia mecánica, dicho control se logra con la mayor exactitud posible inferior a 1º grado, mediante un sistema de control lógico sencillo, en los motores paso a paso.. Los motores paso a paso o también conocidos como motores de paso tienen sus principales aplicaciones en la robótica, tecnología militar y aeroespacial, radar, antenas parabólicas, en control de discos duros y flexibles, en unidades de CD-ROM o de DVD e impresoras, en sistemas informáticos, manipulación y posicionamiento de herramientas y piezas en general. Constitución de un motor de paso Los motores eléctricos de corriente alterna como los de continua, están constituidos básicamente por un estator y un rotor que gira libre y ambos están normalmente bobinados, su funcionamiento se basa en la fuerza que generan los campos electromagnéticos creados por la circulación de corrientes eléctricas por sus bobinados. En cambio, los motores paso a paso, en la actualidad están constituidos por unas armaduras como estator en las que se dispone un bobinado único y en otros casos el bobinado dispone de una toma intermedia denominada común, por otro lado está el rotor habitualmente compuesto por un imán permanente.. ELECTRICIDAD MOMEE JUAN PLAZA L.[Escribir texto] Página 2

3 Fig. p1 La figura p1 representa el esquemático y a la derecha, se muestra el estator de un motor paso a paso de un pequeño ventilador de refrigeración de la CPU. Este tipo, lleva en la placa de soporte un circuito integrado complementario que le proporciona la posibilidad de funcionar desde el exterior mediante los dos polos, positivo y negativo. Esto se puede describir mejor con una imagen, véase la figura p2, en la cual se puede apreciar lo descrito anteriormente. Podemos ver las dos armaduras (estator) y sus bobinados, veremos además que se pueden obtener dos modos de funcionamiento de este tipo de motor, debido a que sus bobinados están provistos de una toma media o común. El modo bipolar, no contemplaría la mencionada toma común, por lo que tendríamos un bobinado compuesto por F1-F3 y otro por F2-F4. El modo unipolar contempla el común y el bobinado F1, el común y F3, el común y F2 y el común y F4, un total de cuatro bobinas. Fig. p2 Los motores paso a paso pueden ser muy precisos, la característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso por cada pulso que se le aplique. El grado de precisión de este paso puede variar desde los 90 por pulso, hasta pequeños pasos de tan solo 1.8, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90 ) y 200 pulsos para el segundo caso (1.8 ), para completar un giro ELECTRICIDAD MOMEE JUAN PLAZA L.[Escribir texto] Página 3

4 de 360, es decir más pasos igual a más precisión. Otra particularidad de estos motores es que al contrario de lo que ocurre con los motores eléctricos tradicionales en los que su rotor queda libre cuando no están excitados, en éstos como digo, su rotor está bloqueado cuando se encuentra activo y permanece semifijo debido a la reluctancia magnética que ejerce el imán permanente del rotor sobre los polos del estator. Por cierto, cuando se disponga de un motor p. a. p. usado o bien nuevo, y no disponemos de sus hojas de datos. Es posible averiguar la distribución de los bobinados y el cable común en un motor de paso unipolar de 5 o 6 cables siguiendo las instrucciones que se detallan a continuación: Siguiendo la figura p4, un primer examen visual de los cables puede indicarnos cual es el común (si hay 5) o el par de comunes (caso de 6), también podemos utilizar una tensión de 5Vcc, probando el desplazamiento del rotor al aplicar el positivo al común y el negativo a uno de los cables, marcamos dicho cable con una señal y la dirección, a continuación procedemos con otro cable, lo marcamos y dirección, así podemos averiguar los cables y trazaremos el orden de los bobinados para su activación. Utilizando un polímetro podremos chequear la resistencia entre pares de cables, el cable común por ser la toma media del bobinado, será el que presente la mitad de la resistencia entre él y el resto de los cables. Funcionamiento del motor de paso Vamos a tratar de describir el funcionamiento de este tipo de motores de paso, como ya se ha dicho, básicamente están compuestos por bobinados que se pueden activar de forma independiente. Sugerimos que se tenga en mente el esquema de la figura p2, ya que a él nos referiremos en su seguimiento. Para comprender mejor el funcionamiento vamos a dividir en dos partes el modo de activar estos bobinados. La disposición de varios bobinados como estator en los motores de imán permanente, permite diferentes formas de agrupar para su alimentación dichos bobinados. Estas formas de conexión permiten ELECTRICIDAD MOMEE JUAN PLAZA L.[Escribir texto] Página 4

5 clasificar los motores paso a paso en dos grupos: 1. Los motores bipolares, por que disponen de dos bobinados independientes. 2. Los motores unipolares, con 4 bobinados los cuales disponen de 5 o 6 u 8 terminales de salida. Los motores del primer grupo no lo vamos a considerar por lo que directamente entramos en el grupo de los unipolares. Tengamos en cuenta que los motores unipolares de 6 u 8 hilos, podremos conectarlos como motores bipolares, si no utilizamos las tomas centrales o comunes, en cambio no ocurre lo mismo con los de 5 hilos. Así pues, además de los hilos extremos de los bobinados hay otros terminales que corresponden a las tomas intermedias de las bobinas, los cuales se conectan directamente al positivo de la fuente de alimentación para su correcto funcionamiento. Aclarados estos puntos, pasaremos a describir con más profundidad su funcionamiento por lo que podemos considerar los siguientes puntos: Tomemos el bobinado F1 de una de las armaduras, el contacto a utilizar será F1 y su Común. Por otro lado de la segunda armadura tomaremos el contacto F3 y su Común. En tercer lugar disponemos del contacto F2 y el Común. Y por último el contacto F4 y por supuesto su Común. De modo que se puede decir que en el primer paso, activaríamos F1, que hará girar el rotor, en el segundo paso F2, lo que produciría un salto del rotor sobre su eje de 90º hasta obtener el máximo flujo magnético, el tercer paso activaríamos F3, lo que haría girar otros 90º el eje y por último activaríamos F4, completando así los 90º restantes el giro de 360º. Analicemos más detenidamente esto a continuación. De forma que en el primer paso, al conectar la bobina F1, el campo electromagnético generado al circular la corriente eléctrica por el estator, el rotor girará como máximo 90º, hasta equilibrar su flujo magnético orientando sus respectivos polos opuestos con el estator. En el segundo paso, conectaremos la bobina F2 y como respuesta el rotor volverá a girar esta vez 90º. El tercer paso, esta vez conectemos el ELECTRICIDAD MOMEE JUAN PLAZA L.[Escribir texto] Página 5

6 bobinado formado por F3 lo que hará girar de nuevo 90º más en la misma dirección y por último al conectar F4, se producirá un nuevo paso de 90º con lo que se habrá completado el giro de 360º. Observar que hemos necesitado 4 pasos (o pulsos) para lograr los 360º. Quizás en la figura p3 se puede comprender mejor la secuencia de lo descrito. Si nos fijamos en la primera línea de la figura veremos que, otra posible secuencia sería conectar en el primer paso los bobinados F1-F2 en el segundo paso F2-F3, en el tercer paso F3-F4 y en el cuarto paso F4-F1. Fig. p3 Con en estas secuencias, si mediante un sistema eficaz unimos ambas secuencias, podemos entender que hemos logrado una secuencia de 8 pasos para completar un giro, a todas luces se comprende que habremos conseguido una mayor exactitud a la hora de posicionar el eje de nuestro motor de paso. ELECTRICIDAD MOMEE JUAN PLAZA L.[Escribir texto] Página 6

7 Desde el punto de vista de su construcción diremos que existen 3 tipos de motores paso a paso: De imán permanente: es el modelo que hemos analizado en párrafos anteriores; el rotor es un imán permanente en el que se mecanizan un número de dientes limitado por su estructura física. Ofrece como principal ventaja que su posicionamiento no varía aún sin excitación y en régimen de carga. De reluctancia variable: este tipo de motores poseen un rotor de hierro dulce que en condiciones de excitación del estator y bajo la acción de su campo magnético, ofrecen menor resistencia a ser atravesado por su flujo en la posición de equilibrio. Su mecanización es similar a los de imán permanente y su principal inconveniente radica en que en condiciones de reposos (sin excitación) el rotor queda en libertad de girar y, por lo tanto, su posicionamiento de régimen de carga dependerá de su inercia y no será posible predecir el punto exacto de reposo. Híbridos: Son la combinación de los dos tipos anteriores; el rotor suele estar constituido por anillos de acero dulce dentado en un número ligeramente distinto al del estator y dichos anillos montados sobre un imán permanente dispuesto axialmente. Parámetros de los motores paso a paso. Conozcamos el significado de algunas de las principales características y parámetros que se definen sobre los motores paso a paso: Par dinámico de trabajo ( Working Torque): Este depende de sus características dinámicas, son el momento máximo que el motor es capaz de desarrollar sin perder paso, es decir, sin dejar de responder a algún impulso de excitación del estator y dependiendo, siempre de la carga. Generalmente el fabricante ofrece, curvas denominadas de arranque sin error (pull-in), que relacionan el par en función el ELECTRICIDAD MOMEE JUAN PLAZA L.[Escribir texto] Página 7

8 número de pasos. Debe tenerse en cuenta que, cuando aumenta la velocidad de rotación del motor, se produce un aumento de la f. c. e. m. generada por dicho giro, por tanto, se produce una disminución de la corriente absorbida por los bobinados del estator y como consecuencia de todo esto, disminuye el par motor. Par de mantenimiento (Holding Torque): Es el par exigido para desplazar, en régimen de excitación, un paso el rotor cuando la posición anterior es estable, es mayor que el par dinámico y actúa como freno para mantener el rotor en una posición estable dada. Para de detención ( Detention Torque): Se llama al par de freno propio de los motores de imán permanente, es debido a la acción de la reluctancia del rotor cuando los devanados del estator están desactivados. Angulo de paso ( Step angle ): Se define como el avance angular de un paso que, se produce en el motor por cada impulso de excitación. Se mide en grados Momento de inercia del rotor: Es el momento de inercia asociado que se expresa en gramos por centímetro cuadrado. Todos estos parámetros que acabamos de definir, se miden en milinewtons por metro cuadrado. Control de los motores paso a paso. impulsos. Además, es necesario que estos impulsos sean capaces de entregar la corriente necesaria para que los bobinados del motor se exciten, en la figura de la derecha, se muestra el diagrama de bloques de un sistema híbrido de control para motores paso a paso.. ELECTRICIDAD MOMEE JUAN PLAZA L.[Escribir texto] Página 8

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