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• Alvaro Javier Florez

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Motores paso a paso Los motores paso a paso “stepping motor”, como su nombre lo indica giran de a pequeños pasos uno por uno, se componen básicamente del eje de giro llamado rotor y la parte fija del rededor llamada estator, la distancias entre pasos varían según las características de construcción de cada uno, el hecho de que su movimiento sea paso a paso no significa que no alcance altas velocidades, además es muy preciso. Su funcionamiento es básicamente como el motor sincrónico de corriente alterna, su rotor puede ser un imán permanente o hierro y no un electroimán por esto no posee escobillas en comparación de los motores eléctricos y además su mayor capacidad de torque se obtiene a bajas velocidades que también es lo opuesto de los motores eléctricos convencionales, posee un torque de detención que aplica toda su fuerza en mantener una posición fija similar al que presentan los servomotores y que no poseen los motores eléctricos convencionales, pero a diferencia de los servomotores, al aplicar una fuerza que los saque de su punto estacionario, no podrán retornar. A este efecto se le denomina deslizamiento.

Figura1 Se observan imágenes de varios tipos de motores paso a paso.

Estos motores son controlados por pulsos de avance pero no son estos lo que directamente los hace avanzar, si no que estos energizan unos embobinados los cuales generan un campo magnético que deberá ser de polaridad opuesta al de la punta del imán (del rotor) para repelerla y tener la misma dinámica que el motor eléctrico pero a diferencia de este no cambia la polaridad en puntos opuestos si no en varios puntos a los cuales cada vez que llega al siguiente estado estable de atracción, se le llama paso y existen motores de diferentes números de pasos. La característica más importante es la cantidad de pasos, aunque no se conozca el numero de pasos se podrían verificar manualmente girando el rotor y contando el numero de picos magnéticos pero en el caso de muy pequeños seria tedioso contarlos, para caracterizar los motores se definen por el numero de grados que recorre cada paso para los cuales está hecho el motor, los más comunes son 0.72º, 1.8º, 3.6º, 7.5º, 15º,30º y hasta 90º, estos últimos son poco comunes. Una forma para obtener un motor de pasos más cortos seria aumentar el número de bobinas pero serian de un gran tamaño y gran costo por lo que se ha llevado a hacerle

una serie de cavidades al estator donde se ubicaran las bobinas las cuales con el paso de la corriente producirá los polos magnéticos necesarios y al rotor se le hace el borde en forma de dientes creándose micro polos magnéticos lo cual generara una mayor cantidad de pasos (ver en la siguiente imagen).

Figura 2 Vemos como los embobinados y el rotor son dentados para lograr características de mayor precisión.

El control para regular cada paso se lleva a cabo con un controlador electrónico externo en el que se generan todas las posibles características que se puedan necesitar como es que mantenga una posición, que quede libre el rotor o el sentido de giro. Pero para que funcione adecuadamente los embobinados deben ser alimentados en una secuencia correcta de lo contrario girará bruscamente o no girará, y al cambiar en sentido inverso la secuencia, su giro será también de modo inverso. En cuanto a los parámetros eléctricos básicos la resistencia será la de los embobinados y será la que se tendrá en cuenta para saber la corriente que consumirá el motor de la cual depende el torque y la velocidad máxima de operación, la tensión viene especificada para cada motor en la hoja de datos o en la carcasa, una mayor tensión producirá mayor fuerza de torque pero cuando se excede del valor normal se produce calentamiento lo que acortara la vida útil del motor.

Tipos de motores paso a paso Motor de reluctancia variable: Empecemos por definir la reluctancia magnética que es la resistencia de un material al estar en presencia de un campo magnético,

generalmente son de pasos de 15º, y su rotor es multipolar de hierro y un estator que posee los devanados que pueden ser de 3 a 5 y cuando se energizan debido a que por el material del rotor hay menos reluctancia que por el aire que es el medio, entonces el diente del rotor se mantendrá en dirección al devanado energizado y se van energizando los devanados en forma secuencial para obtener rotaciones completas del rotor.

Figura 3 Vemos el estator y rotor de un motor de reluctancia variable desde una vista superior en la cual se muestra los posicionamientos según el devanado que se energice para obtener giros.

A mayor numero de dientes mas pasos tendrá y menor magnitud los ángulos de paso lo cual lo hace más exacto y para ello se le hacen dientes al rotor y hasta se traslapan para obtener mucha mayor exactitud y el estator también se construye dentado o con muescas como ya se había nombrado, para de esta forma obtener la mayor exactitud posible.

Figura4 a) Se observa un acercamiento al rotor para ver en detalle la conformación de sus dientes en el caso que se traslapan.

b) Vemos una vista lateral de rotor para ver la perspectiva de los dientes. c) Se presenta una vista superior del estator y rotor.

Motor de imanes permanentes: Estos motores son los que presentan un imán permanente como rotor, se colocan en forma de disco quedando radialmente opuestos los polos norte y sur, también posee devanados en el estator que generaran campos magnéticos que como sabemos atraerá a los polos opuestos de los imanes permanentes del rotor, para disminuir los grados de cada paso y hacerlos más precisos se deberá aumentar el numero de polos en el rotor y este tipo de motores puede alcanzar pasos de 1.8º, este motor posee un mayor torque que el de reluctancia variable y también permanece en la posición del último estado.

Figura5 Se observa el estator y rotor de un motor de imanes permanentes (de dos devanados y seis polos) desde una vista superior en que se muestra su posicionamiento según su polarización.

Motor híbrido: estos tipos de motores paso a paso como su nombre lo indica es un hibrido entre los motores de imán permanente y los de reluctancia variable posee el rotor de imanes permanentes y además es dentado y posee el estator con los devanados tradicionales, con esto se puede lograr más precisión que con cada tipo de motor por separado, se pueden lograr pasos de 3.6º, 1.8º y hasta 0.72º

Figura 6 En esta figura vemos el estator y rotor de un motor hibrido desde una vista superior en la que vemos el posicionamiento del rotor según la polaridad y la reluctancia.

Los devanados pueden variar en cantidad y en tipo de conexión, estos pueden ser: unipolares, bipolares, bifilares y multifase. Motores paso a paso Unipolares:

Figura 7 Se muestra e tipo de conexión unipolar y el diagrama del motor.

Para la figura mostrada se energizo la bobina 1 hacia el terminal a y se obtiene la posición mostrada en la figura 7 (cuando se energice hacia el terminal b cambiara la polaridad respecto con la energizada hacia a) y observamos que en los puntos con la bobina 2 no queda un norte o un sur exactamente por lo que según la polaridad que tome la bobina dos al siguiente paso se definirá el sentido de giro, y se continua así haciendo girar el motor paso a paso con las características que se necesite.

Figura 8 El punto relleno significa que se energiza ese devanado de la forma descrita a) Devanado 1 y la corriente se direcciona hacia el terminal a b) Devanado 1 y la corriente se direcciona hacia el terminal b c) Devanado 2 y la corriente se direcciona hacia el terminal a d) Devanado 2 y la corriente se direcciona hacia el terminal b

Cada columna representa cada paso del motor y en qué forma energizar los devanados para que este motor gire uniformemente, la diferencia de dirección de la corriente hacia a o b determina la polarización.

Figura 9 Se energizan de a dos bobinados del estator.

Esta forma de energizar que se muestra en la figura 9 realiza lo mismo que la de la figura 8 pero al estar energizadas ambas bobinas el rotor se dispone en un punto intermedio entre polos, consume más energía pero adquiere un torque mayor.

Motores paso a paso Bipolares:

Figura 10 Se muestra e tipo de conexión bipolar y el diagrama del motor.

Son muy similares a los motores unipolares solamente que no poseen las conexiones en la mitad de los bobinados, pero generan la misma funcionalidad, estos poseen un tipo de conexión más sencilla pero no poseen por si solos la característica de cambiar

la polaridad, lo hacen externamente con la ayuda de un puente h que nos permite exactamente esta característica. Motores paso a paso Bifilares:

Figura 11 a) Montaje bifilar modificado a conexión tipo unipolar. b) Montaje bifilar modificado a conexión tipo bipolar

Los motores bifilares son similares a los bipolares, pero en vez de enrollar cada bobina con un conductor se hace paralelamente con dos, por lo que este motor posee ocho terminales de conexión, pero en la práctica se realiza la conexión como unipolares conectando las bobinas en serie como se muestra en el bobinado a) de la figura 11, también se puede conectar tipo bipolar conectándolas en paralelo como se muestra en el bobinado b) en la figura 11, este tipo de conexión permite procedimientos a altas corrientes y bajas tensiones, si no se conoce el punto medio de la bobina en el tipo de conexión unipolar permite procedimientos a bajas corrientes y altos voltajes con respecto a la conexión tipo bipolar.

Motores paso a paso Multifilares:

Figura12 Se muestra el tipo de conexión multifilar.

Son los motores paso a paso menos comunes permanentes o híbridos, estos poseen un terminal de las uniones de las bobinas y unos conductores entre ellas que son inaccesibles, pueden ser trifásicos y su conexión interna delta o estrella o de 5 fases, cada motor tipo multifilar necesita del control externo de puentes h y al mantener siempre energizadas sus bobinas posee un gran torque, debido a esto tiene grandes aplicaciones industriales y posee pasos de 10º.

Para los circuitos de control entonces debemos buscar dispositivos que nos energicen de manera correcta y secuencial los bobinados de manera que los motores giren de manera uniforme, para estas necesidades siempre podremos usar un microcontrolador pero se desaprovecharía solo controlando un motor por lo cual se puede buscar circuitos integrados que se adapten a las necesidades, por ejemplo para un motor unipolar el circuito integrado ULN2003, soporta solo bajas corrientes entonces solo se podrían controlar motores de baja potencia, se conectaría como se muestra a continuación.

La familia de circuitos integrados MPPC controla motores unipolares de 4 fases y bipolares de 2 fases, también el L297, PMB3960, NJM3771 realizan este tipo de trabajos.

Bibliografía:    

http://www.globu.net ftp://ftp.micropap.com http://www.alumnos.utfsm.cl/~eduardo.sotos/archivos/univ_motorPaP.pdf http://www.neoteo.com

Imágenes: (1) Imágenes de www.superrobotica.com, politeca.ing.ula.ve. (2) Imagen de microbots. (3) Imagen de motor paso a paso del profesor Jorg Muller y el alumno Eduardo Soto de la universidad Técnica Federico Santa María.