Universidad Nacional Autónoma de México

E N E P

A R A G O N

Laboratorio de

Control Digital

Motor de Paso a Paso

Motores Paso a Paso

Un motor paso a paso es un tipo especial de motor sincrónico diseñado para rotar un determinado número de grados por cada pulso eléctrico que recibe por su unidad de control. Los pasos habituales son de 7.5° 0 15° por pulso. Estos motores se usan en muchos sistemas de control, puesto que la posición de un eje o de otra pieza mecánica puede controlarse de modo preciso mediante ellos.

b c'

a

+ b

Vcc c a' a

d

-

+ c b'

Vcontrol -

En la figura anterior aparece un motor sencillo paso a paso junto con su unidad de control. Conviene observar la siguiente figura para comprender el funcionamiento de un motor de este tipo:

b c' b c'

BR Bs

a' a a' a

c b' c b'

A B

b c'

BR

a' Bs a

c b'

C

Allí aparece un estator trifásico bipolar con rotor de imán permanente. Si se aplica un voltaje de cc a la fase a del estator sin aplicar ningún voltaje a las fases b y c, entonces el rotor se inducirá un momento de torsión que lo hace alinearse con el campo magnético Bs, del estator, como se observa en la figura B

Ahora supóngase que se apaga la fase a y que se aplica a la fase c un voltaje de cc negativo. El nuevo campo magnético del estator ha gira do 60° con respecto al campo magnético previo, y el rotor del motor lo imita. Continuando este modelo, es posible construir una tabla que muestre la posición del rotor en función del voltaje aplicado al estator. Si el voltaje producido por la unidad de control cambia con cada pulso de entrada, según aparece en la tabla siguiente, entonces el motor de paso a paso avanzará 60° con cada pulso de entrada.

Numero de pulsos de entrada	Voltajes de fase a b c	Posición de Rotor
1	V 0 0	0°
2	0 0 -V	60°
3	0 V 0	120°
4	-V 0 0	180°
5	0 0 V	240°
6	0 -V 0	300°

Es fácil construir un motor de paso a paso. La cantidad de grados mecánicos que corresponde a determinada cantidad de grados eléctricos es:

Puesto que cada paso de la tabla anterior corresponde a 60 grados eléctricos, la cantidad de grados mecánicos movidos por paso disminuye al aumentar el número de polos. Por ejemplo, si el motor de paso a paso tiene 8 polos, entonces el ángulo mecánico del eje del motor cambiará a 15° por paso.

La velocidad de un motor paso a paso puede relacionarse con la cantidad de pulsos que hay en su unidad de tiempo utilizando la ecuación pasada; esta ecuación da el ángulo mecánico de un motor paso a paso en función del ángulo eléctrico. Si los dos lados de esta ecuación están diferenciados con respecto al tiempo, entonces tenemos una relación entre las velocidades eléctrica y mecánica de rotación del motor:

ó

Puesto que hay 6 pulsos de entrada por revolución eléctrica, la relación entre la velocidad del motor de r.p.m. y el número de pulsos por minuto es

Donde npulsos es el número de pulsos por minuto.

Hay Tres tipos de motores de paso a paso, que solo difieren en la disposición del rotor: El de imán permanente, el de reluctancia y el híbrido.

Las partes del motor son:

stator cup A : Encapsulado del Estator A

Stator cup B: Encapsulado del Estator B

Output Shaft : salida

Coil A : Bobina A

coil B : Bobina B

El primero tiene un rotor de imán permanente, mientras que el segundo tiene un rotor ferromagnético que no es un imán permanente. En general, el motor de paso de imán permanente puede producir mayor momento de torsión que el de tipo de reluctancia, puesto que el imán permanente tiene momentos de torsión tanto del campo magnético permanente del rotor como los de los efectos de reluctancia.

Generalmente los motores de paso a paso de tipo reluctancia se construyen con un embobinado de estator en cuatro fases en vez del embobinado trifásico descrito anteriormente. El embobinado del estator de cuatro fases reduce los pasos entre los pulsos, de 60 a 45 grados eléctricos. El momento de torsión de un motor de reluctancia varía a sen 2, por lo cual el momento de torsión de reluctancia entre los pasos será máximo para un ángulo de 45°. Por tanto, un determinado motor de paso a paso de tipo reluctancia puede producir mayor momento de torsión con un embobinado de estator de cuatro fases que con un trifásico.

El motor híbrido tiene 2 armaduras idénticas montadas en el mismo pozo, las armaduras son indexadas de tal manera que los polos salientes están interlapados. Se tienen 2 armaduras de 5 polos que son manejadas por un estator de 4 polos. Este arreglo hace que el rotor se vea como un motor de reluctancia variable. De todas maneras un imán permanente PM presionado entre la armadura. Esto produce un campo magnético axial con el resultante de que todas las poleas en la armadura 1 son "N" poleas mientras aquellas en la armadura 2 son "S" polos. Las bobinas del estator A1, A2 son conectadas en serie y de la misma manera el rotor recordara en la posición. Si nosotros ahora excitamos las bobinas B, el rotor rotará y se alineara con los polos del estator B. La dirección de rotación de nuevo dependerá de la dirección de la corriente en la bobina B. La figura pasada muestra la vista de un motor de paso híbrido.

La ecuación de nm puede generalizarse con el fin de aplicarla a todos los motores paso a paso, independientemente del número de fases de los embobinados del estator. En general, si un estator tiene N fases, se requieren 2N pulsos por revolución eléctrica en tal motor. Por consiguiente, la relación entre velocidad de motor y r.p.m. y el número de pulsos por minuto es

:

Los motores de paso a paso se utilizan frecuentemente en sistemas de control y posición porque el computador que efectúa el control puede saber la velocidad y la posición exactas del motor paso a paso si necesitar información de retorno del eje del motor. Por ejemplo, si un sistema de control envía 1,200 pulsos por minuto al motor bipolar paso a paso de la primer figura, entonces la velocidad del motor sería exactamente:

Además, si se conoce la posición inicial del eje, entonces el computador puede determinar el ángulo exacto del eje del rotor en cualquier momento futuro mediante el simple conteo del número total de pulsos que éste haya enviado a la unidad de control del motor paso a paso.

Ejemplo: Un motor paso a paso de imán permanente trifásico necesitaba, para un equipo específico, ser capaz de controlar la posición de un eje en pasos de 7.5° y marchar a velocidades de más de 300 r.p.m.

¿Cuántos polos debía tener este motor?

¿A que tasa debían recibirse los pulsos de control en la unida de control del motor si éste debía conducirse a 300 r.p.m.?

Solución: a) En un motor trifásico paso a paso, cada pulso hace que la posición del roto avance 60° eléctricos.

Este avance debe responder a 7.5° mecánicos. Se resuelve con l la ecuación:

=

Al resolver npulsos resulta:

npulsos = NPnm = (3 fases)(16 polos)(300 r.p.m.) = 14,400 pulsos/ min = 240 pulsos/seg

En general, los motores de paso a paso se utilizan para hacer avanzar la posición de un eje u otro elemento mecánico en una cantidad fija cada vez que recibe un pulso de control. Se usan ampliamente en sistemas de control para la ubicación de objetos.

Control de Motores de Paso a Paso

Los motores de paso a paso funcionan mediante impulsos; el eje gira en cierto ángulo, denominado paso, con cada impulso de excitación de las bobinas. Dado sus características de funcionamiento, se presentan muy bien para ser controlados digitalmente.

El control de este tipo de motores se basa en un generado r de secuencias y el correspondiente amplificador de corriente de salida. Con cada impulso de clock, el eje de motor gira un paso. Existen motores con ángulo de paso que van desde menos de 0.5 grados hasta 90 grados. Los motores paso a paso son muy utilizados en impresoras, servomecanismos, máquinas-herramienta, robótica, etc.

El motor a utilizar en esta practica es del tipo denominado UNIPOLAR, de cuatro fases, los cuales se caracterizan porque las bobinas del estator tienen toma media, por lo que aparecen seis hilos. El ángulo de giro de los pasos lo determina la constitución mecánica del motor.

El giro del eje se consigue excitando en el orden adecuado las bobinas; cada cambio de la excitación produce un paso. Para conseguir el giro del motor la activación de las bobinas se tiene que hacer, pues, según la determinada secuencia, la cual se indica en la siguiente tabla:

L4	L3	L2	L1	PASO
0	1	0	1	1
0	1	1	0	2
1	0	1	0	3
1	0	0	1	4

1:Bobina Excitada

0:Bobina no excitada

El paso 5 se consigue aplicando la combinación primera (Paso 1). El giro en sentido contrario se consigue aplicando las combinaciones de excitación en orden inverso. En la practica, según el orden de conexión de las bobinas, el motor también puede girar en un sentido u otro. Cuando la secuencia de activación de las bobinas no es correcta, el motor no gira y vibra.

Diseño del Circuito Secuenciador

Así, pues, se puede conseguir el control del motor mediante un circuito secuencial que genere las secuencias adecuadas de excitación de las bobinas. La velocidad del giro dependerá de la frecuencia de los impulsos aplicados.

El número de pasos que marcha el motor y su velocidad de giro dependerá, pues, del numero de impulsos de clock aplicados y de su frecuencia. Teniendo en cuenta la tabla de secuencias de excitación del motor, se deduce la tabla de estados del circuito secuenciador (se ponen solo los estados utilizados):

	t				t+1
Q3	Q2	Q1	Q0	Q3	Q2	Q1	Q0	J3	K3	J2	K2	J1	K1	J0	K0
0	0	0	0	0	1	0	1	0	X	1	X	0	X	1	X
0	1	0	1	0	1	1	0	0	X	X	0	1	X	X	1
0	1	1	0	1	0	1	0	1	X	X	1	X	0	0	X
1	0	1	0	1	0	0	1	X	0	0	X	X	1	1	X
1	0	0	1	0	1	0	1	X	1	1	X	0	X	X	0

Los estados no utilizados se consideran como X (no importa)

Aplicando Karnaugh se tiene:

J0=Q2´ - K0=Q2

J1=Q2 - K1=Q3

J2=Q1´ - K2=Q1

J3=Q1 - K3=Q1´

X

X

X

X

1

X

X

X

X

1

X

X

K0=Q2

X

X

X

0

J0=Q2´

X

X

X

X

X

X

X

X

X

0

X

X

X

X

X

1

X

X

X

X

0

X

X

X

X

X

X

0

K1=Q3

X

1

X

X

J1=Q2

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

1

X

0

X

X

X

X

X

X

1

X

X

X

X

0

X

1

K2=Q1

X

X

X

X

J2=Q1´

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

1

X

0

X

X

X

X

0

X

X

X

X

X

X

X

K3=Q1´

X

0

X

1

J3=Q1

X

X

X

X

X

X

X

X

X

1

X

0

X

X

X

X

El circuito generador de secuencias que aparece se muestra en la figura.

Con cada impulso del clock, el motor girara un paso. Así, si la frecuencia del clock es 100 Hz, el motor dacha 100 pasos por segundo y parecerá que gira de forma continua.

Otro método practico de diseño de secuenciadores, también basado en el modelo de Moore, se fundamenta en utilizar un contador y la lógica de salida adecuada. Consiste en hacer que, a cada estado del contador, se produzcan los estados de salida que interesen. Es cuestión de diseñar un circuito combinacional que recibe como entradas los estados de salida del contador. Él modula del contador determina, por tanto, el número de estados diferentes de salida. En el caso del controlador del motor, se deduce la tabla:

Q1	Q0	D	C	B	A
0	0	0	1	0	1
0	1	0	1	1	0
1	0	1	0	1	0
1	1	1	0	0	1

En este caso, al existir solo cuatro estados diferentes de salida, se precisa un contador de modulo 4. A cada estado del contador, le corresponde un estado de las salidas D, C, B y A, para lo cual se tiene que diseñar la circuitería combinacional adecuada. Aplicando Karnaugh, se han obtenido las siguientes expresiones:

A = Q1´Q0´+Q1Q0

B = Q1´Q0+Q1Q0

C = Q1´

D = Q1

Lo cual da lugar al circuito de la figura. Se ha utilizado un contador de tipo síncrono, pero también puede ser de tipo asíncrono. Y si el contador es de tipo bidireccional, entonces fácilmente se puede conseguir que el motor gire en los dos sentidos.

En la figura siguiente se muestra el montaje con un contador asíncrono bidireccional; según el estado de entrada U/D, el giro será en un sentido u otro.

Ya continuación se muestra la etapa de potencia:

Bibliografía

Stephen J. Chapman “ Máquinas Eléctricas”

Mc Graw-Hill, 1998

PP 689- 694

Unidad

De

Control

BR

BR

Bs

B