Ingeniería Electrónica

Tema:

Motores a Pasos

Ciclo:

Cuarto

Fecha:

Cuenca, 01 de Julio del 2008

MOTORES A PASOS

Introducción

Importancia

Capítulo 1

Construcción 

• Reluctancia Variable

• Magneto permanente

• Híbrido

Capítulo 2

Principio de Funcionamiento

Capítulo 3

Operación

• Secuencias de conmutación de fase

Capítulo 4

Clasificación de los Motores a Pasos por número de polos

Capítulo 5

Sistema de Control para los Motores a Pasos

Capitulo 6

Parámetros y Características de los motores por pasos

Motores Paso a Paso

• Realizar un trabajo de investigación a cerca de la construcción, funcionamiento y características de los motores paso a paso.

• Complementar los estudios de las máquinas eléctricas.

Los motores por pasos son dispositivos electromagnéticos, rotativos, incrementales  que convierten pulsos digitales en rotación mecánica. 

La cantidad de rotación es directamente proporcional al número de pulsos y la velocidad de rotación es relativa a la frecuencia de dichos pulsos .Los motores por pasos son simples de operar en una configuración de lazo cerrado y debido a su tamaño proporcionan un excelente torque a baja velocidad.

En la actualidad los motores a pasos son muy usados en un sinnúmero de áreas, se encuentran principalmente en: robótica, tecnología aeroespacial, control de discos duros, unidades de CD-ROM o de DVD e impresoras, en sistemas informáticos, manipulación y posicionamiento de herramientas y piezas en general.

Su uso se ha extendido debido a los beneficios ofrecidos por estos motores, como son:

• un diseño efectivo y un bajo costo.

• alta confiabilidad

• libres de mantenimiento ( no disponen de escobillas )

• lazo abierto ( no requieren dispositivos de realimentación )

CAPITULO1: Construcción del Motor a Pasos

A pesar de que varios tipos de motores por pasos han sido desarrollados, todos los mismos caen dentro de tres categorías básicas.

De reluctancia variable

Los motores de este tipo 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 principal problema es que al no recibir excitación alguna el rotor continúa girando dependiendo del reposo absoluto de su inercia.

El tipo de motor de reluctancia variable o V.R. (fig. 1 ) consiste en un rotor y un estator cada uno con un número diferente de dientes. Ya que el rotor no dispone de un magneto permanente el mismo gira libremente, o sea que no tiene torque de detención. A pesar de que la relación del  torque a la inercia es buena, el torque dado para un tamaño de armazón específico es restringido, por lo tanto tamaños pequeños de armazones son generalmente usados y los mismos raramente varían para aplicaciones industriales.

  Figura 1. Vista de sección de un motor por pasos de reluctancia variable

De imán permanente

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 a carga

El motor de magneto permanente (PM) o tipo enlatado (fig. 2 ) es quizá el motor por pasos mas ampliamente usado para aplicaciones no industriales . En su forma mas simple , el motor consiste en un rotor magneto permanentemente magnetizado radial  y en un estator similar al motor V.R. . Debido a las técnicas de manufactura usadas en la construcción del estator, los mismos se conocen a veces como motores de “polo de uñas “ o “claw pole” en Inglés .

Figura 2. Vista en sección de un magneto permanente .

Híbrido

El tipo Híbrido es probablemente el mas usado de todos los motores por pasos. Originalmente desarrollado como un motor P.M. sincrónico de baja velocidad su construcción es una combinación de los diseños V.R. y P.M. El motor Híbrido consiste en un estator dentado y un rotor de tres partes (apilado simple ). El rotor de apilado simple contiene dos piezas de polos separados por un magneto permanente magnetizado, con los dientes opuestos desplazados en una mitad de un salto de diente ( fig. 3 ) para permitir una alta resolución de pasos .

Figura 3. Vista expandida ilustrativa del desplazamiento de dientes.

El incremento de demanda de los sistemas de motor por pasos de reducido ruido acústico, con una mejora en el desempeño al mismo tiempo con reducción de costos fueron satisfechos en el pasado con los dos tipos principales de motores por pasos Híbridos. El tipo 2(4) fases que ha sido generalmente implementado en aplicaciones simples y el de 5 fases ha probado ser ideal para las tareas más exigentes. Las ventajas ofrecidas por los motores de 5 fases incluían:

•         Mayor resolución

•         Menor ruido acústico

•         Menor resonancia operacional

• ·       Menor torque de frenado.

El motor Híbrido de 3 fases.

A pesar de ser similar en construcción a otros motores por pasos (ver figura 4), la implementación de la tecnología de 3 fases hizo posible que el número de fases del motor sean reducida dejando al número de pares de polos del rotor y a la electrónica determinar la resolución (pasos por revolución).

Figura 4. Secciones ilustrativas de las laminaciones y rotores para motores de 2 , 3 y 5 fases . 

Figura 5. Corte de sección de un motor por pasos Híbrido ( 3 fases ) .

Dado que la tecnología de 3 fases ha sido usada por décadas como un método efectivo de generación de campos rotativos, las ventajas de éste sistema son evidentes en sí. El motor por pasos de 3 fases fue por lo tanto una progresión natural que incorporó todas las mejores características de un sistema de 5 fases a una significativa reducción de costo.

CAPITULO 2: Principio de Funcionamiento

La Figura 7 intenta ilustrar el modo de funcionamiento de un motor paso a paso, suponemos que las bobinas L1 como L2 poseen un núcleo de hierro dulce capaz de imantarse cuando dichas bobinas sean recorridas por una corriente eléctrica. Por otra para el imán M puede girar libremente sobre el eje de sujeción central.

Figura 7 Principio de Funcionamiento de un Motor PAP.

Inicialmente, sin aplicar ninguna corriente a las bobinas y con M en una posición cualquiera, el imán permanecerá en reposo si no se somete a una fuerza externa. 

Si circula corriente por ambas bobinas como se muestra en la Figura 7 (a), se formarán dos polos magnéticos, NORTE en la parte interna, por lo que M se desplazará hasta la posición indicada en la figura 7.

Si se cambia la polaridad de la corriente que circula por L1 se tendrá la situación magnética indicada en la Figura 7 (b) y M se moverá hasta la nueva posición de equilibrio, girando 90 grados en sentido contrario a las agujas del reloj.

Invirtiendo ahora la polaridad de la corriente en L2, se obtiene la Figura 7 (c) habiendo girado M otros 90 grados. Si, por fin, invertimos de nuevo el sentido de la corriente en L1, M girará otros 90 grados y se conseguirá una revolución completa de dicho imán en cuatro pasos de 90 grados.

Es decir, si se mantiene la secuencia de excitación expuesta para L1 y L2 y dichas corrientes son aplicadas en forma de pulsos, el rotor avanzará pasos de 90 grados por cada pulso aplicado.

Por lo que podemos decir que un motor paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte un impulso eléctrico en un movimiento rotacional constante y finito dependiendo de las características propias del motor.

La estructura analizada anteriormente se conoce como motor bipolar, puesto que para obtener una vuelta se necesita de dos corrientes de dos polaridades, lo que presenta dificultades en el diseño del circuito controlador del motor. Una forma de solucionar este problema es lo que se muestra en la figura 8, obteniéndose un motor unipolar de cuatro fases, porque la corriente que circula por las bobinas tiene un solo sentido.

Si se aplica la corriente a L1 y L2 cerrando los interruptores S1 y S2, se generarán dos polos NORTE que atraerán al polo SUR de M hasta encontrar la posición de equilibrio entre ambos como puede verse en la figura 8 (a). Si luego se abre S1 y se cierra S3, por la nueva distribución de polos, M cambia hasta la situación representada en la figura 8 (b).

 Figura 8 Principio Básico de un Motor Unipolar de Cuatro Fases.

Continuando con las representaciones en la figura 8 (c) y (d), de la misma forma se obtienen avances del rotor de 90 grados consiguiendo, como en el motor bipolar de dos fases, hacer que el rotor avance pasos de 90 grados por la acción de impulsos eléctricos de excitación de cada una de las bobinas. En ambos casos el sentido del giro ha sido antihorario, pero si se cambian las secuencias de excitación el rotor girará en sentido contrario, con lo que se puede controlar el giro dependiendo de la necesidad.

Una forma de conseguir motores PAP de paso mas reducido, es aumentar el número de bobinas del estator, pero ello llevaría a un aumento del coste y del volumen y a pérdidas muy considerables en el rendimiento del motor, por lo que esta situación no es viable. Hasta ahora y para conseguir la solución más idónea, se recurre a la mecanización de los núcleos de las bobinas y el rotor en forma de hendiduras o dientes, creándose así micropolos magnéticos, tantos como dientes y estableciendo las situaciones de equilibrio magnético con avances angulares mucho menores, siendo posible conseguir motores de hasta de 500 pasos.

CAPITULO 3: Operación de los Motores Paso a Paso

Secuencia de conmutación de fases .

Para permitir la rotación, el campo magnético generado por las bobinas del estator debe moverse. Esto se lleva a cabo conmutando la dirección del flujo corriente a través de cada bobinado

Paso completo:

Usando un motor simple de dos fases con un par de polos como ejemplo, la secuencia de conmutación de fases al ser impulsado en modo completo es como sigue: 

(fig. 9a) Arranque = Paso ángulo 0 - Bobinados W1 y W2 son energizados produciendo un polo norte y sur que atrae los respectivos polos del rotor y mantienen en rotor en posición.

Figura 9a

(fig. 9b) Paso 1 =  ángulo de paso de 90º - El bobinado W1 permanece igual pero el flujo de corriente en el bobinado W2 es conmutado ( invertido ) . Esto resulta en un movimiento del campo magnético del estator que el rotor sigue hasta que éste se ubique en la nueva posición. 

Figura 9b

Figura 9c

(fig. 9c) Paso 2 = ángulo de paso de 180º - Esta vez el flujo corriente en el bobinado W1 es conmutado ( invertido ) y W2 se mantiene igual . Nuevamente, el campo magnético del estator se mueve, el rotor gira y se ubica en la nueva posición.

(fig. 9d) Paso 3 = ángulo de paso de 270º  - El bobinado W1 se mantiene como antes, el flujo de corriente en W2 es conmutado ( invertido ) y el rotor , el rotor gira y se ubica en la nueva posición.

Figura 9d 

Las fases de conmutación pueden luego retornar el rotor a la posición inicial o la secuencia de conmutación puede ser revertida. Los diagramas de corriente pueden además ser usados para ilustrar las secuencias de conmutación como sigue:

Fig. 11: Diagrama de corriente para un motor por pasos de 2 fases impulsado en modo de pasos completos. 

Medio paso : Usando el mismo motor por pasos impulsado en modo de medio paso dobla la resolución (pasos por rotación ) . A pesar de que la secuencia de conmutación es similar, en vez de simplemente invertir el flujo de corriente a través de una fase, una fase es desconectada, permitiendo al rotor que siga y toma aún mas posiciones . La secuencia para una rotación es como sigue:

Figura 12 : Secuencia de rotación para un motor por pasos de 2 fases en medio paso . 

Figura 13 Diagrama de corriente para un motor por pasos de 2 fases impulsado en medio paso.

Al usar estos modelos simplificados, hemos demostrado el principio operacional de los motores por pasos de 2 fases. Esta conmutación paso a paso de corriente resulta en un campo rotativo " virtual"  que el rotor de magneto permanente luego sigue.

La Figura 14 ilustra esta conmutación paso a paso de corriente para un motor de 3 fases en medio paso y su correspondiente diagrama de corriente. La operación de paso completo ocurre cuando sólo los números pares (t) son usados en la secuencia de pasos .

Figura 14. Secuencia a pasos y diagrama de corriente de un motor por pasos de 3 fases.

CAPITULO 4: Clasificación De Los Motores Paso A Paso Por Numero De Polos

• Motores Unipolares: Todas las bobinas del estator están conectadas en serie formando cuatro grupos, conectados en pares también en serie, y se montan sobre dos estatores diferentes, tal y como se aprecia en la Figura 15. Del motor paso a paso salen dos grupos de tres cables, en el que uno es común a dos bobinados. Los seis terminales que parten del motor, deben ser conectados al circuito de control, que se comporta como conmutadores electrónicos que, al ser activados o desactivados, producen la alimentación de los cuatro grupos de bobinas con que está formado el estator.

Figura 15 Control de Motor Unipolar

• Motores Bipolares: Aquí las bobinas del estator se conectan en serie formando solamente dos grupos, que se montan sobre dos estatores, como se muestra en la Figura 16.

• Como se ve en el esquema de este motor salen cuatro hilos que se conectan, al circuito de control, que realiza la función de cuatro interruptores electrónicos dobles, que nos permiten cambiar la polaridad de la alimentación de las bobinas. Con las secuencias correctas se consigue el giro en un sentido o en otro.

Figura 16 Control de Motor Bipolar

Hay que tener en cuenta que los motores unipolares de seis u ocho hilos, pueden hacerse funcionar como motores bipolares si no se utilizan las tomas centrales, mientras que los de cinco hilos no podrán usarse jamás como bipolares, porque en el interior están conectados los dos cables centrales.

En los unipolares se encuentra con cinco, seis u ocho terminales que se aprecian, ya que además de los bobinados hay otros terminales de las tomas intermedias de las bobinas, los cuales se conectan directamente a positivo de la fuente de alimentación para su correcto funcionamiento. En la Figura 17 (b), (c) y (d) se puede apreciar como están conectados internamente los terminales de estos tipos de motores.

Figura 17 Disposición de las Bobinas de Motores PAP: a) Bipolar b) Unipolar con 6 hilos c) Unipolar a 5 Hilos d) Unipolar a 8 Hilos.

CAPITULO 5: Control De Los Motores Paso A Paso

Para el control de los motores paso a paso, se necesita una secuencia determinada de impulsos capaces de generar la corriente necesaria para la excitación de las bobinas, en la Figura 18 se muestra un diagrama de bloques generalizado para el control de motores paso a paso:

Figura 18 Diagrama de Bloques de un Sistema con Motor PAP.

Secuencia Del Circuito De Control

Existen dos formas básicas de hacer funcionar los motores paso a paso atendiendo al avance del rotor bajo cada impulso de excitación:

• Paso completo (full step): El rotor avanza un paso completo por cada pulso de excitación y para ello su secuencia ha de ser la correspondiente a la expuesta anteriormente, para un motor como el de la Figura 7, y que se presentada de forma resumida en la Tabla 1 para ambos sentidos de giro, las X indican los interruptores que deben estar cerrados (interruptores en ON), mientras que la ausencia de X indica interruptor abierto (interruptores en OFF).

 Tabla 1 Secuencia de Excitación de un Motor PAP Completo.

• Medio paso (Half step): Con este modo de funcionamiento el rotor avanza medio paso por cada pulso de excitación, presentando como principal ventaja una mayor resolución de paso, ya que disminuye el avance angular (la mitad que en el modo de paso completo). Para conseguir tal cometido, el modo de excitación consiste en hacerlo alternativamente sobre dos bobinas y sobre una sola de ellas, según se muestra en la Tabla 2 para ambos sentidos de giro.

Paso

Excitación de Bobinas

Paso

Excitación de Bobinas

S1

S2

S3

S4

S1

S2

S3

S4

1

X

X

1

X

X

2

X

2

X

3

X

X

3

X

X

4

X

4

X

5

X

X

5

X

X

6

X

6

X

7

X

X

7

X

X

8

X

8

X

1

X

X

1

X

X

Sentido horario (a)

Sentido antihorario (b)

Tabla 2 Secuencia de Excitación de un Motor PAP en Medio Paso.

CAPITULO 6: Parámetros y Características de los motores por pasos

Es importante conocer las principales características y parámetros que se definen sobre un motor paso a paso:

Par dinámico de trabajo ( Working Torque): Se define como el momento máximo que el motor desarrolla sin perder paso dependiendo de sus características dinámicas, es decir, sin dejar de responder a algún impulso de excitación del estator y dependiendo, evidentemente, de la carga. Cuando la velocidad de giro del motor aumenta, se produce un aumento de la f.c.e.m. en él generada y, por tanto, una disminución de la corriente absorbida por los bobinados del estator, como consecuencia de todo ello, disminuye el par motor.

 Par de mantenimiento (Holding Torque): Par necesario para desviar, en régimen de excitación, es mayor que el parámetro anterior y mantiene el rotor en una posición estable actuando como freno.

Para de detención (Detention Torque): Se produce por la acción del rotor cuando los devanados del estator están desactivados, es una par de freno propio de los motores de imán permanente.

Los tres parámetros mencionados anteriormente pueden ser expresados en mili newton por metro.

Angulo de paso ( Step angle ): Es el avance angular que tiene el motor por cada impulso de excitación. Se mide en grados, exponiendo a continuación algunos de los pasos más importantes en la tabla 3:

Grados por impulso de excitación	Nº de pasos por vuelta
0,72º	500
1,8º	200
3,75º	96
7,5º	48
15º	24

Tabla 3 Pasos más Importantes.

Número de pasos por vuelta: Es el número de pasos necesarios para que el rotor efectúe una vuelta completa, expresado por la siguiente relación:

donde NP es el número de pasos y α el ángulo de paso.

Frecuencia de paso máximo (Maximum pull-in/out:): Es el número máximo de pasos por segundo que puede recibir el motor a funcionamiento nominal.

Momento de inercia del rotor: Es su momento de inercia asociado que se expresa en gramos por centímetro cuadrado.

• Mediante este trabajo de investigación hemos podido desarrollar de manera exitosa los objetivos planteados para el mismo, obteniendo de esta manera mayores conocimientos a cerca del motor a pasos, que debido a la carrera en la que nos encontramos y en la actualidad de la tecnología nos permite estar al tanto de cuanta aplicación nueva pudiere surgir.

• Es preciso mencionar el extenso campo de uso de estos motores debido a sus características tanto de bajo costo como de alta confiabilidad.

Referencias WEB

http://www.sapiensman.com/motores_por_pasos/motores_por_pasos.htm

http://www.monografias.com/trabajos15/actuadores/actuadores.shtml

http://www.cenece.com/cenecemotores.htm

http://www.electronicayservicio.com/kits/picmicro/503.htm

http://www.electronicaestudio.com/motores_pasos.htm

http://www.redeweb.com/cesta/catalogo/pasos/html

Motores a Pasos

Máquinas Eléctricas II

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TEMA:

OBJETIVO:

INTRODUCCIÓN:

CONCLUSIONES

DESARROLLO

BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS

CONTENIDO

IMPORTANCIA: