Motor paso a paso

IngenierÃ−a Electrónica
Tema:
Motores a Pasos
Ciclo:
Cuarto
Fecha:
Cuenca, 01 de Julio del 2008
MOTORES A PASOS
Introducción
Importancia
CapÃ−tulo 1
ConstrucciónÂ
• Reluctancia Variable
• Magneto permanente
• HÃ−brido
CapÃ−tulo 2
Principio de Funcionamiento
CapÃ−tulo 3
Operación
• Secuencias de conmutación de fase
1
CapÃ−tulo 4
Clasificación de los Motores a Pasos por número de polos
CapÃ−tulo 5
Sistema de Control para los Motores a Pasos
Capitulo 6
Parámetros y CaracterÃ−sticas de los motores por pasos
Motores Paso a Paso
• Realizar un trabajo de investigación a cerca de la construcción, funcionamiento y caracterÃ−sticas
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.Â
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, tecnologÃ−a 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
categorÃ−as básicas.
• Â De reluctancia variable (V.R.)
•  De magneto permanente ( armazón metálica )
• Â HÃ−bridosÂ
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
2
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 especÃ−fico es restringido, por lo tanto tamaños
pequeños de armazones son generalmente usados y los mismos raramente varÃ−an 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
fÃ−sica. Ofrece como principal ventaja que su posicionamiento no varÃ−a 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 .
HÃ−brido
El tipo HÃ−brido 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 HÃ−brido 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 HÃ−bridos. 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 incluÃ−an:
•ÂÂÂÂÂÂÂ
•ÂÂÂÂÂÂÂ
•ÂÂÂÂÂÂÂ
• ·     Â
Mayor resolución
Menor ruido acústico
Menor resonancia operacional
Menor torque de frenado.
El motor HÃ−brido de 3 fases.
A pesar de ser similar en construcción a otros motores por pasos (ver figura 4), la implementación de la
tecnologÃ−a 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).
3
Figura 4. Secciones ilustrativas de las laminaciones y rotores para motores de 2 , 3 y 5 fases .Â
Figura 5. Corte de sección de un motor por pasos HÃ−brido ( 3 fases ) .
Dado que la tecnologÃ−a 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 sÃ−. El motor por pasos de 3 fases fue
por lo tanto una progresión natural que incorporó todas las mejores caracterÃ−sticas 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.
Â
Â
Â
Paso 1 (a)
Paso 2 (b)
Paso 3 (c)
Figura 7 Principio de Funcionamiento de un Motor PAP.
Paso 4 (d)
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.Â
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 caracterÃ−sticas
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).
4
 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 llevarÃ−a 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 asÃ− 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:Â
(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.Â
Figura 9b
Â
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.
Â
5
Figura 9dÂ
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:
ÂÂ
Â
Fig. 11: Diagrama de corriente para un motor por pasos de 2 fases impulsado en modo de pasos completos.Â
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:
Â
Figura 12 : Secuencia de rotación para un motor por pasos de 2 fases en medio paso .Â
Â
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
Esquema Motor UNIPOLAR
Esquema Motor BIPOLAR
• 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
6
• Motores Bipolares: AquÃ− 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.
Â
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:
Â
Â
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).
ÂÂ
Paso
1
2
S1
X
Â
S2
Â
Â
S3
Â
X
S4
X
X
 Paso
 1
 2
S1
X
Â
S2
X
X
S3
Â
X
S4
Â
Â
7
3
Â
X
X
Â
 3
Â
Â
4
X
X
Â
Â
 4
X
Â
1
X
Â
Â
X
 1
X
X
Sentido horario (a)
 Sentido antihorario (b)
 Tabla 1 Secuencia de Excitación de un Motor PAP Completo.
X
Â
Â
X
X
Â
• 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
Â
Paso
Excitación de Bobinas
S1
S2
S3
S4
Â
S1
S2
S3
S4
1
X
Â
Â
X
8
Â
1
X
X
Â
Â
2
Â
Â
Â
X
Â
2
Â
X
Â
Â
3
Â
Â
X
X
Â
3
Â
X
9
X
Â
4
Â
Â
X
Â
Â
4
Â
Â
X
Â
5
Â
X
X
Â
Â
5
Â
Â
X
X
6
Â
10
X
Â
Â
Â
6
Â
Â
Â
X
7
X
X
Â
Â
Â
7
X
Â
Â
X
8
X
Â
Â
Â
Â
11
8
X
Â
Â
Â
1
X
Â
Â
X
Â
1
X
X
Â
Â
Sentido horario (a)
Â
Sentido antihorario (b)
Tabla 2 Secuencia de Excitación de un Motor PAP en Medio Paso.
CAPITULO 6: Parámetros y CaracterÃ−sticas de los motores por pasos
Es importante conocer las principales caracterÃ−sticas 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 caracterÃ−sticas 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.
12
 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    Â
0,72º
1,8º
3,75º
7,5º
15º
Tabla 3 Pasos más Importantes.
Nº de pasos por vuelta
500
200
96
48
24
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
centÃ−metro 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 tecnologÃ−a 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 caracterÃ−sticas 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
13
http://www.redeweb.com/cesta/catalogo/pasos/html
Motores a Pasos
Máquinas Eléctricas II
3
TEMA:
OBJETIVO:
INTRODUCCIÃ N:
CONCLUSIONES
DESARROLLO
BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS
CONTENIDO
IMPORTANCIA:
14