Publicado : 10/06/2021 ¿Cómo funcionan los motores PAP? ¿Qué son los microsteps? - Categorías : Productos , Teoría Productos relacionados 12V Motor Paso a Paso 28BYJ-48 + driver ULN2003 para Arduino A4988 + Radiador Stepper Driver Motor Paso a Paso Impresora 3D A4988 + Radiador Stepper Driver Motor Paso a Paso Impresora 3D DRV8825 + Radiador Stepper Driver Motor Paso a Paso Impresora 3D Motor PAP (Paso a Paso) Nema 23 28.5kg JK57HS112-4204 Los motores paso a paso son conocidos por su precisión de movimiento y usados en ámbitos como las impresoras 3D. Te contamos cómo funcionan mecánicamente, como se controlan, sus principales usos y también sus categorías y tipos: unipolares y bipolares. ÍNDICE ¿Qué es un motor paso a paso? Tipos de motores PAP Motores Unipolares y Bipolares Funcionamiento de motores PAP ¿Qué es un motor paso a paso? El motor paso a paso (PAP), también conocido como motor stepper o de pasos, es un dispositivo electromecánico que convierte la corriente que fluye a través de él, impulsos eléctricos, en movimiento de rotación. Funciona con corriente continua y puede ser de casi cualquier tamaño y par. En un motor paso a paso, como su nombre indica, cuando se le aplica energía a uno de sus devanados (o bobinados), da un "paso" en lugar de girar constantemente. Cada paso es una rotación en un ángulo especificado por el fabricante del motor, por ejemplo, 1,2 °. Por tanto, es capaz de girar una cantidad de grados (paso o medio paso) dependiendo de sus entradas de control. El motor paso a paso no tiene escobillas, por lo que pertenece al grupo de motores DC sin escobillas. El motor paso a paso se comporta de la misma manera que un conversor digital-analógico (D/A) y puede ser gobernado por impulsos procedentes de sistemas digitales. Este motor presenta las ventajas de tener precisión y repetitividad en cuanto al posicionamiento. Tipos de motores PAP Hay tres tipos de motores a pasos en función de su construcción: el motor de magnetización permanente, el motor de reluctancia variable, y el motor híbrido. Motor de pasos de rotor de imán permanente Permite mantener un par diferente de cero cuando el motor no está energizado. Dependiendo de la construcción del motor, es típicamente posible obtener pasos angulares de 7.5, 11.25, 15, 18, 45 o 90°. El ángulo de rotación se determina por el número de polos en el estátor. Se lo conoce también como PMSM (permanent magnet synchronous motor) y son usados en servomotores, robótica, accionamientos eléctricos para posicionamiento, máquinas herramienta y ascensores. Dentro de esta categoría, existen dos tipos de motores, que se clasifican según donde estén montados los imanes: PMSM con imanes montados en la superficie del rotor (Surface-mounted magnets) y PMSM con imanes insertos en el rotor (Buried Magnets). En los motores de imanes permanentes, los devanados actúan directamente sobre los polos del rotor, que consta de los imanes. El rotor, como su nombre indica es la parte que rota (gira) de en medio. Después de que se energiza un devanado, el rotor se somete a una fuerza del campo magnético generado, girándolo un pequeño ángulo. Después de hacer tal rotación, es posible encender el siguiente devanado y girar el eje nuevamente. La repulsión de los polos del rotor se usa a menudo al mismo tiempo debido a la polaridad inversa de la fuente de alimentación. En otras palabras, algunos devanados "atraen" y otros "empujan" el rotor giratorio. Esto se puede observar claramente en el siguiente GIF, donde el rotor tiene un imán incrustado: Un imán siempre forma un par de polos magnéticos (Norte y Sud). En el caso de los motores paso a paso, puede haber más imanes de este tipo en el rotor, y el número de pares magnéticos en el rotor es otro parámetro que el fabricante utiliza para describir su motor. Motor de pasos de reluctancia variable (VR) Tiene un rotor multipolar de hierro y un estátor devanado, opcionalmente laminado. Rota cuando el (o los) diente(s) más cercano(s) del rotor es (o son) atraído(s) a la(s) bobina(s) del estátor energizada(s) (obteniéndose, por lo tanto, la ruta de menor reluctancia). La respuesta de este motor es muy rápida, pero la inercia permitida en la carga es pequeña. Cuando los devanados no están energizados, el par estático de este tipo de motor es cero. Los motores con reluctancia variable funcionan de manera ligeramente diferente, en los que el rotor tiene la forma de un cilindro de acero con ranuras cortadas en lugar de un imán, lo que hemos llamado como dientes. Funcionan ajustando el rotor para que la desgana o "resistencia" al campo magnético sea lo más baja posible. Esta condición ocurre cuando las partes sobresalientes del rotor (en forma de "dientes") coinciden con las partes sobresalientes del estator. Los motores de imanes permanentes tienen más torque, mientras que los motores de reluctancia variable son más rápidos, más baratos y silenciosos. Motor de pasos híbrido No es de extrañar que también se probara una combinación de estas dos tecnologías anteriores, por lo que se crearon motores híbridos, los cuales combinan las ventajas de ambas soluciones, aunque son notablemente más caros que estas. Se caracteriza por tener varios dientes en el estátor y en el rotor, el rotor con un imán concéntrico magnetizado axialmente alrededor de su eje. Se puede ver que esta configuración es una mezcla de los tipos de reluctancia variable e imán permanente. Este tipo de motor tiene una alta precisión y alto par, se puede configurar para suministrar un paso angular tan pequeño como 1.8°. Motores Unipolares y Bipolares Existen varias técnicas para fabricar motores paso a paso. Debido al hecho de que deben tener el mayor número posible de devanados en el circuito del estator, y al mismo tiempo algunos de los devanados pueden ser alimentados desde la misma fuente al mismo tiempo, se combinan en grupos de dos maneras básicas. Por ello, se distinguen dos tipos básicos de motores: unipolares y bipolares. Motores Unipolares Los motores paso a paso unipolares son aquellos en los que el sentido de la corriente que circula por los bobinados no cambia. En general, cada uno de los devanados está conectado a la fuente de alimentación a través de un transistor. Por lo tanto, basta con activar o desactivar el transistor para un devanado determinado. La simplicidad del control se paga con un par menor. Los motores unipolares tradicionales pueden identificarse con 5 o 6 cables de salida dependiendo de su conexión interna. Utilizan un cable común a la fuente de alimentación y posteriormente se van colocando las otras líneas a tierra en un orden específico para generar cada paso, si tienen 6 cables es porque cada par de bobinas tienen un común separado, si tiene 5 cables es porque las cuatro bobinas tienen un polo común. Una curiosidad es que un motor unipolar de 6 cables puede ser usado como un motor bipolar si se deja las líneas del común al aire. Como se muestra en la imagen siguiente la primera figura, dejaríamos el negro y blanco libres (Black – White). Pueden existir incluso de 8 cables si divides los bobinados en 2. El funcionamiento de un motor paso a paso unipolar de medio paso (half step) se puede observar en la siguiente secuencia de sus 8 fases: Motores Bipolares Por regla general, los motores paso a paso bipolares tienen dos devanados, cuyos terminales salen por separado. Son característicos los cuatro hilos que entran en la carcasa. Su control es más complejo, ya que la corriente fluye por ambos devanados en diferentes direcciones durante cada paso. Es necesario conmutar los terminales de los devanados entre los polos de alimentación, por ejemplo, utilizando puentes H. El funcionamiento de un motor paso a paso bipolar de un paso (step) se puede observar en la siguiente secuencia de sus 4 fases: Sin embargo, como hemos dicho, el funcionamiento de un motor paso a paso bipolar de medio paso (half step) es más complejo, lo podemos observar en la siguiente imagen. Funcionamiento de motores PAP El motor paso a paso no comenzará a girar cuando le apliquemos energía. Se requiere cambiar la fuente de alimentación en sus devanados en el orden correcto. En los motores sin escobillas, donde se incluyen los motores paso a paso, la conmutación del devanado se realiza mediante un controlador especial en forma de sistema electrónico, lo que se llama un controlador o driver. Estamos ante la conmutación electrónica de bobinados. La tarea del controlador es asegurarse de que los devanados se accionan en el orden correcto y con la dinámica correcta. En tales motores, la limitación práctica de la vida útil es la resistencia de los cojinetes, por lo que son menos propensos a fallos que los motores de escobillas. Motor Paso a Paso 28BYJ-48 + driver ULN2003 para Arduino - Referencia R0036 A4988 + Radiador Stepper Driver Motor Paso a Paso Impresora 3D - Referencia I0023 Si bien el control de los motores de escobillas de CC es simple, se requiere un sistema más complejo para hacer girar el motor paso a paso. Por supuesto, actualmente hay muchos controladores (drivers) listos para usar en el mercado, muchos de los cuales no requieren más que conectar el motor y la fuente de energía, por un lado, y el sistema de control del motor por el otro. La interfaz común solo necesita una señal DIR interpretada como una dirección de rotación y pulsos STEP, cada pulso representa un ángulo mínimo de rotación del eje. Los sistemas prefabricados a menudo tienen protección integrada y control de chopper, lo que dificulta la destrucción accidental del motor. Por supuesto, en muchos casos también funcionará diseñar el controlador usted mismo. Es más difícil, pero en ocasiones permite que el control se adapte mejor a los parámetros del motor. Puente H Como hemos dicho, para el control del motor paso a paso de tipo bipolar, necesario conmutar los terminales de los devanados entre los polos de alimentación, por lo que se establece el principio de "Puente H", por su forma entre los transistores y la bobina. Este principio indica que, si se activan los transistores T1 y T4 (figura de abajo a la izquierda), permiten la alimentación en un sentido; si cambiamos el sentido de la alimentación activando T2 y T3 (figura de la derecha) , cambiaremos el sentido de alimentación y el sentido de la corriente, donde las direcciones de la corriente las determinan los diodos. Como podemos ver, los diodos fijan el sentido de por donde pueden ir las corrientes. Una configuración para controlar un motor bipolar paso a paso con Arduino a través de un driver “puente H” seria la siguiente: Velocidad En cuanto a la velocidad de rotación de un motor paso a paso viene definida por la ecuación: N=60*f/n Donde: f: frecuencia del tren de impulsos n: nº de polos que forman el motor Control de micropasos Hasta ahora hemos escrito que un motor paso a paso da "pasos" con un ángulo de giro claramente definido. Sin embargo, existen técnicas que permiten forzar una rotación de una fracción de este ángulo. Esto se llama control de micropasos. Esto se hace mediante una conmutación un poco más complicada de los bobinados, de manera que sus campos electromagnéticos se anulan o amplifican parcialmente. Esto da lugar a un equilibrio para el rotor en una posición intermedia entre las posiciones adyacentes extremas en las que los campos actúan a plena potencia. Principio de funcionamiento simplificado del control de micropasos La desventaja de esta solución es principalmente la reducción del par motor. La velocidad máxima de rotación del eje también disminuye. Sin embargo, una gran ventaja es la mejora significativa de la resolución de control, que es valiosa cuando necesitamos controlar el mecanismo con mucha precisión. Por ejemplo, un motor con 200 pasos por revolución de fábrica -equivalente a 360° en 200, o 1,8° por paso- puede controlarse utilizando el control de micropasos 1:32 (32 micropasos por paso normal). Esto da lugar a hasta 6400 pasos por revolución, es decir, una resolución de casi 0,06° por paso. Esto es una increíble ventaja para usarse en aplicaciones que requieren un control milimétrico de la posición de los motores como en impresoras 3D, máquinas CNC como fresadoras o cortadoras láser, robots, drones, radiocontrol, impresoras digitales, automatización, fotocomponedoras, preprensa, etc. Esto se consigue controlando los motores con drivers que consigan esta resolución. Por ejemplo, para los motores tipo NEMA, se puede usar el controlador DRV8825 el cual ofrece una resolución de los micropasos completa, 1/2, 1/4, 1/8,1/16 o 1/32. DRV8825 + Radiador Stepper Driver Motor Paso a Paso Impresora 3D - Referencia I0012 Motores NEMA Para aplicaciones como máquinas CNC (Control Numérico por Computadora) o impresoras 3D, el motor paso a paso más común es el conocido como motor paso a paso NEMA 17 o NEMA 23. ¿Qué quiere decir motor NEMA? NEMA viene de National Electronic Manufacturers Association, los Estándares principales en los Estados Unidos y la Norma Nema MG1 dicta los estándares para la producción de motores y generadores. El tamaño de bastidor NEMA de los motores se usa tanto para motores paso a paso como para motores de corriente continua sin escobillas, pero se usa más comúnmente con motores paso a paso como una abreviatura útil para el tamaño del motor (y, por lo tanto, la potencia y el par). El tamaño del bastidor NEMA simplemente se refiere al diámetro de la cara del motor, y los más utilizados son NEMA 17 y el siguiente, NEMA 23. Un motor paso a paso NEMA 17 es un motor paso a paso con una placa frontal de 1,7 x 1,7 pulgadas (43,18 x 43,18 mm). El NEMA 17 es más grande y generalmente más pesado que, por ejemplo, un NEMA 14, pero esto también significa que tiene más espacio para aplicar un par de torsión más alto. Sin embargo, su tamaño no es una indicación de su poder. La carga máxima que pueden soportar estos motores va desde el kilo hasta unos 30 Kg. Motor PAP (Paso a Paso) Nema 23 28.5kg JK57HS112-4204 - Referencia I0168 Fuentes: https://reprap.org/wiki/File:Step_motor_nema_17_stepper_motor.jpg https://es.wikipedia.org/wiki/Motor_paso_a_paso https://www.zikodrive.com/es/ufaqs/nema-motor-marco-tamanos-media/#table https://forbot.pl/blog/jak-dzialaja-silniki-krokowe-czym-sa-mikrokroki-id7057 https://www.oyostepper.com/article-1076-Some-differences-between-bipolar-and-unipolar-stepper-motor.html https://techexplorations.com/blog/arduino/blog-the-difference-between-unipolar-and-bipolar-stepper-motors/ https://electronics.stackexchange.com/questions/70643/how-to-reverse-rotation-direction-of-stepper-motor