En este artículo se describen  motores paso a paso, sus beneficios, las categorías básicas, sus características y las ventajas que ofrecen según su número de fases

Jennings, Steve

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Sistema de Revistas - SENA (Servicio Nacional de Aprendizaje)

Figura 1. Vista de secci6n de un motor paso a paso de reluctancia variable INFORMADOR TECNICO 65 2 002 MOTORES PASO A PASO Steve Jennings, editado por Jim Huntley. http://www.sapiens.itgo.com/motores_por_pasos  CONSTRUCCION Los motores paso a paso son dispositivos electromagneticos, rotativos, incrementales que convierten pulsos digitales en rotacion mecanica. La cantidad de rotaci6n es directamente proporcional al numero de pulsos y la velocidad de rotaci6n es relativa a la frecuencia de los pulsos. Estos motores son simples de operar en una configuraciOn de lazo cerrado y debido a su tamano propor-cionan un excelente torque a baja velocidad. Entre los beneficios de estos motores se incluyen: • Un disefio efectivo y un bajo costo • Alta confiabilidad • Libres de mantenimiento (no disponen de escobillas) • Lazo abierto (no requieren dispositivos de realimen-tacion) • Limite conocido al "error de posiciOn dinamica" A pesar de que varios tipos de motores paso a paso han sido desarrollados, todos se enmarcan dentro de tres categorias basicas. 1. De reluctancia variable (V.R.) 2. De magneto permanente (armaz6n metalica) 3. Hibridos El tipo de motor de reluctancia SENA CDT - ASTIN 47 Figura 3. Vista expandida ilustrativa del desplazamiento de dientes. INFORMADOR TECNICO 65 2 002 variable o V.R. (figura 1) consiste en un rotor y un estator cada uno con un nOrnero diferente de dientes. Como el rotor no dispone de un magneto permanente, el mismo gira libremente, o sea que no tiene torque de detenciOn. A pesar de que la relaciOn del torque a la inercia es buena, el torque dado para un tamario de armazon especifico es restringido, por tanto, tamanos pequerios de armazones son por lo general usados y raramente 	varian 	para aplicaciones industriales. El motor de magneto permanente (PM) o tipo enlatado (figura 2) es quiza el motor paso a paso más ampliamente usado para aplicaciones no industriales. En su forma más simple, el motor consiste en un rotor de magneto permanente con magnetizado radial y en un estator similar al motor V.R. Debido a las tecnicas de manufactura usadas en la construcciOn del estator, ellos se conocen a veces como motores de "polo de urias " o "claw pole" en Ingles. El tipo hibrido es muy probable que sea el mas usado de todos los motores paso a paso. Originalmente desarrollado como un motor PM sincrOnico de baja velocidad, su construccion es una combination de los diserios V.R. y P.M.. El motor Hibrido consiste de 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 (figura 3) para permitir una alta resolucion de pasos. El aumento en la demanda de sistemas con motor paso a paso de bajo ruido, con una mejora en su desempeno y con reduction de costos fueron satisfechos en el pasado con los dos tipos principales de motores paso a paso Hibridos. El tipo 2(4) fases, que se han usado en aplicaciones simples y el de 5 fases han probado ser ideales para las tareas más exigentes. Las ventajas que ofrecen los motores de 5 fases incluyen: • Mayor resoluciOn • Menor ruido acustico • Menor resonancia operacional • Menor torque de frenado. A pesar de que las caracteristicas de los motores de 5 fases ofrecian muchos beneficios, especialmente en micro pasos, el creciente numero de conmutaciones de alimentaciOn y el cableado adicional requerido tenian un efecto adverso en el costo del sistema. Figura 2. Vista en section de un magneto permanente SENA CDT - ASTIN 48 Figura 4. Secciones ilustrativas de las laminaciones y rotores para motores de 2, 3 y 5 fases El motor Hibrido de 3 fases Bornera Laminados del rotor Conector Eje 77 Eje Rodamientos Chasis del estator Rotor Devanado del ks.0 estator 	1(11_131111■MI Estator Rotor   Devanados Figura 5. Corte de section de un motor paso a paso Hibrido (3 fases) INFORMADOR TECNICO 65 2 002 A pesar de ser similar en construc-cion a otros motores paso a paso (ver figura 4), la implementaciOn de la tecnologia de 3 fases hizo posible que el numero de las mismas se redujera dejando al numero de pares de polos del rotor y a Ia electrOnica determinar Ia resolution (pasos por revoluciOn). Dado que Ia tecnologia de 3 fases ha sido usada por decadas como un metodo efectivo de generaciOn de campos rotativos, las ventajas de este sistema son evidentes. El motor paso a paso de 3 fases fue por tanto, una progresiOn natural que incorporO todas las mejores caracteristicas de un sistema de 5 fases a una significativa reducciOn de costos. SENA CDT - ASTIN 49 INFORMADOR TECNICO 65 2 002 Resolucion de un motor por pasos y angulo de paso Como ya se mencion6, la resoluciOn (numero de pasos) y el angulo de paso de un motor por pasos depende de: • El numero de pares de polos del rotor • El numero de fases del motor • El modo de impulsion (complete o medio paso). La resoluciOn puede ser calculada usando la formula: z=p'm'k El angulo de paso puede ser calculado dividiendo la rotaciOn (360) por el numero de pasos, 360 a= 	 z Vectores de flujo Los vectores de flujo se usan para ilustrar los angulos de paso naturales de los motores paso a paso. Operacion Secuencia de conmutacion de fases Para permitir la rotaciOn, el campo magnetic° generado por las bobinas del estator debe moverse. Esto se Ileva a cabo conmutando la direccion del flujo de corriente a traves de cada bobinado Paso completo: usando un motor simple de dos fases con un par de polos como ejemplo, la secuencia de conmutaci6n de fases al ser Figura 6. Diagramas de vectores de flujo para motores de pasos de 2, 3 y 5 fases. Si las corrientes de fases son conmutadas en pequerios incrementos, estos vectores de campo puede apuntar virtualmente en cualquier direction. impulsado en modo completo es como sigue: (Figura 7a) Arranque = Paso angulo 0 — Bobinados W1 y W2 son energizados produciendo un polo norte y sur que atrae los respectivos polos del rotor y mantienen el rotor en posiciOn. Figura 7a. (Figura 7b) Paso 1 = angulo de paso de 90° - El bobinado W2 permanece igual pero el flujo de corriente en el bobinado W1 es conmutado (invertido). Esto resulta en un movimiento del campo magnetico del estator que el rotor sigue hasta que este se ubique en la nueva posicion. Figura 7b. (Figura 7c) Paso 2 = Angulo de paso de 180° - Esta vez el flujo corriente en el bobinado W2 es conmutado (invertido) y W1 se mantiene igual. De nuevo, el campo magnetic° del estator se mueve, el rotor gira y se ubica en la nueva posicion. SENA CDT - ASTIN 50 INFORMADOR TECNICO 65 2 002 Figura 7c (Figura 7d) Paso 3 = Angulo de paso de 270° - El bobinado W2 se mantiene como antes, el flujo de corriente en W1 es conmutado (invertido), el rotor gira y se ubica en la nueva posici6n. Figura 7d Figura 8. Diagrama de corriente para un motor paso a paso de 2 fases impulsado en modo de paso completo (rotacion contraria a las manecillas del reloj) Rotacion contraria a las manecillas del reloj Fase 	0 vs Fase 2 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t1 t2 Fase 1 0 RotaciOn en el sentido de las manecillas del reloj vs Fase 2 0 ti t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t1 t2 Las fases de conmutaciOn pueden luego retornar el rotor a la posiciOn inicial o la secuencia de conmutaciOn puede ser revertida. Los diagramas de corriente pueden adernas ser usados para ilustrar las secuencias de conmutaci6n como sigue: (figuras 8 y 8-1) Medio paso: Usando el mismo motor paso a paso impulsado en modo de medio paso, se dobla la resoluciOn (pasos por rotaciOn). A conmutaci6n es similar, en vez de simplemente invertir el flujo de corriente a traves de una fase, una de ellas es desconectada, permitiendo al rotor su giro y que tome más posiciones. La secuen-cia para una rotaciOn es como se muestra en las figuras 9 y 10. Figura 8-1. Diagrama de corriente para un motor paso a paso de 2 fases impulsado en modo de pasos completos (rotacion en el mismo sentido de las manecillas del reloj) pesar de que la secuencia de Al 	usar 	estos 	modelos simplificados, se ha demostrado el principio operacional de los motores por pasos de 2 fases. Esta conmutaciOn paso a paso de corriente resulta en un campo rotativo " virtual- que el rotor de magneto permanente sigue. SENA CDT - ASTIN 51 Figura 9. Secuencia de rotacion para un motor por pasos de 2 fases en medio paso INFORMADOR TECNICO 65 2 002 La Figura 11 ilustra esta conmutaciOn paso a paso de corriente para un motor de 3 fases en medio paso y su correspondiente diagrama de corriente. La operaciOn de paso completo ocurre cuando solo los numeros pares (t) son usados en Ia secuencia de pasos. Caracteristicas de los motores paso a paso Torque estatico o de manteni-miento — caracteristicas de desplazamiento. La caracteristica del torque estatico (de mantenimiento) —desplazamiento se entiende mejor usando un electro-magneto y un rotor de un solo polo (Figura 12). En el ejemplo, el electro-magneto representa el estator del motor y se energiza con su polo norte enfrentado al rotor. Asumiendo que no existen cargas estaticas o friccionales sobre el rotor, la figura 12 ilustra cOmo el torque de restauraci6n varia con la posiciOn del rotor a medida que es alejado de su posicion estable. Al mismo tiempo que el rotor se mueve de su posicion estable, el torque se incrementa hasta alcanzar un maxim>. Este valor maxim° es llamado el torque de mantenimiento y representa Ia carga maxima que puede ser aplicada al eje sin causar una rotaciOn continua. Si el eje es alejado más alla de este punto, el torque caera hasta que sea de nuevo cero. Sin embargo, este punto cero es inestable y el torque se revierte de inmediato mas alla de su punto previo hasta el punto estable. Un pendulo (Figura 13) puede usarse para demostrar los efectos que se observan. SENA CDT - ASTIN 52 INFORMADOR TECNICO 65 2 002 Figura 10. Diagrama de corriente para un motor paso a paso de 2 fases impulsado en medio paso. Figura 11. Secuencia a pasos y diagrama de corriente de un motor paso a paso de 3 fases Sentido contrario de las manecillas del re of 11 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t1 t2 Sentido de las manecillas del reloj Fase 1 0 VS Fase 2 01---k+ u_ t1 t2 t3 tht t5 t15 t7 t8 tl t2 Fase 1 0 VS Fase 2 0 4■4 T mow 410 Nor A: estable 9 : inestable M : torque estatico p : pares de polos del rotor -110.6 e / 	A 	 -41t fp a NI Efecto peridulo Position del rotor Figura 12. Curva ilustrativa del torque estatico versus la position del rotor SENA CDT - ASTIN 	53 Figura 13. Efecto de pendulo o torque estatico versus Ia posiciOn del rotor izquierda derecha M. 90° M torque de carga estatico ,. torque de friccion MR angulo de paso R angulo de carga estatico ML Mmax INFORMADOR TE.CNICO 65 2 002 Dependiendo del nijmero de fases, el ciclo en las figuras 12 y 13 equivalen al siguiente nOmero de pasos completos. 2 fases 4 pasos 3 fases 6 pasos 5 fases 10 pasos El torque requerido para girar el eje en un cierto Angulo puede calcularse usando Ia formula: M = - MR * sen( p*tli ) A pesar de que esta caracteristica de torque no es de gran utilidad por si sola, si explica algunos de los efectos que se observan. Por ejemplo, ella dicta la rigidez del sistema, en otras palabras, cOmo Ia posiciOn del eje cambia cuando una carga es aplicada a un rotor estacionario. El eje debe desviar-se hasta que el torque generado sea emparejado con Ia carga aplicada. Por tanto, la posiciOn estatica varia con la carga. Angulo de carga estatico El angulo de carga estatico se define como el angulo entre la posiciOn actual del rotor y Ia posiciOn final estable para una carga dada. La figura 14 ilustra (tanto para paso completo como para medio paso) que a medida que el torque se incrementa lo mismo ocurre con Ia desviaciOn o Figura 14. giro desde la posiciOn estable. El angulo de carga estatico puede calcularse usando Ia siguiente formula: dMy C = 	= p*MR*cos( p" ) d Torque de friccion El torque de friccion es la carga implementada en el eje a traves de tolerancias mecanicas en Ia aplicaciOn. La Figura 14 ilustra cOmo para una carga dada (ML) el torque de fricciOn (MR) debe considerarse si se requiere un posicionamiento preciso. Este fen6meno puede explicarse SENA CDT - ASTIN 54 • 0*- AOC MR • • LI aft 	 -NO 	 40 	DIS Figura 15. El modelo de la montana fv1 F<< - F>> Figura 16. Curva de carga dinamica INFORMADOR TECNICO 65 2 002 usando el modelo de montana (Figura 15). A pesar de que la pelota trata de encontrar su lugar natural de descanso, la fricciOn sobre la superficie evita que esto ocurra. Tolerancia angular sisternatica La " tolerancia angular sistema-tica" es la desviaciOn desde la posici6n te6ricamente correcta de cualquier paso angular. Tambien conocida 	como 	"preci-sign absoluta". puede expresarse como porcentaje de un paso completo a como una mediciOn angular. No es acumulativa dada que se mantiene constante para cualquier paso angular. La "tolerancia angular sistematica" es causada par tolerancias durante la fabricaciOn del motor (o sea diferentes resistencias en los bobinados, magnetizaci6n desi-gual de magnetos, entrehierros. etc.) y en la electronica de control del motor. A pesar de que las tecnicas modernas de fabricaciOn disminuyen estos valores, deben considerarse para mayor seguridad. Angulo de carga estatico y dinamico La "curva del Angulo de carga estatico" (figura 14) ilustra lo que le pasa a un motor paso a paso estacionario bajo carga. Por tanto, si el mismo esta produciendo torque, debera estar retrasado con respecto al campo del estator bajo condiciones dinamicas. De forma similar habra una situaciOn de adelantamiento durante la desaceleracion. A partir de la curva de torque estatico, es claro que el atraso o adelanto no puede exceder el maxima torque de mantenimiento si el motor debe mantener su sincronismo. Por tanto, para un motor paso a paso hibrido (50 pares de polos) el maxima angulo de atraso a adelantamiento es 3.6 a, dependiendo del numero de fases 2, 3, 6 5 pasos completos. La figura 16 ilustra el retraso maxima que ocurre bajo condiciones de carga dinamica. Resonancia El fenomeno de la "resonancia" se presenta en algUn grado en todos los motores paso a paso. Resonancia es el termino usado para definir el efecto que ocurre cuando los motores paso a paso rotan a su frecuencia de oscilaciOn natural. El salto a esta frecuencia SENA CDT - ASTIN 55 INFORMADOR TECNICO 65 2 002 natural puede producir una perdida de sincronismo e incluso que el motor se detenga. Para motores paso a paso hibridos bajo condiciones sin carga esta resonancia ocurre entre los 80 a 200 Hz., o sea 80 a 200 pasos por segundo. La resonancia de un motor paso a paso se puede calcular usando Ia fOrmula: F 	1 	1 p*MH a fi = 	= 2n- JR 27. JR pasos o micro-pasos, cambiando la frecuencia de resonancia a traves de variaciones en Ia inercia del sistema, en la fricciOn mecanica o electrica, por ejemplo, incrementando la inercia del sistema o Ia fricciOn conocida en forma general como "damping" en Ingles. Fluctuaciones del torque Si un motor es impulsado cerca a su torque de trabajo, las fluctuaciones del torque pueden tener un efecto de resonancia. Las fluctuaciones del torque se ilustran en los "diagramas de torque dinamico" (Figuras 17 y 18). Se observa claramente las mejoras obtenidas con el aumento de la resoluciOn y los micro-pasos. Como se mencionO anteriormente, las corrientes en un motor de 3 fases son controladas con una onda sinusoidal. A pesar de que esta tecnica de conmutacion es más exigente que la conmutaciOn en bloque usada en los motores paso a paso de 2 y 5 fases, esta ofrece considerables beneficios en sus caracteristicas de operaci6n. Cuanto mayor sea Ia resolucion, menor sera el cambio de corriente por paso, o sea mayor Ia aproxi-maci6n a la funciOn sinusoidal. Esto asegura que el motor tenga una menor fluctuaciOn de corriente y subsecuentemente una menor fluctuaciOn del torque. Dado que solo el componente fundamental de la onda sinusoidal genera el torque, cualquier fluctuacion tiene un efecto de calentamiento sobre el motor, el cual se disipa facilmente a traves de Ia estructura del motor. Esta menor tendencia a la fluctuaciOn tiene ademas un efecto positivo al reducir el ruido acOstico. Figura 17. Diagrama de torque dinamico para un motor paso a paso de 2 fases SENA .CDT - ASTIN 56 INFORMADOR TECNICO 65 2 002 Figura 18. Diagrama de torque dinamico para un motor paso a paso de 5 fases Definiendo la frecuencia de arranque / parada Para el más simple de los requerimientos, impulsar el motor en su modo de arranque/parada es el metodo que menos tiempo consume. La frecuencia de arranque sin carga maxima (fAm) siempre es dada por los fabricantes y obviamente se reducird cuando el motor es acoplado a una carga ML y a su subsiguiente inercia de carga JL. La dependencia de Ia frecuencia de arranque con Ia carga se ilustra en dos curvas logaritmicas. (figura 20) Estas curvas se usan de Ia siguiente manera: 1. Ubicandose en Ia curva de inercia, Ia carga de inercia (JL) es trazada y transportada a Ia curva de torque. 2. A partir de este punto de inicio, y en forma paralela a Ia maxima frecuencia de arranque sin carga (fAom), se dibuja una nueva curva de frecuencia de arranque que considere a Ia Figura 19. Conmutacion de onda sinusoidal de un motor paso a paso de 3 fases SENA CDT - ASTIN 57 INkMMADOR TECNICO 65 2 002 • arranque/ pa rada paso arranque  111 IJ >31 fA.7 f 	.f.r• f [IHz E 1 caracteristicas de arranque/p 10 10C Figura 20. inercia de carga. 3. Desde el torque conocido de carga y la nueva curva de frecuencia de arranque, se puede encontrar la maxima frecuencia de arranque/ parada. Escrito por Steve Jennings, Editado para World Wide Web por Jim Huntley, correcciones y adaptaciones por Richard Massara. Tornado de Internet en: http://www.sapiens.itgo.com/ motores_por_pasos A J torque maximo de operation Id [NI r id f s [kHz] [1 00,- M in) 	0,1 1,5 Sd a 0,5 20 10 inert ia  de  carga  J [kg cm,: 	 30 14 1 q.11111 CI r 10 	sn Correos de Colombia ADPOSTAL  C l 0 g Sin OS a todo of mundol Concurs° Nacional de detleza CsiftSpor41t ■Adis* Llama gratis a nuestras nuevas lineas de atencion at cliente 018000-915525 018000-915503 Visite nuestra pagina web www.adpostal.gov.co  Figura 21. 58 	SENA CDT - ASTIN 

Motores paso a paso

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