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Tutorial sobre Motores Paso a Paso (Stepper motors)
Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos.
La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°.
Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas está energizada, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.
En este capítulo trataremos solamente los motores P-P del tipo de imán permanente, ya que estos son los mas
usados en robótica.
Principio de funcionamiento
Básicamente estos motores están constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en su estator.
Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador.
Imagen del rotor
Imagen de un estator de 4 bobinas
Existen dos tipos de motores paso a paso de imán permanente:
l Unipolar: Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado interno (ver figura 2). Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar. En la figura 4 podemos apreciar un ejemplo de conexionado para controlar un motor paso a paso unipolar mediante el uso de un ULN2803, el cual es una array de 8 transistores tipo Darlington capaces de manejar cargas de hasta 500mA. Las entradas de activación (Activa A, B , C y D) pueden ser directamente activadas por un microcontrolador.
Secuencias para manejar motores paso a paso Bipolares
Como se dijo anteriormente, estos motores necesitan la inversión de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada. Cada inversión de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso, cuyo sentido de giro está determinado por la secuencia seguida.
A continuación se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares:
PASO TERMINALES
A B C D
1 +V -V +V -V
2 +V -V -V +V
3 -V +V -V +V
4 ON OFF OFF ON
A continuación se puede apreciar la secuencia animada en modo normal:
Secuencia del tipo wave drive: En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez. En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave. La contrapartida es que al estar solo una bobina activada, el torque de paso y retención es menor.
PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D
1 ON OFF OFF OFF
2 OFF ON OFF OFF
3 OFF OFF ON OFF
4 OFF OFF OFF ON
A continuación se puede apreciar la secuencia animada en modo wave drive:
Secuencia del tipo medio paso: En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real. Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y así sucesivamente. Como vemos en la tabla la secuencia completa consta de 8 movimientos en lugar de 4.
PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D
1 ON OFF OFF OFF
2 ON ON OFF OFF
3 OFF ON OFF OFF
Como comentario final, cabe destacar que debido a que los motores paso a paso son dispositivos mecánicos y como tal deben vencer ciertas inercias, el tiempo de duración y la frecuencia de los pulsos aplicados es un punto muy importante a tener en cuenta. En tal sentido el motor debe alcanzar el paso antes que la próxima secuencia de pulsos comience. Si la frecuencia de pulsos es muy elevada, el motor puede reaccionar en alguna de las siguientes formas:
l Puede que no realice ningún movimiento en absoluto. l Puede comenzar a vibrar pero sin llegar a girar. l Puede girar erráticamente. l O puede llegar a girar en sentido opuesto.
Para obtener un arranque suave y preciso, es recomendable comenzar con una frecuencia de pulso baja y gradualmente ir aumentándola hasta la velocidad deseada sin superar la máxima tolerada. El giro en reversa debería también ser realizado previamente bajando la velocidad de giro y luego cambiar el sentido de rotación.
Una referencia importante:
Cuando se trabaja con motores P-P usados o bien nuevos, pero de los cuales no tenemos hojas de datos. Es
posible averiguar la distribución de los cables a los bobinados y el cable común en un motor de paso unipolar de 5 o 6 cables siguiendo las instrucciones que se detallan a continuación:
1. Aislando el cable(s) común que va a la fuente de alimentación: Como se
aprecia en las figuras anteriores, en el caso de motores con 6 cables, estos poseen dos cables
comunes , pero generalmente poseen el mismo color, por lo que lo mejor es unirlos antes de comenzar las pruebas.
Usando un tester para chequear la resistencia entre pares de cables, el cable común será el único que tenga la mitad del valor de la resistencia entre ella y el resto de los cables.
Esto es debido a que el cable común tiene una bobina entre ella y cualquier otro cable, mientras que cada uno de los otros cables tienen dos bobinas entre ellos. De ahí la mitad de la resistencia medida en el cable común.
2.Identificando los cables de las bobinas (A, B, C y D): aplicar un voltaje al cable
común (generalmente 12 volts, pero puede ser más o menos) y manteniendo uno de los otros cables a masa (GND) mientras vamos poniendo a masa cada uno de los demás cables de forma alternada y observando los resultados.
El proceso se puede apreciar en el siguiente cuadro:
Seleccionar un cable y conectarlo a masa. Ese será llamado cable A.
Manteniendo el cable A conectado a masa, probar cuál de los tres cables restantes provoca un paso en sentido antihorario al ser conectado también a masa. Ese será el cable B.
Manteniendo el cable A conectado a masa, probar cuál de los dos cables restantes provoca un paso en sentido horario al ser conectado a masa. Ese será el cable D.
