El motor a pasos es un dispositivo que ha estado con nosotros un largo tiempo. Seguramente si desarmas una impresora o escáner con algunos años de antiguedad, vas a encontrarte cuando menos un par de estos dispositivos, pero: ¿Como funcionan? ¿Como los podemos gobernar? ¿Por que se han utilizado tanto en la electrónica de consumo?

En este tutorial intentaremos responder estas preguntas para que puedas comprender de mejor forma estos dispositivos y el software necesario para gobernarlos. En este post vamos a concentrarnos en la parte teórica y dejaremos la parte práctica para otro tutorial posterior.

En la foto principal de esta artículo vemos el interior de un motor a pasos.

¿Que es un motor a pasos?

Es un dispositivo electromecánico que convierte impulsos eléctricos en movimiento, la gran diferencia de este tipo de motores contra un motor convencional de corriente directa, es que a un motor a pasos deben proporcionarse una serie de impulsos eléctricos a sus bobinados en un orden especifico y este entrega desplazamientos angulares discretos (pasos) en su eje para cada uno de los pulsos aplicados. En contraste el motor de corriente directa, genera una rotación continua.Un motor a pasos es especialmente valioso para aquellas aplicaciones donde el control de la posición es indispensable. Los motores a pasos normalmente funcionan “a lazo abierto”, es decir que solamente se lleva el conteo de los pasos que se han dado al motor, pero no hay un dispositivo que provea retroalimentación (algo que nos indique la posición o velocidad del motor). Los motores a pasos son un tipo de motor “Brushless” o sin escobillas. Hay distintos tipos de motores a pasos, entre los que se encuentran:

  • El motor de pasos de reluctancia variable (VR)
  • El motor de pasos híbrido
  • El motor de pasos de rotor de imán permanente

En este tutorial nos centraremos en este ultimo tipo (de imán permanente) e híbridos. Dentro de los motores a pasos con imán permanente tenemos a su vez una división en dos tipos de motores a pasos: los unipolares y bipolares. En esta sección trataremos de dar una idea del funcionamiento de cada uno, así como las ventajas y desventajas de cada uno.

motor a pasos nema 17

Ventajas de los motores a pasos

  • Son excelentes para el posicionamiento: Dado que pueden moverse en pasos discretos repetibles. Esto es útil para dispositivos como impresoras 3D, máquinas CNC, plataformas X,Y, etc.
  • Control de velocidad: Los incrementos precisos en el movimiento (pasos) permiten controlar de manera precisa la velocidad de rotación, solamente variando la velocidad a la que se conmuta la corriente en las bobinas del motor.
  • Aplicaciones de baja velocidad y alto torque: Los motores de corriente directa no poseen buenas características de torque a baja velocidad. Los motores a pasos tienen el máximo torque a bajas velocidades, lo que los hace ideales para aplicaciones de baja velocidad y alta precisión.

Limitantes de los motores a pasos

  • Baja eficiencia: Al contrario de los motores de DC, el consumo de corriente de los motores a pasos es independiente de la carga. Un motor PAP demanda la mayor cantidad de corriente mientras no se encuentra realizando ningún trabajo (sin giro), por lo que emiten bastante calor.
  • Torque limitado a alta velocidad: Los motores a pasos normalmente tienen menor torque a altas velocidades. Algunos motores están optimizados para comportarse bien a altas velocidades, sin embargo, en general  se requieren circuitos de manejo especializados para obtener buen torque a altas velocidades.
  • No hay retroalimentación: Como ya dijimos el control de posición de los motores a pasos funciona a lazo abierto, es decir, solamente contabilizando el numero de pasos que ha recorrido el motor. Normalmente los motores a pasos se utilizan en conjunto con switches de fin de carrera para determinar la posición inicial o de referencia.

Motor a pasos unipolar

Este tipo de motor a pasos se caracteriza por tener dos bobinas con un devanado central que sale del cuerpo del motor, por lo que tenemos un total de 5,  6  y hasta 8 cables de conexión hacia el circuito de control. El punto central de la bobina se conecta directamente al positivo de la alimentación, mientras que los otros dos extremos se conectan a tierra, bajo el comando del circuito de control. Las bobinas siempre se energizan en un mismo sentido usando un transistor NPN o mosfet canal N.

Las siguiente ilustraciones muestran las posibles conexiones que pueden existir en un motor a pasos unipolar:

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La configuración del motor unipolar permite que al alimentar una parte de la bobina se genere un campo magnético con una polaridad determinada (norte, por ejemplo), mientras que si se alimenta la otra mitad, el campo magnético tenga una polaridad opuesta al  que se obtiene al activar la primera mitad de la bobina (sur).

Motor a pasos bipolar

En los motores a pasos bipolares solamente se tienen dos bobinas sin devanado central, por lo que solamente se tienen 4 cables de conexión hacia el circuito de control. El motor bipolar requiere la inversión en la polaridad de la corriente que pasa a través de sus bobinas. Con dicha inversión de polaridad se generan campos magnéticos con polaridad variable. Para el manejo de un motor a pasos bipolar se requiere entonces de un circuito capaz de invertir la polaridad de la corriente, dicho circuito se conoce como “puente h”.

La siguiente imagen muestra la disposición de las conexiones en un motor unipolar:

Parámetros importantes de un motor a pasos

Los siguientes son los parámetros más importantes al elegir un motor a pasos:

  • El tamaño del motor: tiene que ver con la función que el motor va a desempeñar, como es de esperarse los motores grandes son más potentes y generan mayor torque. Existen motores a pasos diminutos, más pequeños que una moneda, hasta los motores NEMA 57. El estándar NEMA define las dimensiones de la superficie de montaje del motor, sin embargo, no define las características eléctricas del mismo, por lo que dos motores NEMA17 distintos, no son necesariamente intercambiables entre si.
  • Resolución del motor: También se define como el numero de pasos por vuelta, es común encontrar motores a pasos en el rango de 4 a 400 pasos por vuelta (valores comunes 24, 48 y 200). Se puede expresar también como grados por paso (por ejemplo un motor de 1.8 grados por vuelta es equivalente a un motor de 200 pasos por vuelta).
  • Velocidad del motor: El precio a pagar por una alta resolución es la velocidad y el torque. Los motores de alta resolución dejan de funcionar correctamente a menores RPM que un motor similar con menos resolución. De igual forma la gran cantidad de pasos provoca una disminución en el torque efectivo del motor.
  • Tipo de eje: Existen numerosos tipos de ejes, se pueden encontrar motores con eje redondo y en forma de “D”, ejes tipo tornillo sin fin, usados en motores de posicionamiento en unidades ópticas, ejes tipo engrane, etc.
  • Caja de reducción: Existen motores a pasos que van acoplados a un engranaje de reducción, ganando con esto mayor resolución y torque, pero disminuyendo su velocidad. Dependiendo de la aplicación se puede requerir un motor con reducción.

motor a pasos características

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