| stepper motor (Automotive) |
Motor de etapas. Motor paso a paso.
Motores Paso a Paso y su Aplicación en Sistemas de Control de Movimiento Introducción
Figura : Vista en corte de un motor paso a paso híbrido de 5 fases. Un imán permanente está ubicado dentro del conjunto del rotor, y los segmentos del rotor están desfasados entre sí 3,5°.
- 50 dientes en cada rotor (50 teeth on each rotor)
- Bobinado (Winding)
- Cojinete de bolas (Ball bearing)
- Eje (Shaft)
- Estator (Stator)
- Rotor 1 (Rotor 1)
- Rotor 2 (Rotor 2)
Un motor paso a paso o stepper motor es un tipo de motor eléctrico de corriente alterna cuya característica principal es avanzar su eje en incrementos precisos o “pasos”, en función de los pulsos eléctricos que recibe. A diferencia de otros motores, el motor paso a paso convierte directamente los pulsos eléctricos en desplazamientos angulares, lo que lo hace ideal para aplicaciones de posicionamiento sin necesidad de sensores de realimentación en lazo cerrado, aunque puede utilizarse en lazo abierto o cerrado.
Cada pulso hace avanzar el rotor una cantidad determinada, y la rotación total depende del número de pulsos aplicados, lo cual permite determinar la posición del eje del motor simplemente contando los pulsos.
Principio de Funcionamiento y Control
Los motores paso a paso operan según principios electromagnéticos similares a otros motores, utilizando campos magnéticos para atraer o repeler el rotor. La diferencia esencial radica en el método de conmutación. A diferencia de los motores de corriente continua con escobillas (brush-type), los motores paso a paso no tienen conmutación mecánica interna; en su lugar, dependen de un controlador externo que genera las señales de activación para las diferentes fases o bobinas del estator.
El controlador determina:
- Dirección de giro (sentido horario o antihorario),
- Velocidad (mediante la frecuencia de los pulsos),
- Número de pasos (para lograr una posición deseada),
- Retención de posición (capacidad de mantener el rotor fijo sin aplicar movimiento).
Una característica útil es su par de detención o detent torque, que le permite al motor mantener su posición sin movimiento incluso si no se siguen aplicando pulsos. Esto es muy valioso en aplicaciones donde el motor debe mantener un componente en una posición fija.
Tipos de Motores Paso a Paso
1. Motor Paso a Paso de Imán Permanente (PM)
Este tipo emplea un rotor con núcleo de imán permanente magnetizado perpendicularmente al eje. Su construcción es sencilla y tiene típicamente dos bobinados independientes. Los ángulos de paso comunes son 45°, 90°, y en algunos modelos, 1.8°, 7.5° o 15° por paso.
-
Ventajas:
- Buena relación par-inercia.
- Buen amortiguamiento de vibraciones.
- Construcción económica.
-
Limitaciones:
- Menor resolución.
- Menor velocidad máxima comparada con otros tipos.
2. Motor de Reluctancia Variable (VR)
En estos motores, el rotor está formado por múltiples dientes de hierro sin magnetismo permanente. Se basa en el principio de que el rotor se alinea con el campo magnético generado por los polos del estator para minimizar la reluctancia.
3. Motores Paso a Paso Híbridos
Son los más sofisticados y combinan lo mejor de los motores PM y VR. Tienen rotores multitrenzados con imanes permanentes y estatores con múltiples dientes y bobinas. Los dientes del rotor están escalonados entre dos secciones para aumentar la resolución angular.
-
Ventajas:
- Alta resolución (1.8°, 3.6°, y versiones de 0.72°).
- Alta eficiencia y par de retención.
- Capacidad de microstepping.
-
Aplicaciones típicas:
- Impresoras 3D.
- Robots.
- Equipos de laboratorio.
- Instrumentación médica.
-
NEMA Frames:
Modos de Control: Paso Completo, Medio Paso y Microstepping
- Paso completo (full step): El rotor avanza con cada pulso a un ángulo fijo, por ejemplo 1.8°.
- Medio paso (half step): Cada pulso representa medio ángulo de paso; se consigue intercalando fases entre pasos completos.
- Microstepping: Divide cada paso en múltiples fracciones (por ejemplo 1/8, 1/16), suavizando el movimiento y reduciendo vibraciones.
Esto permite un control mucho más preciso y silencioso, aunque requiere controladores más avanzados.
Aplicaciones de los Motores Paso a Paso
Los motores paso a paso se utilizan en una gran variedad de aplicaciones gracias a su simplicidad, precisión y bajo costo relativo.
Aplicaciones típicas:
- Impresoras de inyección de tinta y láser.
- Máquinas CNC.
- Escáneres y plotters.
- Cámaras de vigilancia.
- Robots cartesianos.
- Dispositivos de automatización industrial.
Ventajas y Desventajas Generales Ventajas:
- Control preciso de la posición sin necesidad de realimentación (en modo lazo abierto).
- Par de retención útil para mantener posición.
- Alta fiabilidad, sin escobillas que se desgasten.
- Diseño simple y bajo costo.
Desventajas:
- Bajo rendimiento a altas velocidades.
- Mayor consumo de energía cuando están detenidos.
- Menor eficiencia comparado con servomotores en lazo cerrado.
- Riesgo de perder pasos si se excede el par disponible (pérdida de posición).
Recomendaciones de Uso
- En lazo abierto: Adecuado para aplicaciones de baja carga, baja aceleración y bajo riesgo si se pierde posición.
- En lazo cerrado: Requiere un sensor de posición y es ideal para cargas variables, mayor aceleración y precisión garantizada.
La elección del tipo de motor y modo de control depende de múltiples factores como:
- Carga inercial.
- Precisión requerida.
- Tipo de aplicación.
- Costo permitido del sistema.
| Tipo de Motor Paso a Paso |
Características Principales |
Ventajas |
Desventajas |
Aplicaciones Típicas |
| Motor de Imán Permanente (PM) |
- Rotor con imán permanente magnetizado lateralmente
- Dos bobinados principales
- Ángulos comunes de paso: 45°, 90°, 7.5°, 15°
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- Buena capacidad de par a baja velocidad
- Buena amortiguación
- Diseño sencillo
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- Baja resolución angular
- Menor precisión en comparación con híbridos
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- Instrumentación básica
- Equipos médicos
- Aplicaciones de bajo costo
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| Motor de Reluctancia Variable (VR) |
- Rotor de hierro con dientes múltiples
- No tiene imán permanente
- Ángulos típicos de paso: 15°, 30°
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- Gran par de retención (detent torque)
- Sin pérdida por imanes
- Buena respuesta a bajas velocidades
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- Baja eficiencia
- Mayor vibración y ruido
- Menor suavidad de rotación
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- Impresoras
- Equipos CNC económicos
- Aplicaciones donde el costo es prioritario
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| Motor Híbrido |
- Combina características de PM y VR
- Rotor y estator multitrenzados
- Ángulos de paso comunes: 1.8°, 0.9°, 0.72°
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- Alta precisión
- Buen par y rendimiento dinámico
- Compatible con microstepping
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- Mayor complejidad y costo
- Puede perder posición si se sobrecarga
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- Robótica
- Instrumentación de precisión
- Máquinas CNC
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Los motores paso a paso son fundamentales en el mundo del control de movimiento, especialmente en aplicaciones donde la precisión y la repetibilidad son más importantes que la velocidad o la eficiencia energética.
Términos destacados :
- Aplicaciones de motores paso a paso ( Stepper motor applications )
- Bobinas electromagnéticas ( Electromagnetic coils )
- Ciclo de accionamiento ( Drive cycle )
- Control en bucle cerrado ( Closed-loop control )
- Control en lazo abierto ( Open-loop control )
- Controlador compatible ( Compatible controller )
- Controladores externos ( External controllers )
- Corriente eléctrica ( Electric current )
- Diente del rotor ( Rotor tooth )
- Imán permanente ( Permanent magnet )
- Motor híbrido ( Hybrid motor )
- Motor paso a paso ( Stepper motor )
- Motor paso a paso PM ( PM stepper motor )
- Motor paso a paso VR ( VR stepper motor )
- Motor paso a paso híbrido ( Hybrid stepper motor )
- Motores de pasos por revolución ( Steps per revolution )
- Motores de reluctancia variable ( Variable reluctance motors )
- Par de retención ( Detent torque )
- Par dinámico ( Dynamic torque )
- Par estático ( Static torque )
- Posición angular ( Angular position )
- Precisión de posicionamiento ( Positioning accuracy )
- Resolución del motor ( Motor resolution )
- Rotor de imán permanente ( Permanent magnet rotor )
- Señales de conmutación ( Commutation signals )
- Sistema de control de movimiento ( Motion control system )
- Tamaño del bastidor ( Frame size )
- Torque elevado ( High torque )
- Velocidad de rotación ( Rotational speed )
- Ángulo de paso ( Step angle )
El desarrollo de motores híbridos, junto con la técnica de microstepping y la mejora de controladores electrónicos, ha ampliado enormemente su campo de aplicación. No obstante, para sistemas de alta dinámica o carga variable, puede ser necesario recurrir a servomotores con realimentación.
El ingeniero o diseñador debe evaluar cada caso particular teniendo en cuenta tanto las limitaciones técnicas como los objetivos económicos y de confiabilidad del sistema. |
