Montaje en el Laboratorio

Introducción

Un motor paso a paso, es en esencia un conversor electromecánico, que transforma energía eléctrica en mecánica. Mientras que un motor convencional gira libremente al aplicarle una tensión, el motor paso a paso gira un determinado ángulo de forma incremental (transforma impulsos eléctricos en movimientos de giro controlados), lo que le permite realizar desplazamientos angulares fijos muy precisos (pueden variar desde 1,80º hasta unos 90º).

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 o, en el caso de los motores de reluctancia variable, un cilindro sólido con un mecanizado en forma de dientes (similar a un engranaje), construido con un material magnéticamente "blando" (como el hierro dulce).

Partes de los motores paso a paso :

1.- Estator: Parte fija exterior del motor. El estator está formado por una carcasa metálica que sirve de soporte. En su interior van depositadas las bobinas.

2.- El rotor es la parte móvil del motor construido por un imán permanente.

Estas dos partes van montadas sobre un eje.

Los motores paso a paso tienen una característica adicional: el torque de detención (que se puede ver mencionado también como "par de detención", e incluso par/torque "de mantenimiento"), que no existe en los motores de CC. El torque de detención hace que un motor paso a paso se mantenga firmemente en su posición cuando no está girando. Esta característica es muy útil cuando el motor deja de moverse y, mientras está detenido, la fuerza de carga permanece aplicada a su eje. Se elimina así la necesidad de un mecanismo de freno.

Si bien es cierto que los motores paso a paso funcionan controlados por un pulso de avance, el control de un motor paso a paso no se realiza aplicando en directo este pulso eléctrico que lo hace avanzar. Estos motores tienen varios bobinados que, para producir el avance de ese paso, deben ser alimentados en una adecuada secuencia. Si se invierte el orden de esta secuencia, se logra que el motor gire en sentido opuesto. Si los pulsos de alimentación no se proveen en el orden correcto, el motor no se moverá apropiadamente. Puede ser que zumbe y no se mueva, o puede ser que gire, pero de una manera tosca e irregular.

Esto significa que hacer girar un motor paso a paso requiere un circuito de control, que será el responsable de convertir las señales de avance de un paso y sentido de giro en la necesaria secuencia de energización de los bobinados. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador.

El angulo de giro del rotor, cuando se efectúa un cambio de polaridad en las bobinas del estator, se le denomina "ángulo de paso". Generalmente, este es el factor más importante al elegir un motor paso a paso para un uso determinado. Este factor define la cantidad de grados que rotará el eje para cada paso completo. Una operación de medio-paso o semi-paso (half step) del motor duplicará la cantidad de pasos por revolución al reducir la cantidad de grados por paso. Cuando el valor de grados por paso no está indicado en el motor, es posible contar a mano la cantidad de pasos por vuelta, haciendo girar el motor y sintiendo por el tacto cada "diente" magnético. Los grados por paso se calculan dividiendo 360 (una vuelta completa) por la cantidad de pasos que se contaron. Las cantidades más comunes de grados por paso son: 0,72°, 1,8°, 3,6°, 7,5°, 15° y hasta 90°. A este valor de grados por paso usualmente se le llama la resolución del motor. En el caso de que un motor no indique los grados por paso en su carcasa, pero sí la cantidad de pasos por revolución, al dividir 360 por ese valor se obtiene la cantidad de grados por paso. Un motor de 200 pasos por vuelta, por ejemplo, tendrá una resolución de 1,8° por paso.

Los motores son fabricados para trabajar en un rango de frecuencias determinado por el fabricante, y rebasado dicho rango, provocaremos la pérdida de sincronización. 

En conclusión el motor de paso a diferencia de los motores de Corriente Continua necesita una secuencia determinada en sus cuatro terminales para originar el giro de su rotor. La secuencia necesaria para cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas permite:

.-  controlar el desplazamiento del rotor, con lo que podemos conseguir desplazamientos adelante y atrás.

.-  controlar el número de pasos por vuelta.

.-  controlar la velocidad del motor.

Tipos de motores paso a paso:

Los motores paso a paso se dividen en dos categorías principales: de imán permanente y de reluctancia variable. También existe una combinación de ambos, a los que se les llama híbridos.

Los de imán permanente son los que más conocemos, utilizados, por ejemplo, en el avance de papel y del cabezal de impresión de las impresoras, en el movimiento del cabezal de las disketteras, etc. Como su nombre indica, poseen un imán que aporta el campo magnético para la operación.

Los motores del tipo de reluctancia variable, en cambio, poseen un rotor de hierro dulce que en condiciones de excitación del estator, y bajo la acción de su campo magnético, ofrece menor resistencia a ser atravesado por su flujo en la posición de equilibrio. Su mecanización es similar a los de imán permanente y su principal inconveniente radica en que en condiciones de reposo (sin excitación) el rotor queda en libertad de girar y, por lo tanto, su posicionamiento de régimen de carga dependerá de su inercia y no será posible predecir el punto exacto de reposo. 

Diferentes tipos de cableado de las bobinas

Cada uno de estos tipos requerirá un diferente circuito de control. En esta práctica vamos a utilizar un motor unipolar  de 6 cables.

Secuencia para Motores de paso Unipolares

Estas secuencias siguen el orden indicado en cada tabla para hacer que el motor gire en un sentido, si se desea que gire en sentido opuesto, sólo se debe invertir dicha secuencia.

Básicamente alcancé a conocer 3 formas de controlar estos motores paso a paso, la primera es realizar una secuencia que activa una bobina por pulso.

La verdad es que con esto bastaría, pero al trabajar con una sola bobina se pierde un poco el torque del motor.

La otra propuesta es activar las bobinas de a dos, en este caso el campo magnético se duplica, y en consecuencia el motor tiene mayor fuerza de giro y retención, la secuencia sería la siguiente:

En estas dos formas de control vistas anteriormente se respetan la cantidad de pasos preestablecidas para cada motor, por ej., si tiene un ángulo de giro de 90º, con 4 pasos das una vuelta completa, pero también puedes hacerlo con 8 pasos, para lo cual deberías programar la siguiente secuencia.

Esta es una combinación de las dos anteriores, y conocida como secuencia de medio paso, por si te preguntas que pasa con la fuerza de giro, sólo puedo decirte que en este caso es bueno tener en cuenta la inercia del motor cuando este se encuentra en movimiento.

También deberías saber que hay un tiempo determinado para realizar la secuencia en cada uno de los pasos que se debe dar, ya que si la velocidad de los pulsos es demasiado alta, es posible que el motor se vuelva loco y gire en cualquier sentido.

ULN 2003 Circuito controlador de potencia

Para el funcionamiento de un motor unipolar, uno de los sistemas más sencillos y económicos es hacerlo funcionar a través de un circuito integrado denominado ULN2003.

El ULN2003 es un IC monolítico formado por siete pares de transistores NPN Darlington con alto voltaje y capacidad de corriente. Es de uso general para aplicaciones tales como controladores de relé, motor, controladores de pantalla, los conductores de la lámpara LED, los conductores de la línea, los conductores de martillo y otras aplicaciones de corriente de alta tensión. Se compone de diodos de fijación cátodo comunes para cada par darlington NPN que hace este controlador IC útil para la conmutación de cargas inductivas.

La salida del controlador es de colector abierto y la capacidad de corriente de colector de cada par darlington es 500mA. Pares Darlington pueden ser paralelas si se requiere una mayor corriente. El controlador IC también se compone de una resistencia de base 2.7KΩ para cada par darlington. Por lo tanto cada par darlington se puede operar directamente con los dispositivos TTL o CMOS 5V.

El esquema de funcionamiento sería el de la figura siguiente, las entradas 1,2,3 y 4 de este circuito integrado está controlado por el microcontrolador y las salidas denominadas 16,15,14 y 13 corresponden a las entradas del motor, en el  ULN2003 hay que tener en cuenta que este circuito integrado trabaja con lógica negativa por lo que la señal binaria enviada por el microcontrolador es invertida por el ULN2003.