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MOTOR PASO A PASO

Presentación "Motor Paso a Paso". (Perona - Phileas) 5Q1 - UTN FRC
by

Andrés Phileas

on 16 September 2013

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Transcript of MOTOR PASO A PASO

MOTOR PASO A PASO
Universidad Tecnológica Nacional - Córdoba
CATEDRA:
Accionamientos y Controles
Eléctricos

Un motor “paso a paso” (o “PAP”) es un dispositivo electromecánico capaz de convertir una serie de
impulsos eléctricos
en
desplazamientos angulares discretos
.
Esto significa que, a diferencia de un motor convencional (que gira de forma continua), es capaz de avanzar una serie de grados (o pasos) a la vez.
Motor Paso a Paso - Introducción
Se pueden ver como motores eléctricos sin escobillas. Es típico que todos los
bobinados del motor sean parte del estator
, y el
rotor puede ser un imán permanente o un cilindro sólido
con un mecanizado en forma de dientes construido con un material magnéticamente "blando" (como el hierro dulce).
Este motor presenta las ventajas de tener
alta precisión y repetitividad
en cuanto al
posicionamiento
.
La conmutación se debe manejar de manera externa con
un
controlador electrónico
.

Los motores y sus controladores se diseñan de manera
que el motor se pueda mantener en una
posición fija
y
también para que se lo pueda hacer
girar en ambos
sentidos
.
La mayoría de los motores paso a paso conocidos se pueden hacer avanzar a frecuencias de audio, lo que les permite girar muy velozmente.

Con un controlador apropiado, se los puede hacer arrancar y detenerse en un instante en posiciones controladas.
Al igual que los motores de corriente continua, un motor PaP está constituido por dos partes: un estator y un rotor.

El
estator
está construido en base de una serie de cavidades en las que se ubican las bobinas. Cuando circula una corriente se forman los polos norte-sur necesarios para impulsar el motor.

El
rotor
puede basarse en un imán permanente o un inducido ferromagnético, siempre con el mismo número de
pares de polos que el contenido
en una sección de la bobina del
estator.
Generalidades
Si logramos que las bobinas se energicen en el orden y con la frecuencia adecuada, podremos crear polos N-S y hacer que el motor avance un paso en uno u otro sentido.
Si manejamos la excitación, de modo que el
campo magnético formado
efectúe un movimiento
giratorio
, el rotor seguirá el movimiento de dicho campo.
Otra característica importante es que estos motores poseen la habilidad de quedar “
enclavados
” en una posición determinada. Efectivamente, si una o más de sus bobinas están alimentadas, el motor estará enclavado en la posición correspondiente.


Si, por el contrario, no circula corriente por ninguna de sus bobinas, el rotor queda totalmente
libre
.
Grados por paso ó Resolución (
a
):

Especifica el número de grados que el rotor girará por cada paso.

Hay motores de: 0.72° (500 pasos),
1.8° (200 pasos),
3.6° (100 pasos),
7.5° (48 pasos),
15° (24 pasos),
y hasta 90° por paso.

El ángulo de paso "a" en grados para cualquier motor imán permanente o de reluctancia variable es:
a = 360º /n.P

n.P: número de pasos.

Donde:
n
: número de fases o grupo fase del estator, por Nº de polos o dientes del mismo.
P
: número de polos o dientes del rotor.
Está constituido por un rotor de láminas ferromagnéticas
no imantadas
, formando un cilindro alrededor del eje, éstas se encuentran
ranuradas de forma longitudinal
, formando dientes (polos del rotor).










La
ranuración del rotor conlleva una variación de la reluctancia
en función de su posición angular.
Tipos y Principio de Funcionamiento
Motor PaP de reluctancia variable
El terminal “común” generalmente va conectado al positivo de la fuente.
El modo de funcionamiento se basa en que el flujo generado por las bobinas se cierra por el rotor, este camino presenta una menor reluctancia en comparación al otro camino posible que es el aire.
Para rotar constantemente el motor, se aplica una secuencia lógica al grupo de bobinas, es decir que se energizan “1” y desenergizan “O” las bobinas en un determinado tiempo.
En este tipo de motores, el
rotor
es un
imán permanente
.
Se encuentra dispuesto de tal manera que los
polos N-S
se encuentran opuestos entre sí en forma
radial
.
Tipos y Principio de Funcionamiento
Motor PaP de imanes permanentes
Combinan los principios de los motores de imán permanente y los de reluctancia variable, obteniendo las características que destacan en cada uno de ellos.









Se obtienen unos
ángulos de paso pequeños
y
alto par
con un tamaño pequeño.
Tipos y Principio de Funcionamiento
Motor PaP Híbrido
Si el
estator
tiene una sola fase constituida por uno o dos bobinados, al
invertir la corriente
en el bobinado se
invertirá la polaridad
efectuando el rotor un
giro de 180º
pero no se puede predeterminar el sentido de giro.
Si en cambio el
estator
se hace de 2 fases ya
se elimina esa incertidumbre
.
Excitando las fases del
estator
de
forma que las caras
A
y
B
sean
polos sur
y las
D
y
C
sean
polos
norte
, el
lado norte
del rotor se
ubicará
entre las caras A y B
.
Si se
invierte la corriente
en los
bobinados
A
y
C
el
lado norte
del
rotor se ubicará
entre las caras B
y C
efectuando un giro de 90 grados.
En cada cambio de sentido de la corriente en fases sucesivas el rotor girará un paso de 90º. Para
cambiar el sentido de giro
hay que
cambiar la secuencia
.

En los rotores de imanes permanentes se suele mecanizar un número de dientes, esto le permite una mayor precisión.
El hecho de ser dentado hace que su posicionamiento no varíe aún desapareciendo la excitación.
El
rotor
,suele estar formado por anillos de acero dulce dentado y dichos anillos montados sobre un imán permanente dispuesto axialmente,
altamente magnetizado
produciendo un flujo unipolar.
Las bobinas del estator de lados opuestos se excitan simultáneamente, de forma tal que cuando a un diente le corresponde el polo norte al diente opuesto le corresponde el polo sur.

La diferencia con el de reluctancia variable es que la
cupla es mayor
porque la atracción magnética es ejercida en dos caras y el vínculo magnético es mucho mas fuerte.
El
ángulo de paso dependerá del número de polos del estator y el rotor
. Debido a las características del material magnético utilizado en la construcción del rotor,
el número de polos
de éste
es limitado
, por lo que los
ángulos
que se consiguen con este tipo de motor son
grandes
. En un intento de
reducción del ángulo
del paso se puede
incrementar el diámetro del imán del rotor
, con ello se consigue
aumentar el número de polos
, pero también el
momento de inercia
de éste. Esto
reduce drásticamente el par de arranque
, por lo que
esta posibilidad queda descartada
. La solución a adoptar consiste en
construir el motor con más de un estator
, con lo que se puede obtener ángulos del paso inferiores a 3,75º.
Agregando mas dientes en el rotor y polos en el estator se consiguen ángulos de paso mucho menores.








En la práctica, para conseguir una mayor resolución, los dientes del rotor se traslapan como se muestra en la figura
Los motores paso a paso unipolares se componen de
4 bobinas
.
Se denominan así debido a que
la corriente que circula por sus bobinas lo hace en un mismo sentido
, a diferencia de los bipolares. Se componen de 6 cables externos, dos para cada bobina, y otro para cada par de éstas, aunque también se pueden ver con 5 cables, compartiendo el de alimentación para los 2 pares de bobinas.
Interconexión y operación de devanados
Motores Unipolares
Para un motor que gira S radianes por paso, la gráfica de
torque versus su posición angular
del rotor generalmente se aproxima a una
sinusoide
.
La forma real
depende de la geometría del rotor y del estator
.
Estados del Motor PaP
Rotor Detenido
Alternativas Constructivas
Ventajas
Para controlarlo
debemos alimentar el común del motor con Vcc
y conmutaremos con masa en los cables del devanado correspondiente con lo que haremos pasar la corriente por la bobina del motor adecuada y esta generará un campo electromagnético que atraerá el polo magnetizado del rotor y el eje del mismo girará.
Cada bobina está dividida mediante una derivación central
conectada a un terminal de alimentación, de este depende el sentido de la corriente de c/bobina.
Existen tres secuencias. Para revertir el sentido de giro, simplemente se deben ejecutar las secuencias en modo inverso.
Secuencias de manejo PaP Unipolares
Secuencia Normal
Esta es la
secuencia más usada
y la que generalmente recomienda el fabricante.

Con esta secuencia e
l motor avanza un paso por vez
y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas, se obtiene un
alto torque de paso y de retención.
Secuencia WD (wave drive)
En esta secuencia
se activa solo una bobina a la vez
. Esto brinda un
funcionamiento mas suave
.

La contrapartida es que al estar solo una bobina activada, el
torque de paso y retención es menor
.
Secuencia 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, la secuencia completa consta de 8 movimientos en lugar de 4.
Se componen de
2 bobinas
. Se construyen en forma similar que los unipolares pero los
devanados se conectan en forma más sencilla
, puesto a que
no posee terminales centrales
.
Motores Bipolares
El motor en sí es más sencillo, pero el
circuito de control se torna más complejo
puesto a que se necesita revertir la polaridad de cada bobina.
Se utiliza el puente H (H-bridge), permite energizar las bobinas con la polaridad que se desea.
El
par
es proporcional a la
intensidad del campo magnético
generado por los devanados del estator. Solo puede aumentarse si se añaden mas espiras en el bobinado o se aumenta la corriente por cada fase.
Relación par-excitación bipolar y unipolar
Comparación:
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:

- Puede que no realice ningún movimiento en absoluto.
- Puede comenzar a vibrar pero sin llegar a girar.
- Puede girar erráticamente.
- 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.
En el motor bipolar la corriente por el bobinado puede aumentarse en un factor (√2), lo cual tiene un efecto directo sobre el par. Gracias a su menor pérdida de potencia, los motores bipolares proporcionan aproximadamente un 40% más. En igualdad de par un motor bipolar se pude reducir en tamaño.
Son desarrollados de la misma forma que los motores bipolares, pero en lugar de enrollar cada bobina con un solo conductor, se utilizan
dos conductores en paralelo
. Como resultado el motor posee 8 conductores en lugar de 4.

En la práctica son alimentados
como motores unipolares.
Motores Bifilares
Para utilizar el motor bifilar como
monopolar se conecta los devanados
en serie (a-d) y se utiliza este como
terminal central (conexión superior).

Para utilizar como uno bipolar se interconectan ambos devanados en paralelo como se muestra en la figura (esquema inferior). Lo anterior permite operaciones de bajo voltaje y alta corriente.

Los motores PaP comercializados son bifilares, entonces es natural que se pueda utilizar los motores unipolares como bipolares aplicando el doble de voltaje entre terminales y a la mitad de la corriente de placa.

Poseen sus bobinas interconectadas en una serie cíclica, entre cada par de bobinas conectadas hay un terminal, mientras que los otros extremos se encuentran en una conexión interna inaccesible.
Motores Multifase
Los motores comúnmente utilizados son los trifásicos, las interconexiones corresponderían a las configuraciones estrella (Y) y delta (D). También son utilizados los motores de 5 fases.
Algunos motores tienen todos sus terminales disponibles para que el usuario escoja la conexión que desee.
Estas máquinas han sido utilizadas exitosamente como motores paso a paso en aplicaciones industriales
Para motores de imanes permanentes e híbridos, la curva sinusoidal suele ser engañosa pues la forma del torque-ángulo se aproxima más a formas trapezoidales e incluso dientes de sierra.
Para un motor ideal de imanes permanentes de 2 devanados el expresado como torque puede ser:
El penduleo es una fluctuación o variación periódica de la velocidad del rotor con respecto a la del campo magnético rotatorio del estator.
h: torque máximo en la posición de rotor trancado.
S: ángulo de paso del rotor en radianes.
θ: posición en radianes.

El torque
no siempre decae a cero
debido a la pequeña
magnetización residual
en los circuitos magnéticos del motor producto de la conmutación.
Al alimentar dos bobinas del motor, se producirá una curva de torque versus posición que será la suma de las curvas de las bobinas individuales.
Medio y micro pasos
Para un motor de imanes permanentes o híbrido, las dos curvas de torque estarán desfasadas en S radianes entre sí. Además
si las corrientes por las bobinas poseen igual valor
máximo,
la curva resultante (suma) estará desfasada en S/2 radianes
de los picos de las curvas originales.

Este principio es la base de los medios pasos. Considerando el efecto de saturación, el sumar ambas curvas dará como resultado un valor menor que la suma de ambos debido a que se pierde la linealidad.
Los micro pasos permiten mayor resolución en el ángulo de posicionamiento del rotor, ya que
si se controla la corriente que circula por cada bobina
se puede
desplazar la curva de torque
(suma) a ángulos intermedios entre ambas curvas.

En la gráfica se aprecia el efecto de sumar dos curvas de torque y el efecto en la suma.
Se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real.
Los motores PaP
requieren de una etapa de potencia que energice y suministre la potencia necesaria para generar el torque solicitado
.
Las técnicas comúnmente utilizadas para realizar este proceso se encuentran en cierta forma “estandarizadas”, debido a que el desarrollo en los motores PaP va de la mano con los accionamientos que los controlen.
Muchos controladores traen integrada la etapa de potencia, otros deben ser instalados en forma independiente al control.
Accionamientos del Motor Pap
Etapa de Potencia
La rápida localización de objetos es sencilla, gracias al
desplazamiento controlado por el ordenador
. Por otra parte, el control de los motores por el ordenador permite
movimientos complejos
, tales como sobrevuelos con movimientos suaves sobre campos visuales y objetos extensos, además del seguimiento rápido de satélites.
Aplicaciones
Telescopio Dobson
Si se modela la bobina como un sistema R-L, se tiene esta respuesta I de conexión y desconexión.

El interruptor debe soportar los cambios bruscos de estados de la tensión y corriente por lo que el dimensionamiento de este dependerá de las características eléctricas del motor.

Como nombramos anteriormente, se usa este circuito
para el manejo de una de las bobinas
.
Puente H (H-bridge)
Las excelentes características en la relación de par/tamaño de los motores bipolares sobre los unipolares, ha relegado a estos últimos prácticamente a la extinción, sobre todo
con la aparición de integrados específicos
para el control bipolar, con una relación de precios muy bajos y ofreciendo una facilidad de control y montaje semejante a la de los unipolares.
De aquí que en la
mayoría de las aplicaciones se adopte un motor bipolar
conmutado en puente H.
Aplicando una señal positiva en la entrada marcada AVANCE se hace conducir al transistor Q1.
La corriente de Q1 circula por las bases, de Q2 y Q5, haciendo que el terminal a del motor reciba un positivo y el terminal b el negativo (tierra).
Funcionamiento
Los diodos conectados en paralelo de los transistores son para suprimir el pico de tensión que se produce cuando el transistor se desactiva.
Si en cambio se aplica señal en la entrada RETROCESO, se hace conducir al transistor Q6, que cierra su corriente por las bases, de Q4 y Q3.
En este caso se aplica el positivo al terminal b del motor y el negativo (tierra) al terminal a del motor.
Algo muy importantes a tener en cuenta en el control de este circuito es que las señales
AVANCE y RETROCESO jamás deben coincidir
.
Si esto ocurre los transistores, Q2, Q3, Q4 y Q5 cerrarán circuito directamente entre el positivo de la fuente de alimentación y tierra, sin pasar por el motor, de modo que es seguro que se excederá la capacidad de corriente y los transistores se dañarán.

Para evitar esto, se utilizan circuitos llamados "de interlock", generalmente digitales, basados en compuertas lógicas. Abajo mostramos un ejemplo.

En las curvas de corriente v/s tiempo de una
bobina, se verifica que la
cupla dinámica va disminuyendo con la velocidad
.

Al ser la alimentación a tensión constante, la velocidad de crecimiento de la
corriente en los devanados depende de la constante de tiempo
L/R
, y a medida que aumenta la frecuencia de los pulsos aplicados al motor, la corriente efectiva que circula por los devanados es menor y en consecuencia menor es la cupla.
Problema de torque
En los casos antes mencionados las curvas de torque y posición no toman en cuenta el torque del motor para tratar de vencer la fricción. Esta fuerza puede ser dividida en dos categorías: las estáticas, que ofrece un torque constante sin importar la velocidad, y la dinámica, que varía con la velocidad.

Ahora nos centraremos en las fuerzas estáticas. Supongamos que tal fuerza sea de ½ peak del torque total, se muestra a continuación una representación gráfica en línea punteada.

La gráfica 5 muestra el torque disponible como
función del ángulo. Note que el efecto de la fricción
estática es doble: *Primero, el torque de la carga se
reduce. *Segundo, existe una zona muerta para la
posición de equilibrio de la corriente, el torque de
fricción excederá al torque aplicado por la bobina
del motor, y el rotor no se moverá.


Fricción y zona muerta
.....
Cada vez que funciona el motor PaP, electrónicamente las bobinas del motor se energizan en una secuencia tal que desplazan la curva de torque (descrita anteriormente en la operación estática).

El torque máximo que podrá cargar el motor
mientras avanza lentamente es denominado
Running torque.

A mayores velocidades, el torque dinámico es a veces definido como el pull-out torq. Este es el máximo torque de fricción que el motor puede soportar con una carga que rota, antes que a carga sea sacada del paso por la fricción.

En la práctica, debido a que siempre hay algo de fricción, al moverse un paso el rotor tiende a oscilar en la nueva posición de equilibrio. Lo mencionado se representa en la siguiente gráfica de Ángulo v/s tiempo.

La trayectoria de equilibrio se muestra en línea
punteada mientras que la posición del rotor se
muestra en línea continua.
Funcionamiento dinámico del motor
Para solucionar este problema se plantean las siguientes soluciones:
Problema de torque
En la figura se aprecia el efecto del decaimiento del valor efectivo de la corriente por las bobinas.
- Mejorar la respuesta transitoria disminuyendo la constante de tiempo del circuito.



- Aumentar la tensión de alimentación sólo en el arranque.


- Controlar la corriente mediante chapeado.
Entre sus principales aplicaciones destacan como motor de frecuencia variable, motor de corriente continua sin escobillas, servomotores y motores controlados digitalmente.
A continuación se presenta una secuencia de control de 24 pasos o dos revoluciones.
Funciona con el
principio básico del magnetismo
: polos de igual signo se repelen y polos de signo opuesto se atraen.
Cada vuelta recorrida por el rotor se compondrá de tantos saltos como bobinas diferentes "n" existan en el estator.
D= 360/n.
Para esto usamos circuitos electrónicos (compuesto por transistores montados en configuración Darlington o usar un circuito integrado como el ULN2003).
El esquema de uso del ULN2003 para un motor unipolar es el siguiente:
Resonancia
El ancho angular de estas zonas muertas está dada por:

d = ( S / ( π / 4 ) ) arcsin ( f / h ) - donde:

d = ancho de la zona muerta (en radianes).
S = ángulo de paso (en radianes).
f = torque necesario para salir del estado.
h = torque a rotor bloqueado.

Lo importante es darse cuenta que la zona muerta limita la precisión final de posicionamiento.

La presencia de una zona muerta tiene un gran impacto en la utilización de micro-pasos. Si la zona muerta es de “x” ancho, entonces los micro-pasos con un tamaño de paso menor puede que no mueva el rotor. Entonces, para sistemas que tienen el propósito de usar micro-pasos de alta resolución es muy importante minimizar la fricción estática.



Puesto que la velocidad de guiado varía constantemente, se necesita un microprocesador (PC) para controlar los motores. El programa, por medio del puerto paralelo del PC, controla directamente la forma de onda de la corriente que se aplica a cada bobinado del motor, consiguiéndose un controlador barato y de gran versatilidad.
Los motores paso a paso están preparados para realizar un seguimiento suave por medio de micropasos, y para desplazar el telescopio a gran velocidad por medio de medios pasos con sobrevoltaje.
En todos aquellos mecanismos que requieran posicionarse con precisión en puntos fijos.
La cantidad de giros o desplazamiento angular de estos motores es programada en forma secuencial para aplicar a los mecanismos por medio de drivers comandados por órdenes de caracterìstica de lógica digital.
Impresoras, fotocopiadoras, ploteadoras, etc.
Es de suma importancia conocer la frecuencia de resonancia puesto que determinará el grado de carga que se puede aplicar al eje del rotor del motor PaP.
La dependencia de la velocidad angular se presenta la siguiente gráfica.

La gráfica 8 muestra un peak del torque en la frecuencia
de resonancia eléctrica y un valle en la frecuencia de
resonancia mecánica.

La frecuencia de resonancia mecánica (f.r.m) depende del torque, por lo que si la frecuencia de resonancia eléctrica (f.r.e.) se ubica cerca de la primera (f.r.m.) será sustituida por la (f.r.e). Existen técnicas para modificar los modos naturales del circuito del motor PaP y así conseguir modificar la f.r.e.
La ecuación de la ley de Newton define el torque como:

Suponemos que para amplitudes menores, el torque
puede ser aproximado como una función lineal del
desplazamiento desde la posición de equilibrio. Se aplica la ley de Hooke’s.
Igualando las dos ecuaciones anteriores para el torque queda:

A través de este planteamiento se ha supuesto que el motor
se encuentra resonando y tiene la siguiente ecuación de movimiento:




La solución admisible de la
ecuación diferencial mencionada
anteriormente está de acuerdo en que:

Resolviendo, la frecuencia de resonancia es función
de k y p:


Cabe destacar que el momento de inercia del rotor es pequeño por lo que la frecuencia estará influenciada mayormente por la inercia de la carga.
En la práctica la oscilación puede causar problemas significantes cuando el ritmo del paso se encuentra cerca de la frecuencia de resonancia del sistema. El resultado es un movimiento al azar e incontrolable.
Las
ventajas
que presenta este motor es que
aumenta el torque
en comparación al de reluctancia variable. Otro punto a favor es la permanencia en el último estado por el torque de fricción, lo que minimiza el error, puesto a que el control por lo general se construye a lazo abierto. Además,
permite mantener un par diferente de cero cuando el motor no está energizado
.
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