Motores paso a paso: Características

1. Motores paso a paso: Características • Similares a los motores de corriente continua. • Diferencia principal: se usan más para posicionamiento electromecánico. • Otras diferencias: • la conmutación de polos es externa; • nº polos grande, paso pequeño ->precisión en movimientos • nº de polos variable (relacionado con nº pasos necesario para completar una vuelta)

2. Motores paso a paso: Especificaciones • Tensión de operación • Resistencia de los arrollamientos • nº de pasos por revolución (o ángulo de cada paso) • Torque o cupla disponible • Velocidad máxima de operación • Otros: peso, cte. máxima/bobina, etc. Resolución: número de pasos para completar una vuelta (mayor cantidad de pasos, mayor resolución).

3. Motores paso a paso: Funcionamiento 2 arrollamientos excitados: posición estable, S y N, N y S enfrentados. 1 arrollamiento excitado: posición estable, N y S enfrentados. El rotor giró ½ paso. 2 arrollamientos excitados: posición estable (similar a la inicial). El rotor giró 1 paso.

4. Motores paso a paso: Control • Secuencia de accionamiento 2-2 (2 arrollamientos consecutivos siempre activos). • Cada fase de esta secuencia avanza el stepper un paso. • Recorriendo la secuencia inversa, gira al revés.

5. Motores paso a paso: Control • Secuencia de accionamiento1-2 (alternativamente 1 y 2 arrollamientos energizados). • Cada fase avanza el stepper ½ paso.

6. Motores paso a paso: Tipos de steppers • Existen 3 tipos básicos: • De reluctancia variable • De imán permanente • Híbridos • Se diferencian por el tipo de construcción (uso o no de imanes permanentes en el rotor y estatores de acero laminado).

7. Motores paso a paso: Tipos de steppers Motor dereluctancia variable • No usa imanes permanentes en el rotor • Por eso, se mueve libremente al girarlo • Uso: aplicaciones no industriales que requieren poco torque Motor de 15 grados por paso

8. Motores paso a paso: Tipos de steppers Motor dereluctancia variable • Usualmente tienen 3 (a veces 4) bobinados, con un retorno común. • El stepper de la figura tiene 4 “dientes” en el rotor y 6 polos en el estator.

9. Motores paso a paso: Tipos de steppers Motor deimán permanente • El rotor está compuesto por varios polos (imanes permanentes). • El rotor no tiene “dientes” • Tienen baja velocidad y bajo torque. • Bajo costo. • Ideales para aplicaciones no industriales (por ej. impre-soras, scanners, disketeras). Motor de 90º por paso con 4 fases (A-D)

10. Motores paso a paso: Tipos de steppers Motor híbrido • Combina las mejores características de los anteriores. • Tienen muchos polos en el rotor (p.ej. 200). • Tienen altas resoluciones (hasta < 1º). • Tienen gran torque. • Son más caros. • Ideales para aplicaciones industriales (p.ej. robots).

11. Motores paso a paso: Tipos de steppers Motores unipolares • Tienen 5 o 6 terminales, con una derivación en el centro de cada bobina. • Los puntos medios(1 y 2) se conectan a c.c. y los terminales (a y b) a masa alternativamente. • El rotor de la figura es un magneto de 6 polos. • Cada arrollamiento o bobina está distribuido entre 2 polos en el estator.

12. Motores paso a paso: Conexión de las bobinas

13. Motores paso a paso: Tipos de steppers Motores bipolares • Similares a unipolares pero sin derivación central en las bobinas. • Es más simple que unipolares, pero el driver es más complejo. • Requiere un “puente H” para alimentar cada bobina con ambas polaridades.

14. Motores paso a paso: Control de steppers Circuito de control para un stepper de reluctancia variable Una unidad de control (no representada) provee las señales necesarias para abrir y cerrar las llaves con la secuencia apropiada para posicionar el motor o hacerlo girar. Puede ser una computadora con soft adecuado. • Se requiere una llave por cada bobina (transistor). • Como las cargas son inductivas, hay que agregar diodos de “damping” en paralelo para proteger los transistores.

15. Motores paso a paso: Control de steppers Circuito de control para steppers unipolares e híbridos Como en el caso anterior, cada cuadro representa una llave electrónica. Como la corriente circula en 2 sentidos por cada semibobina, se requieren 2 diodos por cada una.

16. Motores paso a paso: Control de steppers Circuito de control para steppers bipolares: puente H Para evitar cortocircuitar la fuente: En este tipo de circuitos hay que ser cuidadoso con el control para no cortocircuitar la fuente! (p.ej. al cerrar A y B simultáneamente).

17. Motores paso a paso: Circuitos de drivers prácticos Para motores unipolares y de reluctancia variable. • Cada llave es compatible con una entrada TTL. • Los 5 V para la lógica, incluyendo la del driver open collector 7407 debe estar bien regulada. • El SK3180 es un Darlington con ganancia de corriente = 1000. • El IRL540 puede manejar hasta 20 A, soportando tensiones inversas de hasta 100 V. El ULN2003, circuito comercial con 7 transistores Darlington con entradas compatibles con TTL, c/u protegido con 2 diodos ( protegen contra tensiones inversas y picos inductivos).

18. Drivers para el control: el ULN2003 • Corriente máxima: 500 mA (sólo se muestran 4 de los 7 transistores). • Incluye los diodos de “damping” para proteger al transistor de la cte. inversa cuando se desconecta la carga inductiva

19. Motores paso a paso: Circuitos de drivers prácticos Para motores bipolares y puentes H • Las entradas X e Y pueden controlarse con drivers TTL open collector. • Conocidos como puente H. • Para energizar la bobina, sólo con X alto e Y bajo o viceversa. Para cargas y tensiones pequeñas puede usarse un tri-state TTL tipo LS244 como semipuente.

20. Motores paso a paso: Circuitos de drivers comerciales Circuito “puente H” comercial • El L293 contiene 2 puentes H (puente H dual). • La versión L293D es igual pero incluye los diodos de protección. • Permiten manejar steppers bipolares de hasta 1 A por bobina y 36 V.

21. Motores paso a paso: Circuitos de drivers comerciales: L298 Para cargas mayores (hasta 2 A) puede usarse el L298, también puente H dual.

22. Motores paso a paso: Circuitos de drivers comerciales: L298 Para corrientes mayores (4 A) pueden conectarse ambos puentes en paralelo:

23. Motores paso a paso: Drivers • El driver recibe los pulsos de bajo nivel desde el sistema de control (indexer), generando los pasos para mover el motor. • La velocidad y torque depende del flujo de corriente a las bobinas, que está limitada por la inductancia. • Para reducir este efecto, muchos drivers trabajan con mayores tensiones que las del motor.

24. Motores paso a paso: Indexer o controlador • Provee la cantidad de pasos y dirección de giro al driver. • A veces incluye otros parámetros como aceleración, desaceleración, pasos por segundo. • Los basados en microprocesador pueden funcionar stand-alone o controlados por una computadora vía RS232. En nuestro ejemplo se hace por el pto. paralelo.

25. Motores paso a paso: Circuito controlador + driver Mediante el L297 se generan las señales necesarias (paso o semipaso, cantidad de pasos, dirección, etc.).