Control de motores paso a paso

Los motores eléctricos convierten la energía eléctrica en energía mecánica y, en cuanto a los motores paso a paso, convierten la energía de los impulsos eléctricos en movimientos giratorios del rotor. El movimiento generado por la acción de cada pulso se inicia y repite con alta precisión, lo que hace que los motores de bola sean accionamientos eficientes para dispositivos que requieren un posicionamiento preciso.

Los motores paso a paso de imán permanente incluyen: un rotor de imán permanente, devanados de estator y un núcleo magnético. Las bobinas de energía crean polos norte y sur magnéticos como se muestra. El campo magnético en movimiento del estator obliga al rotor a alinearse con él en todo momento. Este campo magnético giratorio se puede ajustar controlando la excitación en serie de las bobinas del estator para hacer girar el rotor.

La figura muestra un diagrama de un método de excitación típico para un motor de dos fases. En la fase A, las dos bobinas del estator están energizadas y esto hace que el rotor se atraiga y se bloquee cuando los polos magnéticos opuestos se atraen entre sí.Cuando los devanados de la fase A se apagan, los devanados de la fase B se encienden, el rotor gira en el sentido de las agujas del reloj (inglés CW - en el sentido de las agujas del reloj, CCW - en el sentido contrario a las agujas del reloj) 90 °.

Luego, la fase B se apaga y la fase A se enciende, pero los polos ahora son opuestos a lo que eran al principio. Esto conduce al siguiente giro de 90°. A continuación, se apaga la fase A y se enciende con polaridad inversa la fase B. La repetición de estos pasos hará que el rotor gire en el sentido de las agujas del reloj en incrementos de 90°.

El control paso a paso que se muestra en la figura se denomina control monofásico. Una forma más aceptable de control por pasos es el control activo de dos fases, donde ambas fases del motor están siempre encendidas, pero la polaridad en una de ellas cambia, como se muestra en la figura.

Este control hace que el rotor del motor paso a paso se mueva para que se alinee con cada paso en el centro de los polos norte y sur formados, entre las protuberancias del circuito magnético. Como ambas fases están siempre encendidas, este método de control proporciona un 41,4 % más de par que el control con una fase activa, pero requiere el doble de potencia eléctrica.

medio paso

Un motor paso a paso también puede ser "semi-paso a paso", luego se agrega una etapa de disparo durante la transición de fase. Esto reduce el ángulo de inclinación a la mitad. Por ejemplo, en lugar de 90°, un motor paso a paso puede hacer rotaciones de 45° en cada «medio paso», como se muestra en la figura.

Pero el modo de medio paso introduce una pérdida de par del 15-30%, en comparación con el control de paso con dos fases activas, porque uno de los devanados está inactivo durante la mitad del paso y esto finalmente conduce a una pérdida de fuerza electromagnética, actuando sobre el rotor, es decir, la pérdida neta de par.

bobina bipolar

El control de paso de dos fases asume la presencia de un devanado de estator de dos polos. Cada fase tiene su propia bobina, y cuando la corriente se invierte a través de las bobinas, las polaridades electromagnéticas también cambian. La etapa inicial es típica controlador de dos fases se muestra en la figura. El esquema de control se muestra en la tabla. Se puede ver cómo simplemente cambiando la dirección de la corriente a través de las bobinas es posible cambiar la polaridad magnética en las fases.

Bobina unipolar

Otro tipo típico de bobina es una bobina unipolar, aquí las bobinas se dividen en dos partes y cuando una parte de la bobina se energiza, se crea un polo norte, cuando la otra parte se energiza, se crea un polo sur. Esta solución se llama bobina unipolar porque la polaridad eléctrica responsable de la corriente nunca cambia. Las etapas de control se muestran en la figura.

Este diseño permite utilizar un bloque electrónico más simple. Sin embargo, casi el 30% del par se pierde aquí en comparación con una bobina bipolar porque las bobinas tienen la mitad del cable que una bobina bipolar.

Otros ángulos de inclinación

Para obtener ángulos de paso más pequeños, es necesario tener un mayor número de polos tanto en el rotor como en el estator. El rotor de 7,5° tiene 12 pares de polos y el núcleo magnético del estator tiene 12 protuberancias. Dos orejas de bobina y dos bobinas.

Esto da 48 polos por cada paso de 7,5°. En la figura se pueden ver los terminales de 4 polos en sección. Por supuesto, es posible combinar los pasos para lograr grandes desplazamientos, por ejemplo, seis pasos de 7,5° darán como resultado una rotación del rotor de 45°.

Exactitud

La precisión de los motores paso a paso es del 6-7% por paso (sin acumulación). Un motor paso a paso con pasos de 7,5° siempre estará dentro de los 0,5° de la posición predicha teóricamente, sin importar cuántos pasos ya se hayan dado. El error no se acumulará porque mecánicamente cada 360° se repite paso a paso. Sin carga, la posición física de los polos del estator y del rotor entre sí será la misma en todo momento.

Resonancia

Los motores paso a paso tienen su propia frecuencia resonante porque son sistemas similares a un resorte. Cuando el ritmo es igual a la frecuencia de resonancia natural del motor, el ruido generado por el motor se puede escuchar y la vibración se amplifica.

El punto de resonancia depende de la aplicación del motor, su carga, pero generalmente la frecuencia de resonancia oscila entre 70 y 120 pasos por segundo. En el peor de los casos, el motor perderá precisión de control si entra en resonancia.

Una manera fácil de evitar problemas de resonancia del sistema es alejar el ritmo del punto de resonancia. En el modo de medio o micropaso, el problema de resonancia se reduce porque el punto de resonancia se abandona a medida que aumenta la velocidad.

Esfuerzo de torsión

El par de un motor paso a paso es una función de: velocidad de paso, corriente de devanado del estator, tipo de motor. La potencia de un motor paso a paso en particular también está relacionada con estos tres factores.El par de un motor paso a paso es la suma del par de fricción y el par de inercia.

El par de fricción en gramos por centímetro es la fuerza requerida para mover una carga que pesa un cierto número de gramos con un brazo de palanca de 1 cm de largo.Es importante señalar que a medida que aumenta la velocidad de paso del motor, la fuerza electromotriz inversa en el motor , es decir, aumenta la tensión generada por el motor. Esto limita la corriente en los devanados del estator y reduce el par.