Motores paso a paso
Un motor paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte señales eléctricas en movimientos angulares discretos de un eje. El uso de motores paso a paso permite que los cuerpos de trabajo de las máquinas realicen movimientos estrictamente dosificados fijando su posición al final del movimiento.
Los motores paso a paso son actuadores que proporcionan movimientos angulares fijos (pasos). Cualquier cambio en el ángulo del rotor es la respuesta del motor paso a paso al pulso de entrada.
Un accionamiento de motor paso a paso eléctrico discreto se combina naturalmente con dispositivos de control digital, lo que permite su uso exitoso en máquinas de corte de metal controladas digitalmente, en robots industriales y manipuladores, en mecanismos de reloj.
También se puede implementar un accionamiento eléctrico discreto utilizando una serie motores eléctricos asíncronos, que debido a un control especial puede funcionar en modo paso a paso.
El principio de funcionamiento de los motores paso a paso de todo tipo es el siguiente. Con la ayuda de un interruptor electrónico, se generan pulsos de voltaje que se alimentan a las bobinas de control ubicadas en el estator del motor paso a paso.
Dependiendo de la secuencia de excitación de las bobinas de control, se produce uno u otro cambio discreto en el campo magnético en el espacio de operación del motor. Con el desplazamiento angular del eje del campo magnético de las bobinas de control del motor paso a paso, su rotor gira discretamente siguiendo el campo magnético. La ley de rotación del rotor está determinada por la secuencia, el ciclo de trabajo y la frecuencia de los pulsos de control, así como por el tipo y los parámetros de diseño del motor paso a paso.
El principio de funcionamiento de un motor paso a paso (obteniendo un movimiento discreto del rotor) se considerará utilizando el ejemplo del circuito más simple de un motor paso a paso bifásico (Fig. 1).
Arroz. 1. Esquema simplificado de un motor paso a paso con rotor activo
El motor paso a paso tiene dos pares de polos del estator claramente definidos en los que se ubican los devanados de excitación (control): el devanado 3 con terminales 1H — 1K y el devanado 2 con terminales 2H — 2K. Cada devanado consta de dos partes ubicadas en polos opuestos del estator 1 SM.
El rotor en el esquema considerado es un imán permanente de dos polos.Las bobinas son alimentadas por pulsos de un dispositivo de control que convierte una secuencia de un solo canal de pulsos de control de entrada en uno multicanal (según el número de fases del motor paso a paso).
La posición será estable porque hay un momento de sincronización que actúa sobre el rotor que tiende a devolver el rotor a la posición de equilibrio: M = Mmax x sinα,
donde M.max — el momento máximo, α — el ángulo entre los ejes de los campos magnéticos del estator y del rotor.
Cuando la unidad de control cambia el voltaje de la bobina 3 a la bobina 2, se genera un campo magnético con polos horizontales, es decir, el campo magnético del estator realiza una rotación discreta con un cuarto de la circunferencia del estator. En este caso, aparecerá un ángulo de divergencia entre los ejes del estator y el rotor α = 90° y el par máximo Mmax actuará sobre el rotor. El rotor girará en un ángulo α = 90° y tomará una nueva posición estable. Así, después del movimiento escalonado del campo del estator, el rotor del motor se mueve escalonadamente.
El motor paso a paso se inicia mediante un aumento repentino o gradual en la frecuencia de la señal de entrada de cero a la de operación, la parada se realiza al disminuir el cero y el reverso al cambiar la secuencia de conmutación de los devanados del motor paso a paso.
Los motores paso a paso se caracterizan por los siguientes parámetros: el número de fases (bobinas de control) y su esquema de conexión, el tipo de motor paso a paso (con rotor activo o pasivo), paso de rotor único (el ángulo de rotación del rotor con un solo pulso ), tensión de alimentación nominal, momento estático máximo, par nominal, momento de inercia del rotor, frecuencia de aceleración.
Los motores paso a paso son monofásicos, bifásicos y multifásicos con rotor activo o pasivo. El motor paso a paso está controlado por una unidad de control electrónico. En la Figura 2 se muestra un ejemplo de un esquema de control de motor paso a paso.
Arroz. 2. Diagrama funcional de un accionamiento eléctrico de motor paso a paso de bucle abierto
Se suministra una señal de control en forma de pulsos de voltaje a la entrada del bloque 1, que convierte la secuencia de pulsos, por ejemplo, en un sistema de cuatro fases de pulsos unipolares (de acuerdo con el número de fases del motor paso a paso) .
El bloque 2 genera estos pulsos con respecto a la duración y amplitud necesaria para el funcionamiento normal del interruptor 3, a cuyas salidas están conectados los devanados del motor paso a paso 4. El interruptor y los demás bloques son alimentados por una fuente de corriente continua 5.
Con mayores requisitos para la calidad de un accionamiento discreto, se utiliza un circuito cerrado de un accionamiento eléctrico paso a paso (Fig. 3), que, además del motor paso a paso, incluye un convertidor P, un conmutador K y un sensor de paso DSh. En tal accionamiento discreto, la información sobre la posición real del eje del mecanismo de trabajo RM y la velocidad del motor paso a paso se envía a la entrada del regulador automático, que proporciona la naturaleza establecida del movimiento del accionamiento.
Arroz. 3. Diagrama funcional de una unidad discreta de circuito cerrado
Los sistemas de accionamiento discretos modernos utilizan controles de microprocesador. La gama de aplicaciones para los accionamientos de motores paso a paso está en constante expansión. Su uso es prometedor en máquinas de soldar, dispositivos de sincronización, mecanismos de cinta y grabación, sistemas de control de suministro de combustible para motores de combustión interna.
Las ventajas de los motores paso a paso:
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alta precisión, incluso con una estructura de bucle abierto, es decir, sin sensor de ángulo de dirección;
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integración nativa con aplicaciones de gestión digital;
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falta de interruptores mecánicos que a menudo causan problemas con otros tipos de motores.
Desventajas de los motores paso a paso:
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par bajo, pero en comparación con los motores de accionamiento continuo;
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velocidad limitada;
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alto nivel de vibración debido a movimientos bruscos;
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grandes errores y oscilaciones con pérdida de pulsos en sistemas de lazo abierto.
Las ventajas de los motores paso a paso superan con creces sus desventajas, por lo que a menudo se utilizan en los casos en que la pequeña potencia de los dispositivos de accionamiento es suficiente.
El artículo utiliza materiales del libro Daineko V.A., Kovalinsky A.I. Equipos eléctricos de empresas agrícolas.