Vistas:0 Autor:Editor del sitio Hora de publicación: 2024-11-05 Origen:Sitio
Este artículo le presentará los conceptos básicos de los motores paso a paso, incluido su principio de funcionamiento, construcción, métodos de control, usos, tipos y sus ventajas y desventajas.
El motor paso a paso es un tipo de motor que hace girar el eje paso a paso (es decir, moviéndose en un ángulo fijo). Su estructura interna permite conocer la posición angular exacta del eje sin sensor, simplemente calculando el número de pasos. Esta característica lo hace adecuado para una amplia gama de aplicaciones.
Como todos los motores, los motores paso a paso incluyen una parte fija (estator) y una parte móvil (rotor). El estator tiene una protuberancia en forma de engranaje alrededor de la cual se enrolla una bobina, mientras que el rotor es un imán permanente o un núcleo de reluctancia variable. Cubriremos las diferentes configuraciones de rotor con más profundidad más adelante. La Figura 1 muestra una sección transversal de un motor con un rotor de núcleo de reluctancia variable. Traducido con DeepL.com (versión gratuita)
El principio básico de funcionamiento de un motor paso a paso es que al energizar una o más fases del estator, la corriente que pasa por las bobinas crea un campo magnético con el que se alineará el rotor; Al aplicar voltajes a las diferentes fases en secuencia, el rotor girará en un ángulo específico y finalmente llegará a la posición deseada. La Figura 2 muestra cómo funciona esto.
Primero, la bobina A se energiza y genera un campo magnético con el que se alinea el rotor; cuando se activa la bobina B, el rotor gira 60° en el sentido de las agujas del reloj para alinearse con el nuevo campo magnético; Lo mismo sucede cuando se energiza la bobina C. El color del piñón del estator en la siguiente figura indica la dirección del campo magnético generado por los devanados del estator.
El rendimiento de un motor paso a paso (ya sea resolución/paso, velocidad o par) se ve afectado por los detalles de su construcción, que también pueden afectar la forma en que se controla el motor. En la práctica, no todos los motores paso a paso tienen la misma estructura (o construcción) interna, ya que las configuraciones del rotor y el estator varían de un motor a otro.
Básicamente existen tres tipos de rotores para motores paso a paso: Rotor de imán permanente: el rotor es un imán permanente, alineado con el campo magnético generado por el circuito del estator. Este tipo de rotor asegura un buen par y tiene par de frenado. Esto significa que el motor resiste (aunque no con mucha fuerza) los cambios de posición, independientemente de si la bobina está energizada o no.
Sin embargo, las desventajas son una menor velocidad y resolución en comparación con otros tipos de rotor. La Figura 3 muestra una sección transversal de un motor paso a paso de imán permanente.
El rotor está hecho de un núcleo de hierro que tiene una forma especial para alinearse con el campo magnético (ver Figuras 1 y 2). Este tipo de rotor facilita alcanzar altas velocidades y alta resolución, pero generalmente produce un par bajo y no tiene par de frenado.
Este rotor tiene una construcción especial; Es un híbrido entre un imán permanente y un rotor de reluctancia variable. Su rotor tiene dos tapas magnetizadas axialmente y las tapas tienen dientes pequeños alternos. Esta configuración le da al motor las ventajas tanto de un imán permanente como de un rotor de reluctancia variable, especialmente con alta resolución, alta velocidad y alto par. Por supuesto, unos requisitos de rendimiento más elevados implican estructuras más complejas y costes más elevados.
La figura 3 muestra un esquema simplificado de esta estructura motora. Cuando se energiza la bobina A, uno de los dientes pequeños de la tapa magnética del rotor N se alinea con el diente del estator magnetizado como S. La tapa magnética del rotor S se alinea con el diente del estator magnetizado como S. Al mismo tiempo, debido a En la estructura del rotor, la tapa magnética del rotor S está alineada con el diente del estator magnetizado como N. Aunque los motores paso a paso funcionan según el mismo principio, los motores reales son más complejos y tienen una mayor cantidad de dientes que los que se muestran en la figura. La gran cantidad de dientes permite que el motor obtenga ángulos de paso muy pequeños, tan pequeños como 0,9°.
El estator es la parte del motor encargada de generar el campo magnético con el que se alinea el rotor. Las principales características del circuito del estator están relacionadas con su número de fases, pares de polos y configuración de cables.
El número de fases es el número de bobinas independientes y el número de pares de polos indica los pares de dientes principales ocupados por cada fase. Los motores paso a paso de dos fases son los más utilizados, mientras que los motores trifásicos y cinco fases se utilizan con menos frecuencia (consulte las Figuras 5 y 6).
Por lo anterior sabemos que las bobinas del motor deben energizarse en una secuencia específica para producir el campo magnético con el que se alineará el rotor.
Los dispositivos que pueden proporcionar el voltaje necesario a las bobinas para permitir que el motor funcione correctamente son los siguientes (comenzando por los más cercanos al motor): puente de transistores: el dispositivo que controla físicamente las conexiones eléctricas a las bobinas del motor. Se puede considerar un transistor como un disyuntor controlado eléctricamente; se cierra cuando la bobina se conecta a una fuente de alimentación para que la corriente pase a través de la bobina. Se requiere un puente de transistores para cada fase del motor.
El dispositivo que controla la activación del transistor, está controlado por la MCU para proporcionar el voltaje y la corriente requeridos.
Una unidad de microcontrolador, generalmente programada y controlada por el usuario del motor, que genera señales específicas para que el precontrolador obtenga el comportamiento deseado del motor.
La Figura 7 muestra un esquema simple de un esquema de control de un motor paso a paso. El precontrolador y el puente de transistores pueden estar contenidos en un único dispositivo, el controlador.
Hay una variedad de controladores de motores paso a paso en el mercado que tienen diferentes características para aplicaciones específicas. Sin embargo, una de sus características más importantes se relaciona con la interfaz de entrada, y varias de las interfaces de entrada más comunes incluyen:
Paso/Dirección: al enviar un pulso en el pin de paso, el controlador cambia su salida para hacer que el motor realice un paso, y la dirección de rotación está determinada por el nivel en el pin de dirección. Fase/Habilitar: para cada fase del devanado del estator, Habilitar determina si la fase está encendida y la fase determina la dirección actual de la fase. PWM: control directo de la señal de puerta del FET del tubo superior e inferior.
Otra característica importante de un controlador de motor paso a paso es si, además de controlar el voltaje en ambos extremos del devanado, también puede controlar la corriente que fluye a través del devanado:
Con una función de control de voltaje, el controlador puede ajustar el voltaje a través de los devanados, y el par resultante y la velocidad de paso dependen únicamente del motor y las características de la carga.
Los controladores de control de corriente son más avanzados porque pueden regular la corriente que fluye a través de la bobina activa, dando un mejor control sobre el par generado y, por tanto, un mejor control sobre el comportamiento dinámico de todo el sistema.
Otra propiedad que puede tener un impacto en el control del motor es la disposición de las bobinas del estator, que determina cómo cambia la dirección de la corriente. Para lograr el movimiento del rotor, no sólo es necesario energizar la bobina, sino también controlar la dirección de la corriente, que determina la dirección del campo magnético generado por la propia bobina (ver Figura 8).
En un motor paso a paso unipolar, se conecta un cable al punto central de la bobina (ver Figura 9), lo que permite controlar la dirección de la corriente a través de circuitos y componentes relativamente simples. El cable central (AM) está conectado al voltaje de entrada VIN (ver Figura 8).
Si MOSFET 1 está encendido, la corriente fluye de AM a A+. Si MOSFET 2 está encendido, la corriente fluye de AM a A-, creando un campo magnético en la dirección opuesta. Como se mencionó anteriormente, este método simplifica el circuito de accionamiento (solo se necesitan dos semiconductores), pero la desventaja es que solo se usa la mitad de los conductores de cobre en el motor a la vez, lo que significa que si la misma corriente fluye a través de la bobina, el campo magnético es sólo la mitad de fuerte que si se utilizaran todos los conductores de cobre. Además, debido a que hay más cables de entrada al motor, este tipo de motor es más difícil de construir.
Los motores paso a paso pueden controlar la dirección de la corriente de dos formas diferentes.
En un motor paso a paso bipolar, sólo hay dos cables por bobina y, para controlar la dirección, se debe utilizar el puente H (consulte la Figura 10). Como se muestra en la Figura 8, si los MOSFET 1 y 4 están encendidos, la corriente fluye de A + a A-. Si los MOSFET 2 y 3 están encendidos, la corriente fluye de A- a A+, creando un campo magnético en la dirección opuesta. Esta solución requiere un circuito de accionamiento más complejo, pero puede maximizar el uso de cobre del motor para lograr el par máximo.
Con el continuo progreso de la tecnología, las ventajas de los motores unipolares se han debilitado gradualmente y los motores paso a paso bipolares se han convertido en el tipo de motor más popular en la actualidad.
Hay cuatro tecnologías de accionamiento principales para motores paso a paso: Modo de onda: sólo se enciende una fase a la vez (consulte la Figura 11). Para simplificar, si la corriente fluye desde el cable positivo de la fase A al cable negativo (por ejemplo, de A+ a A-), lo llamamos flujo positivo; De lo contrario, se llama flujo negativo. Desde el lado izquierdo de la imagen de abajo, la corriente fluye hacia adelante solo en la fase A, mientras que el rotor representado por el imán está alineado con el campo magnético que genera. Luego, la corriente fluye hacia adelante solo en la fase B, con el rotor girado 90° en el sentido de las agujas del reloj para alinearse con el campo magnético generado por la fase B. A continuación se vuelve a activar la fase A, pero la corriente fluye negativamente y el rotor vuelve a girar 90°. Finalmente, la corriente fluye negativamente en la fase B mientras el rotor gira nuevamente 90°.
Modo paso completo: Ambas fases siempre están encendidas al mismo tiempo. La Figura 12 muestra los pasos paso a paso para este patrón de controlador. Los pasos son similares al modo de onda, la mayor diferencia es que en el modo de paso completo, debido a que la corriente que fluye en el motor es mayor, el campo magnético generado también es más fuerte, por lo que el par también es mayor.
El patrón de medio paso es una combinación del patrón de onda y el patrón de paso completo (ver Figura 12). Este modo puede reducir la longitud del paso a la mitad (rotación 45° en lugar de 90°). La única desventaja es que el par generado por el motor no es constante, y el par es mayor cuando ambas fases están energizadas y el par es menor cuando solo una está conectada.
Puede verse como una versión mejorada del modo de medio paso, ya que puede reducir aún más la distancia del paso y tiene una salida de par constante. Esto se logra controlando la fuerza de la corriente que fluye a través de cada fase. El modo de micropasos requiere un controlador de motor más complejo que otros esquemas. La Figura 14 muestra cómo funciona el patrón de micropasos. Suponiendo que IMAX es la corriente máxima que puede pasar en una fase, comience desde el lado izquierdo del diagrama, donde IA = IMAX e IB = 0 en el primer diagrama. A continuación, se controla la corriente para alcanzar IA = 0,92 x IMAX, IB = 0,38 x IMAX, lo que produce un campo magnético girado en el sentido de las agujas del reloj 22,5° respecto al campo anterior. Controle la corriente a diferentes valores de corriente y repita este paso, girando el campo magnético 45°, 67,5° y 90°. En comparación con el modo de medio paso, reduce la longitud del paso a la mitad. Pero se pueden recortar más. Se puede lograr una resolución de posición muy alta utilizando el modo de micropasos, pero a costa de requerir equipos más complejos para controlar el motor y producir menos torque por paso. El par es proporcional al seno del ángulo entre el campo magnético del estator y el campo magnético del rotor. Por lo tanto, cuando la distancia del paso es pequeña, el par también es pequeño. Esto puede resultar en una pérdida de paso, es decir, incluso si cambia la corriente en el devanado del estator, es posible que la posición del rotor no cambie.
Ahora que hemos entendido el principio de funcionamiento del motor paso a paso, será muy útil resumir las ventajas y desventajas de los distintos tipos de motores.
Gracias a su estructura interna, los motores paso a paso no requieren sensores para detectar la posición del motor. Los motores paso a paso se mueven realizando un 'paso', por lo que simplemente contando el número de pasos se puede obtener la posición del motor en un momento dado. Además, el control del motor paso a paso es muy sencillo. También requiere un accionamiento, pero no requiere cálculos ni ajustes complejos para funcionar correctamente. En comparación con otros motores, su carga de trabajo de control suele ser pequeña. Además, se puede lograr una precisión de posición de hasta 0,007° si se utiliza el modo de micropasos. Los motores paso a paso proporcionan un buen par a bajas velocidades, también pueden mantener bien la posición y tienen una larga vida útil.
Puede estar desfasado cuando el par de carga es demasiado alto. Como no se puede conocer la posición real del motor, el control se verá afectado negativamente. Es más probable que este problema ocurra cuando se utiliza el modo de micropasos. Los motores paso a paso siempre consumen la máxima corriente incluso cuando están en reposo, lo que reduce la eficiencia y puede provocar un sobrecalentamiento. El par del motor paso a paso es pequeño, a alta velocidad producirá mucho ruido. Los motores paso a paso tienen baja densidad de potencia y baja relación par-inercia. Con todo, los motores paso a paso son la mejor opción cuando se necesita una solución de bajo costo y fácil de controlar, sin requisitos de alta eficiencia ni torque a altas velocidades.
