Motores paso a paso
Un motor común gira mientras haya tensión. Un paso a paso avanza un ángulo exacto por cada pulso y se queda ahí. Eso permite posicionar sin sensores, y es lo que hay adentro de una impresora 3D, de un CNC casero o de una máquina de dosificación.
01Posicionar sin realimentación
El estator tiene varias bobinas y el rotor es un imán permanente dentado. Energizando las bobinas en cierto orden, el rotor salta de una posición estable a la siguiente. Contando pulsos se sabe dónde está, sin encoder.
| Paso a paso | Servomotor | |
|---|---|---|
| Realimentación | No lleva | Encoder o resolver |
| Posición | Contando pulsos, en lazo abierto | Medida y corregida |
| Si se sobrecarga | Pierde pasos en silencio: nadie se entera | Detecta el error y avisa |
| Par a velocidad cero | Alto, con las bobinas energizadas | Alto, controlado |
| Par a alta velocidad | Cae mucho | Se mantiene |
| Costo | Bajo | Alto |
| Se elige para | Impresoras 3D, CNC chicos, dosificadores, ejes livianos | Máquinas de producción, ejes exigidos, alta velocidad |
El más común es 1,8°, que son 200 pasos por vuelta. También hay de 0,9° (400 pasos) y, en motores chicos de imán permanente, de 7,5° (48 pasos). Con micropasos de 1/16 el mismo motor de 200 pasos entrega 3200 posiciones por vuelta.
02Unipolar y bipolar
Cada bobina tiene una derivación central. La corriente circula siempre en el mismo sentido por cada media bobina, así que alcanza con cuatro transistores simples (un ULN2003).
Más fácil de manejar, pero sólo se usa media bobina por vez: entrega alrededor de un 30 % menos de par que el mismo motor en bipolar.
Se reconoce por tener 5 o 6 cables.
Dos bobinas sin derivación. Para invertir el campo hay que invertir la corriente, lo que exige un puente en H por bobina: cuatro transistores por fase.
Usa la bobina completa: más par por tamaño. Es lo que traen todos los drivers modernos.
Se reconoce por tener 4 cables (los de 8 permiten conectarlo de las dos formas).
- Buscar pares con continuidad: los que no tienen continuidad entre sí pertenecen a bobinas distintas.
- En un motor de 6 cables, dentro de cada terna el cable común mide la mitad de resistencia contra los otros dos.
- Un motor bipolar de 4 cables da dos pares, sin continuidad entre ellos.
- Truco práctico: uniendo dos cables y girando el eje a mano, si se siente más duro, esos dos son de la misma bobina.
03Secuencias
| Modo | Bobinas activas | Par | Resolución |
|---|---|---|---|
| Paso completo, una fase | Una por vez | Menor | 200 pasos |
| Paso completo, dos fases | Dos a la vez | Mayor (≈ 40 % más) | 200 pasos |
| Medio paso | Alterna una y dos | Irregular | 400 pasos |
| Micropasos | Corrientes graduadas en las dos bobinas | Suave y parejo | 1600 a 51 200 |
Con 1/16 de paso el movimiento es mucho más suave y silencioso, y se evita la resonancia. Pero la exactitud de posición sigue estando limitada por la mecánica del motor —la tolerancia del dentado ronda el 5 % del paso completo— y el par de retención de cada micropaso es una fracción del total. En un micropaso muy fino, una carga leve puede correr el rotor sin que el driver lo note. Los micropasos son para suavidad; la resolución real la pone la mecánica: correa, husillo o reducción.
04Drivers
Un puente en H simple (L298) o transistores Darlington (ULN2003). Se le aplica tensión a la bobina y la corriente crece según su inductancia.
Barato y simple. A alta velocidad, la corriente no llega a establecerse antes del próximo paso y el par se desploma.
A4988, DRV8825, TMC2209 y similares. Alimentan la bobina con una tensión mucho mayor que la nominal y recortan la corriente al valor programado, midiéndola con una resistencia patrón.
La corriente se establece muchísimo más rápido: se conserva par a alta velocidad. Es el estándar actual y trae micropasos incorporados.
Un A4988 con resistencias de medición de 0,1 Ω, para un motor de 1,2 A por fase:
- La fórmula del fabricante es Vref = Imax × 8 × Rsense.
- Vref = 1,2 × 8 × 0,1 = 0,96 V, medidos entre el potenciómetro del módulo y masa.
- Con la corriente muy baja el motor pierde pasos; con la corriente muy alta se calienta y el driver entra en protección térmica y corta a destiempo.
Es el ajuste que más problemas causa en impresoras 3D, y se hace con el motor conectado y en reposo.
05Par, velocidad y pérdida de pasos
- Par de retención (holding): el que resiste con las bobinas energizadas y el motor quieto. Es el número grande que figura en el catálogo.
- Par de arranque (pull-in): hasta qué frecuencia puede arrancar sin rampa.
- Par máximo (pull-out): hasta dónde puede seguir girando si se lo acelera de a poco. Si se lo supera, pierde pasos.
De ahí la regla de oro: siempre acelerar y frenar con rampa. Pedir de golpe la velocidad final es la causa número uno de pasos perdidos.
Motor de 1,8° (200 pasos) en un husillo de 8 mm por vuelta, con micropasos de 1/16:
- Pasos por vuelta = 200 × 16 = 3200.
- Resolución teórica = 8/3200 = 0,0025 mm por micropaso.
- Para avanzar a 20 mm/s: 20/8 = 2,5 vueltas/s → 2,5 × 3200 = 8000 pulsos por segundo.
- A 2,5 vueltas por segundo el motor gira a 150 rpm, donde el par ya es bastante menor que el de retención: hay que verificarlo en la curva.
Alrededor de cierta frecuencia —típicamente entre 100 y 300 pasos por segundo— el motor entra en resonancia mecánica: vibra, hace ruido y puede perder pasos aun sin carga. Se resuelve con micropasos, con amortiguación en el acople o simplemente pasando rápido por esa zona de velocidad.
06Fallas típicas y diagnóstico
| Síntoma | Causa probable | Cómo se verifica |
|---|---|---|
| Vibra en el lugar y no gira | Un cable de una bobina invertido o cortado | Medir continuidad de cada bobina y revisar el orden de conexión |
| Gira al revés | Una bobina invertida | Intercambiar los dos cables de una sola bobina |
| Pierde pasos con carga | Corriente mal ajustada, velocidad excesiva o falta de rampa | Medir Vref, bajar la velocidad y agregar aceleración |
| Se calienta mucho estando quieto | Es normal hasta cierto punto: las bobinas están energizadas. Si quema, la corriente está alta | Medir corriente y temperatura del encapsulado |
| El driver corta cada tanto | Protección térmica: falta disipador o ventilación | Tocar el driver, medir su temperatura |
| Ruido y vibración a cierta velocidad | Resonancia | Cambiar la velocidad y ver si desaparece |
| El motor «pierde» posición con el tiempo | Pasos perdidos acumulados: es lazo abierto y nadie corrige | Volver a referencia con un fin de carrera cada tanto |
Interrumpir la corriente de una bobina genera una sobretensión que destruye el driver de inmediato. Se corta la alimentación antes de tocar los cables del motor. Es el error que más drivers quema en el taller y en las impresoras 3D.
07En el laboratorio
Con motores de descarte de impresoras y escáneres, determinar con el óhmetro si son unipolares o bipolares, cuántas bobinas tienen y cuál es cada cable. Anotar la resistencia de fase. Después hacerlos girar a mano y sentir el par de detención.
Con cuatro llaves o cuatro salidas de un micro a muy baja frecuencia (2 pasos por segundo), recorrer la secuencia de paso completo y observar el avance del eje. Marcar el eje y contar 200 pasos: debe dar una vuelta exacta. Invertir la secuencia y verificar el cambio de sentido.
Con un freno de fricción simple, medir a qué carga el motor empieza a perder pasos para tres velocidades distintas. Graficar. Repetir bajando la corriente del driver a la mitad y comparar las dos curvas.
Comparar el mismo movimiento en paso completo y en 1/16: escuchar el ruido y observar la vibración. Después pedir la velocidad final de golpe y con rampa de aceleración, contando en los dos casos si la posición final coincide con la de partida al volver.
08Errores frecuentes
| Error | Consecuencia |
|---|---|
| Pedir la velocidad final sin rampa | El motor no arranca o pierde pasos desde el primer momento. |
| Ajustar la corriente «a ojo» | De menos, pierde pasos; de más, se calientan motor y driver. |
| Esperar exactitud de los micropasos | La resolución real la limita la mecánica del motor, no el driver. |
| Desconectar el motor con el driver encendido | Driver destruido. |
| Usar un motor unipolar como bipolar sin revisar | Puede funcionar, pero con la mitad del bobinado y menos par si se conecta mal. |
| Confiar en la posición después de horas de trabajo | Es lazo abierto: los pasos perdidos se acumulan. Hay que rehacer referencia. |
| Elegir paso a paso para un eje muy exigido | Se pierde par a velocidad y no hay aviso de error: ahí corresponde un servo. |
09Autoevaluación
¿Cuántos pasos por vuelta tiene un motor de 1,8° y cuántos con micropasos de 1/8?
360/1,8 = 200 pasos por vuelta; con 1/8 de micropaso, 200 × 8 = 1600.
¿Cómo se distingue un motor unipolar de uno bipolar?
Por la cantidad de cables y la continuidad: el unipolar tiene 5 o 6 e incluye derivación central; el bipolar tiene 4, en dos pares sin continuidad entre sí.
¿Por qué un motor bipolar da más par que el mismo motor en unipolar?
Porque usa la bobina completa, mientras que el unipolar energiza sólo la mitad por vez. La diferencia es de alrededor del 30 %.
¿Qué ventaja tiene un driver por corriente sobre uno por tensión?
Alimenta la bobina con mucha más tensión y recorta la corriente al valor deseado: la corriente se establece mucho más rápido y el motor conserva par a alta velocidad.
Un A4988 con Rsense = 0,1 Ω para 1,5 A: ¿qué Vref hay que ajustar?
Vref = 1,5 × 8 × 0,1 = 1,2 V.
¿Qué significa que un paso a paso trabaja en lazo abierto?
Que nadie verifica que el rotor se movió: el control cuenta pulsos y supone que el motor los siguió. Si pierde pasos por sobrecarga, la posición real queda corrida y el sistema no se entera.
¿Por qué el par cae al aumentar la velocidad?
Porque la inductancia de las bobinas impide que la corriente se establezca en el poco tiempo que dura cada paso. Con menos corriente hay menos par.
¿Qué diferencia hay entre par de arranque y par máximo?
El de arranque (pull-in) es hasta qué frecuencia puede partir de golpe; el máximo (pull-out) es hasta dónde puede seguir girando si se lo acelera con rampa. Entre las dos curvas, el movimiento sólo es posible acelerando gradualmente.
Husillo de 8 mm, motor de 200 pasos, 1/16: ¿cuántos pulsos por segundo para avanzar 15 mm/s?
3200 micropasos por vuelta; 15/8 = 1,875 vueltas/s → 1,875 × 3200 = 6000 pulsos por segundo.
¿Por qué no hay que desconectar el motor con el driver energizado?
Porque interrumpir la corriente de una bobina genera una sobretensión que destruye la etapa de salida del driver.