Motores paso a paso
A 300 rpm, un motor paso a paso accionado con su tensión nominal conserva un 20 % de su par. Con un driver chopper a 24 V conserva más del 80 %: el motor es el mismo, lo que cambia es cómo sube la corriente.
01Posicionar sin medir
Un motor paso a paso gira en incrementos fijos, típicamente de 1,8° (200 pasos por vuelta), cada vez que el controlador cambia la corriente de sus bobinas. Si la carga no supera su par, la posición es la cantidad de pasos enviados: se posiciona a lazo abierto, sin codificador. Eso lo hace barato y simple para impresoras 3D, máquinas CNC chicas, cámaras y válvulas. El funcionamiento básico se presenta en la tecnicatura, en motores paso a paso.
| Tipo | Rotor | Característica |
|---|---|---|
| Reluctancia variable | Hierro dentado sin imán | Sin par de retención sin corriente |
| Imán permanente | Imán con polos radiales | Pasos grandes, de 7,5° a 15°, baratos |
| Híbrido | Imán axial entre dos coronas dentadas | Pasos de 1,8° o 0,9° con buen par: el más usado |
02Secuencias de excitación
| Modo | Cómo se energiza | Pasos por vuelta (motor de 1,8°) | Par |
|---|---|---|---|
| Onda | Una fase por vez | 200 | Menor |
| Paso completo | Dos fases a la vez | 200 | Unas 1,4 veces el de onda |
| Medio paso | Alterna una y dos fases | 400 | Irregular entre pasos |
| Micropasos | Corrientes senoidal y cosenoidal escalonadas | Hasta 51 200 | Más suave, menos resonancia |
Los micropasos mejoran la suavidad, pero no la exactitud en la misma proporción: el par que sostiene un micropaso contra la carga es pequeño, y la posición real se desvía del valor ideal.
03Accionamiento: por qué el par cae con la velocidad
Cada bobina es un inductor con resistencia, y la corriente tarda en establecerse con la constante de tiempo \( \tau = L/R \). A pocos pasos por segundo alcanza su valor nominal; a muchos, se invierte antes de llegar, y como el par es proporcional a la corriente, el motor pierde fuerza. Hay tres formas de accionarlo:
| Accionamiento | Cómo funciona | Efecto |
|---|---|---|
| L/R simple | Se aplica la tensión nominal de la bobina | La corriente sube lento: poco par a alta velocidad |
| L/R con resistencia en serie | Tensión más alta y un resistor que limita la corriente final | Constante de tiempo menor, pero el resistor disipa |
| Chopper de corriente constante | Tensión alta y un puente H que corta cuando la corriente llega al valor fijado | Subida rápida sin disipar: el estándar actual |
Un motor de 200 pasos por vuelta con bobinas de 5 mH y 2 Ω, para 1,5 A. Accionado en paso completo, cada bobina invierte su corriente cada dos pasos. El gráfico muestra un período de la corriente en régimen; el dato principal es el valor medio de su módulo, al que es proporcional el par.
04La curva par-velocidad y la pérdida de pasos
El fabricante da dos curvas. La de arranque (pull-in) indica hasta qué velocidad el motor arranca y se detiene sin perder pasos con una carga dada; la de funcionamiento (pull-out), hasta dónde se puede llegar acelerando de a poco. Entre las dos se trabaja con rampas de aceleración. Si el par pedido supera al disponible, el rotor se atrasa más de medio paso respecto del campo y pierde pasos: el controlador cree que está en un lugar y el motor está en otro, sin que nadie se entere. A velocidades intermedias aparece además una resonancia mecánica que puede hacerlo perder pasos aun con poca carga; los micropasos y los amortiguadores la atenúan.
05En el laboratorio
Con una sonda de corriente, medir la forma de onda de una bobina a 100, 500 y 1000 pasos por segundo, con un driver de corriente constante.
Marcar el eje, dar 2000 pasos a velocidad creciente con una carga en una polea y medir cuántos se perdieron.
Comparar el ruido y la vibración del mismo movimiento en paso completo y con 16 micropasos.
06Errores frecuentes
- Arrancar a la velocidad final sin rampa. El motor pierde pasos o no arranca.
- Ajustar la corriente del driver por encima de la nominal. El motor se calienta, aunque dé más par.
- Confiar en la posición sin referencia. Hay que buscar un final de carrera al encender.
- Alimentar el chopper con poca tensión. Sin margen sobre la de la bobina, se comporta como un L/R.
07Autoevaluación
¿Cuántos pasos por segundo da un motor de 1,8° a 300 rpm en paso completo?
\( 300/60 \cdot 200 = 1000 \) pasos por segundo.
¿Qué constante de tiempo tiene una bobina de 5 mH y 2 Ω? ¿Y con 6 Ω en serie?
2,5 ms; con el resistor, \( 5/8 = 0{,}625 \) ms.
¿Cuántos micropasos por vuelta da un motor de 200 pasos con 16 micropasos?
3200.
¿Por qué un chopper necesita tensión alta?
Porque la pendiente de subida de la corriente es V/L: más tensión, más rápido llega al valor fijado.
08Para ampliar
- Takashi Kenjo y Akira Sugawara. Stepping Motors and Their Microprocessor Controls. 2.ª ed., Clarendon Press, 1994. El libro de referencia sobre motores paso a paso y su control.
- Austin Hughes y Bill Drury. Electric Motors and Drives. 5.ª ed., Newnes, 2019. El capítulo de motores paso a paso con la curva par-velocidad y los accionamientos.
- Douglas W. Jones. Control of Stepping Motors: A Tutorial. University of Iowa, en línea. Un tutorial clásico y práctico sobre secuencias, accionamientos y micropasos.