Motores Paso a Paso: Tipos, Construcción, Funcionamiento y Aplicaciones

Tipos de Motores Paso a Paso: Construcción, Funcionamiento y Aplicaciones

La invención de tarjetas de control dedicadas y otras tecnologías de control digital para interconectar un motor paso a paso a sistemas basados en PC ha impulsado su amplia aceptación reciente. Los motores paso a paso son la opción ideal para sistemas de automatización que requieren control preciso de velocidad, posicionamiento preciso o ambos.

Como sabemos, muchos motores industriales usan control de lazo cerrado para posicionamiento o velocidad precisos; en cambio, un motor paso a paso puede operar en lazo abierto. Esto reduce el coste total del sistema y simplifica el diseño frente a sistemas servo. Analicemos brevemente el motor paso a paso y sus tipos.

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¿Qué es un Motor Paso a Paso?

Motor Paso a Paso es un dispositivo electromecánico sin escobillas que convierte una serie de pulsos eléctricos aplicados en sus bobinas de excitación en una rotación mecánica precisa del eje, paso a paso. El eje gira un ángulo fijo por cada pulso discreto. Esta rotación puede ser lineal o angular. Realiza un movimiento de paso por cada pulso de entrada.

Al aplicar una serie de pulsos, gira un ángulo determinado. El ángulo que gira el eje por cada pulso se denomina ángulo de paso, expresado generalmente en grados.

El número de pulsos de entrada determina el ángulo de paso y, por tanto, la posición del eje se controla controlando el número de pulsos. Esta característica única hace al motor paso a paso ideal para sistemas de control de lazo abierto donde se mantiene la posición precisa del eje con el número exacto de pulsos sin sensor de retroalimentación.

Si el ángulo de paso es menor, mayor será el número de pasos por revolución y mayor la precisión de posición. Los ángulos de paso pueden ser desde 90° hasta 0.72°, aunque los más comunes son 1.8°, 2.5°, 7.5° y 15°.

La dirección de rotación depende de la secuencia de pulsos aplicados al estator. La velocidad del eje es directamente proporcional a la frecuencia (tasa de pulsos de entrada) aplicada en las bobinas de excitación. Por tanto, a baja frecuencia el motor gira en pasos; a alta frecuencia, gira continuamente como un motor DC por inercia.

Como todos los motores, tiene estator y rotor. El rotor es la parte móvil sin bobinas, escobillas ni conmutador. Suele ser de reluctancia variable o imán permanente. El estator suele tener bobinados multipolares y multifásicos, típicamente de tres o cuatro fases, bobinados para el número de polos requerido según el desplazamiento angular deseado por pulso.

A diferencia de otros motores, opera con pulsos de control discretos programados aplicados a las bobinas del estator mediante un accionamiento electrónico. La rotación ocurre por interacción magnética entre polos de bobinas del estator energizadas secuencialmente y polos del rotor.

Existen varios tipos de motores paso a paso en el mercado con amplia gama de tamaños, conteo de pasos, construcciones, cableados, engranajes y características eléctricas. Al operar de forma discreta, son ideales para interfaz con dispositivos de control digital como computadoras.

Por su control preciso de velocidad, rotación, dirección y posición angular, son de especial interés en sistemas de control de procesos industriales, máquinas CNC, robótica, automatización de fabricación e instrumentación.

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Tipos de Motores Paso a Paso

Hay tres categorías básicas de motores paso a paso:

Motor Paso a Paso de Imán Permanente
Motor Paso a Paso de Reluctancia Variable
Motor Paso a Paso Híbrido

En todos, las bobinas de excitación están en el estator, donde el número de bobinas indica el número de fases.

Se aplica voltaje DC como excitación a las bobinas y cada terminal se conecta a la fuente mediante un interruptor de estado sólido. Según el tipo, el rotor se diseña como rotor de acero blando con polos salientes, rotor cilíndrico de imán permanente, o imán permanente con dientes de acero blando. Analicemos cada tipo en detalle.

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Motor Paso a Paso de Reluctancia Variable

Es el tipo básico de motor paso a paso existente desde hace tiempo y permite entender más fácilmente su principio de operación desde el punto de vista estructural. Como su nombre indica, la posición angular del rotor depende de la reluctancia del circuito magnético formado entre los polos (dientes) del estator y los dientes del rotor.

Construcción del Motor Paso a Paso de Reluctancia Variable

Consta de un estator bobinado y un rotor de hierro blando multi-diente. El estator tiene un apilado de láminas de acero al silicio donde se bobinan los devanados. Suele ser trifásico, distribuidos entre pares de polos.

El número de polos del estator es un múltiplo par del número de fases. En la figura, el estator tiene 12 polos equidistantes, cada uno con bobina de excitación. Estas tres fases se energizan desde una fuente DC mediante interruptores de estado sólido.

El rotor no tiene bobinas y es de tipo polo saliente, hecho totalmente de láminas de acero ranuradas. Los dientes proyectados del rotor tienen el mismo ancho que los del estator. El número de polos del estator difiere del del rotor, lo que permite autoarranque y rotación bidireccional.

La relación de polos del rotor en términos de polos del estator para motor trifásico es: Nr = Ns ± (Ns / q). Con Ns = 12, q = 3, resulta Nr = 12 ± 4 = 16 u 8. Se ilustra un rotor de 8 polos sin excitación.

Funcionamiento del Motor Paso a Paso de Reluctancia Variable

El motor paso a paso funciona alineando el rotor en una posición donde los dientes del polo excitado formen un circuito magnético de reluctancia mínima. Al aplicar energía y excitar un devanado, este produce su campo magnético y desarrolla sus polos.

Debido al magnetismo residual en los polos del rotor, este se mueve para alcanzar la posición de reluctancia mínima, alineando un conjunto de polos del rotor con el conjunto energizado del estator. En esta posición, el eje del campo magnético del estator coincide con el eje que pasa por dos polos magnéticos del rotor.

Cuando el rotor se alinea con los polos del estator, tiene fuerza magnética suficiente para retener el eje evitando movimiento al siguiente paso, ya sea horario o antihorario.

Consideremos el esquema de un motor trifásico de 6 polos en estator y 4 dientes en rotor. Al energizar fase A-A' cerrando interruptor-1, la bobina se magnetiza resultando un diente Norte y otro Sur. El eje magnético del estator queda a lo largo de estos polos.

Por atracción, el polo Norte del estator atrae el diente del rotor más cercano de polaridad opuesta (Sur) y el polo Sur atrae el diente Norte. El rotor se ajusta a su posición de reluctancia mínima donde su eje magnético coincide exactamente con el del estator.

Al energizar fase B-B' cerrando interruptor-2 (manteniendo A-A' desenergizada abriendo interruptor-1), la bobina B-B' produce flujo magnético y el eje magnético del estator se desplaza a los polos formados. El rotor gira 30° en sentido horario alineándose con la nueva posición de reluctancia mínima.

Al energizar interruptor-3 abriendo interruptor-2, se excita fase C-C', el rotor se alinea moviéndose 30° adicionales. Así, el rotor gira en sentido horario o antihorario excitando sucesivamente las bobinas del estator en secuencia particular. El ángulo de paso de este motor trifásico de 4 dientes en rotor es: 360° / (4 × 3) = 30° (ángulo de paso = 360° / Nr × q).

El ángulo de paso puede reducirse aumentando polos en estator y rotor, bobinando fases adicionales. También se logra con diferentes construcciones de motores paso a paso como arreglos multi-apilado y mecanismos de reducción por engranajes.

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Motor Paso a Paso de Imán Permanente

El diseño de imán permanente es quizás el más común entre los tipos de motores paso a paso. Como su nombre indica, añade imanes permanentes a la construcción. También se le llama motor de lata o motor can-stack. Su principal ventaja es el bajo coste de fabricación. Tiene 48-24 pasos por revolución.

Construcción del Motor Paso a Paso de Imán Permanente

El estator es multipolar y su construcción es similar al de reluctancia variable. Tiene periferia ranurada donde se bobinan las bobinas del estator. Tiene polos proyectados en la estructura ranurada donde los devanados pueden ser de dos, tres o cuatro fases.

Los terminales de todos los devanados se sacan y conectan a la excitación DC mediante interruptores de estado sólido en el circuito de accionamiento.

El rotor está hecho de material de imán permanente como ferrita, en forma cilíndrica o polo saliente, usualmente cilíndrico liso. Diseñado para tener un número par de polos magnéticos permanentes con polaridades Norte y Sur alternadas.

Funcionamiento del Motor Paso a Paso de Imán Permanente

Funciona bajo el principio de que polos opuestos se atraen y polos iguales se repelen. Al excitar devanados del estator con DC, se produce flujo magnético estableciendo polos Norte y Sur. Por atracción y repulsión entre polos del rotor y estator, el rotor se mueve a la posición para la que se dan pulsos al estator.

Consideremos un motor bifásico con dos polos magnéticos permanentes en el rotor.

Al energizar fase A positivamente respecto a A', los devanados establecen polos Norte y Sur. Por atracción, los polos del rotor se alinean con los del estator ajustando su eje magnético con el del estator.

Al cambiar la excitación a fase B y apagar fase A, el rotor se ajusta al eje magnético de fase B, girando 90° en sentido horario.

Luego, si fase A se energiza con corriente negativa respecto a A', la formación de polos del estator hace girar el rotor otros 90° en sentido horario.

De igual forma, si fase B se excita con corriente negativa cerrando interruptor de fase A, el rotor gira otros 90° en la misma dirección. Al excitar fase A con corriente positiva, el rotor vuelve a la posición original completando 360°. Esto implica que cada vez que el estator se excita, el rotor tiende a girar 90° en sentido horario.

El ángulo de paso de este motor bifásico de 2 polos en rotor es: 360° / (2 × 2) = 90°. El tamaño de paso puede reducirse energizando dos fases simultáneamente o una secuencia de modos 1-fase ON y 2-fases ON con polaridad adecuada.

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Motor Paso a Paso Híbrido

Es el tipo más popular de motor paso a paso por su mejor rendimiento que el rotor de imán permanente en resolución de paso, par de retención y velocidad. Sin embargo, son más caros que los motores PM. Combina las mejores características de los motores de reluctancia variable e imán permanente. Se usan en aplicaciones que requieren ángulos de paso muy pequeños: 1.5°, 1.8° y 2.5°.

Construcción del Motor Paso a Paso Híbrido

El estator es igual que su contraparte de imán permanente o reluctancia. Las bobinas del estator se bobinan en polos alternados. En este, las bobinas de diferentes fases se bobinan en cada polo, usualmente dos bobinas por polo, denominada conexión bifilar.

El rotor consta de un imán permanente magnetizado en dirección axial para crear un par de polos magnéticos (N y S). Cada polo está cubierto con dientes uniformemente espaciados. Los dientes son de acero blando y dos secciones, una en cada polo, desalineadas entre sí por medio paso de diente.

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Funcionamiento del Motor Paso a Paso Híbrido

Funciona similar al motor paso a paso de imán permanente. La figura muestra un motor híbrido bifásico, 4 polos, 6 dientes en rotor. Al excitar fase A-A' con DC, manteniendo B-B' sin excitar, el rotor se alinea de modo que el polo Sur del rotor enfrenta el Norte del estator y el Norte del rotor enfrenta el Sur del estator.

Al excitar fase B-B', manteniendo A-A' apagada, de modo que el polo superior sea Norte e inferior Sur, el rotor se alinea a nueva posición moviéndose en sentido antihorario. Si fase B-B' se excita opuestamente (superior Sur, inferior Norte), el rotor gira en sentido horario.

Con una secuencia adecuada de pulsos al estator, el motor gira en la dirección deseada. Por cada excitación, el rotor se bloquea en nueva posición, y aun eliminando la excitación mantiene su condición bloqueada por la excitación del imán permanente. El ángulo de paso de este motor bifásico, 4 polos, 6 dientes es: 360° / (2 × 6) = 30°. En la práctica, los motores híbridos se construyen con más polos en el rotor para alta resolución angular.

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Motores Paso a Paso Unipolares y Bipolares

Los motores discutidos pueden ser unipolares o bipolares según la disposición de bobinas. Un motor unipolar tiene dos bobinas por fase y la dirección de corriente a través de ellas cambia la rotación. En esta configuración, la corriente fluye en una dirección en una bobina y opuesta en la otra.

La figura muestra un motor paso a paso unipolar bifásico donde bobinas A y C son para una fase y B y D para la otra. En cada fase, cada bobina lleva corriente en dirección opuesta a la otra. Solo una bobina lleva corriente a la vez en cada fase para lograr dirección particular. Cambiando los terminales a cada bobina, se controla la dirección.

En un motor paso a paso bipolar, cada fase tiene un solo devanado en lugar de dos como en el unipolar. La dirección de rotación se controla invirtiendo la corriente a través de los devanados. Requiere un circuito de accionamiento más complejo para la inversión de corriente.

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Modos de Paso de un Motor Paso a Paso

Una acción de paso típica hace que el motor avance por una secuencia de posiciones de equilibrio en respuesta a pulsos de corriente. Es posible variar la acción de paso de diferentes formas cambiando la secuencia de energización de las bobinas del estator. Los siguientes son los modos de operación o accionamiento más comunes:

Paso onda (Wave step)
Paso completo (Full step)
Medio paso (Half step)
Micro-paso (Microstepping)

Modo Paso Onda

El modo paso onda es el más simple: solo un devanado se energiza a la vez. Cada bobina de la fase se conecta a la fuente alternativamente. La tabla muestra el orden de energización en un motor paso a paso de 4 fases.

En este modo el motor da el ángulo de paso máximo comparado con otros modos. Es el más simple y usado comúnmente; sin embargo, el par producido es menor al usar solo parte del devanado total a la vez.

Modo Paso Completo

En este modo, dos fases del estator se energizan simultáneamente. Cuando dos fases se energizan juntas, el rotor experimenta par de ambas y alcanza posición de equilibrio, intercalada entre dos posiciones adyacentes de paso onda o excitaciones de 1-fase. Este paso proporciona mejor par de retención que el paso onda. La tabla muestra el accionamiento de paso completo para motor de 4 fases.

Modo Medio Paso

Combina modos paso onda y paso completo. Se realizan excitaciones de fase simple y doble alternativamente: 1-fase ON, 2-fases ON, etc. El ángulo de paso en este modo es la mitad del ángulo de paso completo. Este modo tiene el mayor par y estabilidad comparado con todos los demás. La tabla contiene la secuencia de pulsos de fase para motor de 4 fases en medio paso.

Modo Micro-paso

En este modo, cada paso del motor se subdivide en varios pasos pequeños, incluso cientos de posiciones fijas, logrando mayor resolución de posicionamiento. Las corrientes a través de los devanados varían continuamente para obtener pasos muy pequeños. Dos fases se excitan simultáneamente, pero con corrientes desiguales en cada fase.

Por ejemplo, la corriente en fase-1 se mantiene constante mientras la de fase-2 se incrementa en pasos hasta su valor máximo (positivo o negativo). Luego la corriente en fase-1 disminuye o aumenta en pasos hasta cero. Así, el motor produce un tamaño de paso pequeño.

Todos estos modos de paso pueden obtenerse con cada tipo de motor paso a paso discutido. Sin embargo, la dirección de corriente en cada devanado durante estos pasos puede variar según el tipo de motor y si es unipolar o bipolar.

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Ventajas del Motor Paso a Paso

En posición de reposo, el motor tiene par total. Independientemente de si hay movimiento o cambio de posición.
Buena respuesta al arranque, parada e inversión de posición.
Al no tener escobillas de contacto, es fiable y su vida útil depende de los rodamientos.
El ángulo de rotación es directamente proporcional a las señales de entrada.
Control simple y económico al proporcionar control de lazo abierto respondiendo a señales digitales.
La velocidad es directamente proporcional a la frecuencia de pulsos de entrada, permitiendo amplia gama de velocidades.
Con carga acoplada al eje, aún es posible rotación sincrónica a baja velocidad.
Posicionamiento exacto y repetibilidad buena: precisión 3-5% de un paso, error no acumulativo entre pasos.
Motores paso a paso son más seguros y económicos (vs servomotores), con alto par a bajas velocidades, alta fiabilidad, construcción simple, operan en cualquier entorno.

Desventajas de los Motores Paso a Paso

Baja eficiencia.
Baja precisión.
Su par disminuye rápidamente con la velocidad.
Al operar en lazo abierto, no hay retroalimentación para indicar pasos perdidos.
Baja relación par/inercia: no puede acelerar la carga rápidamente.
Son ruidosos.

Aplicaciones de los Motores Paso a Paso

Equipos de producción automatizados, indicadores automotrices, máquinas industriales: envasado, etiquetado, llenado, corte, etc.
Ampliamente usados en dispositivos de seguridad: cámaras de vigilancia y seguridad.
Industria médica: muestras, fotografía dental digital, respiradores, bombas de fluidos, analizadores de sangre, escáneres médicos, etc.
Electrónica de consumo: escáneres de imagen, fotocopiadoras, impresoras, cámaras digitales para zoom y foco automático.
Ascensores, cintas transportadoras y desviadores de carril.