Motor paso a paso: paso completo, medio paso y micropasos, par y pasos perdidos

Ángulo de paso y pasos por vuelta

Un motor paso a paso se construye para que su rotor tenga una serie de posiciones preferentes, definidas por los dientes del rotor y del estator. Excitar los devanados en secuencia mueve el rotor de una posición a la siguiente. El ángulo de paso es el movimiento por paso completo.

pasos por vuelta = 360° / ángulo de paso

• 1,8°: 200 pasos por vuelta (el motor híbrido más común)
• 0,9°: 400 pasos por vuelta
• 7,5°: 48 pasos por vuelta (pequeños motores de imanes permanentes de tipo can-stack)

La velocidad se deduce directamente de la frecuencia de pulsos. Con paso completo, la velocidad en rpm es frecuencia de pasos × ángulo de paso / 6, con la frecuencia de pasos en pulsos por segundo. Un motor de 1,8° alimentado a 1000 pulsos por segundo gira a 1000 × 1,8 / 6 = 300 rpm.

Paso completo, medio paso y micropasos

Un motor híbrido común tiene dos devanados, A y B. El driver controla la corriente en cada uno y el rotor se alinea con el campo magnético resultante.

Paso completo. Cada paso mueve el campo 90 grados eléctricos. En el modo de dos fases activas se excitan ambos devanados en cada paso, lo que da el mayor par. El accionamiento de una fase activa (onda) excita un solo devanado cada vez y da cerca de un 30 % menos de par.

Medio paso. La secuencia alterna entre una fase activa y dos fases activas. Duplica la resolución y da un movimiento más suave a baja velocidad, pero el par alterna ligeramente entre pasos porque dos fases producen más par que una.

Micropasos. El driver fija las corrientes de los dos devanados aproximando ondas seno y coseno, por ejemplo IA = I × cos θ e IB = I × sin θ. El rotor se alinea con un campo que apunta a cualquier punto entre las posiciones de paso completo. Con micropasos de 1/16, un paso completo se divide en 16 posiciones, de modo que un motor de 1,8° tiene 3200 posiciones por vuelta.

Los micropasos reducen mucho la vibración y el ruido, pero no dan un aumento proporcional de la precisión. El par de retención cae aproximadamente como el seno del desplazamiento respecto al objetivo, así que cerca de una posición de micropaso el par restaurador es pequeño, y el rozamiento y la carga pueden dejar el rotor algo corto. Los motores típicos tienen una precisión de posición de cerca del 5 % de un paso completo, así que use micropasos primero para la suavidad y después para la resolución.

Par de retención y par máximo

El par de retención es el par que un motor puede resistir en reposo cuando los devanados llevan la corriente nominal, la cifra de la hoja de datos. Un motor paso a paso tiene este par incluso parado, y por eso mantiene su posición sin realimentación, y también por eso consume corriente plena y se calienta en reposo.

Una vez que el motor gira, el par disponible cae con la velocidad. Cada devanado es una inductancia, y la tensión del driver tarda en hacer entrar y salir la corriente. A frecuencias de pasos altas, la corriente no alcanza su objetivo antes del siguiente paso, y el par baja. La curva del par máximo frente a la frecuencia de pasos es la curva de par de pull-out. La curva de pull-in, más baja, es la mayor frecuencia a la que el motor puede arrancar desde el reposo sin rampa.

Una tensión de alimentación más alta, comparada con la tensión nominal del devanado (corriente nominal × resistencia), permite que la corriente suba más rápido y empuja la curva hacia velocidades mayores. Por eso los drivers de motores paso a paso usan control de corriente por troceado con una alimentación de varias veces la tensión nominal del devanado.

Pasos perdidos y resonancia

Un motor paso a paso en lazo abierto no tiene forma de saber que ha perdido un paso. Hay tres causas:

• Sobrecarga: el par de carga es mayor que el par disponible a esa frecuencia de pasos, así que el rotor no puede seguir al campo y se desliza un número entero de pasos. Un motor calado emite un ruido de gruñido.
• Aceleración demasiado rápida: la frecuencia de pasos sube más deprisa de lo que el rotor puede acelerar. El remedio es una rampa, que aumenta gradualmente la frecuencia de pulsos.
• Resonancia: el rotor y su carga forman un sistema masa-resorte con una frecuencia natural, a menudo de unos pocos cientos de pasos completos por segundo o menos. Si la frecuencia de pasos coincide con ella, el rotor oscila cada vez más y puede perder pasos. Los micropasos, el amortiguamiento y atravesar rápidamente la velocidad de resonancia son los remedios habituales.

Como la posición es la suma de todos los pasos contados, un solo paso perdido permanece como error hasta que el eje se vuelve a referenciar. Por eso las máquinas con motores paso a paso llevan finales de carrera y una rutina de búsqueda de cero, y añaden un encoder cuando perder pasos saldría caro.

Posicionamiento en lazo abierto y un ejemplo resuelto

Como el número de pasos se traduce directamente en ángulo, un motor paso a paso puede posicionar una carga con precisión sin sensor, siempre que se mantenga margen de par. Para un eje de husillo:

pasos por mm = (pasos completos por vuelta × micropasos) / paso del husillo

Tome un motor de 1,8° (200 pasos por vuelta) que mueve un husillo de 8 mm de avance por vuelta, con el driver ajustado a micropasos de 1/16.

1. Pasos por vuelta en el driver: 200 × 16 = 3200. 2. Pasos por milímetro: 3200 / 8 = 400. 3. Resolución teórica: 1 / 400 = 0,0025 mm, es decir, 2,5 µm por micropaso. 4. Un movimiento de 120 mm necesita 120 × 400 = 48 000 pulsos. 5. Con una velocidad de avance de 50 mm/s, el husillo gira a 50 / 8 = 6,25 vueltas por segundo, es decir, 375 rpm, y la frecuencia de pulsos es 50 × 400 = 20 000 pulsos por segundo.

El último número es la razón de que muchos micropasos y alta velocidad no vayan juntos: el controlador debe generar 20 kHz, y a esa velocidad un motor real tiene poco par. En la práctica, se elige el ajuste de micropasos por la suavidad y la frecuencia de pulsos que implica por la velocidad que se necesita.

Cómo modela el simulador un motor paso a paso

El simulador del motor paso a paso de Curvo Studio es un modelo educativo compacto de un motor y un driver con troceado. No tiene ajuste de micropasos: se introduce el ángulo de paso en la placa de características y el modelo lo usa como paso del motor, con los pasos por vuelta mostrados como indicación bajo los campos de la placa. La velocidad del rotor es exactamente frecuencia de pasos × ángulo de paso / 6, porque un motor paso a paso sigue su tren de pulsos.

El par se modela así. El driver regula el devanado a la corriente nominal siempre que la tensión de alimentación pueda alcanzarla, lo que da un techo de par igual al par de retención. El par disponible decae después al subir la frecuencia de pasos, en torno a una frecuencia de codo que depende de la tensión de alimentación respecto a la tensión nominal del devanado (corriente nominal × resistencia del devanado, mostrada como indicación). Si el par de carga supera el par disponible, el motor se marca como que pierde pasos. A frecuencia de pasos cero con la alimentación conectada, el motor mantiene la posición con corriente plena. El modelo no incluye la resonancia ni una curva de pull-in explícita.

Pruébelo en el simulador del motor paso a paso

Abra el simulador del motor paso a paso y pruebe estos experimentos.

• Ponga la Frecuencia de pasos en 0 con la Tensión de alimentación conectada. El motor se mantiene quieto pero sigue consumiendo corriente de fase.
• Suba la Frecuencia de pasos y lea la Velocidad del rotor. Compruébela con frecuencia de pasos × ángulo de paso / 6.
• Observe cómo cae la lectura de Par disponible al subir la frecuencia de pasos y compárela con la lectura de Par, que es el par de carga.
• Suba el control deslizante de Carga mecánica, que es un porcentaje del par de retención, hasta que el estado cambie a Pasos perdidos.
• Suba la Tensión de alimentación y vea cómo se recupera el par disponible a frecuencias de pasos altas.
• Cambie el Ángulo de paso en la placa de características, por ejemplo de 1,8° a 0,9°, y observe cómo cambian la indicación de pasos por vuelta y la velocidad del rotor a una frecuencia de pasos dada.
• Cambie la Dirección entre CW y CCW.

Pruébalo en el simulador