Por Jeremy Cook
motores de pasos, en su forma más básica, funcionan energizando bobinas en una secuencia cuidadosamente controlada para producir movimientos precisos. Sin embargo, la cuestión de cómo funciona un motor de pasos en un nivel fundamental puede ser difícil de entender. A fin de profundizar en el tema, explicaremos el funcionamiento simplificado de este tipo de motores y luego, desmontaremos un motor de pasos bipolar NEMA17 para ilustrar estos conceptos en la práctica.
¿Cómo funciona un motor de pasos?: Ilustración simplificada del motor
En el caso de un motor de pasos bipolar simplificado, cada uno de los dos conjuntos de electroimanes está controlado por un puente en H. Esto les permite cambiar la polaridad sobre la marcha para repeler o atraer los polos magnéticos permanentes del rotor, como se muestra a continuación:
Otra variación es un motor de reluctancia variable, que utiliza un núcleo no magnetizado que se alinea con las bobinas energizadas. Tenga en cuenta que muchos motores de pasos utilizan más de cuatro bobinas.
En esta ilustración, B y B1 están vinculados de modo que cuando B se energiza, actúa como un polo sur magnético y B1 como el polo norte, lo que ajusta el rotor en posición. Luego, A1 se energiza como sur para atraer el polo norte del rotor, y A se energiza como norte, atrayendo el sur del imán. Esto continúa tal como se describe en el siguiente patrón. Cuando se grafica este patrón de bobina simple, el patrón se parece a una onda y, a menudo, se lo denomina secuencia de "accionamiento de onda".
Patrón en el sentido de las agujas del reloj (reinicio)
| Norte: | B1 | A | B | A1 | (A) |
| Sur: | B | A1 | B1 | A | (B) |
Con una resolución de pasos de 90º, este es un motor de pasos muy resistente. Otra forma de lograr esto es energizar las cuatro bobinas al mismo tiempo, con los polos norte y sur alineados uno al lado del otro secuencialmente. El rotor magnético permanente apunta entre los electroimanes activos, hacia el centro de su atracción magnética combinada. Este funcionamiento de todas las bobinas produce más torque que una configuración de accionamiento de una sola bobina, pero requiere el doble de energía si se energiza por completo.
La secuencia en el sentido de las agujas del reloj es la siguiente:
Patrón en el sentido de las agujas del reloj (reinicio)
| Norte: | A1-B1 | B1-A | A-B | B-A1 | (A1-B1) |
| Sur: | A-B | B-A1 | A1-B1 | B1-A | (A-B) |
Todavía nos estamos desplazando en pasos completos de 90º, pero tener ambas opciones ofrece la posibilidad de intercalar ambos para lograr 8 pasos en lugar de 4. Esto se conoce como modo de medio paso y se muestra en la siguiente ilustración:
La secuencia más larga no se muestra aquí, pero sigue un movimiento de pasos progresivos similar. En particular, los patrones presentados también se pueden invertir para avanzar en sentido contrario a las agujas del reloj.
Por último, la configuración de múltiples imanes se puede llevar aún más lejos con la ayuda de micropasos. En una configuración de este tipo, cada polo recibe alimentación incremental en un patrón sinusoidal analógico, lo que permite que estos 8 pasos individuales se subdividan en 16, 32 e incluso, en incrementos más pequeños.
NEMA 17: 200 pasos por revolución
Más allá de la disposición magnética simple descrita más arriba, un motor de pasos NEMA17 comúnmente disponible cuenta con 200 pasos completos individuales por revolución. Esto le da una resolución de un solo paso de 1,8º por paso (360º/200). El motor de pasos NEMA17 típico tiene 8 bobinas escalonadas alrededor de su circunferencia, pero funciona con el mismo tipo de patrón A, A1; B, B1 que se muestra en la ilustración anterior.
Dentro del motor, un imán de rotor tiene sus polos norte y sur alineados de forma axial, con tapas de acero de 50 dientes en cada extremo que permiten una operación híbrida de imán permanente/reluctancia variable. Cada juego de dientes de la tapa de acero dentada está escalonado con su contraparte del rotor polar opuesto, lo que permite 200 pasos por revolución.
Con el uso del modo de medio paso, se puede lograr una resolución de 0,9º, mientras que los micropasos pueden multiplicar aún más estas divisiones. Teniendo en cuenta que los motores de pasos a menudo se producen y venden por menos de 100 dólares, son una innovación increíble.
Motor de pasos NEMA 17: Desmontaje para un análisis detallado
Los motores de pasos NEMA17 son bastante fáciles de desarmar: desatornille los pernos en la parte posterior del motor y luego, golpee el eje contra una mesa u otra superficie dura. Si bien existe cierto riesgo de rotura, la posibilidad de arruinar una unidad económica parecía valer la pena para nuestros propósitos. Fui un paso más allá e hice un agujero en la parte superior de la carcasa para ver el motor en acción.
En la primera imagen a continuación, puede ver las partes principales del motor de pasos. A la izquierda, se encuentra la sección inferior que está modificada para poder visualizarla. El rotor se ubica en el medio, con salientes de desplazamiento, tal como se mencionó antes, así como cojinetes en la parte superior e inferior para un funcionamiento fluido. La sección principal del electroimán está a la derecha, con 8 bobinas y salientes de dientes magnéticos verticales que se utilizan para atraer/repeler el rotor en forma secuencial. Un resorte ondulado en la parte inferior derecha mantiene ajustado el rotor y también encontramos algunos tornillos que todo en su lugar y que están parcialmente ocultos.
Las siguientes dos imágenes muestran el rotor con más detalle, con un pequeño disco magnético colocado para indicar la polaridad. Después de eso, vemos un primer plano del estator, con sus bobinas y salientes.
Si ensamblamos todo junto (nuevamente), la siguiente imagen muestra una vista del recorte del rotor y las bobinas alineadas. La placa Arduino Uno y el blindaje del motor usan un chip de controlador L293D para activar el motor en secuencia. Estos chips son especialmente adecuados para su uso en motores de pasos porque implementan dos circuitos de puente en H que permiten que las bobinas se energicen en cualquier dirección.
El blindaje del motor L293D está conectado a este motor de pasos modificado, ejecutando una versión modificada del código de prueba del blindaje del motor de Adafruit (más lento y con 200 pasos por revolución, en lugar de los 48 pasos predeterminados). Los LED están conectados a través de las salidas de la bobina, con el color rojo en una dirección y el azul en la otra. Esto permite que el LED rojo se ilumine en una dirección de la bobina y el LED azul en la opuesta. A medida que pasa por sus cuatro patrones de pasos, proporciona una buena visualización del flujo de corriente:
Motores de pasos bipolares: Controles de movimiento útiles
Al final del día, lo más probable es que nunca tenga que considerar las partes internas de un motor de pasos, ya que por lo general funcionan con el controlador y el software correctos. Al mismo tiempo, esperamos que este artículo haya ofrecido un poco más de información sobre lo que está sucediendo en estos increíbles dispositivos. Si bien existen algunas limitaciones para su uso (por ejemplo, no poseen retroalimentación integrada como un servo), los motores de pasos a menudo pueden ser una excelente opción para lograr un control de rotación preciso.
Si necesita aportes y ajustes basados en la velocidad en lugar de la distancia exclusivamente, consulte nuestro artículo sobre cómo implementar una configuración de control PID.