Motor paso a paso – principio de funcionamiento. (1ra parte)

El motor paso a paso está compuesto por un rotor y un estator. El estator está constituído por bobinas con nucleo de hierro  y el rotor por un imán permanente o por una pieza de forma cilíndrica de hierro. La característica de este motor es que su rotor gira ángulos exactos (pasos) como respuesta a la excitación adecuada del estator. Además constituye un sistema de control de lazo abierto, a diferencia del servomotor, que para girar ángulos definidos necesita de un lazo de realimentación.

Esta diferencia es lo que hace que el motor paso a paso sea más simple,  más barato y más fácil de controlar y operar.

Clasificación de los motores paso a paso según la forma de excitar el estator

Se clasifican en unipolares y bipolares.

En los unipolares no es necesario invertir el sentido de circulación de la corriente en los bobinados del estator para hacer funcionar al motor, en cambio en los bipolares si es necesario.

Fig.1 – Motor paso a paso unipolar

Fig.2 – Motor paso a paso bipolar

Clasificación de los motores paso a paso desde el punto de vista constructivo

Se clasifican en: 1) De imán permanente, donde el rotor es un imán permanente.

                               2) De reluctancia variable, donde el rotor es de hierro no imantado.

                               3) Mixto, que funciona con una combinación de los dos tipos anteriores.

En los tres casos el estator está siempre constituído por bobinas fijas y el rotor no incluye ningún bobinado.

Motor paso a paso bipolar de imán permanente

Las Figuras 3 y 4 muestran un corte del motor paso a paso de imán permanente en las diferentes posiciones del rotor.

El rotor consiste de un imán permanente de forma cilíndrica. Las dos bobinas AA´ están conectadas en serie formando el devanado de la fase A. De manera similar, las dos bobinas BB´están conectadas en serie formando el devanado de la fase B. En la Fig. 5 se puede ver un circuito magnético equivalente a la disposición adoptada para el motor.

Motor paso a paso bipolar de imán permanente

Las Figuras 3 y 4 muestran un corte del motor paso a paso de imán permanente en las diferentes posiciones del rotor.

El rotor consiste de un imán permanente de forma cilíndrica. Las dos bobinas AA´ están conectadas en serie formando el devanado de la fase A. De manera similar, las dos bobinas BB´están conectadas en serie formando el devanado de la fase B. En la Fig. 5 se puede ver un circuito magnético equivalente a la disposición adoptada para el motor.

Fig.3 – Posiciones del rotor y sentido de las corrientes,  para un giro de 0º (a) y de 90º (b)

En la Fig. 3 (a), la corriente circula por el devanado de la fase A en el sentido de arriba hacia abajo y el polo sur del rotor se orienta en el campo magnético producido por dicha corriente con su polo sur atraído por el polo norte del campo de las bobinas. En esta posición del rotor decimos que el ángulo girado es α = 0º.

En la Fig. 3 (b), la corriente circula por los devanados de la fase B en el sentido de derecha a izquierda y no circula por la fase A. De manera similar, el rotor se orienta con su polo sur atraído hacia el norte del campo magnético creado por la corriente de la fase B. El rotor ha girado 90º con respecto a la posición anterior y decimos que α = 90º.

Fig.4 – Posiciones del roto y sentido de las corrientes,  para un giro del rotor de 180º (c) y de 270º (d).

En la Fig. 4 (c) el sentido de la corriente se ha invertido con respecto a la Fig. 3 (a) y entonces se ha invertido el sentido del campo magnético, por lo que el polo sur del rotor se encuentra ahora atraído hacia abajo y decimo que α = 180º.

En la Fig.4 (d), ocurre algo similar y ahora decimos que α = 270º.

Si ahora vovemos a hacer circular la corriente por la fase A, como en la Fig. 3 (a), el rotor habrá girado 360º y decimos que α = 360º.

Entonces podemos concluir que con la excitación que hemos hecho, de las bobinas del estator, el rotor ha realizado un giro completo por 4 pasos de 90º.

Fig.5 – Circuito magnético equivalente a la disposición

física de las bobinas adoptada en el motor

En la Fig.6 hemos representado gráficamente la corriente y los valores de α correspondientes en función del tiempo, del motor paso a paso de imán permanente que hemos visto, con pasos de 90º.

Fig.6 – Representación gráfica de la corriente y del ángulo de giro α del

motor paso a paso de imán permanente, con pasos de 90º, en función del tiempo.

También podemos reducir a la mitad el valor en grados de los pasos, haciendo que estos sean de 45º, en lugar de 90º. Para eso,  debemos hacer circular las corrientes iA e i B al mismo tiempo en las posiciones intermedias entre los pasos de 90º. De esta forma se suman vectorialmente los campos magnéticos que ellas generan, teniendo como resultado campos con 45º de inclinación con respecto a los ejes de las bobinas, lo que orienta al rotor con la misma pendiente. En la Fig. 7 se han representado las corrientes necesarias para lograr pasos de 45º y el ángulo α correspondiente en función del tiempo.

Fig.7 – Representación gráfica de la corriente y del ángulo de giro α del

motor paso a paso de imán permanente, con pasos de 45º, en función del tiempo.

A medida que se reduce el tamaño de los pasos de un motor paso a paso, se dice que aumenta su resolución.

Hasta ahora hemos utilizado una secuencia para excitar el estator que  hace girar el rotor en sentido horario. Invirtiendo el orden de la secuencia, el motor girará en sentido contrario a las agujas del reloj.