Introducción

Los motores paso a paso o también conocidos como “stepper motor”, pueden girar y pararse con una precisión del orden de centésimas de milímetro. Esta alta precisión y su fiabilidad los destina a ser utilizados en una gran cantidad de aparatos electrónicos como por ejemplo, discos, impresoras, fotocopiadoras, robots, impresoras 3D, maquinas CNC, etc.

En este tutorial se cubrirá la teoría necesaria para poder hacer un controlador para este tipo de motores paso a paso.

Tipos de motores paso a paso

Los motores paso a paso pueden ser del tipo bipolar o unipolar.

Los motores bipolares son llamados así porqué para hacer girar el eje, deben invertir la polaridad de la alimentación de sus bobinas, según una secuencia bien precisa (ver Figura 1).

Motor paso a paso2

Figura 1: Secuencia y la polaridad de la alimentación a aplicar sobre las bobinas A-A y B-B para hacer girar el eje del motor con una progresión de un paso cada vez.

Los motores se reconocen fácilmente por los 4 hilos que salen de su cuerpo (ver Figura 2).

Los motores unipolares son llamados así porque, al tener un doble arrollamiento en sus bobinas, no es necesario invertir la polaridad de la alimentación.

Estos motores se reconocen por los 5 o 6 hilos que salen de su cuarto (ver Figuras 3 y 4).

Los motores bipolares son más corriente ya que, a igual potencia, tienen unas dimensiones menores que los unipolares.

Motor paso a paso3

Figura2: Hilos salen de los motores bipolares debido al par de bobinas que no tienen toma central.

Motor paso a paso4

Figura 3: Cuando salen 6 hilos del cuerpo del motor, quiere decir que el par de bobinas tienen una toma central, cada.

Motor paso a paso5

Figura 4: En los motores unipolares, de los que salen 5 hilos, las bobinas A y B están conectadas entre ellas, directamente en su interior, por una sola toma central.

Es por esta razón, por la que se prefiere utilizar los motores bipolares, ya que suponen menor problema de espacio en el interior de cualquier dispositivo.

El primer problema al que se enfrenta el técnico, es al control de un motor paso a paso. Aun teniendo un motor con tan solo 4 hilos, frente a los de 5 o 6 hilos, muchos ignoran como conectarlos y con qué tensión alimentarlos.

En la mayoría de los casos, se encuentra en el cuerpo del motor etiquetas con datos incomprensibles, pero raramente, sino nunca, el valor de la tensión de trabajo ni la corriente máxima admisible ya que, la corriente varia al mismo tiempo que la tensión de alimentación.

Los motores paso a paso pueden ser alimentados no importa con que tensión, es decir 9, 12, 15, 18, 24 o 28 voltios, a condición de que el circuito de control disponga de un sistema que limite la corriente que circula por sus bobinas.

Sin este control, corrientes muy elevadas atravesaran los arrollamientos de las bobinas, aumentando al mismo tiempo el valor de la tensión de alimentación. En este caso, no solo el circuito de control se dañara rápidamente, sino que simultáneamente los arrollamientos de las bobinas del motor se calentaran en exceso y terminaran dañándose igualmente.

Si tenemos un motor en el que la tensión de alimentación es de 12 voltios, preparado para absorber una corriente máxima de 0,3 amperios, y medimos el valor óhmico de sus bobinas, podremos comprobar que esta es de 2,5 ohm. Si este motor es alimentado con una tensión de 12 voltios sin limitación de corriente, según la ley de ohm bien conocida:

Corriente (amperios) = Voltaje (voltios)/ resistencia (ohm).

Por las bobinas circulara una corriente de:

12 voltios/2,5ohm = 4,8 amperios.

Si a continuación lo alimentamos con una tensión de 24 voltios, la corriente aumentara de la siguiente manera:

24 voltios/2,5 ohm = 9,6 amperios.

Para evitar que el circuito controlado o las bobinas del motor (o ambos) puedan dañarse, es suficiente con limitar la corriente a un máximo de unos 0,3 amperios, siempre para un voltaje de 12 voltios, o limitar la corriente a un valor inferior, para una tensión de 24 voltios.

Si abrimos uno de estos motores, nos encontraremos, algo similar a un simple dinamo de bicicleta, un imán con múltiples polos, conectado al eje del motor (ver Figura 5), y un cierto número de bobinas excitadoras situadas sobre la pared del motor (ver Figura 6).

Motor paso a paso6

Figura 5: Sobre el eje del motor está fijado un cilindro provisto de 2 rangos de dientes magnéticos que se posicionan frente a las bobinas.

Para comprender aún mejor como se procede para hacer girar un paso el eje del motor, analicemos un motor teórico provisto de 4 bobinas excitadoras únicamente (ver Figura 8), excitadas por un solo imán.

Si aplicamos una tensión sobre las 2 bobinas A-A, el imán será atraído hacia sus 2 bobinas y se obtendrá entonces la rotación de un paso (ver Figura 1A).Si retiramos la alimentación de las 2 bobinas A-A para aplicarla sobre las bobinas B-B, el imán será atraído hacia estas 2 bobinas y se obtendrá de nuevo la rotación de otro paso (ver Figura 1B). Si aplicamos la tensión sobre las bobinas A-A, pero con una polaridad inversa, el imán será de nuevo atraído hacia estas 2 bobinas y se obtendrá de nuevo otro avance de paso (ver Figura 1C).

Para obtener todavía otro paso de rotación, se deberá aplicar una tensión de polaridad inversa sobre las bobinas B-B (ver Figura 1D).

Motor paso a paso7

Figura 6: Si abrimos un motor paso a paso, nos encontraremos las bobinas de excitación que sirven para hacer girar el rotor mostrado en la Figura 5.

Motor paso a paso8

Figura 7: En los motores bipolares, siempre nos encontraremos con 4 hilos, mientras que en los motores unipolares serán de 5 o 6 los hilos que surgen del cuerpo del motor (ver Figuras 2, 3 y 4).

Motor paso a paso9

Figura 8: Para poder explicar cómo se hace girar un paso al rotor de estos motores, tomaremos como ejemplo un motor teórico provisto de 4 bobinas de excitación, únicamente, y de un solo imán (ver Figura 1).

De manera que, para realizar un giro completo del eje del motor tendremos que aplicar de manera secuencial una tensión sobre las bobinas A-A, luego sobre las bobinas B-B, luego de nuevo, pero con una polaridad inversa sobre las bobinas A-A y sobre las bobinas B-B.+

Cuanto mayor sea el número de imanes presentes sobre el rotor y la cantidad de bobinas presentes en el estator, mayor será el número de pasos necesarios para efectuar un giro completo del eje del motor.

Existen motores que ejecutan un giro completo con 20 pasos, otros con 48 pasos y otros incluso con 100 o 200 pasos.

Podemos encontrarnos a veces una etiqueta sobre el cuerpo del motor, sobre la que figura un número, por ejemplo 1,8° , 7,5°, 15°, etc., indicando el número de grados que gira el eje en cada paso.

En la siguiente tabla, pueden encontrar el número de pasos necesarios para obtener un giro completo en función de los grados.

Valor de un pasoN° de pasos para un giro
18°20
15°24
40
7,5°48
3,6°100
1,8°200

Conociendo el número de grados recorridos por el eje del motor a cada paso, podemos calcular cuantos pasos son necesarios para que el eje del motor efectué un giro completo, utilizando la siguiente formula:

Total de pasos = 360/grados en cada paso.

Conociendo el número total de pasos es necesario para obtener un giro completo de eje del motor, podemos conocer el valor de la rotación de un paso en grados, utilizando la siguiente formula:

Grados por paso = 360/número total de paso.

No todo el mundo sabe que los motores paso a paso pueden igualmente girar medio paso, si se aplica sobre las bobinas A-A y B-B una tensión según la secuencia de la Figura 9.

Motor paso a paso10

Figura 9: He aquí la secuencia y la polaridad de la alimentación a aplicar sobre las bobinas A-A y B-B para hacer girar el eje del motor con una progresión de medio paso cada vez.

Para comprender como es posible hacer girar medio paso el eje del motor, observemos la Figura 9-A. Si aplicamos una tensión sobre las bobinas A-A y simultáneamente sobre las bobinas B-B, el imán se posicionara en el centro de las 2 bobinas S-B, y se obtendrá de esta manera medio paso de giro (ver Figura 9A). Si retiramos la tensión de las bobinas A-A solamente, el imán será atraído hacia las 2 bobinas B-B, y se obtendrá de nuevo una rotación de otro medio paso (ver Figura 9-B).

Si aplicamos de nuevo una tensión, esta vez con una polaridad inversa, sobre las bobinas A-A, el imán se posicionara en el centro de las bobinas B-A, y obtendremos entontes otro medio paso de rotación (ver Figura 9-C).

Para obtener otro medio paso, será suficiente con retirar la tensión presente sobre las bobinas B-B (ver Figura 9-D).

No debemos inquietarnos por las secuencias necesarias y las inversiones de polaridad requeridas, ya que este trabajo se encomienda a circuitos controladores diseñados para tales funciones, y de los cuales veremos un ejemplo en este artículo, con el que podremos practicar las teorías estudiadas.

El enigma de los hilos

Aunque en el interior de estos motores se encuentran varias bobinas excitadoras, todas están conectadas en serie o paralelo y poseen siempre 4 o 5 hilos saliendo de su cuerpo.

Como ya hemos visto, los motores paso a paso más usados son los de 4 hilos, llamados bipolares.

Los motores de 5 o 6 hilos, llamados unipolares, están provistos de un doble arrollamiento con toma central (ver Figuras 3 y 4), siempre conectada al positivo de la alimentación, mientras que los 2 hilos A-A y B-B están conectados a masa, con respecto a una secuencia precisa e indispensable para la rotación.

Los motores unipolares, provistos de 6 hilos pueden igualmente ser utilizados como bipolares, a condición de no utilizar la toma central. No es lo mismo para los motores unipolares, provistos de 5 hilos, motivado por los 2 hilos que están conectados entre sí en el interior.

Los colores de los 4 o 6 hilos varían de un fabricante a otro y por consiguiente el primer problema a resolver es localizar los 2 hilos de las bobinas A-A y de las bobinas B-B y, las 2 tomas centrales que se encuentran en los motores de 6 hilos.

Si posees un motor de 4 hilos, toma el multímetro conmutado en la opción “OHM” (medición de resistencias), y busca los 2 hilos que dan algún valor óhmico (ver Figura 10).

Motor paso a paso11

Figura 10: Si ignoramos cuales son, en un motor bipolar, la pareja de hilos conectados a las bobinas A-A y B-B, ni el principio y el fin de estas bobinas, porque, una vez los hilos se conectan al circuito de control (que veremos más adelante en este mismo artículo), si seleccionamos que el eje gire en el sentido contrario a las agujas del reloj, será suficiente, para hacerlo girar en el sentido correcto, intervenir los 2 hilos A-A y los hilos B-B.

En el circuito de control que montaremos, hemos insertado un interruptor que sirve para invertir el sentido de la rotación sin necesidad de modificar el emplazamiento de los hilos de las bobinas.

Si posees un motor de 6 hilos, toma el multímetro conmutado en la opción “OHM”, para medir resistencias, y localiza los 3 hilos que den valor óhmico (ver Figura 11).

Motor paso a paso12

Figura 11: Si ignoramos cuales son, en un motor unipolar, las parejas de cables conectadas a las bobinas A-A o B-B, y su toma central, será suficiente con medir con un multímetro la resistencia óhmica. Los 2 hilos con resistencia máxima son los conectados a los extremos A-A o B-B, y presentan un valor óhmico reducido a la mitad, entre estos 3 hilos, el hilo central.

Estos 3 hilos pertenecen a una pareja de bobinas, y los otros tres, a la otra pareja.

Ahora debes descubrir cuál de los 3 hilos es el central. Por ejemplo, encontraras, en la medición de 2 hilos, una resistencia de 10 ohm y al medir los otros 2, una resistencia óhmica de 20 ohm, resulta evidente que el valor equivalente a la mitad del otro es el hilo central (ver Figura 10).

Si quieres emplear este motor como bipolar, deberás conectar los 2 hilos que tengan resistencia máxima en el circuito de control, e ignorar la toma central.

Para estos motores no es necesario conocer el comienzo y fin de las bobinas A-A y B-B. Si después de conectarlas al circuito de control observas que el eje gira en sentido contrario a las agujas del reloj, será suficiente con invertir los hilos o conmutar con el interruptor incluido en nuestro circuito.