Motor paso a paso: dispositivo, principio de funcionamiento, alcance

Los motores paso a paso de CC se utilizan ampliamente en máquinas de control numérico por computadora y robótica. La principal diferencia entre este motor eléctrico es el principio de su funcionamiento. El eje del motor paso a paso no gira durante mucho tiempo, solo gira en un cierto ángulo. Esto asegura un posicionamiento preciso del elemento de trabajo en el espacio. La fuente de alimentación de dicho motor es discreta, es decir, se realiza mediante pulsos. Estos impulsos hacen girar el eje en un cierto ángulo, cada uno de estos giros se llama paso, de ahí el nombre. A menudo, estos motores funcionan en conjunto con una caja de engranajes para mejorar la precisión de ajuste y el par en el eje, y con un codificador para rastrear la posición del eje en ese momento. Estos elementos son necesarios para transferir y transformar el ángulo de rotación. En este artículo les diremos a los lectores del sitio El mismo electricista sobre el dispositivo, el principio de funcionamiento y el propósito de los motores paso a paso.

Cómo funciona un motor paso a paso

Por su tipo, es un motor síncrono sin escobillas. Comprende estator y rotor. En el rotor suelen haber tramos hechos de láminas de acero eléctricas (en la foto esta es la parte "dentada"), y estos, a su vez, están separados por imanes permanentes. Los devanados están ubicados en el estator, en forma de bobinas separadas.

Principio de operación

El funcionamiento de un motor paso a paso se puede ver en un modelo condicional. En la posición 1, se aplica un voltaje de cierta polaridad a los devanados A y B. Como resultado, se genera un campo electromagnético en el estator. Dado que se atraen diferentes polos magnéticos, el rotor tomará su posición a lo largo del eje del campo magnético. Además, el campo magnético del motor evitará los intentos de cambiar la posición del rotor desde el exterior. En términos simples, el campo magnético del estator funcionará para evitar que el rotor cambie una posición determinada (por ejemplo, bajo tensión mecánica en el eje).

Si se aplica un voltaje de la misma polaridad a los devanados D y C, el campo electromagnético cambiará. Esto hará que el rotor de imanes permanentes gire a la posición 2. En este caso, el ángulo de rotación es de 90 °. Este ángulo será el paso de girar el rotor.

La posición 3 se logra aplicando voltaje de polaridad inversa a los devanados A y B. En este caso, el campo electromagnético será opuesto a la posición 1, el rotor de los motores se desplazará y el ángulo total será de 180 °.

Cuando se aplica un voltaje de polaridad inversa a los devanados D y C, el rotor girará hasta 270 ° con respecto a la posición inicial. Cuando se conecta un voltaje positivo a los devanados A y B, el rotor tomará su posición original: completará una revolución de 360 ​​°. Hay que tener en cuenta que el movimiento del rotor se produce por el camino más corto, es decir, de la posición 1 a la posición 4 en el sentido de las agujas del reloj, el rotor girará solo después de pasar el intermedio 2 y 3 provisiones. Al conectar los devanados después de 1 posición inmediatamente a 4 posiciones, el rotor girará en sentido antihorario.

Tipos y tipos por polaridad o tipo de bobinados

Los motores paso a paso utilizan devanados bipolares y unipolares. El principio de funcionamiento se consideró sobre la base de una máquina bipolar. Este diseño prevé el uso de diferentes fases para alimentar los devanados. El circuito es muy complejo y requiere tableros de control costosos y potentes.

Un esquema de control más simple en máquinas unipolares. En tal esquema, el comienzo de los devanados está conectado a un "más" común. En las segundas conclusiones de los devanados, "menos" se suministra alternativamente. Esto asegura la rotación del rotor.

Los motores paso a paso bipolares son más potentes, tienen un 40% más de par que los unipolares. Los motores eléctricos unipolares son mucho más cómodos de operar.

Tipos de motor por diseño de rotor

Según el tipo de diseño del rotor, los motores paso a paso se dividen en máquinas:

• con un imán permanente;
• con desgana variable;
• híbrido.

El SM con imanes permanentes en el rotor está diseñado de la misma manera que en los ejemplos discutidos anteriormente. La única diferencia es que hay muchos más imanes en las máquinas reales. Por lo general, se distribuyen en un disco compartido. El número de polos en los motores modernos alcanza los 48. Un paso en tales motores eléctricos es de 7.5 °.

Motores de reluctancia variable. El rotor de estas máquinas está hecho de aleaciones magnéticas blandas, también se les llama "motor paso a paso reactivo". El rotor se ensambla a partir de placas separadas y parece una rueda dentada en sección. Este diseño es necesario para que el flujo magnético se cierre a través de los dientes. La principal ventaja de este diseño es la ausencia de un par de bloqueo. El hecho es que el rotor de imán permanente es atraído por las partes metálicas del motor eléctrico. Y es bastante difícil girar el eje en ausencia de voltaje en el estator. No existe tal problema en un motor paso a paso con desgana variable. Sin embargo, una desventaja significativa es el pequeño par. El paso de estas máquinas suele estar entre 5 ° y 15 °.

El motor paso a paso híbrido fue desarrollado para combinar las mejores características de los dos tipos anteriores. Estos motores tienen un paso pequeño que va de 0,9 a 5 ° y tienen un par y una capacidad de retención elevados. La ventaja más importante es la alta precisión del dispositivo. Estos motores eléctricos se utilizan en los equipos de alta precisión más modernos. Las desventajas incluyen solo su alto costo. Estructuralmente, el rotor de este dispositivo es un cilindro magnetizado en el que se encuentran los dientes magnéticos blandos.

Por ejemplo, un motor paso a paso de 200 pasos utiliza dos discos dentados con 50 dientes cada uno. Los discos están desplazados entre sí por medio diente de modo que la cavidad del polo positivo coincida con la protuberancia del polo negativo y viceversa. Gracias a esto, el rotor tiene 100 polos con polaridad inversa.

Es decir, tanto el polo sur como el norte se pueden desplazar con respecto al estator en 50 posiciones diferentes, y en total 100. Y un cambio de fase en un cuarto da otras 100 posiciones, esto se hace debido a la excitación secuencial.

Control de motor paso a paso

La gestión se lleva a cabo mediante los siguientes métodos:

1. Ola. En este método, el voltaje se aplica a una sola bobina, a la que se atrae el rotor. Dado que solo se trata de un devanado, el par del rotor es pequeño y no es adecuado para la transmisión de alta potencia.
2. Paso completo. En esta realización, se excitan dos devanados a la vez, lo que garantiza el par máximo.
3. Semi-escalón. Combina los dos primeros métodos. En esta realización, el voltaje se aplica primero a uno de los devanados y luego a dos. De esta manera, se realizan más pasos y la fuerza de sujeción máxima, que detiene el rotor a altas velocidades.
4. El control de micropasos se realiza aplicando impulsos de micropasos. Este método asegura una rotación suave del rotor y reduce las sacudidas durante el funcionamiento.

Ventajas y desventajas de los motores paso a paso.

Las ventajas de este tipo de máquinas eléctricas incluyen:

• altas velocidades de arranque, parada, marcha atrás;
• el eje se hace girar de acuerdo con la orden del dispositivo de control en un ángulo predeterminado;
• fijación clara de la posición después de detenerse;
• alta precisión de posicionamiento, sin requisitos estrictos para la presencia de retroalimentación;
• alta confiabilidad debido a la ausencia de un colector;
• manteniendo el par máximo a bajas velocidades.

Desventajas:

• el posicionamiento puede violarse cuando la carga mecánica en el eje es mayor que la permitida para un modelo de motor en particular;
• probabilidad de resonancia;
• esquema de control complejo;
• baja velocidad de rotación, pero esto no se puede atribuir a desventajas significativas, ya que los motores paso a paso no se utilizan para girar simplemente algo como sin escobillas, por ejemplo, pero para los mecanismos de posicionamiento.

Un motor paso a paso también se denomina motor de "número finito de posiciones del rotor". Esta es la definición más amplia y al mismo tiempo concisa de tales máquinas eléctricas. Se utilizan activamente en máquinas CNC, impresoras 3D y robots. El principal competidor del motor paso a paso es servo, pero cada uno de ellos tiene sus propias ventajas y desventajas, que determinan la conveniencia de utilizar uno u otro en cada caso.

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