¿Qué es un motor paso a paso, por qué es necesario y cómo funciona?
Los motores paso a paso de CC se usan ampliamente en máquinas y robótica controladas numéricamente. La principal diferencia de este motor eléctrico es el principio de su funcionamiento. El eje de un motor paso a paso no gira durante mucho tiempo, sino que solo gira un cierto ángulo. Esto garantiza un posicionamiento preciso del elemento de trabajo en el espacio. La fuente de alimentación de dicho motor es discreta, es decir, se lleva a cabo por pulsos. Estos pulsos también rotan el eje en un cierto ángulo, cada rotación se llama un paso, de ahí el nombre. A menudo, estos motores eléctricos funcionan en conjunto con una caja de engranajes para aumentar la precisión de la instalación y el par en el eje, y con un codificador para rastrear la posición del eje en este momento. Estos elementos son necesarios para transmitir y convertir el ángulo de rotación. En este artículo les diremos a los lectores del sitio Elecroexpert sobre el dispositivo, el principio de funcionamiento y el propósito de los motores paso a paso.
Como funciona un motor paso a paso
En tipo es un motor eléctrico síncrono sin escobillas. Consiste en estator y rotor. En el rotor, las secciones generalmente se ubican, ensambladas a partir de láminas de acero eléctrico (en la fotografía, esta es la parte del "engranaje"), y esas, a su vez, están separadas por imanes permanentes. En el estator hay bobinados en forma de bobinas separadas.
Principio de funcionamiento
El funcionamiento de un motor paso a paso puede considerarse 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. Como se atraen diferentes polos magnéticos, el rotor tomará su posición a lo largo del eje del campo magnético. Además, el campo magnético del motor impedirá 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 su posición predeterminada (por ejemplo, bajo cargas mecánicas en el eje).
Si se aplica voltaje de la misma polaridad a los devanados D y C, el campo electromagnético cambiará. Esto hace que el rotor del imán permanente gire a la posición 2. En este caso, el ángulo de rotación es de 90 °. Este ángulo será el paso de rotación del rotor.
La posición 3 se logra aplicando voltaje de polaridad inversa a los devanados A y B. En este caso, el campo electromagnético se volverá opuesto a la posición 1, el rotor de los motores se desplazará y el ángulo total será 180 °.
Al aplicar voltaje de polaridad inversa a los devanados D y C, el rotor girará un ángulo de hasta 270 ° con respecto a la posición inicial. Cuando se conecta voltaje positivo a los devanados A y B, el rotor tomará su posición inicial: completará una revolución de 360 °.Debe tenerse en cuenta que el rotor se mueve a lo largo del camino más pequeño, es decir, desde la posición 1 a la posición 4, el rotor girará solo después de pasar las posiciones intermedias 2 y 3. Al conectar los devanados después de 1 posición, inmediatamente a la posición 4, el rotor girará en sentido antihorario.
Tipos y tipos por polaridad o tipo de bobinados.
En motores paso a paso, se utilizan devanados bipolares y unipolares. El principio de funcionamiento se consideró sobre la base de una máquina bipolar. Este diseño implica el uso de diferentes fases para alimentar los devanados. El circuito es muy complejo y requiere tarjetas de control costosas y potentes.
Un esquema de control más simple en máquinas unipolares. En tal esquema, el comienzo de los devanados están conectados a un "más" común. En las segundas conclusiones de los devanados, se aplica alternativamente un signo negativo. Esto asegura la rotación del rotor.
Los motores paso a paso bipolares son más potentes, su par es un 40% más que en unipolar. Los motores eléctricos unipolares son mucho más convenientes para operar.
Tipos de motores para diseño de rotor.
Según el tipo de diseño del rotor, los motores paso a paso se dividen en máquinas:
- con un imán permanente;
- con resistencia magnética variable;
- híbrido
El motor paso a paso de imanes permanentes en el rotor está dispuesto de la misma manera que en los ejemplos anteriores. La única diferencia es que en máquinas reales la cantidad de imanes es mucho mayor. Por lo general, se distribuyen en una unidad compartida. El número de polos en los motores modernos llega a 48. Un paso en tales motores eléctricos es 7.5 °.
Motores eléctricos con resistencia magnética variable. El rotor de estas máquinas está hecho de aleaciones magnéticas blandas, también se les llama "motor paso a paso de chorro". El rotor se ensambla a partir de placas individuales y en el contexto se parece a una rueda dentada. 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 momento de bloqueo. El hecho es que el rotor con imanes permanentes es atraído por las partes metálicas del motor eléctrico. Y girar el eje en ausencia de voltaje en el estator es bastante difícil. En un motor paso a paso con resistencia magnética variable no existe tal problema. Sin embargo, una desventaja significativa es el pequeño par. La inclinación de tales máquinas suele ser de 5 ° a 15 °.
El motor paso a paso híbrido fue diseñado para combinar las mejores características de los dos tipos anteriores. Dichos motores tienen un paso pequeño en el rango de 0.9 a 5 °, tienen un alto par y capacidad de retención. La ventaja más importante es la alta precisión del dispositivo. Dichos motores eléctricos se utilizan en los equipos más modernos de alta precisión. Por contra solo se puede atribuir su alto costo. Estructuralmente, el rotor de este dispositivo es un cilindro magnetizado en el que se encuentran dientes magnéticamente suaves.
Por ejemplo, en un motor paso a paso de 200 pasos, se utilizan dos discos de engranajes con 50 dientes cada uno. Los discos se desplazan uno con respecto al otro por un diente para que la depresión del polo positivo coincida con la protuberancia del negativo y viceversa. Debido a esto, el rotor tiene 100 polos con polaridad inversa.
Es decir, los polos sur y norte pueden cambiar con respecto al estator en 50 posiciones diferentes, y en el total de 100. Y un cambio de fase de un cuarto da otras 100 posiciones, esto se hace debido a la excitación secuencial.
Gestión de SD
La gestión se lleva a cabo mediante los siguientes métodos:
- Ola En este método, el voltaje se aplica a una sola bobina, a la que atrae el rotor. Como solo se trata de un devanado, el par del rotor es pequeño y no es adecuado para transmitir grandes potencias.
- Paso completo En esta realización, se excitan dos devanados a la vez, lo que garantiza un par máximo.
- Medio paso Combina los dos primeros métodos.En esta realización, el voltaje se aplica primero a uno de los devanados, y luego a dos. Por lo tanto, se realiza un mayor número de pasos y una fuerza de retención máxima que detiene el rotor a altas velocidades.
- El microstepping se realiza aplicando pulsos de microstep. Este método proporciona una rotación suave del rotor y reduce las sacudidas durante la operación.
Ventajas y desventajas de los motores paso a paso.
Las ventajas de este tipo de máquinas eléctricas incluyen:
- inicio alto, parada, velocidades de retroceso;
- el eje gira de acuerdo con el comando del dispositivo de control en un ángulo predeterminado;
- clara fijación de posición después de una parada;
- alta precisión de posicionamiento, sin requisitos estrictos de retroalimentación;
- alta confiabilidad debido a la falta de un colector;
- manteniendo el par máximo a bajas velocidades.
Desventajas
- posiblemente una violación del posicionamiento durante la carga mecánica en el eje es mayor de lo permitido para un modelo de motor específico;
- probabilidad de resonancia;
- esquema de control complejo;
- baja velocidad de rotación, pero esto no puede atribuirse a desventajas significativas, ya que los motores paso a paso no se utilizan simplemente para rotar sin escobillas, por ejemplo, pero para mecanismos de posicionamiento.
Un motor paso a paso también se denomina "motor eléctrico de posición de rotor finito". Esta es la definición más amplia y al mismo tiempo breve de tales máquinas eléctricas. Se utilizan activamente en máquinas CNC, impresoras 3D y robots. El principal competidor del motor paso a paso es servoaccionamiento, pero cada uno de ellos tiene sus propias ventajas y desventajas que determinan la conveniencia de usar uno u otro en cada caso.
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