Motores a pasos... ¿unipolares o bipolares?

En aquellos proyectos en lo que se requiere movimientos exactos controlados mediante secuencias de pulsos provenientes de un dispositivo que envía señales digitales, lo más probable es que se requiera el uso de un motor a pasos. Hay varios tipos de motores a pasos que pueden ser: de imán permanente, de reluctancia variable e híbridos; los más usados para proyectos sencillos son los de imanes permanentes, por lo que en esta ocasión se hablará exclusivamente de los motores a pasos de imán permanente. Ya está elegido el tipo de motor a pasos a emplear, sin embargo surge un nuevo problema debido a que hay dos tipos de motores a pasos de imanes permanentes: unipolares y bipolares. La pregunta es, ¿cuáles son las diferencias entre un motor bipolar y un unipolar?, ¿cuál es el que debería usarse?

 

Más allá de las diferencias físicas que hayan, tales como que el motor unipolar es más grande que el bipolar o que un motor unipolar tiene 5 o 6 cables y que el bipolar tiene 4 cables, lo más importante es saber bajo qué configuraciones opera un motor con respecto al otro, de ahí que adquieran la característica de ser bipolar o unipolar.


Motores unipolares

Estos motores cuentan con dos bobinas con un punto medio de los cuales salen los cables hacia el exterior; estos cables se conectan a la fuente mientras que los extremos de las bobinas son aterrizadas para cerrar el circuito; dependiendo del tipo de motor, las líneas comunes pueden ser independientes o no. Esta configuración puede ser vista de las siguientes formas: que el motor tiene dos bobinas pequeñas conectadas a un punto en común, o que una bobina está divida en dos por medio de un punto común. Ahora, y dependiendo de qué media bobina se energice, se puede tener un polo norte o un polo sur; si se energiza la otra mitad, se obtiene un polo opuesto al otro. En la Ilustración 0 se muestra un esquema representativo del motor a pasos unipolar.

Ilustración 0. Modelo de un motor a pasos unipolar, en el que se muestran los puntos medios por donde salen las líneas de alimentación. Nótese que la línea 1 está alimentada y que se cierra el circuito al aterrizar la terminal 1a, generando un polo en dicha bobina. Un motor unipolar de 5 cables es así porque los cables intermedios están unidos en un sólo nodo -ver la Ilustración 1- mientras que el motor unipolar de 6 cables tiene un cable de alimentación para cada par de bobinas -ver Ilustración 2-

Ilustración 1. Motor unipolar de 5 cables.  Ilustración 2. Motor unipolar de 6 cables.



Motores bipolares

Cuentan con dos bobinas sin ningún punto medio donde salga un cable, por lo que se tienen cuatro cables y cada par corresponde a las terminales de una bobina -Ilustraciones 3 y 4- Dada la configuración de la bobina, la corriente puede fluir en dos direcciones, necesitando un control bidireccional o bipolar. En general, con respecto al sentido de giro de los motores a pasos bipolares, vale la pena recordar que el sentido de giro depende de la dirección del flujo de la corriente por las bobinas ya que ésta induce en el embobinado un campo magnético que genera un polo magnético norte y sur, de ahí que el rotor se mueva para que uno de los polos del rotor sea opuesto al de la bobina -localizado en el estator-, como se muestra en la Ilustración 3.

Ilustración 3. Modelo de un motor a pasos bipolar. Nótese que la bobina o embobinado 1 está energizado.

Ilustración 4. Representación de los embobinados de un motor a pasos bipolar.

Explicado lo anterior, y resumiendo en palabras más simples, el motor bipolar se denomina así porque al momento de energizar las bobinas del estator se generan simultáneamente dos polos magnéticos, uno norte y uno sur, y el motor unipolar es denominado así porque al tener un cable que es común para dos bobinas, se puede energizar una sola bobina y con esto crear un polo magnético para atraer a un polo del rotor; al no tomar en cuenta ese cable común el motor unipolar puede ser usado como un bipolar.

Comparaciones 

A continuación se muestra una tabla que contiene las comparaciones más significativas entre un motor a pasos unipolar y uno bipolar.

Motores bipolares

Motores unipolares

  • Mayor torque
  • Mayor anclaje debido a los embobinados
  • Más pequeño
  • Más barato
  • Un control más complicado, el cual requiere de una tarjeta que incluya etapas de control de giro y potencia
  • Menor torque
  • Menor anclaje
  • Tiene un mayor volumen
  • Más caro
  • Un control más sencillo al requerir solamente completar un circuito de alimentación

 

 Los torques en un motor a pasos

 Estos torques son importantes a tomar en cuenta para la elección de un motor a pasos durante el proceso de diseño de cualquier proyecto:

  • Torque de retención -detent torque- Torque máximo que es aplicado sin provocar la rotación del eje cuando el motor no está energizado.
  • Torque de anclaje -holding torque- Cuando el motor está parado y alimentado, este torque es el máximo que puede ser aplicado sin provocar la rotación del eje.
  • Torque de arranque -pull-in torque- Es el torque máximo para vencer la inercia del rotor y que comience a girar a toda rapidez.
  • Torque de giro -pull-out torque- Es el máximo torque que el motor puede proporcionar sin sufrir pérdidas de pasos.

Consideraciones a tomar en cuenta

Las siguientes consideraciones deben estar presentes en el momento que se usen estos motores:

  • Tener plenamente identificados los cables de motor para evitar una mala conexión.
  • En un sistema de lazo abierto, si el motor salta o pierde pulsos del controlador, el controlador ya no tiene un cálculo preciso del ángulo del eje, provocando una pérdida de paso, la cual puede ocurrir debido a un cambio súbito de la frecuencia de control. Incluso las pérdidas de paso pueden ocurrir si el motor continua girando después de que el suministro de la fuente de alimentación al motor es interrumpido.
  • Pérdida de pasos debido a un torque excesivo, aplicable a los torques mencionados anteriormente.
  • El motor puede detenerse un poco más allá de lo que se desea originalmente debido al fenómeno de la histéresis.
  • Si se emplea una frecuencia muy cercana a la frecuencia natural del motor, ocurrirá el fenómeno de resonancia, provocando amplificaciones de las vibraciones, pérdida de posición, desgaste de elementos mecánicos que estén unidos en el eje tales como engranes.
  • Incrementar el voltaje de operación puede sobrecalentar el motor.
  • Un excesivo sobrecalentamiento puede desmagnetizar los imanes del rotor.

 

En los siguientes enlaces puedes acceder a los sitios en los que puedes encontrar información más detallada al respecto:

http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Motores_Paso_a_Paso.pdf

http://robots-argentina.com.ar/MotorPP_basico.htm

http://www.alciro.org/alciro/Plotter-Router-Fresadora-CNC_1/Motores-paso-a-paso-bipolares-unipolares_85.htm

Así mismo, puedes consultar el siguiente libro:

Platt, Charles, Encyclopedia of Electronics Components. Power Sources & Conversion, Volume I,O'Reilly Media Inc., U.S.A., Pages 209-220.

Uriel Méndez

Comentarios

Uriel Méndez

excelente post ! felicitaciones sin duda muy bien resumido y elaborado hay muy pocos tan bien explicados y claros como este

Uriel Méndez

Gracias por tu explicación, por fin entiendo la diferencia.

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