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Stepper motors and drive methods Motores por pasos y métodos de control

Often a mechanical operation or function is required in an application. This may in turn require a motor or other mechanical device to position a load or device.

Examples are computer peripherals (scanners, disc drives, etc), cameras, telescopes and satellite dish positioning systems, robotic arms, and numerically controlled machine tools. While a conventional DC or AC motor can be used, it is difficult to accurately determine the exact position of the load, motor speed, or how much total motion has been produced, unless external positioning sensors, encoders, servo loops, and controlling devices (brakes, clutches, etc) are used. Many motors run at a speed in RPM that is too high, and this involves using a gear train to reduce the speed and increase the torque to useable levels. While this may not always be a problem, conventional motors can be difficult to use for certain applications. Where very high speed is not a factor and precise control is desired, a stepper motor may be advantageous. Many applications require lower speeds, below a few hundred revolutions per minute, and often conventional type motors include integral gear speed reduction systems. A stepper motor is a device that translates an electrical signal to a change in position of a shaft or other actuator. This is usually a linear translation or rotation. Unlike a conventional DC or AC motor, this is usually a discrete quantity, and occurs when a pulse or other signal is applied. While DC or AC motors are driven continuously, a stepper motor is driven generally by pulses.

Stepper motors are somewhat similar to reluctance motors, i.e. they depend on attraction or repulsion of magnetic structures and derive their torque solely on the change of reluctance of a magnetic circuit, whereby a conventional motor derives its torque from the interaction of current carrying conductors with magnetic fields. A stepper motor cannot draw a higher current in a stalled rotor condition, to rapidly accelerate a load from rest to speed. This stalled rotor condition is momentarily encountered during startup of conventional motors due to mechanical inertia. It causes an initially high current to be drawn by the motor. DC and AC motors can, within reason, draw the higher current they need to start up quickly. Stepper motors depend on reluctance torque only, so they can not start up as large a load as a comparable conventional motor. A stepper motor will move a load a certain discrete amount for each pulse applied, then stop and do nothing until another pulse is applied.

 

Con frecuencia  una operación mecánica o función es requerida en una aplicación. Esta pueda en cambio requerir un motor u otro dispositivo mecánico para posicionar una carga o dispositivo.

Ejemplos son los periféricos de computadores (escáneres, lectoras de discos, etc. ), cámaras, telescopios y sistemas de posicionamientos de satélites, brazos robóticos y máquinas herramientas numéricamente controladas. Mientras un motor convencional de corriente continua o corriente alterna puede ser usado, es difícil de determinar con precisión la posición exacta de la carga, velocidad del motor, o cuánto movimiento total ha sido producido, a no ser que sensores externos de posicionamiento, codificadores, lazos servo y dispositivos de control ( frenos, embragues, etc.) sean usados. Muchos motores funcionan a una velocidad en rpm que es muy elevada, y esto incluye el uso de un tren de engranajes para reducir la velocidad e incrementar el torque a niveles útiles. Mientras que esto puede no siempre ser un problema, los motores convencionales pueden ser difíciles de usar para ciertas aplicaciones. Donde una muy elevada velocidad no es un factor y un control preciso es deseado, un motor por pasos puede ser ventajoso. Muchas aplicaciones requieren menores velocidades, debajo de un cientos de revoluciones por minuto,  y con frecuencia los tipos de motores convencionales incluyen sistemas de engranajes de reducción de velocidad integrales. Un motor por pasos es un dispositivo que convierte una señal eléctrica en un cambio de posición de un eje u otro actuador. Esta es usualmente una translación lineal o rotación. A diferencia de un motor convencional de corriente continua o corriente alterna, esta es una cantidad discreta, y ocurre cuando un pulso u otra señal sean aplicados. Mientras que los motores de corriente continua o alterna son accionados en forma continua, un motor por pasos es accionado generalmente por pulsos.

Los motores por pasos son algo similares a los motores a reluctancia, o sea, los mismos dependen de la atracción o repulsión de estructuras magnéticas y derivan su torque solamente por el cambio de reluctancia de un circuito magnético, mientras que un motor convencional deriva su torque a partir de la interacción de conductores que llevan corriente  con campos magnéticos. Un motor por pasos no puede demandar mas corriente en una condición de rotor bloqueado, para rápidamente acelerar una carga desde la parada hasta tener velocidad. Esta condición de rotor bloqueado es momentáneamente encontrada durante el inicio de los motores convencionales debido a la inercia mecánica. Esta causa una corriente inicial elevada a ser demandada por el motor. Los motores de corriente continua o corriente alterna pueden, con razón, demandar la mayor corriente que necesitan para arrancar rápidamente. Los motores por pasos dependen sólo del torque de reluctancia, por lo que los mismos no pueden mover en el arranque una carga tan grande como la de un motor convencional comparable. Un motor por pasos moverá una carga una cierta cantidad discreta por cada pulso aplicado, luego parará y no hará nada hasta que otro pulso sea aplicado.

 

Figure above shows a basic stepper motor. The armature or moving  part, is a magnetic structure that may be only soft iron (reluctance type) or may be a permanent magnet itself (hybrid type). Several electromagnets (poles), called the stator, are arranged around the armature, or rotor. When the electromagnets are energized as shown, the rotor will turn until it lines up with the opposite poles. The figure shows the final position of the rotor as well. If two adjacent stator magnets are energized so that the polarity is the same, the rotor will tend to line up between these poles such that the magnetic circuit has minimum reluctance, which is the easiest path for the magnetic lines of force. After this occurs, nothing else will happen. The electromagnets have a steady state current now flowing in their windings. The current flow will hold the rotor in position and a certain externally applied torque will be needed to move the rotor out of this position. This current flow acts as a brake, and therefore no external brake mechanism is needed. This force will be from several inch-ounces to several hundred inch ounces, depending on the motor. Motors with a permanent magnet rotor have a residual magnetism present and therefore a braking effect still exists with no current flow in the stator windings. Stepper motor speeds are typically from zero to a few hundred RPM, and they are best suited to low speed applications.

 

Naturally, a stepper motor physically like the one shown would not be very useful as only large angles of rotation (45 degrees or multiples of this) could be obtained unless gearing was used. Real world stepping motors have toothed rotors that often will resemble a gear, 48 or more discrete steps, with usually 200 or sometimes 400 steps. This allows 1.8 degree or 0.9 degree increments respectively, or even smaller by using half or mini stepping methods. Common stepper motors are usually two or four phase, depending on the number of windings on the stator.

Usually there are two or four, and often the windings may be connected internally, to reduce the number of external leads. This is often done with the ground connections. All stepper motors will have at least two phases, with four commonly used. There are also six phase stepper motors available. There are 3 basic types of stepper motors. The VR (variable reluctance) type has a soft iron rotor and can be turned when de-energized, since there is no holding torque. The PM (Permanent magnet) type has a radially magnetized rotor. This type has detents when deenergized, which may present a problem in some applications. It is not suitable for small step angles. The hybrid type has an axially polarized rotor with 2 sections, one with all north poles, the other with all south poles, and is a combination of the VR and PM type. The hybrid and variable reluctance types are the most commonly used.

Stepper motors have several advantages:

a) They can be operated in open loop systems
b) Position error is that of a single step.
c) Error is non-cumulative between steps
d) Discrete pulses control motor position
e) Interface well to digital and microcontroller systems
f) Mechanically simple, no brushes, highly reliable

Disadvantages are:

a) Fixed increments of motion
b) Low efficiency, driver choice important
c) High oscillation and overshoot to a step input
d) Limited power output
e) Limited ability to handle large inertial loads
f) Friction errors can increase position error.

Some basic stepping motor terms are as follows:

Step angle: Angular increment the motor shaft rotates with each activation of the windings, in degrees. The step angle divided into 360 degrees gives the number of steps per revolution

Drivers: Circuitry for interfacing stepper motors to power sources. Contains logic, power supplies, switching transistors, connections to external interfaces

Steps per second: The number of angular movements per unit time

Step accuracy: Non cumulative error expressed as a percentage of step increment.

As an example, a 1.8 degree step with a 5 percent error may actually be 1.71 to 1.89 degrees.

Holding torque: The amount of externally applied torque needed to break away the motor shaft from its holding position, with rated current and voltage applied to the motor

Residual Torque: Present only in motors with a permanent magnet rotor, it is the torque present as a result of rotor magnetism under power off conditions.

Resonance: Mechanical natural frequency of a motor assembly due to mass and “spring” tension from magnetic forces. It can be controlled mechanically or electrically

Pulse rate: Rate at which windings are switched in pulses per second. If one pulse steps the motor one step it is also the stepping rate of the motor.

Damping: Control of motor overshoot, controlled electronically or mechanically

Translator: Circuitry to control motor switching sequence so one input pulse moves rotor one step

Ramping:  Variation of pulse frequency to accelerate or decelerate stepping motor. Useful for high speed applications or with loads with large inertia.

Step response: Mechanical output of the motor versus time in response to a unit step input.

Start/Stop without error: Maximum step rate which a motor can start or stop without losing steps or synchronism.

Stepper motors must be interfaced with drive circuitry in order to be useful for performing a task. There are many drive schemes. The scheme chosen should be consistent with the technical requirements, motor type, economic requirements, and available components and interfacing. Basically, the problem is to drive the stepper motor windings, which are represented by a series circuit containing resistance and inductance (R-L circuit). These windings must be driven with correct current and voltage drive levels and pulse widths. Normally, a series resistance is used to limit the current, or a constant current source can be used. The time constant of the L-R circuit is equal to L/R, which means that a low inductance, high resistance circuit will have a shorter time constant. This implies using a high voltage and a high circuit impedance, or a current source. Power supply voltages may be 12, 24, 48, or higher. The higher voltages are advantageous in allowing a larger series resistance and shorter L-R time constant.

From the driver point of view, the problem is one of driving a series L-R circuit and maintaining good control of waveforms, and avoiding damage from inductive switching transients. Either bipolar or MOS technology can be used for the drivers and the associated logic circuitry. MOS has the advantages of “rail to rail” capability, but at most reasonable voltages this is not usually a problem and bipolar devices will usually be adequate. Several approaches can be used. While discrete component circuitry can be built up from individual components, it may be simpler and more cost effective to use IC devices for this function, at least for the logic, sequencing, and control circuitry.

A basic driver circuit is shown in the figures, using a switching transistor, motor winding, and power supply. Defining quantities:

Vs = power supply voltage

Rx = external resistance (Includes that of power supply)

Rw = motor winding resistance

Rr = Leakage resistance across switch

Lw = motor winding inductance

The initial current, when the switch is open is:

I = Io = Vs / (Rx + Rw + Rr)

When the switch is closed, the current will be:

I = Io + [Vs (1 – e^-t/T) / (Rx + Rw)]

Where T = time constant = Lw / (Total Circuit Resistance )

This says the current will rise suddenly and gradually approach the value of

I = I final = Vs / (Rx + Rw).

After a period of three time constants the current will be about 95 % of its final value, and after five time constants the current will approach the final steady state value within less than one percent. It is the property of an inductor that the current cannot change instantaneously in the absence of impulses. Therefore, when the switch transistor turns off, the final current keeps flowing, and flows through a  total circuit resistance of (Rx + Rw + Rr), which can be very high. A very high voltage appears across the switch transistor. This could reach several thousand volts, but practical limitations such as stray capacitance and the breakdown voltage of the switch transistor limit this. Nevertheless, the switch transistor(s) must sustain this high voltage.

Note that the current takes time to reach its full value, and this time is decreased for high values of circuit resistance and lower winding inductance. But higher resistance means higher voltages must be used to obtain the necessary drive current. This makes more demands on the switching transistors with regard to voltage breakdown. For short excitation times, the current may not have time to reach the desired value unless special measures are taken. The ability to rapidly turn on and turn off the current in the windings directly affects the rate of  stepping that can be achieved for a specified level of performance of the stepper motor. There are two basic drive formats used to drive stepper motors. Unipolar drive uses a bipolar motor winding, with one coil energized at a time, current flowing in only one direction. This does not fully use both windings. At low step rates torque and performance are sacrificed, but the drive circuitry is simplified, since only one switch transistor per winding is needed. The bipolar format employs a reversal of winding current to reverse the stator flux. Current flows in all windings at the same time. Full use is made of the windings, and at low and medium step rates performance is improved. However this requires more complex drive circuitry, since a bridge type driver output circuit is required. This is generally an H bridge.

See next figures for driver configurations. H-bridge IC drivers are available for the power stages that drive the windings. Alternatively, complete IC devices including drivers can be used if preferred.

 

La figura arriba muestra un motor por pasos básico. La armadura o parte móvil, es una estructura magnética que puede ser solo de hierro dulce (tipo reluctancia) o puede ser un imán permanente mismo (tipo híbrido). Algunos electromagnetos (polos), identificado como el estator, están dispuestos alrededor de la armadura o rotor. Cuando los electromagnetos son energizados como se muestra, el rotor girará hasta que se alinee con los polos opuestos. La figura muestra también la posición final del rotor. Si dos imanes adyacentes del estator están energizados de manera que la polaridad sea la misma, el rotor tenderá a alinearse entre estos polos de manera que el circuito magnético tenga menos reluctancia, lo que representa el camino mas fácil para las líneas de fuerza magnéticas. Luego de que esto se produce, no pasa nada mas. Los electromagnetos tienen una corriente de estado permanente fluyendo en sus bobinados. La circulación de corriente mantendrá el rotor en posición y un cierto torque externamente aplicado será necesario para mover el rotor fuera de esta posición. Esta circulación de corriente actúa como un freno, y por lo tanto no es necesario ningún mecanismo de freno externo. Esta fuerza será de varias pulgadas-onzas a varios cientos de pulgadas-onzas, dependiendo del motor. Los motores con un rotor de imán permanente tienen presente un magnetismo residual y por lo tanto un efecto de frenado aún existe sin circulación de corriente en los bobinados del estator. Las velocidades de los motores por pasos son típicamente desde cero hasta unos pocos cientos de rpm, y las mismas están mejor adaptadas a aplicaciones de baja velocidad.

Naturalmente, un motor por pasos físicamente similar al mostrado no sería muy útil ya que sólo grandes ángulos de rotación (45 grados o múltiplos del mismo) podrían ser obtenidos a no ser que trenes de engranajes sean usados.  Los motores del mundo real tienen rotores dentados que con frecuencia semejan un engranaje, 48 pasos discretos o mas, con 200 o a veces 400 pasos usualmente. Esto permite incrementos de 1,8 ó 0,9 grados respectivamente, o aún menores usando métodos de medio o mini paso. Los motores por pasos comunes son usualmente de dos o cuatro fases, dependiendo del número de devanados en el estator.

Usualmente hay dos o cuatro, y con frecuencia los bobinados pueden estar conectados internamente, para reducir el número de puntas externas. Esto se hace con frecuencia con las conexiones de tierra. Todos los motores por pasos tendrán al menos dos fases, con cuatro comúnmente usadas. Están también disponibles motores por pasos de seis fases. Hay tres tipos básicos de motores por pasos. El tipo VR (de reluctancia variable) tiene un rotor de hierro dulce y puede ser girado cuando está desenergizado dado que no existe un torque de mantenimiento. El tipo PM ( de imán permanente) tiene un rotor magnetizado radialmente. Este tipo tiene cierta resistencia al giro cuando está desenergizado, lo que puede presentar un problema en algunas aplicaciones. Este no es adecuado para pequeños pasos de ángulos.  El tipo híbrido tiene un rotor axialmente polarizado con 2 secciones, una con todos los polos norte y la otra con todos los polos sur, y es una combinación del los tipos VR y PM. Los de tipos híbrido y de reluctancia variable son los mas comúnmente usados.

Los motores por pasos tienen varias ventajas:

a) Pueden ser operados con sistemas de lazo abierto
b) El error de posición es de un solo paso
c) Error no acumulativo entre pasos
d) Control de posición del motor por pulsos discretos
e) Tiene buena interface con sistemas digitales y microcontroladores
f) Simples mecánicamente, sin escobillas y altamente confiables.

Las desventajas son:

a) Incrementos fijos de movimiento
b) Baja eficiencia, importante la elección del controlador
c) Alta oscilación y sobreimpulso a una entrada de paso
d) Limitada salida de potencia
e) Limitada habilidad para controlar grandes cargas inerciales
f) Los errores de fricción pueden incrementar el error de posición

Algunos términos básicos de los motores por pasos son los siguientes:

Ángulo de paso: incremento angular que el eje del motor gira con cada activación de los bobinados en grados. El ángulo de paso dividido en 360 grados da el número de pasos por revolución

Controladores: circuito de interface entre los motores por pasos y las fuentes de alimentación. Contienen la lógica, fuentes de alimentación, transistores de conmutación, conexiones a interfaces externas.

Pasos por segundo: Es el número de movimientos angulares por unidad de tiempo

Precisión de paso: Error no acumulativo expresado como porcentaje del incremento de paso. Como ejemplo, un paso de 1,8 grados con un 5 por ciento de error puede en realidad ser de 1,71 a 1,89 grados.

Torque de mantenimiento: Es la cantidad de torque aplicado externamente necesario para mover el eje del motor de su posición de parada, con un régimen de corriente y voltaje aplicados al motor.

Torque residual: Presente sólo en motores con rotor de imán permanente, es el torque presente como resultado del magnetismo del rotor bajo condiciones de alimentación desconectada.

Resonancia: Es la frecuencia mecánica natural de un motor debido a la masa y a la tensión “resorte” debida a las fuerzas magnéticas. La misma puede ser controlada mecánica o eléctricamente.

Régimen de pulsos: Régimen al cual los bobinados son conmutados en pulsos por segundo. Si un pulso produce un paso del motor, un pulso es además el régimen de pulsos del motor.

Amortiguamiento: Control del sobreimpulso del motor, controlado electrónica o mecánicamente.

Transductor: Circuitería para controlar la secuencia de conmutación del motor de manera que un pulso de entrada mueva el rotor en un paso.

Cambio de rampa: Variación de la frecuencia del pulso para acelerar o desacelerar el motor por pasos. Útil para aplicaciones de alta velocidad o con cargas con gran inercia.

Respuesta de paso: Salida mecánica del motor versus tiempo en respuesta a una entrada de paso.

Arranque/parada sin error: Régimen máximo de pasos al que el motor puede arrancar o parar sin pérdida de pasos o sincronización.

Los motores por pasos deben ser comandados o excitados por circuitos de control para poder ser útiles para llevar a cabo una tarea. Hay muchos esquemas de circuitos controladores o excitadores. El esquema elegido deberá ser consistente con los requerimientos, tipo de motor, requerimientos económicos y disponibilidad de componentes y comandos. Básicamente, el problema es el comando de los bobinados del motor por pasos, los que son representados por una serie de circuitos conteniendo resistencia e inductancia (circuito R-L). Estos bobinados deben ser comandados con niveles de corriente y voltaje correctos así como los correspondientes anchos de pulsos. Normalmente, una resistencia en serie es usada para limitar la corriente, o puede usarse una fuente de corriente constante. La constante de tiempo del circuito L-R es igual a L/R, lo que significa que un circuito de baja inductancia y alta resistencia tendrá una constante de tiempo menor. Esto implica el uso de un alto voltaje y una elevada impedancia de circuito, o una fuente de corriente. Los suministros de tensión de alimentación pueden ser de 12, 24, 48  o mayores. Los voltajes mas elevados son ventajosos al permitir resistencias serie mas elevadas y una constante de tiempo L-R mas corta.

Desde el punto de vista del controlador, el problema es uno de controlar un circuito L-R serie  y mantener un buen control de las formas de ondas, y evitar el daño debido a los transitorios inductivos de conmutación. Se puede usar tecnología tanto bipolar como MOS para los controladores y los circuitos lógicos asociados.  La tecnología MOS tiene las ventajas de una capacidad de “riel a riel”, pero a voltajes mas razonables esto no es usualmente un problema y los dispositivos bipolares serán usualmente adecuados. Varias aproximaciones pueden ser usadas. Mientras que circuitos  de componentes discretos pueden ser construidos  a partir de componentes individuales, puede ser mas simple y mas económico el uso de dispositivos de circuitos integrados para esta función, al menos para la lógica, secuenciamiento y circuitos de control.

Un circuito de control básico es mostrado en las figuras, usando un transistor conmutador,  bobinado de motor y fuente de alimentación. Cantidades importantes :

Vs = votaje de fuente de alimentación

Rx = resistencia externa (incluye la de la fuente de alimentación)

Rw = resistencia del bobinado de motor

Rr = Resistencia de pérdidas a través de llaves

Lw = inductancia del bobinado del motor

La corriente inicial, cuando la llaves está abierta es :

I = Io = Vs / (Rx + Rw + Rr)

Cuando la llave está cerrada, la corriente será :

I = Io + [Vs (1 – e^-t/T) / (Rx + Rw)]

Donde T = constante de tiempo = Lw/(resistencia total del ciruito)

Esto dice que la corriente se elevará repentinamente y gradualmente se aproxima al valor de

I = I final = Vs / (Rx + Rw).

Luego de un periodo de tres constantes de tiempo la corriente será de aproximadamente el 95% de su valor final, y luego de cinco constantes de tiempo la corriente se aproximará al valor de estado estable final dentro de menos del uno por ciento. Es la propiedad de un inductor que la corriente no cambie instantáneamente con la ausencia de impulsos. Por lo tanto, cuando el transistor conmutador va al corte, la corriente final se mantiene fluyendo, y fluye a través de una resistencia total de circuito de (Rx + Rw + Rr), que puede ser muy alta. Un voltaje muy alto aparece a través del transistor de conmutación. Este podría alcanzar varios miles de voltios, pero las limitaciones prácticas tales como la capacitancia de dispersión y el voltaje de ruptura del transistor de conmutación limitan esto. Sin embargo, el transistor(es) de conmutación debe soportar este elevado voltaje.

Note que la corriente toma tiempo para alcanzar su valor total, y que este tiempo es disminuido para valores elevados de resistencia de circuito y menor inductancia de bobinados. Pero una resistencia mas elevada significa que valores de voltajes mas elevados deben ser usados para obtener la corriente de control necesaria. Esto produce mayor demanda sobre los transistores conmutadores con respecto al voltaje de ruptura. Para tiempos de excitación cortos, la corriente puede no tener tiempo de alcanzar el valor deseado excepto que se tomen medidas especiales. La habilidad de alcanzar la conducción y el corte rápidamente de la corriente en los bobinados afecta directamente al régimen de pasos que puedan ser alcanzados para un nivel especificado de desempeño del motor por pasos. Hay dos formatos de control básicos usados para el comando de motores por pasos. El control unipolar usa un bobinado de motor bipolar, una bobina energizada a la vez, con la corriente circulando en sólo una dirección. Este no usa completamente ambos bobinados. A bajos regímenes de pasos el torque y el desempeño son sacrificados, pero el circuito de control es simplificado, dado que sólo un transistor de conmutación por bobinado es necesario. El formato bipolar emplea una corriente de bobinado reverso para revertir el flujo del estator. La corriente fluye en todos los bobinados al mismo tiempo. Se hace un uso completo de los bobinados, y a regímenes de pasos medio y bajo hay una mejora en el desempeño. Sin embargo esto requiere circuitería de control mas compleja, dado que se necesita un circuito de salida de control tipo puente. Este es generalmente un puente H.

Ver las figuras siguientes para configuraciones de control. Los circuitos integrados de control puente H están disponibles para las etapas de potencias que controlan los bobinados. Alternativamente, dispositivos integrados completos incluyendo los controladores pueden ser usados si se prefiere.

 

In addition to these basic formats there are several others that can be used. They are called full step, half step, and mini or micro stepping. They differ in the energization sequence or polarity of the current in the windings, at various times. An illustration of these stepping methods is shown in the figures. Figure shown is simply one phase at a time, in a 1-2-3-4 sequence. The shaft rotation direction is controlled by the sequence, reversal of which will reverse the direction. The sequence is called wave drive. Since one winding is energized at a time, it consumes the least power.

Positional accuracy is good since the rotor and stator teeth are aligned at one time. This is a full step mode, with a step angle of 360 degrees divided by the number of steps per revolution. This method can be used with either unipolar or bipolar drive format.

Another full stepping method employs sequentially energizing two adjacent motor phases, in a 1-2, 2-3, 3-4, 4-1 overlapping sequence. This uses two windings at a time and gives a higher torque, better damping, and better immunity to resonance effects. However, it uses twice the drive power since two phases are used at once, and can suffer from imbalance. Any variation in the windings or driver can unbalance the magnetism produced by two adjacent windings, and they may not be exactly equal. This unbalance can cause detent position errors, since the effective pole lies between the adjacent pole positions.

Another method is called half stepping or alternating drive. This method combines the two previous methods, in a 1, 1-2, 2, 2-3, 3, 3-4, 4, and 4-1, yielding double the number of steps as compared to the two previous methods. The wave drive has stable positions when the rotor teeth are aligned, and the overlapping drive has stable positions in between two rotor teeth. This effectively doubles the angular resolution, making 400 steps from a 200 step motor, for example. This produces smoother operation, is quieter, and has better acceleration characteristics.

However, more complex drive and logic circuitry is needed to generate the signals for the switching transistors.

For even finer steps mini or micro stepping can be employed. Half stepping uses one or two phases fully excited. If one phase was to be fully excited, and the other only half excited, a new stable position would be generated. If, in the previous sequence, instead of 1 followed by 1-2, we would have 1 followed by 1 plus half 2, then 1-2, then half 1 plus 2, then 2, and so on. This would yield quarter steps, giving 800 stable positions for a 200-position motor, as compared to using full stepping.

This can be carried even further into “micro” stepping, by varying the drive currents in four excitation levels, giving 8 positions per step, or 1600 total. As one may imagine, this can become quite complex, and more expensive. However, with

LSI IC devices, this can be quite feasible. Care must be used in maintaining drive waveforms, as more steps demand more precision as to drive currents, in contrast to the simple on-off requirements of full or half stepping.

Note also that the waveforms needed can easily be generated using a microcontroller. The microcontroller can also be programmed to perform other necessary functions, such as on-off, positioning, counting, speed control, stepping mode (full, half, etc), speed regulation, and fault protection. The drive waveform(s) can be generated with a routine incorporated into the microcontroller firmware.

From the viewpoint of the experimenter, the microcontroller approach has the advantage of programmability for specific applications and is probably the most versatile way of generating stepper motor control signals.

The stepper motor can be mechanically coupled to a gear train or pulley system to reduce its speed and increase torque, and/or to a cam or mechanical linkage to drive an actuator to do a required task. One such application is a positioning mechanism using a screw thread and a nut. This drives a cam and linkage that in turn positions an arm. It could also be used to position a video camera or a steering or control linkage. This mechanism is easily assembled from hardware store components, and does not need expensive and often difficult to locate gears. It is shown in fig below. Some mechanical applications will require speed reduction or translation of motion from linear to rotary, and vice versa. The screw thread and nut will perform a rotary to linear translation, but not the reverse.

Linear to rotary translation will possibly require rack and pinion gears, pulleys, or friction drive components such as wheels and belts. Gears are commonly available from surplus houses if you do not have exacting requirements, and also can be obtained from junked machines and appliances. If you need a specific type and size, they can be obtained from vendors, but be prepared to pay. One can collect many metal and plastic gears from discarded items and appliances, but your projects must be designed around what you have. Another possible method is to use pulleys and belts. These can be salvaged from old equipment as well, and pulleys can also be homemade from wood or plastic, or obtained at hardware stores in various sizes. Friction drive components can also be obtained from junked items such as old cassette and reel to reel tape decks, discarded turntables, and also small appliances. Stepper motors can therefore be used in robotic and other applications in a number of ways and also may simplify those applications needing exact positioning without using positioning sensors and feedback techniques.

 

Adicionalmente a estos formatos básicos hay varios otros que pueden ser usados. Estos son llamados de paso completo, medio paso y mini o micro pasos. Los mismos difieren en la secuencia de energización o polaridad de la corriente en los bobinados,  en diferentes momentos. Una ilustración de estos métodos de pasos son mostrados en las figuras. La figura mostrada es de simplemente una fase por vez, en la secuencia 1-2-3-4. La secuencia es llamada control de onda. Dado que un bobinado es energizado por vez, el mismo consume menos potencia.

La precisión posicional es buna dado que los dientes del rotor y el estator están alineados en una vez. Este es un modo de paso completo, con un ángulo de paso de 360 grados dividido por el número de pasos por revolución. Este método puede ser usado tanto con el formato unipolar como con el bipolar.

Otro método de paso completo emplea dos fases de motor adyacentes energizadas secuencialmente, en una secuencia superpuesta de 1-2, 2-3, 3-4, 4-1. Esta usa dos bobinados a la vez y da un mayor torque, mejor amortiguamiento, y mejor inmunidad a los efectos de la resonancia. Sin embargo, el mismo usa el doble de potencia de control dado que dos fases son usadas a la vez, y pueden sufrir de falta de balance. Cualquier variación en los bobinados o controlador puede desbalancear el magnetismo producido por los dos bobinados adyacentes, y estos pueden no ser exactamente iguales.  El desbalance puede causar errores de posición de parada, dado que el polo efectivo se encuentra ubicado entre posiciones de polos adyacentes.

Otro método es el llamado medio paso o control alternativo. Este método combina los dos métodos previoes, en una secuencia 1, 1-2, 2, 2-3, 3, 3-4, 4, and 4-1, alcanzando a doblar el número de pasos al compararse con los dos métodos previos. El control de onda tiene posiciones estables cuando los dientes del rotor están alineados, y el control de sobreposición tiene posiciones estables entre dos dientes de rotor. Esto efectivamente dobla la resolución angular, creando 400 pasos a partir de un motor de 200 pasos, por ejemplo. Esto da como resultado una operación mas pareja, es mas suave y tiene mejores características de aceleración. Sin embargo, circuitos de control y de lógica mas complejos son necesarios para generar las señales para los transistores de conmutación.

Para pasos aún mas finos se pueden emplear los mini o micro pasos. El medio paso usa una o dos fases completamente excitadas. Si una fase fuera a estar completamente excitada, y la otra medio excitada, una nueva posición estable sería generada. Si, en la secuencia previa, en lugar de 1 seguido por 1-2, hubiéramos tenido 1 seguido por 1 mas la mitad de 2, luego 1-2, luego mitad de 1 mas dos, luego 2 y así sucesivamente. Esto resultaría en cuartos de pasos, dando 800 posiciones estables para un motor de 200 posiciones, al compararse al usar pasos completos.

Se puede ser avanzar aún mas allá en el “micro” paso, al variar las corrientes de control en cuatro niveles de excitación, dando 8 posiciones por paso, o 1600 en total. Como uno podría imaginar, esto se puede volver muy complejo, y mas caro. Sin embargo, con dispositivos integrados LSI, puede ser muy factible. Se debe tener cuidado en mantener las formas de onda, dado que mas pasos demandan mas precisión para las corrientes de control, en contraste con los simples requerimientos de la conmutación activado-desactivado de la secuencia de pasos completa o medio paso.

Tenga en cuenta que las formas de ondas necesarias pueden ser fácilmente generadas usando un microcontrolador. El microcontrolador puede además ser programado para llevar a cabo otras funciones necesarias, tales como conmutación, posicionamiento, conteo, control de velocidad, modo de pasos (completo, medio, etc.), regulación de la velocidad y protección contra fallas. Las formas de ondas de control pueden ser generadas con una rutina incorporada en el firmware del microcontrolador. Desde el punto de vista del experimentador, la aproximación con microcontroladores tiene la ventaja de la programabilidad para aplicaciones específicas y es probablemente la manera mas versátil de generar señales de control de motor por pasos.

Un motor por pasos puede ser acoplado mecánicamente a un tren de engranajes o un sistema de poleas para reducir su velocidad e incrementar el torque, y/o a una leva o vínculo mecánico para controlar un actuador para llevar a cabo una tarea. Una de tales aplicaciones es un mecanismo de posicionamiento usando un tornillo roscado y una tuerca. Este  mueve una leva y un vínculo que al girar posiciona un brazo. El mismo puede ser usado para posicionar una cámara de vídeo o un vínculo de dirección o control. El mecanismo es fácilmente ensamblado a partir de componentes de ferretería, y no necesita engranajes caros y a veces difíciles de conseguir. Se muestra en la figura de abajo. Algunas aplicaciones mecánicas requerirán reducción de velocidad o traslación de movimiento de lineal a rotativo, y viceversa. El tornillo roscado y la tuerca llevaran a cabo una traslación lineal o rotativa, pero no la reversa.

La traslación lineal a rotativa requerirá posiblemente engranajes de piñón y cremallera, poleas o componentes de control de fricción tales como ruedas y correas. Los engranajes están comúnmente disponibles en negocios de desarmaderos si usted no tiene requerimientos exactos, y también pueden ser obtenidos de máquinas fuera de uso y artefactos domésticos. Si usted necesita un tipo específico y tamaño, los mismos pueden ser obtenidos de vendedores, pero debe prepararse a pagarlos. Se puede recolectar muchos engranajes metálicos y plásticos de dispositivos descartados y electrodomésticos, pero sus proyectos deben ser diseñados alrededor de lo que dispone. Otro posible método es usar poleas y bandas. Las mismas pueden ser extraídas también de viejo equipamiento, y las poleas pueden ser hechas en forma case de madera o plástico, u obtenidas en ferreterías en varios tamaños. Los componentes de control de fricción pueden además ser obtenidos de dispositivos descartados tales como cassettes viejos y dispensadoras de cinta, volquetes descartados y pequeños electrodomésticos. Los motores por pasos por lo tanto pueden ser usado en robótica u otras aplicaciones en un número de formas y pueden además simplificar esas aplicaciones que necesitan posicionamiento exacto sin usar sensores de posicionamiento y técnicas de retroalimentación.

 

 

   

 

 

 

 

 

 
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