Asignaturas:
- Introducción
- Motor paso a paso de imán permanente (tipo PM)
- Motor paso a paso de reluctancia variable (VR)
- Motor paso a paso híbrido
Introducción:
Un motor paso a paso, como su nombre indica, se puede ajustar en varios pasos. El número de pasos puede variar. Dependiendo de la aplicación, el motor paso a paso puede ajustarse de 4 a 200 pasos por rotación, lo que puede equivaler a una rotación controlada de 0,8° de rotación del rotor.
La rotación angular de un motor paso a paso se puede determinar con mucha precisión. El motor paso a paso es básicamente uno motor eléctrico DC síncrono sin escobillas de carbón porque las piezas y los métodos de control son muy similares, pero se distingue de este motor DC por las siguientes propiedades:
- Un motor paso a paso tiene un par relativamente grande a bajas velocidades y, por lo tanto, puede arrancar muy rápidamente desde parado;
- El movimiento de un motor paso a paso es lento y muy preciso. El motor DC se utiliza para poder funcionar rápidamente durante mucho tiempo;
- La velocidad de rotación y la posición del motor paso a paso se controlan mediante una señal de control de la unidad de control. Esto significa que no se requiere ningún sensor de posición ni ninguna otra forma de retroalimentación;
- Un motor paso a paso hace más ruido y provoca más vibraciones en comparación con un motor de CC sin escobillas.
El motor paso a paso se utiliza en muchos lugares del automóvil para hacer que las piezas realicen un movimiento eléctrico controlado. A continuación se detallan tres aplicaciones en las que se puede encontrar el motor paso a paso, a saber: para el control de ralentí, las manos en el panel de instrumentos y las válvulas del calentador para el control de la ventilación.
Motor paso a paso para el control de ralentí:
La válvula de mariposa de un motor de gasolina está cerrada en reposo. Se requiere una pequeña abertura para permitir que el motor funcione en ralentí. El paso también debe ser regulable, porque la temperatura y la carga (por ejemplo, cuando están conectados consumidores como la bomba del aire acondicionado) influyen en la cantidad de aire aspirado necesaria.
En los motores modernos, la posición de la válvula de mariposa se controla con precisión. También encontramos sistemas en los que la válvula de mariposa está completamente cerrada y el aire es guiado alrededor de la válvula de mariposa a través de un control de derivación. La circulación del aire se puede realizar mediante un motor CC controlado por PWM o mediante un motor paso a paso. Ver la página sobre el acelerador.
Las tres imágenes siguientes son de un motor paso a paso que sirve como controlador de velocidad de ralentí. La apertura del bypass está controlada por el eje con extremo cónico. Al girar la armadura del motor paso a paso se produce una rotación del engranaje helicoidal.
- Girar en sentido contrario a las agujas del reloj: el tornillo sin fin gira hacia adentro (gran abertura en el bypass);
- Rotación en el sentido de las agujas del reloj: el tornillo sin fin gira hacia afuera (pequeña abertura en el bypass).
Tablero de instrumentos:
El panel de instrumentos suele estar equipado con varios motores paso a paso para el medidor de nivel del tanque, el velocímetro, el tacómetro, la temperatura del motor y, en el siguiente ejemplo, también el medidor de consumo debajo del tacómetro. El panel de instrumentos de un BMW se muestra a continuación.
En la parte trasera (interior) del panel de instrumentos encontramos los cinco motores paso a paso con carcasa negra. A la derecha vemos el motor paso a paso en cuestión sin carcasa. Aquí se pueden ver claramente las dos bobinas y las cuatro conexiones (dos izquierdas, dos derechas) por las que podemos reconocer el motor paso a paso bipolar. El motor paso a paso puede ajustar las agujas del puntero en pequeños pasos. El comando de ajuste proviene de la ECU en el grupo de instrumentos.
El siguiente diagrama muestra las entradas y salidas del controlador del motor paso a paso. Este es el IC en el grupo de instrumentos que traduce la información entrante en una salida para el motor paso a paso:
- nivel de combustible en el tanque (flotador del tanque);
- velocidad del vehículo (generador de impulsos en la caja de cambios o sensores ABS);
- velocidad del motor (sensor de posición del cigüeñal);
- temperatura (sensor de temperatura del refrigerante).
En el diagrama de bloques, las flechas roja y verde muestran las conexiones (A a D) en las bobinas del motor paso a paso.
Válvulas guía de aire en la cámara de combustión:
A menudo encontramos motores paso a paso en las válvulas de purga de aire accionadas electrónicamente en los casa de estufa. Las imágenes siguientes muestran una fotografía de una válvula de temperatura del aire (izquierda) y una ilustración de la posición de instalación (derecha). El motor paso a paso opera la válvula por medio del mecanismo, donde el número 4 en la ilustración indica el punto de pivote. Si el motor paso a paso funciona incorrectamente, o después del reemplazo, las posiciones inicial y final deben comunicarse en la ECU. Con el equipo de diagnóstico podemos aprender las paradas de la válvula, de modo que la ECU sepa cuándo la válvula está completamente abierta o cerrada, de modo que también pueda determinar cuánto tiempo debe accionar el motor paso a paso para abrir parcialmente la válvula.
Motor paso a paso de imán permanente (tipo PM):
Este tipo de motor paso a paso tiene un rotor con un imán permanente. La ventaja de este motor paso a paso es su construcción sencilla y, por tanto, su bajo coste. A continuación se muestra información sobre el funcionamiento de este motor paso a paso.
El rotor del motor paso a paso puede realizar una rotación completa con varios pasos intermedios. En el ejemplo de las cuatro imágenes siguientes, se muestran cuatro pasos intermedios por rotación. Por tanto, el rotor se puede detener cada 90 grados. El motor paso a paso izquierdo está en la posición 1, con el polo norte del rotor arriba y el polo sur abajo. Para mover el rotor 90 grados en el sentido de las agujas del reloj, se interrumpe la corriente que llega a la bobina con los terminales C y D y se energiza la otra bobina. Esto se puede ver en el segundo motor paso a paso. La zapata del polo izquierdo se vuelve roja (el polo norte) y la derecha se vuelve negra (el polo sur). Esto pondrá el rotor en la posición 2.
Esto también funciona de esta manera con las configuraciones 3 y 4; la bobina entre C y D se energiza para la posición 3, pero la corriente fluye en la dirección opuesta a la posición 1. La zapata polar superior ahora es el polo norte y la inferior es el polo sur. El rotor ahora estará en la posición 3. Para la posición 4, la bobina inferior se energiza nuevamente y el rotor girará a la posición 4.
El motor paso a paso de cuatro velocidades se puede detener cada 90 grados. Si esto no es suficiente para la aplicación para la que se utiliza el motor paso a paso, también se puede configurar en ocho pasos. Esto es posible con el mismo motor paso a paso, pero durante estos pasos intermedios ambas bobinas se energizarán simultáneamente.
La siguiente imagen muestra estos pasos intermedios. Estos son los pasos del 5 al 8. Como puede ver, la configuración 5 se encuentra entre los pasos 1 y 2. Lo mismo se aplica al paso 6 (entre los pasos 2 y 3), etc. Durante estos pasos intermedios, fluye una corriente a través de ambas bobinas.
Cuando es necesario girar el rotor al paso 5, fluye una corriente tanto en la bobina inferior de A a B como en la bobina superior de C a D. Así que ahora hay dos polos norte (los zapatos polares rojos) y dos polos sur (los zapatos polares negros). El rotor estará en la posición 5.
Para girar el rotor 45 grados más (a la posición 2), se aplica nuevamente el diagrama del motor paso a paso con cuatro posiciones. La bobina inferior se energizará nuevamente para permitir que fluya una corriente de A a B.
Si luego se gira el motor paso a paso 45 grados más (hasta la posición 6), la imagen de arriba se aplicará nuevamente, con ambas bobinas energizadas.
El motor paso a paso siempre está controlado por un dispositivo de control. Los transistores en el controlador IC del dispositivo de control proporcionan el suministro y la descarga de corriente hacia y desde las zapatas polares. La unidad de control contiene ocho transistores. Controlando correctamente estos ocho transistores, el motor paso a paso hará una revolución completa en cuatro u ocho pasos. La rotación puede ser en dos direcciones; izquierda y derecha. El dispositivo de control garantiza que los transistores correctos sean conductores.
En la imagen vemos un motor paso a paso que está controlado por un dispositivo de control. Los transistores 1 y 4 están encendidos. Para aclarar el control, los transistores y los cables son de color rojo y marrón. El transistor 1 (rojo) conecta el terminal A al positivo y el transistor 4 (marrón) conecta el terminal B a tierra.
Como los transistores 2 y 3 no están encendidos, no fluye corriente a través de ellos. Si este fuera el caso, se produciría un cortocircuito.
En la imagen, el motor paso a paso está girado un poco más. Para ello también deben hacerse conductores los transistores 6 y 7.
Para permitir que el motor paso a paso gire un poco más, se detiene la conducción de los transistores 1 y 4. Sólo los transistores 6 y 7 siguen conduciendo, lo que hace que el motor paso a paso adopte la posición 3.
Para el siguiente paso, los transistores 2 y 3 deben estar encendidos.
Motor paso a paso de reluctancia variable (VR):
Al igual que el motor paso a paso de imán permanente, el motor paso a paso de reluctancia variable contiene polos de estator con bobinas. Se diferencia del motor paso a paso comentado anteriormente por su rotor dentado fabricado de metal ferromagnético, como níquel o hierro. Esto significa que el rotor no es magnético. Este tipo de motor paso a paso rara vez se utiliza hoy en día.
La bobina del estator de un lado (A) está enrollada en sentido opuesto a la bobina del otro lado (A'). Por supuesto, lo mismo se aplica a B y B', etc. Los dientes del rotor son atraídos por el flujo magnético creado al energizar las bobinas del estator.
Las ventajas del motor paso a paso VR respecto a la versión con imanes permanentes son:
- Debido a la ausencia de imanes permanentes, la producción del motor paso a paso VR es menos dañina para el medio ambiente;
- No es necesario invertir la polaridad de las bobinas del estator. Esto permite un control más sencillo;
Las desventajas son:
- Par bajo;
- Baja exactitud;
- Mayor producción de ruido. Por tanto, el número de aplicaciones, incluida la automoción, es limitado;
- Debido a la ausencia de imanes permanentes, no se produce ningún momento de retención cuando el aparato está parado.
Motor paso a paso híbrido:
El motor paso a paso híbrido tiene un rotor dentado con imanes permanentes y un estator dentado con ocho bobinas con un pequeño entrehierro entre el rotor y el estator. El rotor consta de dos engranajes desplazados 3,6° entre sí. Hay un gran imán en el interior del rotor. Sobre el imán se presionan dos engranajes de acero. Los engranajes también se vuelven magnéticos debido a la presencia del imán. Un engranaje está magnetizado como polo norte y el otro como polo sur. Cada diente del rotor se convierte en un polo magnético. Por tanto, hablamos del “rotor del Polo Norte” y del “rotor del Polo Sur”. Debido al cambio de marchas, los polos norte y sur se alternarán durante la rotación. Cada engranaje tiene 50 dientes.
En el momento en que el controlador del motor paso a paso conduce corriente a través de una bobina del estator, la bobina se vuelve magnética. Los polos norte de las bobinas atraerán a los polos sur del rotor, lo que hará que el rotor gire.
Las tres imágenes siguientes muestran el control de las dos fases (roja y naranja) del motor paso a paso híbrido.
A. El rotor del motor paso a paso ha girado a su posición actual (ver la figura) porque las bobinas que se muestran se han vuelto magnéticas.
- El engranaje verde es el polo sur, que es atraído por los polos norte del estator;
- Los dientes entre el rotor y el estator están alineados entre sí en los lugares donde se ha tirado del rotor. Para mayor claridad, estos puntos se indican con una marca negra en las tres situaciones;
- El engranaje rojo está detrás del engranaje verde. Debido a que los engranajes giran entre sí, los dientes rojos son visibles. Los polos norte del rotor son atraídos por los polos sur del estator.
B. El control ha cambiado de fase. El campo magnético entre las bobinas naranjas y el rotor ha desaparecido. Ahora se controlan las bobinas de la fase “roja”, lo que provoca que se acumule el campo magnético entre las bobinas rojas y el rotor.
- Como resultado de cambiar el campo magnético de las bobinas naranja a las rojas, el rotor gira 1,8° en el sentido de las agujas del reloj;
- Para girar el rotor en el sentido contrario a las agujas del reloj en lugar de en el sentido de las agujas del reloj, era necesario invertir la polaridad (dirección de la corriente) a través de las conexiones rojas. Después de todo, la dirección de la corriente a través de la bobina determina la dirección del campo magnético y, por tanto, la "posición" de los polos norte y sur.
C. El control ha vuelto a cambiar de fase y el rotor ha vuelto a girar 1,8° en el sentido de las agujas del reloj.
- Se energizan las mismas bobinas que en la situación A, pero la polaridad de los cables naranjas se ha invertido;
- El rotor se puede girar nuevamente en sentido antihorario controlando las bobinas como se muestra en la situación B;
- Para hacer que el rotor gire en el sentido de las agujas del reloj, las bobinas rojas también se energizan, pero la polaridad está invertida en comparación con la situación B.
En los ejemplos anteriores se puede ver que el rotor del polo norte es atraído por una bobina del polo sur y al mismo tiempo el rotor del polo sur es atraído por una bobina del polo norte. Esto asegura que el motor paso a paso híbrido realice movimientos muy precisos y también tenga un par elevado.
El motor paso a paso híbrido puede equiparse con más pares de polos y más dientes en el rotor, lo que permite pasos de hasta 0,728° y 500 pasos por revolución.
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