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Introducción a los controladores de motores paso a paso

Básicamente hay dos tipo de controladores: los controladores de corriente constante y los controladores de tensión constante. Luego los podemos clasificar en controladores unipolares o bipolares y finalmente en controladores fullstep , halfstep y microstep. Hay más tipologías pero lo anterior cubre la mayoría de los controladores. Las siguientes líneas son ideas simples, pero adecuadas para empezar.

Los controladores de tensión constante

Los controladores de tensión constante funcionan con el principio de que dan una tensión suficiente para las bobinas del motor paso a paso. Un motor paso a paso con un resistencia de 5Ω y corriente de 1A recibe un V=I*R=5V sobre la bobina. Tener o no tener corriente sobre las bobinas es simplemente cuestión de pulsar on/off con, por ejemplo, un transistor. Es un controlador muy simple que tiene como desventaja que la inducción propia (FEM) rápidamente es igual a la corriente que hay sobre la bobina. Rápidamente significa entre 1-3 rev/sec (60-180rev/min). Estamos hablando de un motor paso a paso sin carga. El par se reduce casi” inversamente “con las revoluciones.La mayoría de motores paso a paso son motores eléctricos de tipo híbrido.

Controladores de corriente constante

Estos controladores utilizan una tensión que es mucho más alta de lo que sería posible con el motor paso a paso. El motor paso a paso sería alimentado con, por ejemplo, 50V. Normalmente esto significa una corriente de 10A (seguimos con el ejemplo anterior) pero el controlador limita esta corriente 1A. Hay varias maneras de hacerlo; poner una resistencia en serie o con pwm.

Controladores de corriente constante con una resistencia

Este tipo de controlador de corriente constante es el más sencillo, la desventaja es que el resistor tiene que consumir mucha potencia. En el ejemplo dado sería 50-5=45V y así la potencia 45V*1A=45Watt. El valor de la resistencia tiene que ser 45Ω(R=V/I). El motor paso a paso recibe sus 5V y 1A, lo que significa un 5Watt. El rendimiento es muy bajo. Siendo puristas, debemos decir que no es un controlador con corriente constante ya que la corriente cambia algo, pero entrar en este detalle estaría fuera de este contexto.

Controladores de corriente constante con pwm

Es una manera de controlar la corriente con pwm. Una explicación simple es que este controlador permite encender y apagar rápidamente el circuito. La parte proporcional de cada ciclo que está encendida se llama “duty-cycle”. Así se controla el voltaje, por ejemplo 5V. Ahora el circuito consume muy poca potencia en comparación con una resistencia (ganamos casi 45Watt). El circuito es más complejo que el control con una resistencia.

Controlador full-step

En esta configuración siempre actúan todas las bobinas con la corriente nominal. Así da el par máximo. Una desventaja es que el motor avanza siempre con el mayor paso (1.8º en el caso de que sea un motor 1.8º) y como consecuencia, provoca vibraciones fuertes en el sistema. Estas vibraciones pueden provocar más vibraciones o resonancia.

Controlador half step

La manera de conseguir el half-step es excitando una bobina y después las dos bobinas. Así se tiene entre cada fullstep un extra half-step y la resolución es 400 pasos por revolución. En este sistema hay menos vibraciones pero el par también baja durante una parte del ciclo. En full-step actúan el 100% de las bobinas y en el half-step sólo el 50% de las bobinas.

Controlador con micropasos

En este tipo de controlador no se enciende o apaga la corriente como en full-step o half-step. La corriente se aumenta poco a poco en una bobina y en la otra se disminuye poco a poco. La corriente se aplica según las funciones senos y cosenos. (En la red puede encontrarse más información en relación a este tema). La resolución que se puede conseguir es mucho más alta que en los ejemplos anteriores (hasta 51200 pasos/revolución). Esta resolución es mucho más alta que las transmisiones o guías pueden tener, pero no es solo por eso. No es siempre para tener más resolución pero para que el motor gire de manera mucho más suave. El controlador más común es de 10 micropasos. Claro que este tipo de controlador es mucho más complejo pero las ventajas son considerables. Un controlador con una tensión más alta tiene más par con revoluciones elevadas. Con los controladores de productoscnc hemos conseguido velocidades de hasta 35 revoluciones por segundo (todo el par para velocidad). Esto no son velocidades de trabajo.

Opto- acoplador

Se suelen utilizar para aislar eléctricamente dispositivos muy sensibles. Cuando el controlador se rompe, gracias al opto-acoplador no se destruye el ordenador. Asimismo, si el ordenador se rompe, normalmente el controlador (en la mayoría de los casos) queda inafectado.

La alimentación del controlador

La alimentación de un controlador con una única fuente para la tensión de motor y el circuito lógico tienen que estar separados. Si no lo están y hay varios controladores conectados a la misma fuente, puede ocurrir que al girar el motor paso a paso del eje X en dirección contraria, el controlador del eje Z dé problemas. Lo más adecuado, por lo tanto, es tener la alimentación del circuito lógico y del motor separados.

Final

Hay mucha información ya disponible en internet sobre este tema y este documento pretende ser simplemente una pequeña introducción sobre los controladores y sus ventajas y desventajas. Todos los controladores de productoCNC son de micropasos con el control pwm. Además todos los controladores tienen las señales lógicas opto-acoplados. Tenemos fuentes de alimentación para los motores y un breakoutboard con su alimentación para las señales lógicas.

Como se ha comentado al inicio de este documento, esta explicación es una simplificación de un tema que da para mucho, pero es adecuada para empezar en el mundo de los Productos CNC.





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