Se describe aquí el funcionamiento y características de los modelos de motores paso a paso (motores PaP, o
"stepper motors", como se los denomina en inglés) de los tipos más usuales en nuestros proyectos de Artes
Electrónicas. Se analiza en qué casos resulta adecuado su uso, en lugar de otras alternativas que pueden parecer
similares, y se describen las formas habituales de conexionado y control, sin profundizar en los principios de
ingeniería en los que se basan estos motores
La particularidad que identifica a los motores paso a paso es su capacidad de moverse controladamente una
fracción de ángulo muy pequeña (llamamos a esto "dar un paso"), en cualquiera de los dos sentidos de giro
(horario y anti-horario). El valor de ese ángulo está determinado, en principio, por las características
constructivas del motor.
Esto se debe a que estos motores tienen internamente un conjunto de bobinas (electroimanes) dispuestas de
forma tal que, energizándolas en el orden adecuado, se generan campos magnéticos internos que obligan a los
dientes presentes en el rotor a alinearse con los dientes de las bobinas del estator (parte fija a la carcasa)
que estén energizadas en ese momento. De este modo, el rotor girará siempre un pequeño ángulo, pre-establecido
de acuerdo a la cantidad de "dientes" que ese rotor tenga (Figura 2). Es así que existen motores con un ángulo
de paso de 0.9º (es decir que se requerirán 400 pasos para dar una vuelta), otros de 1.2º (300 pasos por
vuelta), 1.8º (200 pasos por vuelta), de 3.6º (100 pasos por vuelta), de 7.2º (50 pasos por vuelta), entre
otros.
Debido a que es necesario alimentar las bobinas en determinada secuencia, este tipo de motores no se
conecta tan fácilmente como un motor de corriente continua, al que basta alimentar con dos cables para que gire.
Los motores paso a paso tienen 4 o más cables (pueden ser 5, 6 y hasta 8 en algunos casos) y es necesario un
controlador capaz de manipular adecuadamente las tensiones de alimentación en esos cables, para que el motor
haga lo que se pretenda. Usualmente se hace este control desde un Arduino o microcontrolador, conectado al motor
mediante transistores u otra interfaz de potencia, capaz de suministrar la corriente necesaria. Como se verá
luego, esta interfaz debe ser diferente para cada tipo de motor de que se trate.
Una de las principales ventajas que ofrecen los motores PAP es la de poder conseguir un movimiento
precisamente predecible, sin necesidad de montar un lazo cerrado de realimentación ni requerirse por lo tanto de
sensores de posición. Es muy común entonces que los motores pap se usen a lazo abierto. Si el sistema fue
bien dimensionado en cuanto a parámetros requeridos de torque, velocidad y potencia, la posición del motor podrá
ser conocida en todo momento, simplemente llevando el conteo de los pasos que se ordena dar en uno u otro
sentido. Si en el sistema no se prevén grandes perturbaciones u otros sucesos inesperados, esto permite una
solución simple, barata y efectiva al problema del posicionamiento mecánico preciso.
Otra característica muy importante de los motores PAP es que sus bobinas pueden mantenerse energizadas a
plena potencia, sin que el motor gire. Esto constituye sistema de frenado propio, sin necesidad de elementos
adicionales y que garantiza mantener exactamente la posición alcanzada, durante todo el tiempo que sea
necesario, ejerciendo un torque considerable, superior inclusive al que desarrolla el motor al girar. Esto se
conoce como "Torque de Retención" o "Holding Torque" y puede ser consultado en la hoja de datos del motor
de que se trate. Esta característica diferencia a los motores PAP de todos los otros tipos de motores (los
típicos de corriente continua, por ejemplo) que no pueden alimentarse para que queden detenidos. Si se los
alimenta, giran y, si se les corta la alimentación, quedan libres y su carga, suelta.
En general, los motores PaP tienen un consumo importante, dado que algunas de sus bobinas, o todas,
permanecen energizadas aún cuando el motor está detenido. Asimismo, por su construcción, suele ser muy pesados
en relación a su potencia. Debido a ambas razones, su uso es poco aconsejable en móviles o dispositivos
portátiles que deban alimentarse a baterías.
El alto consumo requerirá también una electrónica de
potencia dimensionada para manejar corrientes significativas. Esta electrónica y la mayor complejidad de las
señales de control frente a otros tipos de motores, hace que en la mayoría de los casos sea necesario el uso de
drivers implementados mediante circuitos integrados especializados para el manejo de estos motores.
Dado que el posicionamiento de un motor PaP es relativo a la posición anterior, en muchas aplicaciones es
necesario un mínimo lazo cerrado (aunque sea un sensor tipo fin de carrera) a fin de iniciar la cuenta de pasos
desde un punto inicial conocido que sirva como referencia. Esto se suele implementar mediante una primera rutina
que, apenas booteado el microcontrolador, mueva el motor hacia un lado predeterminado todo lo que sea necesario,
hasta detectar el contacto con el interruptor de fin de carrera (posición Home). A partir de esa posición, el
conteo de pasos permitirá saber al programa en todo momento la ubicación exacta de la pieza controlada por el
motor. Esta técnica, conocida como "homing" es una forma de lazo cerrado muy simple, que permite un
arranque no asistido, desde cualquier posición en la que el mecanismo se encuentre.
Desde el punto de vista constructivo, existen tres tipos principales de motores paso a paso: Los de Imán
Permanente (PM), los de Reluctancia Variable (VR) y los Híbridos (Hybrid), que combinan
ventajas de los dos tipos anteriores. Este aspecto no es relevante para su operación y no nos explayaremos más
al respecto. Si se desea conocer más detalladamente las características de cada tipo constructivo, se puede
consultar las Engineering
Notes de este fabricante que describen muy bien los detalles.
Lo que si resulta relevante para un uso adecuado, es conocer la cantidad, disposición y operación de los
bobinados. Un motor PAP puede tener cualquier número de bobinas, pero éstas estarán siempre conectadas
internamente en grupos denominados fases. Todas las bobinas de una misma fase se energizan juntas, de modo que a
los efectos prácticos y esquemáticos, se consideran como una única bobina, cuyos extremos son accesibles
mediante sendos cables de alimentación. Los motores PAP más comunes presentan dos fases o grupo de bobinas y
cada una de éstas puede tener, o no, una derivación central cuya conexión es accesible externamente mediante uno
o dos cables adicionales. Si disponen de ambos cables centrales en forma independiente (usualmente del mismo
color), presentarán en total 6 cables. Si las derivaciones centrales están conectadas entre sí en forma interna,
presentarán un total de 5 cables externos de conexión (Ver Figura 3).
Si se usan las derivaciones centrales
de cada fase, éstas deben ser siempre conectadas al positivo de la fuente de alimentación. Serán entonces los
extremos de las bobinas (A, B, C y D de la Figura 3) los que se deberán conectar secuencialmente a masa
(mediante transistores o drivers adecuados) para hacer funcionar el motor. La corriente circulará siempre en el
mismo sentido por cada segmento de bobina y se los denomina por ello, Unipolares.
Los motores PAP que presentan exactamente 5 cables sólo pueden ser usados con la mencionada configuración
unipolar. Los motores de 6 cables (Figura 4) se pueden configurar como unipolares, interconectando las dos
derivaciones centrales (generalmente tienen cables del mismo color) para usarlos como un motor de 5 cables.
Si, en el caso de los motores de seis cables, se prescinde del uso de las derivaciones centrales (sólo se usan los extremos de cada fase) o si el motor presenta únicamente esos cuatro cables (Figura 5), será necesario invertir alternativamente la polaridad de cada bobina para lograr que el motor avance un paso en uno u otro sentido. La corriente en las bobinas fluirá en un momento en una dirección y luego en dirección contraria y se denominan por lo tanto motores Bipolares. Para poder invertir la polaridad de las bobinas ya no bastará entonces con un transistor y será necesario controlar cada fase (entradas A-B y C-D) mediante sendos Puentes H. (Figura 7)
Existen también motores PAP de cuatro fases. En estos motores, están accesibles los extremos de todas las fases, de modo que se pueden interconectar a voluntad para establecer configuraciones tanto unipolares como bipolares. Es necesario recurrir a la hoja de datos respectiva para determinar como hacer las conexiones para cada modo.
En resumen, la forma más práctica para diferenciar los distintos tipos de motores PAP, es contando la
cantidad de cables que tiene el motor a identificar.
Los motores bipolares tendrán solamente cuatro cables.
Los unipolares tendrán cinco y los que tengan más de esa cantidad (generalmente seis u ocho) seguramente
admitirán conexión en uno u otro modo. De acuerdo a esto veremos ahora las formas de operación de cada tipo.
Como se dijo, presentan 4 cables o, si se trata de un motor de 6 cables, se tomarán sólo los cuatro
correspondientes a los extremos de las bobinas, dejando los centrales libres, aislados y sin conexión entre si.
De los cuatro cables a usar, dos de ellos corresponderán a una bobina, los otros dos a la otra y pueden ser
fácilmente identificados usando el multímetro en posición de óhmetro.
Una vez energizadas, mediante sendos
puentes H, ambas bobinas (Figura 7), el motor permanecerá fijo, sosteniendo esa posición con todo el Torque de
Retención de que sea capaz.
Para que el motor avance un paso, es necesario invertir la polaridad de una de las fases. Esto provocará una
inversión de polaridad en los electroimanes internos y el rotor girará un paso para alinearse con la nueva
fuerza magnética. Para que avance otro paso en el mismo sentido, se debe invertir la polaridad de la otra fase y
así sucesivamente.
Si desde una posición alcanzada se requiere dar uno o más pasos en sentido contrario al
que venía, bastará con volver a invertir la polaridad de la misma fase que se invirtió último y continuar luego
alternando las polaridades normalmente.
Como el total de las bobinas está energizado todo el tiempo, el
torque logrado, tanto de giro como de retención, es el máximo posible (100%), así como el consumo eléctrico.
Independientemente de la cantidad de pasos por vuelta que tenga el motor en cuestión, en un motor bipolar
es suficiente hacer el análisis de la secuencia de sólo cuatro pasos, ya que la configuración del quinto paso
será idéntica a la primera y a partir de ahí la secuencia se repetirá. La Tabla 1 indica la secuencia típica.
| Paso | Sentido |  |
|||
| A | B | C | D | ||
| 1 | +V | -V | +V | -V | |
| 2 | +V | -V | -V | +V | |
| 3 | -V | +V | -V | +V | |
| 4 | -V | +V | +V | -V | |
Si a partir de cualquier posición del motor (una fila de la Tabla 1) se reproduce la secuencia de polaridades que indica la tabla hacia abajo, el motor girará en el sentido de las agujas del reloj (CW, por ClockWise también denominado sentido dextrógiro). Si se la recorre hacia arriba, el motor girará en sentido contrario (CCW, por Counter ClockWise o sentido levógiro). Al llegar a los extremos de la tabla (arriba o abajo), se salta a la posición del extremo contrario y el motor seguirá girando en el mismo sentido que venía.
Como se dijo, presentan 5 o más cables. Si se trata de un motor de 6 cables, se deben identificar primero
los cables centrales de cada fase usando el óhmetro (suelen tener el mismo color), para interconectarlos entre
sí y al terminal positivo de la tensión de alimentación (Figura 8)
Para que el motor avance paso a paso, es necesario activar secuencialmente los segmentos adecuados de las
bobinas, siguiendo un determinado orden. Esta activación se realiza conectando cada extremo de las bobinas a
Negativo de la fuente mediante un transistor (o un conjunto de éstos como en el caso del ULN2003 del ejemplo)
controlados desde el Arduino o microcontrolador similar (Figura 8). Como las derivaciones centrales de cada fase
están conectadas directamente al positivo de la fuente, al darle negativo a un extremo, el segmento de bobina
correspondiente se activará, magnetizándose y atrayendo al rotor que se alineará con el campo magnético
correspondiente. Al no requerirse de un puente H, suele ser la configuración más sencilla y económica desde el
punto de vista de la electrónica de los drivers.
En el caso de los motores Unipolares, existen tres diferentes secuencias básicas que se pueden seguir para ir avanzando pasos en uno u otro sentido, cada una con sus propias ventajas y desventajas. Algunas tienen cuatro pasos y otras ocho, independientemente de la cantidad de pasos por vuelta que tenga el motor. Al llegar a la última, se comienza nuevamente por la primera, hasta completar la revolución completa o el número de pasos deseado. Para revertir el sentido de giro, es suficiente, como en el caso anterior, ejecutar la secuencia de la tabla en sentido contrario (hacia arriba).
En las tablas siguientes se describen cada una de esas secuencias. En la columna de la derecha de cada tabla se presenta un esquema de la/s bobinas que están activas con cada combinación y se representa al rotor como una flecha cuyo extremo es atraído por la/s bobinas/s que estén energizadas en cada momento, representadas en color rojo. El mismo modelo se usa en las animaciones que describen la secuencia de giro, en sentido contrario a las agujas del reloj (A-B-C-D)
Secuencia tipo Wave Drive
Se activa de a un segmento de bobina a la vez, lo que hace que el rotor
avance un paso por cada cambio. De este modo, la corriente que consume en cada paso es del 25% del total que
consumiría con todas las bobinas energizadas (en modo bipolar, por ejemplo) y consecuentemente sucederá lo mismo
con el torque, tanto de giro como de retención (Figura 9). Se trata de la configuración con menor torque y
consumo de todas.
| PASO | Bobina A | Bobina B | Bobina C | Bobina D | |
| 1 | ON | OFF | OFF | OFF |  |
| 2 | OFF | ON | OFF | OFF |  |
| 3 | OFF | OFF | ON | OFF |  |
| 4 | OFF | OFF | OFF | ON |  |
Secuencia Normal o Full Step
Se activan de a dos segmentos de bobina a la vez, lo que hace que
el rotor avance un paso por cada cambio. La corriente que consume es del 50% del total que consumiría con todas
las bobinas energizadas (en modo bipolar, por ejemplo) y consecuentemente sucederá lo mismo con el torque, tanto
de giro como de retención (Figura 10). Se trata de la configuración con mayor torque y consumo que puede lograse
en modo unipolar. A esta configuración corresponden los datos que figuran en la hoja del fabricante y es el modo
más usual cuando no hay condicionamientos de consumo.
| PASO | Bobina A | Bobina B | Bobina C | Bobina D | |
| 1 | ON | ON | OFF | OFF |  |
| 2 | OFF | ON | ON | OFF |  |
| 3 | OFF | OFF | ON | ON |  |
| 4 | ON | OFF | OFF | ON |  |
Secuencia de medio paso
En este caso, se activan los segmentos de bobinas alternativamente de a uno y
de a dos. Con esto se logra que el rotor avance cada vez sólo la mitad de un paso, duplicando la cantidad de
pasos por vuelta. Esto mejora la resolución del motor (el ángulo de paso será la mitad que antes) y logra una
cierta mejora en el torque de rotación (37.5%) con respecto al modo Wave Drive, aunque será menor que el logrado
en el modo Full Step (50%) y mucho menor que el logrado en el modo Bipolar (100%). Con respecto al torque de
detención, es decir el que se logra con el motor energizado y detenido en cualquier paso intermedio, debe
estimarse en el 25%, ya que no es posible predecir si el motor quedará detenido en un medio-paso correspondiente
a uno o a dos segmentos de bobina.
| PASO | Bobina A | Bobina B | Bobina C | Bobina D | |
| 1 | ON | OFF | OFF | OFF | |
| 2 | ON | ON | OFF | OFF | |
| 3 | OFF | ON | OFF | OFF | |
| 4 | OFF | ON | ON | OFF | |
| 5 | OFF | OFF | ON | OFF | |
| 6 | OFF | OFF | ON | ON | |
| 7 | OFF | OFF | OFF | ON | |
| 8 | ON | OFF | OFF | ON | |
En general, un motor PaP: