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Guía para comprar motores paso a paso

Gracias a nuestra placa RAMPS 1.4 SB recibimos muchos emails que nos preguntan sobre los drivers para el control de los motores paso a paso. ¿Cuál comprar? ¿Cuál es mejor DRV8825 o A4988? ¿Son compatibles? y muchas otras preguntas.

Por esta razón nos hemos propuesto preparar una completa guía sobre estos drivers y para ello hemos comenzado por el principio: por los motores paso a paso y en un siguiente capítulo lo dedicaremos a los drivers DRV8825 o A4988. Hemos decidido darle a este post un enfoque más práctico y útil. Vamos a enumerar una lista de trucos y de consejos reales que pueden servirte para saber qué motor paso a paso comprar, o descubrir qué tipo de motor lleva esa impresora vieja, o cómo conectar los motores cuando el manual está en otro idioma.


Motores paso a paso, qué son y por qué necesito uno

Seguramente ya sabrás qué es un motor paso a paso. Lo habrás escuchado cientos de veces, y probablemente ya tengas alguno, sobre todo si has montado una impresora 3D, pero aun así, vamos a empezar por lo más básico: ¿Por qué quiero usar un motor paso a paso?. Y la respuesta rápida a esta pregunta es porque son los motores que permiten tener precisión y control de todos sus movimientos. Y es por este motivo que se usan en robots, máquinas o impresoras 3D. Los motores paso a paso están presentes en la mayoría de los proyectos de robótica.
Motores Stepper o Motores PaP: En inglés, los pasos se llaman steps. Asi que estos motores se llaman motores steppers, o simplemente steppers.
Tambíen es muy habitual llamarlos Motores PaP (de motores paso a paso) y durante este post usaremos todos estos nombres indistintamente.

Con este tipo de motores podremos mantener un control preciso del movimiento desde un Arduino, o desde un ordenador, podremos ordenarle a la máquina que se mueva exactamente unos centímetros. Veamos cómo funcionan para que podamos aprovechar mejor sus ventajas.

¿Qué hay dentro de un motor paso a paso?

Los motores paso a paso se componen de dos partes: La primera es el estator que es donde se encuentran las bobinas y es la parte que no se mueve (se queda estática, de ahí el nombre de estator). Mirado en detalle pueden verse unas muescas que van a quedar imantadas cuando circule la corriente por las bobinas. Por otro lado, la parte que gira se llama rotor, y está formado por unos imanes que se alternan entre norte/sur. Hay tantos imanes como muescas en el estator.


La idea fundamental es que cuando se imantan las bobinas, los imanes se sienten atraídos por las muescas. En las siguientes capturas de un elaborado vídeo que veremos más abajo, puede verse el funcionamiento intero. Cuando la bobina queda imantada hacia el polo norte, los dientes imantados al sur del estator quedan atraídos. El motor queda firme en su posición.


Cuando la bobina queda imantada hacia el polo sur, los dientes imantados al sur del estator se repelen y el motor avanza un paso.

Aqui puede verse el vídeo al que pertenecen las capturas anteriores y donde se explica de forma más detallada con una animación.


Ventajas de los motores paso a paso

Enumeremos las ventajas más importantes que tienes que tener en cuenta en tu proyecto si vas a usar motores stepper.

Control de la posición

Los motores paso a paso necesitan de un circuito digital para moverse: Normalmente una placa como Arduino o un controlador más avanzado, pero no es posible hacer un circuito 'simple' para mover un motor stepper. Precisamente por esto se adaptan perfectamente a la robótica.

Nuestro programa envía exactamente los pasos que queremos y sabemos, en consecuencia, exactamente el ángulo que va a girar el motor. Si la electrónica que estamos usando mantiene (de forma simultánea) el control preciso de la posición de todos los motores podemos hacer que nuestra máquina se mueva en círculo, dibuje un logotipo o lo que se nos ocurra.

Si el robot o la máquina trabaja en un entorno controlado, como puede ser una impresora 3D, entonces podemos asumir que todo va a ir bien, y fiarnos de nuestro programa. Pero no podemos estar 100% seguros. No sabremos si el robot se ha quedado bloqueado contra algún obstáculo o si ha tropezado con algún elemento situado en su trayectoria. Para eso necesitamos un dispositivo externo que nos informe de lo que ha ocurrido.

Control de la velocidad

Además de la posición, nuestro programa puede controlar la velocidad a la que enviamos los pulsos. De esta forma, podemos acelerar y decelerar de forma controlada en todo momento, podemos controlar la inercia, y la frenada, para que los movimientos sean suaves y fluidos.

Si quieres aprender más sobre cómo gestionar la aceleración de forma profesional, no te puedes perder la guía definitiva del firmware GRBL.

Fijar su posición

Una característica muy importante es que los motores paso a paso es que pueden quedar fijos en una posición. Pero si suministramos corriente a las bobinas, el motor mantendrá esta posición, sin mecanismos complicados. Esto nos permite, por ejemplo, levantar un peso y dejarlo firme en el aire.

Máxima fuerza a baja velocidad

Los motores paso a paso no son como los motores eléctricos convencionales, al contrario: Tienen más fuerza cuando su movimiento comienza en reposo que cuando van a toda velocidad. Por eso, son una excelente opción cuando nuestro proyecto necesita poca velocidad, pero mucha fuerza (como en una máquina de corte de madera, por ejemplo).

¿Qué problemas tienen los motores stepper?

No todo son ventajas, los motores paso a paso también tienen desventajas importantes.

Son poco eficientes

Sí, los motores paso a paso derrochan bastante energía comparados con los motores eléctricos convencionales: consumen más amperios que los motores normales. Consumen el máximo de corriente cuando están parados y por este motivo suelen calentarse bastante.

Son lentos

Para dar una vuelta completa el motor tiene que recorrer los 200 pasos uno a uno, en cambio un motor normal va a ir mucho más rápido. Si necesitas velocidad debes invertir dinero en un servomotor (son más caros) o hacerte un motor con un encoder.
Un encoder es un dispositivo que permite conocer la posición real del motor.
Tiene poca fuerza en altas velocidades

Cuando están parados desarrollan mucha fuerza y les ocurre lo contrario cuando giran a gran velocidad.

Feedback

No tienen Feedback. Al contrario que los servomotores, los motores stepper no conocen su posición en tiempo real y no pueden corregirse (a no ser que añadas un sistema por tí mismo para hacer estas medidas y correcciones).

Qué tipos de motores stepper puedo comprar

No todos los motores son iguales, y por tanto, no todos los drivers son lo mismo, ni son compatibles. La diferencia fundamental está en las bobinas que tiene el motor en su interior. Por este motivo, debemos tener muy claro qué tipos de motores tenemos antes de comprar el driver y estos son los dos tipos de motores que puedes encontrarte:


Motores unipolares

Internamente tienen dos pares de bobinas. Cada par se compone, obviamente, de dos bobinas. Una se magnetiza hacia el polo norte y otra hacia el polo sur. Son los motores más sencillos de programar.

En un momento inicial el driver permite que pase la corriente por la bobina que magnetiza hacia el polo norte y en el siguiente se alimenta la que magnetiza al polo sur, de esta forma, el driver sólo tiene que encender y apagar cada bobina. Esto es lo más importante de los motores unipolares. El driver no entiende de norte y sur, sólo conecta y desconecta las bobinas.


Esquema motor paso a paso unipolar de 8 cables.


Esquema motor paso a paso unipolar de 6 cables.
Los pares de bobinas comparten un cable común.


Esquema motor paso a paso unipolar de 5 cables.
Las bobinas comparten un cable común, y además, los cables comunes están unidos en uno sólo.

Normalmente los motores unipolares son más baratos y menos potentes. Los drivers para motores unipolares son muy sencillos (una matriz de transistores), y suelen ser también más baratos. La desventaja es que al ser tan simples no gestionan la potencia que envían al motor. El driver más conocido para este tipo de motores es el ULN2803, que es muy muy sencillo internamente.

Si buscas algo barato y que no requiera hacer mucha fuerza una buena opción es un motor unipolar.

Motores bipolares

Los motores bipolares, internamente, son más sencillos que los motores unipolares ya que únicamente tienen 2 bobinas.

Esquema motor paso a paso bipolar, con 4 cables.

La complejidad de estos motores está en el driver, porque no sólo tiene que permitir pasar la corriente por la bobina, si no que tiene que cambiar la polaridad de la corriente. De esta forma, en un primer momento, la corriente viaja en una dirección, creando un campo magnético norte/sur y en el siguiente momento la dirección de la corriente se invierte, creando un campo magnético sur/norte. Precisamente por eso se llaman bipolares, porque las bobinas están pensadas para cambiar de polaridad durante el movimiento. Existen multitud de drivers para motores paso a paso. Los más conocidos en el mundo de la impresión 3D y la robótica están basados en el chip Allegro A4988, el Texas Instruments DRV8825. Para los motores más grandes, que necesitan más potencia, se usan drivers más potentes y los más conocidos (y caros) son los Gecko. Este tipo de drivers los encuentras en las máquinas CNC.
En general, los motores bipolares son más potentes y son los más usados en las máquinas, impresoras 3D, CNC, cortadoras, etc. Además, como los drivers suelen ser más avanzados, gestionan mejor la potencia, e incluyen características más avanzadas, como micropasos, etc.
Características principales

Vamos a enumerar las características generales que podemos encontrar cuando buscamos motores paso a paso para comprar:

Número de pasos por vuelta

Los motores paso a paso no tienen un movimiento continuo, y por lo tanto, no pueden posicionarse en todos los ángulos. Funcionan como los segundos de un reloj de agujas, que sólo tienen 60 posiciones. Como es de esperar, cuantos más pasos tiene el motor, vamos a conseguir mayor precisión, pero menor velocidad. Los motores que usamos normalmente en máquinas y robótica suelen tener 200 pasos por vuelta, esto es 360º/200 = 1.8º por cada paso.

Ángulo por paso

Esto es otra forma de conocer el número de pasos: Es lo mismo decir 200 pasos por vuelta, que 1.8º por paso.

Micro stepping

Sobre este asunto suele haber muchas dudas, sobre todo porque las placas tipo RAMPS incorporan unos jumpers para poder configurar el número de micropasos. La idea de esta técnica se basa en no enviar el 100% de la fuerza a los imanes, con esto conseguimos que el motor no complete el paso al 100%.

Los drivers que están pensados para micropasos envían la energía usando una onda sinusoidal. En teoría con esta técnica perdemos fuerza pero ganamos resolución y fluidez. Se nota bastante, si desactivas el microstepping (quitando los jumpers de la RAMPS), los motores avanzan más bruscamente. Es una buena práctica configurar todas las máquinas que montes para que tengan la máxima resolución del driver (16 micropasos en el A4988 y 32 micropasos en el DRV8825).


Potencia que se envía al motor usando microstepping

Reductora

Si al motor le conectamos una polea y a esa polea le conectamos otra polea tenemos una reductora.


Motor con reductora incluida

Si la polea es de mayor tamaño aplicamos más torque sacrificando la velocidad. Si la polea es más pequeña, giraremos más rápido sacrificando el torque. Despreciando las pérdidas por fricción la potencia de entrada es la misma de la salida y 'Torque' es la fuerza multiplicada por el brazo de palanca. Debido a que es común usar reductoras hay motores que ya las incorporan de fábrica y de esta forma podemos evitar muchas complicaciones en el momento del montaje.

Las reductoras se explican en proporciones, se suele usar el número de dientes de la polea, por ejemplo: 32:8 quiere decir que pasamos de una polea de 32 dientes a una de 8 dientes, o que por cada 32 vueltas la segunda polea va a girar 8 veces, o lo que es lo mismo, que la relación es de 32/8=4 veces menos. El uso de reductoras depende mucho de la máquina, de la fuerza y de la velocidad que vayas a necesitar.
Holding torque (en español, Momento de retención)

Basicamente, lo que mide es la fuerza con la que el motor puede aguantar un peso fijo. Para medirlo, imaginad que tenemos un bastón de 1 metro de longitud, y en la punta ponemos un peso de 1 Kg. Ahora tenemos que levantar ese bastón con una sola mano. Muchos no podrán hacerlo por no tener suficiente fuerza. Ahora imaginemos que en lugar de 1Kg, tenemos 2Kg. ¡La cosa se complica aún más!. Pues ahora imaginemos que en lugar de un bastón de 1 metro, tenemos un bastón de 5 metros, y 500 gramos. Aunque el peso sea menor, ¡levantar medio kilo a 5 metros de distancia con un solo brazo es muy difícil!, por eso medimos el torque en Newtons por metro, porque depende del peso y de la distancia del peso al eje del motor.

Las impresoras 3D suelen necesitar mucho torque en el extrusor para empujar el filamento, especialmente si intentan imprimir usando filamento de 3mm de diámetro. Para hacernos una idea: el tradicional extrusor Wade (el extrusor más conocido en las impresoras 3d tipo Prusa) es capaz de crear una fuerza de 40 Newtons por centímetro, en cambio, un grabador láser no tiene que empujar nada y no necesita apenas torque.

Los motores paso a paso suelen tener menos torque que los motores DC, pero tienen la ventaja de que es más sencillo mantenerlos firmes en una posición. Para que un motor de corriente continua se mantenga fijo en un lugar hay que recalcular la posición en un bucle permanente.
Tamaño y estándard NEMA

Continuamente escucharás Nema 16, Nema23… NEMA es el acrónimo de National Electrical Manufacturers Association. En concreto nos dice el tamaño de la cara frontal (donde están los orificios de los tornillos). NEMA17 significa que mide 1.7 x 1.7 pulgadas. En general más tamaño suele implicar más torque, pero no tiene porqué ser así y es perfectamente posible que un NEMA14 supere a un NEMA17, pero depende del fabricante y de las características del motor.

Si el motor va a ser instalado en una parte móvil de la máquina, como el cabezal, entonces el tamaño sí que importa: Más grande implica más peso y por tanto más inercia. Nos va a costar más mover el cabezal, o la impresora 3D. Los motores NEMA14 son ligeros pero es difícil encontrarlos con la fuerza necesaria. Los NEMA17 son los motores más sencillos de conseguir y son los más comunes en los proyectos de Arduino.

Álvaro Rey (MakerGal): Si tienes dudas de que nema 17 coger, coge siempre el más grande. Si tienes miedo a que no te llegue la potencia del motor debes de coger uno de los grandes, de 70oz.

Calor

Ten en cuenta que los motores se calientan bastante. Si trabajan al tope de su capacidad no es difícil que lleguen a los 80º grados y si utilizaremos piezas de plástico tipo PLA para tu máquina ¡Esto puede ser un problema!. Un ejemplo: imaginemos que encontramos un motor NEMA14 que funciona con el torque necesario pero como será llevado al límite se va a calentar mucho. En este caso, si vamos a fijarlo usando piezas de PLA tendremos que tener esto en cuenta o usar un NEMA17 que trabajará más cómodamente y no va a calentarse tanto.

Resistencia

Entre las especificaciones del motor está la resistencia interna, ¿en qué afecta?: Por un lado está el calor que se desprende, al tener más resistencia, el motor se calienta más. Por otro lado, si la resistencia es alta, es posible que no permita circular la suficiente corriente para que el motor se mueva (este problema es más grave cuando usamos motores a más voltaje como 24v o 36V).

Voltaje

Este valor es motivo de confusión: Es común que el motor tenga un valor del tipo 3.6V y nuestra fuente de alimentación es de 12Vcc... ¿qué demos hacer?

El motor no deja de ser una bobina de cobre y el valor del voltaje es una forma de indicar los amperios, porque la resistencia es constante. Por la Ley de Ohm, si la resistencia es constante, los amperios son proporcionales al voltaje.

En los motores más sencillos, como los unipolares, donde los drivers unicamente dejan pasar la corriente es importante que no pase demasiado voltaje o el motor se sobrecalentará, pero en los motores bipolares, en los que lo más normal es que usemos drivers avanzados, que gestionan correctamente la energía y tienen un límite máximo de potencia. El driver mide cuanta corriente pasa, y limita cuando cuando sobrepasamos el límite. Por eso, en estos casos, el voltaje no nos interesa, ya que gestionaremos la potencia calibrando el driver.
No es lo mismo el voltaje máximo del motor, que el voltaje del driver.
Constante de tiempo

Debemos tener en cuenta el tiempo de carga de las bobinas y el motor PaP funciona cargando una bobina con un campo eléctrico, que a su vez, genera un campo magnético. Las bobinas no se cargan instantáneamente, tardan un tiempo. A este parámetro lo denominamos constante de tiempo. En concreto, representamos el tiempo que tardamos en cargar la bobina al 63.2% de su capacidad. ¿Por qué este número particular? Porque la carga de una bobina es exponencial, al principio cuesta, pero luego, avanza de forma más rápida. Si representamos la carga en función del tiempo obtenemos estos valores para s = 1.


Valores de la constante de tiempo.

Pero lo que nos importa es que este valor debe ser lo más bajo posible si necesitamos velocidad en nuestro motor.

Eje

Es importante conocer el diámetro del eje y de su longitud y no podemos olvidar comprobar que las poleas entran en el eje, también que vamos a poder apretar los tornillos prisioneros con firmeza. Debemos asegurarnos también de que la polea va a entrar en el motor, y que el eje no es demasiado largo. Lo reiteramos varias veces porque podría ser necesario recortar el eje del motor.

Tipos de eje

Hay 3 tipos principalmente.

  • Eje circular. El más habitual de todos.
  • Eje con muesca. Es circular pero se ha practicado una planicie hasta formar una cara, de esta forma puede usarse un tornillo prisionero más fácilmente.
  • Con husillo integrado. Ya que es muy común conectar un husillo al motor, hay motores que incorporan un husillo para conectar una tuerca. Incluso es posible pedir los husillos a medida.



  • Motor paso a paso con husillo.

    Dentro de estas variantes hay modelos un poco más exóticos, por ejemplo, hay motores de eje huecos y pueden ser usados para rotar piezas y pasar los cables por el interior del eje del motor. Los hay que mueven un husillo en su interior (reciben el nombre de non captive en inglés) y con su uso pueden solucionarte muchos problemas diseño.


    Motor stepper noncaptive.

    Guia sencilla para identificar el tipo de motor paso a paso.

    Hemos adquirido un motor paso a paso, el manual está en otro idioma y desconocemos si es unipolar o bipolar. En un simple vistazo:

    Si tiene 8 cables, probablemente sea unipolar y usará 4 por cada bobina.

    Si tiene 6 cables, probablemente sea unipolar y usará 3 para una bobina y 3 para la otra. Esto significa que cada bobina tiene su propio cable común.

    Si tiene 5 cables, probablemente sea unipolar y usará 2 para una bobina, 2 para la otra bobina, y uno para el común de ambas bobinas.

    Si tienes 4 cables, probablemente sea un motor bipolar y usará con 2 cables por cada bobina. El siguiente vídeo puede ser útil para diferenciar nuestro motor:



    Cableando los motores paso a paso

    Vamos a tratar de crear una forma sencilla de conocer qué cables debemos conectar de los motores paso a paso típicos de las impresoras 3D, que suelen ser los NEMA17 de 4 cables.

    Versión rápida

    Si el motor posee cables de diferentes colores suelen usarse en el orden Rojo / Azul / Verde / Negro.
    Problema: !No está garantizado que sea asi! Es difícl saber dónde han conseguido los motores, como se han montado, etc. Hay personas que no son capaces de hacer que sus motores funcionasen, y al final descubrieron que el problema estaba en el cableado de los motores.

    Versión más larga

    La mayoría de los drivers usados en impresoras 3D y máquinas domésticas son bipolares como los conocidos Pololu a4988, o los DRV8825. El motor posee 4 cables, 2 por cada bobina. Lo importante es descubrir cuáles pertenecen a cada una de las 2 bobinas.
    Si deseamos cablear un motor paso a paso es necesario descubrir qué cables pertenecen a cada bobina.
    Es necesario diferenciar cada bobina, por ejemplo, podemos distinguir la bobina A y la bobina B, también podemos nombrarlas como bobina 1 y bobina 2. Si observamos la leyenda del driver, los DRV8825 etiqueta A2, A1, B1, y B2 y los A4988 etiqueta como 1B, 1A, 2A, y 2B.

    Si tienes un polímetro

    Es un proceso muy sencillo: Comprueba la resistencia entre 2 cables cualquiera, si hay un poco de resistencia (menos de 150ohm), entonces hemos encontrado una bobina. Si la resistencia es infinita (suele indicarse como 0L en el polímetro) significa que los cables no están conectados entre si y pertenecen a bobinas distintas.

    Si no tienes polímetro

    En este caso hay un método muy "llamativo" usando un LED con patillas: Simplemente debemos conectar un cable del motor a una patilla del LED, y otro cable del motor a la otra patilla. Si giramos el eje del motor manualmente generamos una corriente al hacerlo. Si el LED enciende, has encontrado una bobina. Es importante girar el motor en una dirección y en la otra ya que el LED se encenderá solo en una dirección (cuando generamos la corriente desde el polo positivo al negativo). Si no enciende en ninguna dirección entonces ese par de cables pertenece a bobinas distintas.

    ¿Afecta el orden de los pares de las Bobinas?

    Con el polímetro o con los LEDs es posible localizar los pares de las bobinas, pero ahora surge la duda del orden, por ejemplo, Rojo/ Azul es el par de la bobina, pero ¿es lo mismo que Azul / Rojo? La respuesta es que que sí. Cambiará el orden de giro, Rojo/ Azul girará en un sentido, y Azul/Rojo girará al contrario. Al cambiar una de las bobinas ya invertimos el orden de giro.

    Conclusión final

    Si has llegado hasta aquí, es que realmente te preocupa conocer qué motores paso a paso necesitas para tu proyecto. Los motores paso a paso son una parte fundamental de la electrónica de control, son el componente principal de muchos proyectos y por eso es importante conocerlos bien. Esperamos que en este post sirva para sacar algunas conclusiones necesarias o que haya servido para aprender más sobre cómo funcionan interiormente y entender mejor cómo pueden ser usados.

    Varios usuarios de esta web nos habéis sugerido ampliar información, por lo que si crees que falta algún dato o explicación relevante puedes ponerlo en los comentarios y actualizaremos el post. Te rogamos que compartas aquí qué proyecto estás preparando y si estás pensando en una impresora 3D, o una máquina CNC para cortar con láser, o si estás pensando en montar un proyecto de robótica controlado por Arduino.

    
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    Fri, 19 Jun 2020 17:44:48 +0200
    Tags: #3DPrint

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