Motores paso a paso en impresión 3D (I): Nociones básicas

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Hoy comenzamos una nueva serie de entradas en el blog destinadas a hablar de los motores, uno de los componentes más importantes en cualquier máquina CNC (incluyendo a las impresoras 3D de tecnología FFF).

En esta primera entrada trataremos los siguientes asuntos:

  1. Qué son los motores paso a paso y por qué se usan en impresión 3D.

  2. Los drivers de los motores. Para qué sirven y un vistazo a algunos de los más utilizados en impresión 3D.

  3. Un glosario de términos y definiciones usadas en el artículo. Las palabras incluidas en el glosario enlazarán directamente a él.


    Introducción

Uno de los primeros problemas que nos encontramos en el proceso de diseño y ajuste de una máquina que utilice motores paso a paso, (como las impresoras 3D DIMA LT y DIMA 1000), es la selección de un motor y driver adecuados y su posterior calibración eléctrica.

Es una tarea importante que, sin embargo, muchas veces se realiza de manera incorrecta. Una consecuencia una mala elección es la pérdida de pasos en los distintos ejes de la máquina, por falta de fuerza, por calentamiento de la electrónica o por otras razones.

En una impresora 3D, las pérdidas de pasos se traducen en una pieza incorrectamente fabricada, con capas desplazadas respecto al resto, como puede apreciarse en la Figura 1.

Pero ¿qué significan realmente todas estas cosas? ¿Motor paso a paso? ¿Driver? ¿Pérdida de pasos? Vamos a verlo.

Salto de capa

Figura 1: Pieza con saltos de capa (izquierda) y la misma pieza bien impresa (derecha)

 

¿Qué es un motor paso a paso?

Son un tipo de motores eléctricos con las siguientes características:

  1. No permite grandes velocidades de giro a diferencia de otros tipos de motor.

  2. Permite posicionamiento preciso de manera sencilla (sin necesidad de un bucle cerrado).

  3. Normalmente se controlan en bucle abierto.

  4. Su control eléctrico es más complejo que el de otros motores. No son motores “de corriente continua” ni “de corriente alterna”. Son otro tipo y no basta con conectarles a una fuente de voltaje continuo o alterno. Hay que mandarles otro tipo de señales.

Dentro de los motores paso a paso tenemos varios tipos. Los que pueden controlarse solamente con señales positivas (DC) son los unipolares y suelen tener de 5 a 8 cables. Los bipolares tienen más par motor a mismo tamaño de motor que los unipolares, pero necesitan un control más complejo con corrientes en ambas direcciones, es decir, señales positivas y negativas (AC). Sólo tienen 4 cables de control (los dos extremos de las dos bobinas internas).

Todos los motores paso a paso comparten la característica de que su movimiento se realiza en intervalos fijos llamados pasos. Por ejemplo, un motor de 1,8º/paso girará 1,8º cada vez que se le mande avanzar un paso, o 200 pasos por cada vuelta completa.

Motor paso a paso

Figura 2: Vista interior de un motor paso a paso bipolar

¿Cómo que “se le mande” avanzar un paso? Sí, este tipo de motores no funcionan simplemente conectándolos a la corriente para que empiecen a girar, como los típicos motores DC. Hace falta una electrónica específica que le vaya dando las órdenes: “Avanza un paso en esta dirección, avanza dos pasos en la otra, quédate quieto”.

Debido a que se utiliza un sistema de control en bucle abierto, pueden ocurrir pérdidas de pasos. Para evitarlo, el control del motor (los niveles de voltaje y corriente) debe ser adecuado.

¿Por qué se utilizan este tipo de motores en impresión 3D?

No sólo se utilizan en impresión 3D, sino en muchas otras máquinas CNC (una impresora 3D es una máquina CNC). Se usan porque ofrecen las características buscadas en el movimiento de este tipo de máquinas, que son las siguientes:

  • Precisión y repetitibilidad en los movimientos

  • Control electrónico sencillo gracias a los drivers

  • Buena cantidad de par motor en un motor pequeño

  • No es necesaria gran velocidad de rotación en los motores, puesto que van a servir para convertir la rotación a movimiento lineal de baja velocidad (no se suelen superar los 200 mm/s en movimientos lineales de impresión 3D)

  • Consumo eléctrico adecuado

 

Niveles de voltaje y corriente en motores paso a paso

Hay un par de máximas que se cumplen en la mayor parte de los motores eléctricos:

  • Más voltaje → más velocidad

  • Más corriente → más fuerza.

En los motores paso a paso, esto conlleva una serie de cosas:

  • Los motores paso a paso tienen un voltaje nominal que suele ser bastante bajo, alrededor de 3-5 V para los más comunes en impresión 3D.

  • Un mayor voltaje que el nominal hace más rápida la transición de un paso al siguiente. Así, a un alto voltaje podemos mandar al motor más pasos por segundo. Por eso no es raro alimentar los motores paso a paso con un voltaje varias veces superior al nominal, como por ejemplo 12V.

  • Por la Ley de Ohm*, aplicar más voltaje a un motor hace que circule más corriente por sus bobinas (que tienen una resistencia), pudiendo ser que al aumentar el voltaje nos pasemos de corriente y se sobrecaliente o queme el motor.

  • Para mover rápido un motor (voltaje alto) sin que se dispare la corriente utilizaremos un limitador de corriente ajustable. Los drivers más habituales traen uno incorporado.

Conclusión: Para utilizar un motor paso a paso correctamente utilizaremos una fuente de alimentación de mayor voltaje que el nominal, un driver adecuado y un limitador de corriente bien ajustado.

 

Los drivers de los motores

La electrónica necesaria para mover correctamente los motores se denomina driver y es específica para cada tipo de motor. Se encarga de recibir las señales de control de la placa base de la máquina (“quiero que el motor del eje X avance 23 pasos en esta dirección”) y mandar esa orden a los motores en forma de señal eléctrica con la forma y potencia adecuadas.

En su interior se encuentra, entre otros componentes, un circuito por cada una de las dos bobinas encargado de hacer circular corriente por ellas en ambas direcciones. Esto se consigue con transistores colocados en la disposición llamada “de puente H”. Puede observarse un esquema de esto en la Figura 3.

Puente H
Figura 3: Puentes H para el control de las dos bobinas del motor paso a paso bipolar

Pasos y micropasos

Los drivers para motores paso a paso mueven al motor un número exacto de pasos, y algunos son capaces de enviar incluso subdivisiones de pasos completos, llamadas micropasos. Por ejemplo, permiten moverse al motor en intervalos de 1/16 de paso, de 1/32…

Los micropasos aumentan la suavidad y resolución de los movimientos de los motores. No tanto la precisión, como podría pensarse: El motor tiende a ir a las posiciones de paso completo con mayor fuerza.

En la Figura 4 puede observarse un ejemplo de una forma de onda (voltaje) que podríamos enviar a un motor paso a paso bipolar (en cuyo interior hay dos bobinas) con el modo de micropasos activado.

Vemos que se asemeja a una onda periódica sinusoidal. En el modo de paso completo, por el contrario, tendría forma cuadrada. Cada periodo de la onda periódica, 4 pasos.

Paso completoMicropasos
Figura 4: Formas de onda enviada a las dos bobinas de un motor paso a paso en modo paso completo (arriba) y con micropasos (abajo)


Drivers típicos utilizados en impresoras 3D
FFF

Drivers

Figura 5: Distintos drivers para motores paso a paso bipolares

Los drivers a los que nos referiremos aquí son muy básicos, una pequeña placa electrónica con dos únicas tareas:

  • Aportar la potencia necesaria para el movimiento del motor desde una fuente de voltaje externa.

  • Enviar esa potencia con la forma de onda adecuada al motor en cuestión, en función de las órdenes que va enviando la electrónica. Ver la Figura 4 para un ejemplo de esta forma de onda.

Estos drivers son utilizados en multitud de impresoras 3D como la DIMA LT, así como en otras más profesionales como la DIMA 1000 y en otras máquinas CNC.

En su diseño se incluye un pequeño circuito integrado (el chip negro, que es el driver propiamente dicho) y una serie de condensadores y resistencias. Existen varios circuitos integrados diferentes que se suelen utilizar, con diferentes características.

Entre los drivers más comunes se encuentran los basados en el chip A4988 de Allegro y los basados en el DRV8825 de Texas Instruments. En la siguiente entrada hablaremos más de ellos y sus diferencias, entre las cuales se encuentra la corriente máxima que pueden aportar cada uno.

Ambos comparten la característica común de estar diseñados para controlar motores paso a paso bipolares, exclusivamente. Por esa razón poseen cuatro salidas de control, puesto que los motores paso a paso bipolares tienen cuatro cables (dos por cada bobina).

Esto es todo por hoy. En la siguiente entrega del artículo hablaremos del proceso de selección de motores y de drivers, en función de sus características y nuestras necesidades. Veremos también cómo ajustar los limitadores de corriente a un valor adecuado para el buen funcionamiento de nuestra impresora 3D.

Esperamos que os haya gustado y no dudéis en poner en los comentarios cualquier duda o aportación que queráis.

 

Glosario

Bucle abierto: Sistema de control que no permite saber el estado actual del sistema controlado. En consecuencia, cuando mande las señales de control al sistema controlado, no puede saber si el resultado ha sido correcto.

Por ejemplo: Un motor paso a paso simple. El driver manda unas señales de control y espera que el motor se mueva en consecuencia, sin poder saberlo a ciencia cierta. Por este motivo, las pérdidas de pasos pueden ocurrir, y el control debe cuidarse para que el resultado sea el esperado.

Son más sencillos de implementar que los sistemas en bucle cerrado.


Bucle cerrado: Sistema de control que se basa en detectar el estado actual del sistema controlado (posición, temperatura…) para enviar una correción al sistema controlado, en función de ese dato detectado.

Por ejemplo: Un termostato. El sistema de control tiene un sensor de temperatura (detecta el dato) y, si la temperatura de la habitación está por debajo de la temperatura objetivo, enciende el calentador. Una vez la temperatura está por encima, lo detecta y apaga el calentador.

Son más complejos y caros de implementar que los sistemas en bucle abierto.


Driver: Circuito electrónico encargado de suministrar la potencia necesaria a un motor eléctrico en cantidad y forma (tipo de onda) adecuadas. Cada tipo de motor eléctrico necesita un tipo de driver diferente.

También se les suele llamar “etapa de potencia”, pero no sólo realizan esa función.


Forma de onda: Representación gráfica de una señal eléctrica (voltaje o corriente) que varía en el tiempo, ya sea de manera regular o irregular.

Por ejemplo: Por el cable de un micrófono viaja una señal cuya forma de onda se corresponde con el sonido que ha detectado la cabeza de dicho micrófono.


Ley de Ohm: Importante fórmula matemática utilizada en análisis de circuitos. Es la siguiente:

V = I·R

O lo que es lo mismo:

Voltaje (voltios) = Corriente (o Intensidad, amperios) × Resistencia (ohmios)


Motor: Mecanismo capaz de convertir algún tipo de energía (calórica, eléctrica…) en una rotación de un eje. De esa manera podemos generar movimiento a partir de la energía inicial.

Existen diferentes tipos de motores. Térmicos, a reacción, muchos tipos de eléctricos… Uno de esos tipos es el motor eléctrico paso a paso.


Par motor: Magnitud representativa de la fuerza que puede ejercer un motor (estrictamente mide el momento de fuerza). Un mismo motor con un determinado par ejerce más fuerza más cerca de su eje.

El par se mide en Newtons × Metro (N·m, es multiplicación y no división) o unidades equivalentes.

Un motor con más par nos permite mover más holgada y/o rápidamente un peso, como pueden ser los ejes de la máquina.


Pérdida de pasos: Fallo de control de un motor paso a paso que ocasiona que éste no realice todos los movimientos de paso que se le han enviado desde el driver. Puede venir ocasionado por un mal ajuste de los valores de voltaje y corriente de control, por una mala elección del motor (con poco par motor) o por un bloqueo en el sistema de movimiento.

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