Motores paso a paso en impresión 3D (II): Criterios de selección de motores y drivers

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Bienvenidos a la segunda entrega de nuestra serie sobre motores en impresión 3D.

En la entrada de hoy daremos unos criterios de selección de motores y drivers para impresoras 3D de tecnología FFF.

En la entrada anterior de esta serie hablamos de unas nociones básicas de teoría sobre los motores y drivers más utilizados en este tipo de máquinas. Algunos conceptos de los que hablamos en la 1ª entrega se darán por conocidos en esta, por lo cual no dudes en acudir a ella para cualquier aclaración.

Introducción

A la hora de elegir unos motores y unos drivers adecuados, es importante tener en cuenta dos cosas:

  1. Escoger motores con un par motor suficiente para la aplicación que vayan a tener (suficientemente “fuertes”).

    Esta es la primera decisión a tomar, ya que nuestro objetivo primordial es mover uno de los ejes de la máquina con la suficiente fuerza y velocidad.

  2. Que los drivers puedan aportar suficiente corriente para que el motor ejerza el par motor necesario.

    Además, el driver debe ser compatible electrónicamente con el resto de la circuitería de control.

Por tanto, las decisiones de qué motor y qué driver utilizar para una aplicación se afectan entre sí, y habrá que estudiar diversas opciones hasta encontrar un resultado óptimo.

 

Un vistazo más de cerca a nuestros motores

En la mayoría de impresoras 3D de tecnología FFF, los motores utilizados son del tipo paso a paso bipolares.

En la Figura 1 podemos observar dos de estos motores, en concreto dos NEMA 17 (un estándar de forma y tamaño).

Motores

Figura 1: Motores NEMA 17 

El fabricante de los motores nos va a especificar una serie de datos y gráficos sobre su producto en las hojas técnicas, como por ejemplo siguiente tabla:

Tabla Motores

Figura 2: Tabla de datos de un motor paso a paso bipolar NEMA 17

Debemos fijarnos especialmente en dos datos:

  1. El par motor (o torque) de retención

    Aparecerá como “Holding Torque” o “Static moment”. Se mide en N·m o N·cm (Newtons·centímetro) y es uno de los parámetros que indica la “fuerza” del motor. Es el que más habitualmente ofrecen los fabricantes.

    En la Figura 2 podemos observar que para el motor del ejemplo su valor es de 65 N·cm.

    ¿Qué significa este valor?

    Es un indicativo de la fuerza con la que el motor puede mantenerse en un paso. Determinará el aguante del motor a que la inercia del eje que estamos moviendo le haga saltarse un paso al frenar dicho eje (que es el punto más común en el que puede saltarse un paso).

  2. La corriente o intensidad nominal

    Aparecerá como “Rated Current”, “Phase Current” o “Max Current”.

    Se mide en amperios (A) y nos da el valor máximo de corriente que podemos hacer circular de manera continua por el motor sin quemarlo (recuerda que más corriente → más fuerza).

    En la Figura 2 podemos observar que para el motor del ejemplo su valor es de 1,8 A.

    Por tanto si queremos utilizar este motor aprovechando toda su fuerza tenemos que controlarlo con un driver que sea capaz de entregar toda esa corriente.

 

Criterios de selección de motores

Primer criterio de selección

El motor debe tener suficiente par motor o torque de retención para mover correctamente el eje de la máquina en cuestión.

¿Cómo calcular el mínimo par motor que necesitamos?

El cálculo teórico de este valor es muy complejo. Influyen gran cantidad de factores, como los siguientes:

  • Masa del eje a mover

  • Velocidad de giro del motor paso a paso

  • Inductancia de las bobinas

  • No exactitud de los valores que da el fabricante

  • Transmisión utilizada

  • Rozamiento

  • Aceleración deseada

  • Otros factores

Debido a ello, por desgracia no vamos a poder dar una solución rápida o una fórmula simple para calcularlo. En su lugar, utilizaremos valores ya probados en impresoras 3D existentes y funcionales.

Daremos unos valores mínimos, considerando que cualquier motor de superiores prestaciones funcionará también correctamente:

  1. Para ejes de carga ligera, el valor mínimo del par motor de retención deberá estar entre 28 y 40 N·cm.

    Ejemplos:

    • Ejes que mueven carros de extrusor sin el motor montado, como los sistemas Bowden. Por ejemplo, los ejes X e Y de la impresora open-source Tantillus, que puede verse en la Figura 3.

    • Ejes que mueven bases de impresión muy ligeras.

Tantillus

 Figura 3: Impresora Tantillus con motores de 28 N·cm (fuente)

  1. Para ejes de carga media, el valor mínimo del par motor de retención deberá ser superior a 40 N·cm. Ejemplo: Los ejes X, Y, Z y extrusor de la impresora DIMA LT.

    Ejemplos:

    • Ejes que mueven carros de extrusor con motor montado, como el eje X de la DIMA LT, que puede observarse en la Figura 4.

    • Ejes que mueven bases de impresión ligeras, como el eje Y de la DIMA LT.

    • Ejes verticales de doble motor, como el eje Z de la DIMA LT.

    • Extrusores con engranajes de reducción, como los de la DIMA LT y la DIMA 1000.

Eje X LT

Figura 4: Motor de 40 N·cm del eje X de la DIMA LT

  1. Para ejes de carga pesada el valor mínimo del par motor de retención deberá ser superior a 50-60 N·cm.

    Ejemplos:

    • Ejes que mueven carros de doble extrusor con ambos motores montados.

    • Ejes que mueven carros con un extra de peso por algún motivo, como el uso de rodamientos enclaustrados metálicos. Este es el caso del eje X de la DIMA 1000, cuyo motor de 52 N·cm puede observarse en la Figura 5.

    • Extrusores directos (sin reducción).

    • Ejes verticales de un solo motor, como es el caso de muchas máquinas que elevan la base en el eje Z con un único husillo.

Eje X 1000

Figura 5: Motor del eje X en la impresora DIMA 1000

Hay casos en los que es necesario un motor aún más fuerte (superando los 100 N·cm), como el que mueve la base (eje Y) de la DIMA 1000. En este caso es necesario por el gran tamaño de su área de impresión.

Consejo en caso de que sólo dispongamos de motores más ligeros a los recomendados: Disminuir el valor de aceleración máxima y limitar la velocidad máxima a un valor más pequeño, en el firmware de la máquina.

Segundo criterio de selección

Como ya hemos comentado, las selecciones que hagamos de motores y de drivers se van a afectar entre sí. Uno de los criterios de selección de drivers es la corriente máxima que pueden entregar, así que lo tendremos en cuenta y elegiremos un motor cuya corriente nominal no sea muy alta, a ser posible dentro (o cerca) de los valores que pueden otorgar los drivers de los que podemos disponer.

Valores estándar de corrientes nominales son los siguientes:

  • 0,6-0,7A

  • 1,2-1,3A

  • 1,7-1,8A

  • 2,5A

En caso de duda, entre dos motores del mismo par no siempre es mejor escoger el de menor corriente nominal. Cuanta mayor corriente nominal, más conserva su par el motor a altas velocidades, por lo que escogeremos el de mayor corriente que admitan los drivers de los que disponemos.

Normalmente la mejor opción son los de 1,7-1,8A de corriente nominal. Es un valor aceptable para la mayoría de los drivers disponibles.

Un vistazo más de cerca a los drivers

Existen en el mercado multitud de drivers para motores paso a paso. Entre ellos hay una serie de diferencias, las cuales pueden dividirse en diferencias de control y de prestaciones.

Respecto al control:

  • Drivers plug & play

    Se controlan por USB. Son capaces de comunicarse con un software ejecutándose en un PC, que les envía las órdenes que el driver convertirá en movimiento de los motores que esté controlando. Pueden comunicarse en tiempo real o ser programados.

    Pueden funcionar de forma independiente, sin necesidad de más electrónica excepto la alimentación.

Drivers - USB

Figura 6: Drivers plug & play de distintos fabricantes

  • Drivers de bajo nivel

    Son aquellos drivers que se controlan con señales electrónicas básicas, como voltajes y corrientes. Necesitan una electrónica de control aparte, ya que forman parte de un sistema y no se utilizan de manera independiente.

Drivers

Figura 7: Drivers de bajo nivel para motores paso a paso

Respecto a sus prestaciones, los drivers pueden tener diferentes especificaciones, de las cuales podemos destacar las siguientes:

  • Rango de voltajes de operación (con los que alimentarán al motor)

  • Corriente que son capaces de suministrar de manera continua a cada bobina del motor

  • Modos de micropasos disponibles (1/8, 1/16, 1/32, full-step…)

  • Presencia de mecanismos de seguridad, como control contra sobretemperaturas, sobrecorrientes y cortocircuitos

  • Presencia de limitadores de corriente para poder utilizar motores con baja corriente nominal o bien a un mayor voltaje que el nominal

Numerosas placas electrónicas para impresoras 3D FFF han establecido un estándar de facto en la forma de estos drivers, consistente en un zócalo de 2 tiras de 8 pines. En la Figura 8 pueden observarse alguna de estas placas con el susodicho zócalo.

Ramps+Rumba

Figura 8: Dos placas electrónicas para impresión 3D que utilizan los zócalos de 2×8 pines para los drivers

Con esta forma, numerosos fabricantes fabrican drivers basados en dos circuitos integrados distintos, los cuales hemos comparado en la siguiente tabla.

Tabla_drivers

Figura 9: Tabla comparativa de características de dos circuitos integrados controladores de motores paso a paso

Como puede observarse, el chip DRV8825 ofrece prestaciones superiores. Por tanto, a menos que el precio sea un factor limitante, es la mejor opción entre estos dos si se desea un driver con el factor de forma de 2×8 pines.

Drivers_a49_drv

Figura 10: A la izquierda, un driver basado en el DRV8825, y la derecha uno basado en el A4988.

Esto es todo por esta entrega. En la siguiente veremos cómo ajustar correctamente el limitador de corriente de los drivers más utilizados.

Como siempre, esperamos que os haya gustado y no dudéis en poner en los comentarios cualquier duda o aportación. ¡Hasta la próxima!

45 Comments

  1. Buenas tardes,

    Quisiera saber si el driver A4988 limita en algo la velocidad del motor, en este momento tengo un minebea de24voltios y 0.9º por paso -Holding torque 160mNm y corriente de 0.85A …. ya tengo toda la estructura funcionando pero esta demasiado lento para la impresora que deseo
    El problema es del motor o del driver?

    • Hola Carolina.

      Creo que puede ser una de estas cosas:
      – Tienes mal configurado el factor pasos/mm de tu sistema (si dispone de ello) y le estás mandando mover x mm y se piensa que tiene que girar menos para conseguirlo, y lo hace más lento. Como los motores de 1,8º son más habituales y el tuyo es de 0,9º, fíjate que necesitas duplicar ese factor.

      -Estás mandándole una velocidad lenta en el gcode.

      -Las electrónicas siempre tienen un límite superior de pasos/segundo que pueden enviar al driver. Usando velocidades muy altas + un modo alto de micropasos + mucha reducción en el eje (ergo un factor pasos/mm muy alto) + un motor de muchos pasos/vuelta (como los de 0,9º. Esto es raro pero puede ser (un microcontrolador arduino puede enviar unos 40000 pasos/seg máximo por ej).

  2. Hola como le va?, queria preguntarle en que afecta la inductancia de los motores pap, ya que estoy seleccionando motores pero no quiero sobredimensionar. Estoy entre un nema 23 de 1amper por fase y un nema 23 de 2 amper por fase, mismo torque pero la inductancia es lo que varia.
    Desde ya muchas gracias

    • Hola jona,

      La inductancia afecta directamente a la velocidad máxima que es capaz de alcanzar el motor. La corriente cae más rápido a medida que se aumenta la
      velocidad al igual que el par de torsión que también desciende.

      Saludos

  3. Muy buenas interesante tu publicacion. tengo unas dudas respecto a los motores.
    tengo a mi disposicion solo motores unipolares de 3 y 3.25 A se q estos motores puedo llevarlos a bipolar sin ningun problema mi duda radica en q para hacer un cnc con que voltaje podria alimentarlos puesto que no poseo informacion de los mismos solo q poseen la corriente antes mencionada dado el caso podria usar estos 2 motores alimentados por ejmp a 8voltios y usar una corriente de 2.5a para hacer el control de los ejes x,y
    O que me recomendarias puesto que se me es complicado conseguir otro tipo de motores ya q son muy costosos

  4. bonito articulo,
    estoy haciendo una cnc router de 11pies por 4 pies.
    necesit las caracteristicas o generales del nema, 23, 34 y 48 para comparar, si tiene esa informacion se los agradecere mucho.
    Saludos desde Honduras

  5. Saludos. Estoy urgida de saber qué maquinarias o equipos usa motor bipolar. Estoy haciendo un ensayo y no tengo ni idea con qué comenzar. Muchas gracias por la ayuda.

  6. Saludo mi nombre es ramón estoy tratando de construir una máquina CNC pero mi motores paso a paso son nema17 de 2.4v 1.5A 0.42n.m que tan grande puedo contruirla si alguno me puede ayudar gracias.

  7. Hola, me atrevo a consultar despues de leer tus amables respuetas a variados temas, la mia se basa principalmente en una “agobiante” duda referente a cual tipo y potencia seria la mas adecuada para una routeadora de 1.50 x 2.5 metros de area de corte, la transmision va a ser con barra roscada de diametro 1/2″ y paso 18 hilos por pulgada, todos los deslizables seran en base a rodamientos para minimizar el rozamiento y por ende la potencia necesaria para los motores,, he estado revisando los enlaces de caracteristicas y poenso que nema 34 seria bueno , que piensas??? gracias por tu apoyo..

  8. Hola estoy construyendo una prusa i3 y queria molestarte, he leido mucho sobre el tema de los motores nema 17 de 0.9 grados y 1.8 grados y sinceramente estoy perdido, es verdad ? que con los 0.9º se tiene mas presicion o no.
    muchas gracias

  9. Hola, muy buen post, estoy planeando construir una cnc de de 2 metros x 3 metros, con motores nema 34, con arduino, tengo 2 dudas, primero que drivers me vienen mejor? y segunda duda, tornillo de bolas recirculantes o piñon con cremallera?

    • Veo que no te han respondido, y tenemos caso semejante, me gustaria hacerte una pregunta, yo si usare drivers y mis drivers me levantan hasta 5.6 A mientras que el motor 8A, ademas de no poder llevar el motor al full, hay alguna otra “perdida”?

    • Ufff que grande, lo mejor para tu mesa de 2×3 seria una tarjeta integrada, he visto por amazon bnas tarjetas, si son caras $290 (dolares) una es la tarjeta DSP Base Digital para 3 ejes propprcioando 6A para c/u. Otra.solucion es q pongas motores de alto torque los nema 34 Hibrido esos deman 5A (caros $165 dóllar).

  10. Buenos días.
    Mi consulta es la siguiente.
    Estoy diseñando un hibrido de CNC, impresora 3d y corte por laser. Estoy ahora con la eleccion de motores y tengo una duda. Quiero inslar ramps 1.4 con drivers dvr8825 y encontré estos motores NEMA 23 23hs8430 en concreto 4 unidades a un precio muy bueno 88€ TODOS. La pregunta es la siguiente ¿estos drivers aguantaran? ¿qué opináis?

    • Mmm deben ser chinos, por ellos solamente te daran 30 dias de garantía. Siempre compra con marca y q ofrezca el fabricanteal menos 1 año de garantia, en amazon los venden.

  11. Muy interesante este post, felicidades y muchas gracias por tanta información..
    Me gustaría saber si me puede ayudar, estoy diseñando una impresora 3D que tendrá un eje z de unos 50cm, por lo que siendo esta grande en dimensión si después le añadimos el material que colgará de la base de construcción digamos por poner un ejemplo que este peso pudiera rondar los 30kg, que motor debería utilizar y que tipo de husillo para que el conjunto sea resistente y el paso sea por micra??

    Agradecería una ayuda

    gracias por todo

    nano

  12. Buenas noches
    Necesito ayuda si alguien me puede ayudar. Estoy ensamblando un CNC, pero tengo problemas con los motores, pues al efectuar las pruebas con el driver, funcionan muy bien hacia adelante y atraz, pero cuando coloco carga a los ejes X y Y, se desplaza una sola vez a donde se le envía, luego se cuelga el GRDL y no da mas, pues tengo q reiniciar el sistema para volver a iniciar, a que se deberá?. Los motores son de 1.8º, de 2.52V y 0.9A y funcionan con el driver 4988 y Arduino.
    Gracias.

    PD. les puse 12 voltios a los drivers

  13. Buenas que tal!
    Felicidades por este articulo, es muy bueno eh!
    Tengo un motor a pasos de 0.9 grados por paso, 1.7 (A) por fase.
    ¿Es posible hacerle funcionar con un driver que entregue 0.7 (A) por fase?
    Quizás sea obvia la respuesta, pero tengo una duda ya que me dijeron que lo lograron mover sin embaro, mencionas que hay que elegir un driver que sea capas de suministrar la candidad de corriente que consume el motor por fase?
    Saludos
    Luis!

  14. Hola! Ojala te hubiese encontrado antes! A estas alturas, como podría saber si he fundido el driver o el motor? hay algún comportamiento o ruido característico?
    Muchas gracias!

  15. Buenas, tengo unos motores modelo: 42BYGHW811 DE 2,5A , y compre los drivers de DRV8825, Han estado funcionadno bien, hasta ayer que al acabar una pieza se apagó derrepente la impresora y al volver a conectarla no se mueven los motores, y he cambiado tanto de RAMPS, como de Arduino. ¿Pueden ayudarme?, gracias por su tiempo.

  16. hola. tengo motores nema34 que trabajan con 3.5 A y los controladores que suministran entre 1,5A hasta 7,5A mi duda es que pasa si regulo el controlador para que entrege mas amp.de lo que necesita el motor . gracias a quien me ayude.

  17. compre una cnc china 3040 ya de uso fallaron los motores y dos tarjetas de drive necesito comprar el set completo de motores dreve y controladora que me recomienda me gustaria algo mas fuerte de lo que usa gracias

  18. Hola, gracias me ha servido mucho toda esta información anterior. solo que aun tengo una duda y espero me puedan ayudar. Necesito que mi nema 23 quede en cierto tiempo completamente bloqueado, se que lo puedo hacer energizando todas las bobinas pero no se como energizarlas si estoy controlando con un
    microstep driver Tb6600, el cual recibe señales de mi controlador por “Enable ” , “Dir” y “PUL” . ¿Como le puedo indicar a mi driver que energice todas las bobinas?
    De ante mano muchas gracias.

  19. Yo quiero comentar el pésimo diseño de la página. Me molesta sobremanera que no funcione el desplazamiento arriba y abajo con la rueda del ratón ni con las flechas del cursor del teclado. Es sumamente contraproducente modificar el comportamiento del navegador de esa manera con un propósito que soy incapaz de adivinar.

  20. Hola, buenas, estoy empezando con todo este mundo de los motores paso a paso. Quiero construir una cnc para madera y me gustaria intentar aprovechar unos motores que han llegado a mis manos y que proceden de una impresora industrial, no tengo practicamente idea y me gustaria saber que controladores necesitaria y que placa….. 🙁

  21. Hola, estoy armando una cortadora de plasma CNC, ya tengo casi todo el Hardware, pero queria saber que Sotware utilizar para 3 matores a pasos

  22. Excelente articulo! Estoy montando u a impresora 3D y al momento de elegir motores no tenia idea de cuales elegir. Una consulta, tengo un motor paso a paso sin etiquetas, existe forma de saber que modelo es y asi elegir el driver correcto? Y de paso saber el torque y demas cosas. Muchas gracias!

  23. hola queria saver si me pueden ayudar tengo motores nema 17 1.8° 1.5a de 4.2 kg con arduino pero nose que driver poner para un buen rendimiento sin perdida de pasos ya que trabaja durante 2 hs continua con un peso de 3kg

    si alguien me puede ayudar con los driver que puedo usar o si me recomiendan driver tb6600 o los populi 8825

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