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Motor

Calculadora de Motor Paso a Paso

Calcula el ángulo de paso, velocidad de rotación, frecuencia de pulsos y par de motores paso a paso.

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Fórmula

fstep=(RPM×steps/rev×microstepping)/60f_step = (RPM × steps/rev × microstepping) / 60

Referencia: Microchip AN2164 — Stepper Motor Control

f_step— Frecuencia de pulso escalonado (Hz)
RPM— Velocidad objetivo del motor (RPM)
steps/rev— Pasos completos por revolución (steps)
microstepping— Divisor de micropasos

Cómo Funciona

Esta calculadora determina la frecuencia del pulso del motor paso a paso y los parámetros de movimiento lineal a partir de los pasos por revolución, la relación de micropasos y la transmisión mecánica. Los maquinistas de CNC, los fabricantes de impresoras 3D y los ingenieros de control de movimiento la utilizan para configurar sistemas de posicionamiento precisos. El cálculo preciso de la frecuencia del pulso garantiza un movimiento suave sin perder pasos ni problemas de resonancia.

Según las especificaciones de la NEMA 17 (el tamaño de chasis escalonado más común), los motores estándar proporcionan 200 pasos completos por revolución (ángulo de paso de 1,8°). Los micropasos subdividen cada paso completo en 2 a 256 micropasos, siendo 1/16 (3200 cuentas/vuelta) el límite práctico antes de disminuir la precisión posicional. Los estudios realizados por Precision Microdrives muestran que el error de posicionamiento en los micropasos aumenta del ± 5% con un paso de 1/4 a un ± 20% con un paso de 1/32 debido al par de retención magnético.

La fórmula de frecuencia de pulso del «Manual de control de movimiento» (Slocum, 1992) es: f = (pasos/revoluciones × micropasos × RPM)/60. Un NEMA 17 típico a 200 pasos/vuelta con 1/16 micropasos y un objetivo de 300 RPM requiere 16 000 pulsos por segundo. Según las curvas de par del fabricante, los motores paso a paso pierden el 50% del par de retención a 500 RPM y el 80% a 1000 RPM debido a que los campos electromagnéticos contraelectromagnéticos limitan el tiempo de aumento de la corriente. Este equilibrio entre par y velocidad determina las velocidades de avance máximas que se pueden alcanzar en las aplicaciones de CNC.

Ejemplo Resuelto

Una impresora 3D de estilo Prusa utiliza motores NEMA 17 (200 pasos/vuelta) con controladores TMC2209 a 1/16 micropasos. El eje X utiliza una correa GT2 con polea de 20 dientes (circunferencia de paso de 40 mm). La velocidad de impresión objetivo es de 100 mm/s.

Paso 1: Calcule la resolución efectiva: Pasos/vuelta: 200 × 16 = 3200 micropasos/vuelta Resolución lineal: 40 mm/3200 = 0,0125 mm/paso (12,5 µm)

Paso 2: Determine la frecuencia de pulso requerida: Revoluciones por segundo: 100 mm/s ÷ 40 mm/rev = 2,5 rev/s = 150 RPM Frecuencia de pulso: 3200 × 2,5 = 8000 Hz

Paso 3: Verifique si cumple con los límites del motor: Según las curvas de par NEMA 17, 150 RPM retienen el 85% del par de retención Frecuencia máxima de paso del TMC2209:2 MHz, espacio libre adecuado

Paso 4: Calcule la rampa del pulso de aceleración: Aceleración objetivo: 1000 mm/s² (típica de la impresión 3D) Velocidad de rampa de frecuencia: 8000 Hz/s por 100 mm/s ÷ 1 s = 80 000 Hz/s²

Resultado: configure el controlador de movimiento para una frecuencia gradual de 8 kHz a velocidad de crucero con una rampa de aceleración de 80 kHz/s². La resolución de 12,5 µm supera en 4 veces los requisitos típicos de una capa de impresión de 50 µm.

Consejos Prácticos

  • ✓Según las notas de la aplicación de Trinamic, los micropasos de 1/16 proporcionan un equilibrio óptimo entre resolución y precisión: las divisiones más altas proporcionan un movimiento más suave, pero la precisión de la posición de los micropasos se degrada a ± 20% a 1/32
  • ✓Utilice la aceleración en rampa según las curvas de par y velocidad del NEMA 17: comience a 200 Hz y descienda a una velocidad de 5000 a 10000 Hz/s² para evitar que se detenga durante la aceleración desde reposo
  • ✓Para aplicaciones con husillos, calcule la inercia reflejada: J_reflected = J_load × (pitch/2π) ²; el motor debe acelerar esta inercia y limitar la velocidad máxima de rampa de frecuencia de paso

Errores Comunes

  • ✗Confundir pasos/revoluciones con micropasos/revoluciones: un motor de 200 pasos a 1/16 micropasos proporciona 3200 contes/revoluciones, no 200; este error de 16 veces hace que el movimiento sea 1/16 de la distancia prevista
  • ✗Haciendo caso omiso de la reducción del par a gran velocidad: según los datos del fabricante, los motores NEMA 17 pierden un 50% de par a 500 RPM y un 80% a 1000 RPM; si se supera este límite, se pierden pasos y se pierde la posición
  • ✗Funcionamiento a una frecuencia de resonancia: los motores paso a paso muestran una resonancia mecánica de 50 a 200 Hz (150 a 600 RPM para los motores de 200 pasos); acelere rápidamente a través de esta banda o utilice micropasos para amortiguar las vibraciones

Preguntas Frecuentes

Los micropasos dividen todos los pasos del motor al energizar proporcionalmente las bobinas. Según las pruebas de Precision Microdrives, un paso de 1/4 logra una precisión de posición de ± 5%, 1/16 logra un ± 10% y 1/32 se degrada a ± 20% debido al par de retención magnético. Los controladores TMC2209 ofrecen 256 micropasos, pero se interpolan a partir de 16 niveles de corriente reales. Utilice de 1/8 a 1/16 para la mayoría de las aplicaciones; los valores más altos solo mejoran la suavidad, no la precisión.
El paso del husillo determina el recorrido lineal por revolución del motor. Un tornillo de paso de 2 mm con 3200 micropasos/vuelta proporciona una resolución de 0,625 μm/paso. Según «Precision Machine Design» (Slocum), los husillos esféricos alcanzan una eficiencia del 90 al 98%, frente al 30 al 70% de las roscas ACME. Un paso más alto aumenta la velocidad pero reduce la fuerza de empuje proporcionalmente: un paso de 8 mm se mueve 4 veces más rápido, pero produce una cuarta parte de la fuerza lineal.
Tres factores según las especificaciones del motor NEMA: (1) La contraelectromotriz reduce el voltaje neto y limita la corriente y el par; el par normalmente cae un 50% en 500 RPM; (2) el tiempo de aumento de la corriente del controlador no puede llenar la inductancia de la bobina a velocidades de paso altas; (3) La resonancia mecánica a 100-300 Hz provoca vibraciones. Utilice fuentes de 24 a 48 V en lugar de 12 V para ampliar el rango de velocidad utilizable entre 2 y 4 veces.
Frecuencia (Hz) = (pasos/vuelta × microstep_divisor × RPM)/60. Ejemplo: motor de 200 pasos, micropasos de 1/16, 300 RPM → (200 × 16 × 300)/60 = 16.000 Hz. De acuerdo con las directrices del controlador de movimiento, asegúrate de que el temporizador de la MCU pueda generar esta frecuencia con una fluctuación inferior al 1%. Los temporizadores STM32 admiten un reloj de hasta 168 MHz, lo que permite una temporización escalonada inferior a un microsegundo.
El circuito abierto es adecuado cuando el par de carga se mantiene por debajo del 50% de la curva de par del motor a la velocidad de operación (según las pautas de Trinamic). El circuito cerrado (con retroalimentación del codificador) se recupera de los pasos omitidos y permite operar con una capacidad de par del 80 al 100%. Compensación de costes: el circuito cerrado añade entre 20 y 50 dólares por eje para actualizar el codificador y el controlador. Utilice el circuito cerrado para el mecanizado CNC; el circuito abierto es suficiente para la impresión 3D, donde se pueden recuperar los pasos omitidos de vez en cuando.

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