Motor paso a paso 28BYJ-48: estructura, funcionamiento y secuencias de control
Motor paso a paso 28BYJ-48: estructura, funcionamiento y secuencias de control
Introducción
El motor paso a paso 28BYJ-48 es uno de los motores más utilizados en proyectos educativos y de electrónica debido a su bajo costo, reducido tamaño y facilidad de control.
A diferencia de un motor de corriente continua convencional, en el que normalmente controlamos la velocidad mediante la tensión aplicada y el sentido mediante la polaridad, un motor paso a paso se mueve mediante una secuencia ordenada de activación de sus bobinas.
Esto permite controlar su movimiento en pequeños incrementos, haciendo posible posicionar su eje sin necesidad de utilizar sensores externos en aplicaciones sencillas.
Pero para comprender realmente su funcionamiento resulta interesante observar qué existe dentro del pequeño motor.
Características externas
El modelo utilizado en esta práctica corresponde a un 28BYJ-48 de 5 V. También existen versiones de 12 V que conservan una apariencia exterior muy similar.
La denominación 28BYJ-48 corresponde al modelo del motor, mientras que la indicación 5V DC señala su tensión nominal.
Una característica importante es que el motor dispone de cinco conductores, correspondientes a la conexión de sus dos bobinas con un punto común.
Importante: los colores de los cables no necesariamente son iguales en todos los fabricantes. Por ello, para realizar una conexión real conviene verificar el esquema correspondiente al motor utilizado.
¿Qué encontramos dentro del 28BYJ-48?
Al desmontar el motor podemos identificar tres conjuntos principales:
- Tren de engranajes
- Estator
- Rotor
El desmontaje resulta particularmente interesante porque permite relacionar directamente la construcción mecánica con las secuencias eléctricas que utilizaremos posteriormente para hacerlo girar.
El rotor: un imán permanente
El rotor del 28BYJ-48 es un imán permanente.
Al observarlo con mayor detalle se puede comprobar que presenta varios pares de polos magnéticos distribuidos alrededor de su eje. En el material estudiado se identificaron 8 pares de polos norte-sur alternados.
Esto es fundamental para comprender el funcionamiento del motor.
Cuando una corriente circula por una bobina del estator, las piezas metálicas próximas al rotor se magnetizan. El campo magnético generado atrae y orienta al rotor hacia una determinada posición.
Por tanto:
corriente eléctrica → campo magnético → alineación del rotor → movimiento
El estator y sus polos
El estator está formado por varias piezas metálicas asociadas a las bobinas. Cada conjunto posee una serie de pequeñas prolongaciones o dientes/polos orientados hacia el rotor.
El material analizado muestra que existen 8 polos por capa, distribuidos alrededor del rotor.
La disposición geométrica de estos polos es especialmente importante. Los diferentes conjuntos se encuentran ligeramente desplazados angularmente entre sí.
Esta diferencia de posición es precisamente la que permite que, al cambiar la bobina energizada, la posición de equilibrio del rotor también cambie.
Las dos bobinas y los cinco cables
El 28BYJ-48 posee dos bobinas, pero dispone de cinco cables porque las bobinas tienen un punto común.
De forma simplificada podemos representarlo así:
Bobina 1 Cable ───────/\/\/\/─────┐ │ ├──── Cable común │ Cable ───────/\/\/\/─────┘ Bobina 1
De manera más precisa, cada bobina está formada por dos mitades eléctricas respecto al punto común.
Esto permite seleccionar diferentes sentidos del flujo magnético mediante la activación de los extremos correspondientes.
Por esta razón, el 28BYJ-48 se clasifica normalmente como un motor paso a paso unipolar.
¿Cómo se produce el movimiento?
Supongamos que activamos una de las bobinas.
La corriente produce un campo magnético en los polos del estator. El rotor, que es un imán permanente, intenta colocarse en una posición de equilibrio determinada.
Cuando desactivamos esa bobina y activamos otra, el campo magnético cambia de posición.
El rotor, nuevamente, busca alinearse con el nuevo campo.
Si repetimos este proceso en el orden adecuado:
Bobina A → Bobina B → Bobina C → Bobina D → ...
el rotor continúa desplazándose.
Por lo tanto, un motor paso a paso no gira porque exista simplemente una tensión aplicada a sus bobinas. Gira porque las bobinas son excitadas siguiendo una secuencia determinada.
El tren de engranajes
Aquí encontramos una de las características más interesantes del 28BYJ-48.
El rotor interno gira muchas veces más rápido que el eje que podemos observar externamente.
Esto se consigue mediante un tren de engranajes reductor.
El material utilizado para este análisis encontró una relación aproximada de:
1 : 64
Es decir, aproximadamente 64 vueltas del rotor corresponden a una vuelta del eje de salida.
Esta reducción tiene dos consecuencias importantes:
- disminuye considerablemente la velocidad del eje de salida;
- aumenta el par disponible en dicho eje.
Por supuesto, la relación exacta puede variar entre fabricantes y versiones del motor.
¿Cuántos pasos necesita para dar una vuelta?
Aquí conviene diferenciar entre el rotor interno y el eje de salida.
En las pruebas realizadas, el rotor necesitó:
32 pasos para completar una vuelta
cuando se utilizó excitación de una sola bobina o de dos bobinas.
Si consideramos una relación de reducción aproximada de 64:1:
32 × 64 = 2048 pasos
Por tanto, obtenemos aproximadamente:
2048 pasos por vuelta del eje de salida
en modo de paso completo.
Esta es la razón por la que frecuentemente encontramos el valor de 2048 pasos/vuelta asociado al 28BYJ-48.
Sin embargo, no debemos olvidar que este valor depende de la relación de engranajes y del modo de excitación utilizado.
Excitación de una sola bobina: Wave Drive
En este método solamente se mantiene activa una bobina o fase a la vez.
Una secuencia simplificada puede representarse como:
| Paso | Bobina A | Bobina B | Bobina C | Bobina D |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 3 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 4 | 0 | 0 | 0 | 1 |
Después de la cuarta posición, la secuencia vuelve a comenzar.
La principal ventaja de esta configuración es su menor consumo de corriente, ya que solamente una bobina permanece energizada.
La desventaja es que el par disponible es menor que cuando se mantienen activadas dos bobinas simultáneamente.
Excitación de dos bobinas: Full Step
En este caso se mantienen activadas dos bobinas simultáneamente.
Una secuencia típica puede representarse como:
| Paso | A | B | C | D |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 2 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 3 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 4 | 1 | 0 | 0 | 1 |
Al activar dos bobinas, el rotor se posiciona aproximadamente entre los polos correspondientes.
Una observación experimental muy interesante es que la corriente aumenta prácticamente al doble cuando se activan dos bobinas.
En las pruebas del material:
- una bobina: aproximadamente 0,14 A
- dos bobinas: aproximadamente 0,27 A
Por tanto, debemos entender que conseguir mayor par implica también un mayor consumo de corriente y mayor calentamiento.
Medio paso: Half Step
Existe una tercera posibilidad que combina los dos métodos anteriores.
Se alternan estados de:
- una bobina activada;
- dos bobinas activadas.
Por ejemplo:
| Paso | A | B | C | D |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 3 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 4 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 5 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 6 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 7 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 8 | 1 | 0 | 0 | 1 |
La principal ventaja es que se duplica la cantidad de posiciones utilizadas para completar una vuelta.
En las pruebas realizadas se observaron:
- 32 pasos por vuelta del rotor en paso completo;
- 64 pasos por vuelta del rotor en medio paso.
Por lo tanto, considerando nuevamente una reducción aproximada de 1:64, podemos obtener aproximadamente:
- 2048 pasos/vuelta en paso completo;
- 4096 pasos/vuelta en medio paso.
El material experimental confirmó precisamente las 64 posiciones del rotor en medio paso.
Comparación de los tres modos
| Característica | Wave Drive | Full Step | Half Step |
|---|---|---|---|
| Bobinas activas | 1 | 2 | 1 y 2 alternadamente |
| Consumo | Bajo | Alto | Variable |
| Par | Menor | Mayor | Intermedio/alto |
| Pasos del rotor/vuelta | 32 | 32 | 64 |
| Resolución del eje* | ≈2048 | ≈2048 | ≈4096 |
*Considerando una relación de reducción aproximada de 1:64.
Esta tabla permite entender algo importante: aumentar la resolución no significa necesariamente aumentar la velocidad o la potencia del motor. Estamos cambiando principalmente la forma en que excitamos eléctricamente las bobinas y, por tanto, la cantidad de posiciones intermedias que podemos generar.
Control mediante un microcontrolador
Aunque podríamos construir toda la lógica de excitación utilizando compuertas, contadores y circuitos secuenciales, un microcontrolador permite generar las secuencias de manera mucho más sencilla.
Sin embargo, el microcontrolador no debe alimentar directamente las bobinas del motor.
Se necesita una etapa de potencia.
Un circuito muy utilizado para este propósito es el ULN2003, que contiene varias etapas Darlington capaces de manejar las corrientes de las bobinas.
Una configuración básica sería:
MICROCONTROLADOR ┌───────────────┐ │ │ │ D1 ──────────────── IN1 │ D2 ──────────────── IN2 │ D3 ──────────────── IN3 │ D4 ──────────────── IN4 └───────────────┘ │ ┌────┴────┐ │ ULN2003 │ └────┬────┘ │ 28BYJ-48
En este caso, el microcontrolador solamente determina qué bobina debe activarse, mientras que el ULN2003 proporciona la capacidad de corriente necesaria.
Una práctica sencilla: controlar el motor con un pulsador
Una práctica particularmente interesante consiste en utilizar un pulsador para avanzar un paso cada vez.
Por ejemplo:
Pulsador ↓ Microcontrolador ↓ Secuencia de excitación ↓ ULN2003 ↓ 28BYJ-48
Cada vez que se presiona el pulsador, el programa avanza al siguiente estado de la secuencia.
Esto permite observar físicamente la relación entre:
entrada → estado → bobinas → posición del rotor
y constituye una excelente introducción al concepto de máquina de estados finitos.
Una observación experimental importante
Durante las pruebas también se comprobó que el motor se calienta cuando permanece energizado.
Esto es completamente comprensible: las bobinas consumen corriente incluso cuando el rotor permanece detenido en una posición.
Además, cuando se mantienen activadas dos bobinas simultáneamente, el consumo aumenta y el rotor presenta una mayor resistencia frente a cambios de posición.
Esto nos permite establecer una relación muy importante:
Mayor corriente → mayor campo magnético → mayor capacidad de mantener el rotor → mayor consumo y calentamiento
Por ello, en una aplicación real no debemos dejar las bobinas energizadas innecesariamente durante largos períodos.
¿Qué hemos aprendido?
El 28BYJ-48 es mucho más interesante de lo que parece a primera vista.
Al desmontarlo podemos observar cómo se relacionan directamente tres áreas de la electrónica:
Electricidad → Magnetismo → Mecánica
Las bobinas convierten la corriente eléctrica en campos magnéticos. Estos campos interactúan con el rotor de imán permanente y producen posiciones de equilibrio. Finalmente, el tren de engranajes reduce la velocidad y aumenta el par disponible en el eje de salida.
Y desde el punto de vista del control:
secuencia eléctrica → posición del rotor → movimiento mecánico
Esta es precisamente la esencia de un motor paso a paso.
Actividad propuesta
Para comprender experimentalmente su funcionamiento se propone:
- Identificar los cinco conductores del 28BYJ-48.
- Conectar el motor a un ULN2003.
- Implementar una secuencia Wave Drive.
- Hacer que cada pulsación de un botón produzca un paso.
- Repetir la experiencia utilizando Full Step.
- Finalmente implementar Half Step.
-
Comparar:
- número de pasos;
- sentido de giro;
- consumo de corriente;
- calentamiento;
- comportamiento del motor.
Como extensión, puede modificarse el programa para incorporar un interruptor de sentido de giro, de manera que una misma secuencia pueda recorrerse en ambos sentidos.
Conclusión
El 28BYJ-48 constituye un excelente recurso didáctico porque permite estudiar simultáneamente motores eléctricos, electromagnetismo, circuitos secuenciales, máquinas de estados y sistemas de control.
Su funcionamiento puede parecer complejo cuando solamente observamos sus cinco cables, pero al analizar su interior resulta mucho más intuitivo: dos bobinas generan campos magnéticos que van desplazando la posición de equilibrio de un rotor de imán permanente, mientras un tren de engranajes transforma el movimiento rápido del rotor en un movimiento lento y con mayor par en el eje de salida.
En la siguiente etapa, este principio puede llevarse directamente al diseño de un secuenciador digital con flip-flops y compuertas, sustituyendo al microcontrolador y permitiendo observar cómo un circuito lógico puede controlar directamente una máquina eléctrica.
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