Motores NEMA. Problemas más frecuentes

Uno de los componentes básicos en cualquier impresora 3D FFF son los motores. Son los responsables de realizar los movimientos necesarios para posicionar el cabezal de impresión, así como de traccionar el filamento en el extrusor.

Los motores empleados son los de tipo paso a paso, siendo los más habituales los tipo NEMA 17 y NEMA 23.

Imagen 1: Tipos de motores NEMA. Fuente: motioncontrolproducts.com

Los motores paso a paso de buena calidad presentan una muy alta fiabilidad, por lo que la causa principal del fallo de un motor suele ser externa, en general relacionada con el driver de potencia o la conexión.

Motores paso a paso

Los motores paso a paso son un tipo de motor de giro continuo. El giro se produce en saltos discretos de un ángulo determinado. Se trata de un motor a medio camino entre un un motor DC estándar y un servomotor. Al igual que los motores DC, permiten múltiples giros de 360 º, a la vez que permiten un posicionamiento angular preciso, como los servomotores.

Los más empleados en impresoras 3D son los motores paso a paso híbridos bipolares, en general en formato NEMA17 o NEMA23. Los motores híbridos combinan la capacidad de producir pequeños pasos de los motores VR con la capacidad de soportar grandes inercias de los motores de imán permanente. Por otro lado, los motores bipolares aportan un mayor torque y anclaje que los unipolares a la vez que presentan un menor peso y tamaño, sin embargo requieren controladores de potencia específicos.

A la hora de seleccionar un motor paso a paso debemos conocer sus principales características:

• Paso: Es el ángulo mínimo que puede girar el motor de manera directa (sin hacer uso de controladores de micropasos). Habitualmente podemos encontrar motores con pasos de 1.8 º o de 0.9 º. En general, un paso menor implica una mayor precisión, pero también una menor velocidad máxima de giro.
• Corriente de trabajo: Es el valor máximo de corriente al que debemos alimentar el motor para que funcione de manera adecuada. Cuanta mayor corriente apliquemos al motor, mayor par conseguiremos y por tanto podrá soportar mayores inercias sin perder pasos, sin embargo también se producirá un mayor calentamiento y desgaste. Usar corrientes superiores a las especificadas por el fabricante provocarán el deterioro y avería del motor.
• Voltaje por fase: Es el voltaje que requiere cada una de las bobinas para funcionar correctamente.
• Resistencia de fase: Es la resistencia eléctrica que proporciona cada una de las bobinas.
• Inductancia de fase: Es el valor de inductancia máxima generada por cada una de las bobinas cuando se activan.
• Precisión de posicionamiento: Es la desviación máxima que se puede producir durante un movimiento de giro. En general, un menor valor representa mayor precisión.
• Temperatura máxima de trabajo: Es la temperatura máxima de funcionamiento que puede soportar el motor. Superar esta temperatura durante tiempos prolongados resultará en un fallo del motor.
• Inercia del rotor: Es la inercia que proporciona el rotor en vacío debido a su propio peso. La inercia soportada por el motor será la suma de esta más la de los elementos acoplados al motor.
• Par o Torque de retención: Es el par máximo que puede soportar el motor cuando las fases están inactivas (sin corriente), sin provocar el giro del eje.
• Par o torque de anclaje: Es el par máximo que puede soportar el motor cuando está parado y las fases están activas (con corriente), sin provocar el giro del eje. El valor se considera para un motor alimentado con la máxima corriente.
• Par o torque de arranque: Es el par necesario para vencer la inercia del rotor y que este comience a girar.
• Par o torque de giro: Es el par máximo que puede soportar el motor cuando está girando sin provocar pérdida de pasos. El valor se considera para un motor alimentado con la máxima corriente.

Si buscamos un motor que nos permita usar altas velocidades y soportar grandes inercias durante el movimiento, por ejemplo en el caso de los ejes XY, deberemos escoger un motor con pasos de 1.8 º y con un par de giro alto.

El motor del eje Z, no requerirá de grandes velocidades de trabajo, por lo que un motor de 0.9 º proporcionará movimientos más suaves. En este caso se deberá optar por un motor con el máximo par de retención y de anclaje para soportar el peso de la plataforma o del pórtico (según el diseño de la impresora).

Conexión de motores paso a paso bipolares

A la hora de conectar correctamente los motores paso a paso, es de gran utilidad disponer de la hoja de especificaciones del fabricante, ya que la posición de los cables varía de un modelo a otro.

Habitualmente, un motor paso a paso bipolar dispondrá de 4 conexiones compuestas por dos circuitos de alimentación independientes. Cada circuito consta de un polo positivo y uno negativo que alimentan cada una de las bobinas del motor.

Lo primero que se debe conocer es la posición de estas cuatro conexiones en nuestra placa de control de la impresora. Podemos encontrar dos tipos de nomenclatura en las placas de control. La primera es 1A 1B 2A 2B, donde cada número presenta un circuito y las letras A y B los polos. La segunda es A A^- B B^- donde cada letra representa un circuito y el acento el polo negativo.

Una vez que se han determinado las conexiones en la placa, se debe hacer lo mismo con los motores.

Imagen 2. Ejemplo de conexiones en una hoja de especificaciones de un motor NEMA17. Fuente: Bondtech

Si se dispone de hoja de especificaciones, se deberá consultar el orden de los cables en el conector. En este caso, lo más habitual es encontrar la nomenclatura A A^- B B^-.

En el caso de que la placa y el motor empleen la misma nomenclatura, la conexión es tan sencilla como emparejar cada terminal. En el caso de que empleen distinta nomenclatura, se deberán emparejar de la siguiente forma:

• 1A - A
• 1B - A^- 
• 2A - B
• 2B - B^-

Si no se dispone de hoja de datos del motor, se deberá determinar cual es cada par de conexiones de cada bobina. Para ello se medirá la resistencia en todas las combinaciones posibles de pares de pines del conector. Cuando la resistencia no sea infinita, se habrá localizado el primer par. Las combinaciones más usadas en los fabricantes de motores son 1-3 4-6 o 1-4 3-6, por lo que se deberá empezar probando estas dos combinaciones.

Una vez localizadas, se conectará cada fase con cada una de las bobinas. Es importante que las dos fases se conecten a las bobinas en la misma polaridad, por lo que si las hemos colocado en fase invertida, al enviar corriente al motor no se moverá y emitirá un ruido. En este caso se deberá invertir la polaridad de una de las bobinas.

Es muy importante mantener ambas fases separadas, por lo que se debe comprobar frecuentemente el estado de los conectores. Un mal contacto o un puente entre fases provocará que el motor deje de funcionar.

Configurar la corriente de los motores

Los motores paso a paso se alimentan a través de unos controladores o drivers específicos. Podemos encontrar múltiples modelos en el mercado. Los de mayor calidad proporcionarán generalmente una mayor durabilidad y un funcionamiento más silencioso.

Dentro de los modelos disponibles, existen dos métodos de ajustar la corriente que envían a los motores:

• Mediante un tornillo de ajuste. En general los drivers de menor calidad o más económicos permiten ajustar la corriente de salida mediante un potenciómetro en forma de tornillo. En este caso es necesario emplear un multímetro y un destornillador cerámico de precisión para realizar el ajuste. En este caso se puede realizar el ajuste de dos formas:
• Mediante Corriente: Con la impresora encendida y los motores conectados, se medirá la corriente en una de las fases y se ajustará hasta el valor adecuado. Se trata de un método no recomendado, especialmente la primera vez que se conecta un nuevo driver, ya que se alimentan inicialmente los motores sin conocer si la corriente de salida es superior a la admitida por el motor.
• Mediante voltaje de referencia: Se trata de un método algo más complejo, pero más recomendable. En primer lugar debemos determinar el voltaje de referencia requerido mediante la fórmula:

$Vref\; =\; I$_max · 8 · Rs

Donde I_max es la corriente máxima a la que alimentaremos el motor (generalmente como máximo el 90 % de la máxima especificada por el fabricante) y Rs la resistencia de detección del driver.

Para ajustarlo en el driver simplemente deberemos alimentar el driver, medir el voltaje entre el pin Vref (generalmente el propio potenciómetro) y un pin de tierra (generalmente el de la fuente de alimentación) y ajustar el valor adecuado mediante el potenciómetro.

• Mediante firmware: Muchos drivers actuales no cuentan con potenciómetro de ajuste y permiten configurar la corriente de salida directamente mediante firmware. Para ello simplemente configuraremos el valor de corriente adecuado en la sección de motores del firmware.

A la hora de seleccionar la corriente de salida de los drivers, no es recomendable emplear la máxima determinada por el fabricante. Con el fin de prolongar la vida útil de los motores no se deberá sobrepasar el 90% del valor máximo del fabricante, siendo la óptima la mínima corriente necesaria para generar un par suficiente para soportar las inercias.
Una mayor corriente, además de un mayor par, supone también un mayor calentamiento, mayor ruido del motor y un mayor desgaste.

Velocidad máxima de un motor paso a paso

Los motores paso a paso avanzan mediante pulsos, por lo que la máxima velocidad del motor dependerá de la máxima frecuencia de señal que la placa de control sea capaz de enviar. Además, se debe tener en cuenta que habitualmente varios motores trabajan simultáneamente por lo que la frecuencia para cada uno disminuirá.

Por ejemplo, si la placa de control trabaja a 100000 Hz y trabajan simultáneamente 4 motores (X,Y,Z y extrusor) cada motor estará controlado a 25000 Hz, o lo que es lo mismo 25000 pulsos por segundo. Esto implica que un motor de 1.9 º sin microstepping podrá girar como máximo 125 rps. En un sistema de transmisión por correa GT2 de 8 dientes (el más habitual) esto se traduce en una velocidad máxima lineal teórica de 3600 mm/s.

En el caso de utilizar microstepping, la velocidad máxima se reduciría proporcionalmente, por lo que si se utilizan 16 micropasos, la velocidad máxima pasaría a ser 225 mm/s, pero si se utilizan 256 micropasos se reduciría a tan sólo 14 mm/s.

Es muy importante conocer la frecuencia de trabajo de la placa de control, ya que la combinación de una frecuencia baja de salida con una configuración alta de micropasos puede hacer que la velocidad máxima admisible sea inferior a la de impresión, por lo que se produciría una pérdida importante de pasos.

Ajuste adecuado de los pasos por mm

Cuando se transmite la señal de movimiento al motor, esta se envía como un giro, sin embargo los movimientos incluidos en los archivos de impresión son lineales. Es por esto que la impresora debe ser capaz de traducir el movimiento angular en uno lineal.

El movimiento se transmite generalmente mediante poleas dentadas y correas, por lo que depende del diámetro de las poleas la conversión pasos/mm. Para calcularlo simplemente se deberá aplicar la siguiente fórmula:

pasos/mm = (360/P) · MS
                    2 · π · R_polea

Donde P es el paso del motor, MS los micropasos configurados (1 en caso de no usar microstepping) y R_polea el radio de la polea usada.

En el caso de movimientos transmitidos por tornillo, será el paso del tornillo el que defina el avance. Para ello simplemente se aplicará la siguiente fórmula:

pasos/mm = (360/P) · MS
                    A

Donde P es el paso del motor, MS los micropasos configurados (1 en caso de no usar microstepping) y A el paso de la rosca del tornillo.

Existen también múltiples calculadoras que facilitan obtener estos valores, como la ofrecida por Prusa Printers.

Una vez obtenidos estos valores, y aunque en teoría son correctos, es recomendable hacer una calibración precisa para compensar posibles defectos de fabricación o montaje.

Para ello se deberá imprimir un cubo de dimensiones conocidas (por ejemplo 50 x 50 x 50 mm) y medir las dimensiones reales. Una vez hecho esto, se aplicará la siguiente fórmula:

pasos/mm = D_teórica · P_actual
                    D_real

dónde D_teórica es la medida teórica que debería tener la pieza, P_actual la configuración actual de P/mm y D_real el valor de medida obtenido de la pieza impresa.
Al introducir el nuevo valor de pasos/mm, se deberían obtener piezas con dimensiones adecuadas.

Consideraciones a tener en cuenta

• Pérdida de pasos: Una pérdida de pasos se produce habitualmente por un par excesivo en el motor. Grandes aceleraciones o velocidades de cambio de dirección altas provocarán inercias que el par del motor no pueda compensar, provocando una pérdida de pasos. De igual forma, la combinación de frecuencias de señal bajas y configuraciones elevadas de micropasos, reducirán drásticamente la velocidad máxima del motor. Si la velocidad de impresión supera a esta, se producirá también una pérdida de pasos. En cualquier caso, la pérdida de pasos en una impresora con sistema de lazo abierto provocará la pérdida de posición.
• Temperatura: Una configuración de corriente alta provocará un calentamiento en el motor. Si el motor se encuentra dentro de una estructura cerrada o calefactada que no permita disipar correctamente el calor, puede llegar a superarse la temperatura de trabajo, provocando la desmagnetización de los imanes y un mal funcionamiento o avería del motor. En impresoras cerradas es recomendable situar los motores fuera de la cámara o en caso de que no sea posible, reducir la corriente al mínimo necesario.
• Histéresis: Es un fenómeno intrínseco de los motores. Puede provocar un pequeño error de posición al final de un movimiento. Usar motores de calidad reducirá este error.
• Resonancia: Todos los motores tienen una frecuencia natural. Si la frecuencia de pulsos enviada al motor es similar a la natural, se producirá un efecto de resonancia. Esto provocará mayores vibraciones, ruido y desgaste.
• Configuración de pasos: Una configuración inadecuada de pasos/mm provocará un error de posicionamiento, lo que se reflejará en errores dimensionales en las piezas.
• Conexión: Mezclar o puentear las fases provocará que el motor no gire o lo haga de forma errática. Colocar una fase con la polaridad invertida respecto a la otra hará que el motor no gire. Invertir la polaridad de ambas fases, cuando están conectadas correctamente, producirá que el motor gire en sentido contrario.

En esta guía se tratan los conceptos de forma general y sin enfocarse en una marca o modelo concreto, aunque se puedan mencionar en algún momento. Pueden existir diferencias importantes en los procedimientos de calibración o ajuste entre diferentes marcas y modelos, por lo que se recomienda consultar el manual del fabricante antes de leer esta guía.