NEMA 17 Stepper Motor

Qué es

Un NEMA 17 es un motor paso a paso híbrido en un bastidor cuadrado de 42 mm. Es el motor de prácticamente toda impresora 3D de sobremesa, la mayoría de los routers CNC pequeños, las grabadoras láser, los deslizadores de cámara y los plotters de bolígrafo, no porque sea especial, sino porque el tamaño de bastidor dio en un punto dulce y todo el ecosistema de afición se estandarizó en él.

Lo que un motor paso a paso ofrece y un motorreductor de CC no es posición sin realimentación. Dile que avance 3200 micropasos y, si no lo has sobrecargado, ha avanzado 3200 micropasos: sin encoder, sin lazo PID, sin ajustes. Eso es una simplificación realmente grande, y es la razón por la que una impresora 3D puede costar cien libras y aun así colocar la tobera con una décima de milímetro de precisión.

La trampa está en el «si no lo has sobrecargado», y es una trampa brusca, no gradual. Un motor paso a paso al que se le pide más par del que tiene no se frena: resbala y pierde posición de forma permanente, en silencio y a saltos de cuatro pasos completos.

Cómo funciona

Dentro hay un rotor de imán permanente con 50 dientes, y dos bobinas dispuestas de modo que excitarlas en combinaciones distintas orienta el campo magnético en direcciones distintas. El controlador hace girar ese campo; el rotor lo sigue.

La cifra de 1,8° sale directamente del número de dientes: 50 dientes de rotor × 4 posiciones de campo por ciclo magnético = 200 posiciones estables por vuelta, así que 360 ÷ 200 = 1,8°. Cada «motor de 1,8°» que encontrarás tiene esta misma geometría de 50 dientes, que es la razón por la que un paso completo es siempre 90 grados eléctricos con independencia del tamaño o la marca del motor.

El rotor nunca está exactamente donde está el campo: va retrasado por el ángulo de desfase, y el par que produce es proporcional al seno de ese ángulo. Esa única relación es todo el comportamiento de un motor paso a paso, y merece leerse una vez bien porque explica a la vez los pasos perdidos, el microstepping, la resonancia y el dimensionado del motor.

Cómo leer las cifras

Las dos filas que más se leen mal son el par de mantenimiento y la inductancia.

El par de mantenimiento es una medida en reposo. Es real, es lo que evita que el eje salga de posición al estar quieto, y es casi irrelevante para una máquina en movimiento. El par disponible cae conforme sube la velocidad porque el devanado se opone, y la inductancia es lo duro que se opone. Un motor de baja inductancia con la misma corriente nominal alcanzará una velocidad mucho mayor con la misma alimentación, que es la razón por la que los constructores serios leen la inductancia y los aficionados leen el par.

La consecuencia práctica es una línea: más amperios compran par, más voltios compran velocidad. Si una máquina se atasca bajo carga a baja velocidad, sube el límite de corriente. Si solo se atasca cuando aceleras, sube la tensión de alimentación: subir la corriente no servirá, porque más allá de la velocidad de esquina el controlador nunca estaba llegando a la corriente fijada.

Corriente, calor y presupuesto de energía

Un motor paso a paso absorbe su corriente completa siempre que está energizado, se mueva o no. Esto sorprende a quien viene de motores de CC, donde un motor bloqueado pero sin carga absorbe casi nada.

Por motor, con un límite de 1,2 A sobre un devanado de 2,8 Ω y las dos fases energizadas:

P = 2 × I² × R = 2 × 1.2² × 2.8 ≈ 8.1 W

Ocho vatios, de forma continua, por motor, parado. Una máquina de tres ejes con tres NEMA 17 disipa alrededor de 24 W antes de hacer nada. Eso impone tres decisiones:

• Dimensionado de la alimentación. La alimentación de motores debe soporta todos los ejes a la vez. Ojo: eso no es límite de corriente × motores en el lado de la alimentación, porque el troceador es un convertidor reductor, así que a 24 V la corriente de suministro está muy por debajo de la corriente de fase. Haz el cálculo en potencia, no en amperios, y deja margen; mira el presupuesto de energía del robot.
• Calor. 60–80 °C en la carcasa es normal. Monta el motor sobre algo metálico donde puedas.
• Deshabilitación. Poner ENABLE en alto desexcita las bobinas y para el calor, pero el eje queda libre para ser empujado. Bien para X e Y de un plotter entre trabajos; peligroso para un eje Z que sostiene peso, salvo que el husillo sea autoblocante.

Cablearlo a un controlador

Cuatro hilos, dos bobinas. Encuentra los pares con un multímetro en ohmios: un par marca unos pocos ohmios, un desajuste marca circuito abierto. Luego:

El orden dentro de un par solo invierte la dirección, así que si el eje gira al revés puedes intercambiar dos hilos en lugar de editar el firmware. El orden entre pares es el que importa: si te equivocas, el motor zumba y vibra sin girar, porque el campo ya no gira en una secuencia coherente.

Nunca desconectes un motor con el controlador alimentado. Una bobina energizada e interrumpida a mitad del troceo produce un pico de tensión sin sitio al que ir, y ese pico es lo que mata a los controladores.

Algunos motores vienen con seis u ocho hilos: son devanados unipolares o bipolares dobles. Para un controlador bipolar como el A4988, usa los cuatro hilos que forman las dos bobinas completas y aisla las tomas centrales; así sacas más par que cableándolos como unipolares.

Código mínimo funcional

Pulsos en un pin, dirección en otro. No hay ninguna biblioteca aquí y no hace falta ninguna:

const int STEP_PIN = 3, DIR_PIN = 4, EN_PIN = 5;
const float STEPS_PER_MM = 80.0;     // 20T GT2 pulley at 1/16 stepping

void setup() {
  pinMode(STEP_PIN, OUTPUT);
  pinMode(DIR_PIN, OUTPUT);
  pinMode(EN_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(EN_PIN, LOW);          // active low: energise
}

// Blocking, unramped. Fine for a bench test, wrong for a machine.
void moveMillimetres(float mm, unsigned stepDelayUs) {
  digitalWrite(DIR_PIN, mm >= 0 ? HIGH : LOW);
  long steps = lround(fabs(mm) * STEPS_PER_MM);
  for (long i = 0; i < steps; i++) {
    digitalWrite(STEP_PIN, HIGH);
    delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(STEP_PIN, LOW);
    delayMicroseconds(stepDelayUs);
  }
}

void loop() {
  moveMillimetres(50, 300);
  delay(500);
  moveMillimetres(-50, 300);
  delay(500);
}

Eso hará girar un motor en el banco. También es la versión de la que conviene alejarse de inmediato, porque la frecuencia de paso salta de cero a máxima al instante, y por encima de la velocidad de arranque del motor eso produce un zumbido fuerte y ningún movimiento. Para cualquier cosa real, añade un perfil de aceleración o entrégaselo a AccelStepper, y usa el patrón de temporización no bloqueante para que los finales de carrera se sigan leyendo.

Dimensionar uno: un ejemplo trabajado

Elige el motor a partir de la carga, no a partir de un mensaje de foro. La aritmética es corta.

La máquina: un eje X con correa, polea GT2 de 20 dientes (40 mm por vuelta), un carro de 300 g, que llega hasta 200 mm/s con 2000 mm/s² de aceleración.

Paso 1: ¿qué par necesita el movimiento? Convierte el mundo lineal al eje. El radio efectivo de la polea es 40 mm ÷ 2π = 6,37 mm:

accelerating the carriage:  F = m·a = 0.3 kg × 2.0 m/s² = 0.6 N
                            T = F × r = 0.6 × 0.00637 = 0.004 N·m
friction (rails, belt, a dragging cable) ≈ 5 N
                            T = 5 × 0.00637 = 0.032 N·m
rotor's own inertia:        α = a ÷ r = 2.0 ÷ 0.00637 = 314 rad/s²
                            T = J·α = 5.4e-6 × 314 = 0.002 N·m
                                                     ─────────────
                                              total ≈ 0.038 N·m

El resultado merece que te detengas en él: la fricción es ocho veces el par de aceleración. En una máquina ligera la carga es casi enteramente fricción, lo que significa que una guía que atasca te cuesta mucho más margen que un carro más pesado. Mide la fricción antes de comprar un motor mayor.

Paso 2: ¿qué velocidad necesita? 200 mm/s ÷ 40 mm/vuelta × 60 = 300 rpm.

Paso 3: lee la curva de par a esa velocidad, no la cifra de portada. Un motor de 0,44 N·m con un límite de 1,2 A a 24 V sigue plano a 300 rpm, así que hay unos 0,31 N·m disponibles.

Paso 4: comprueba el margen. 0,038 ÷ 0,31 = 12 %. En términos de ángulo de desfase, sin⁻¹(0,12) = 7° de los 90° disponibles. Es un margen muy cómodo, y debería serlo: la cifra que calculas siempre es optimista, porque no incluye el cojinete que se endurece en invierno, la cadena portacables que se engancha, ni la correa que tensaste más de lo que pretendías.

El consejo habitual de «dimensionarlo con la mitad del par disponible» cae en la segunda fila, que es el sitio correcto. Todo lo que pasa de la cuarta fila produce la clase de fallo más frustrante que existe: una máquina que funciona en el banco, funciona en una demo, y falla una vez por hora en uso real.

El mismo eje con un husillo te dice por qué importa el mecanismo. El radio efectivo de un T8 para este propósito es 8 mm ÷ 2π = 1,27 mm, cinco veces menor, así que esos mismos 5 N de fricción son solo 0,0064 N·m en el eje, un margen del 2 %. El intercambio es velocidad: el husillo necesita cinco veces más frecuencia de paso para el mismo recorrido, que es el techo en pasos por milímetro.

Motores de seis y ocho hilos

La mayoría de los NEMA 17 que se venden hoy tienen cuatro hilos y son inequívocamente bipolares. El stock antiguo e industrial suele tener seis u ocho, y los hilos extra son tomas de los devanados:

El caso de seis hilos es el que hay que acertar. Usar la toma central y un extremo —manejarlo como un motor unipolar— excita la mitad de cada devanado y te cuesta alrededor del 30 % del par, sin ningún beneficio con un controlador bipolar. Encuentra los dos extremos de cada devanado (el par con la mayor resistencia entre ellos; la toma central marca más o menos la mitad hacia cada extremo), usa esos y aísla las tomas.

Para motores de ocho hilos, el cableado en serie duplica tanto la inductancia como la resistencia, lo que sube el par a baja velocidad y baja la velocidad de esquina. El paralelo hace lo contrario. La serie es el valor por defecto correcto para una máquina que carga; la paralela es para una que tiene que moverse rápido.

Resolución de problemas

¿NEMA 17 o las alternativas?

El resumen honesto es que un motor paso a paso es la respuesta correcta cuando necesitas posición repetible a lo largo de un eje y puedes garantizar el margen de par. Es la respuesta equivocada para una rueda motriz: las ruedas patinan, el patinaje no tiene límite, y un motor que pierde posición en silencio es lo último que quieres bajo un robot que intenta hacer odometría.

Dónde se usa

Este motor es el actuador detrás del montaje del plotter de bolígrafo, y es la pieza de la que trata toda la hoja de ruta de movimiento de precisión. Puedes ver cómo se comporta —ángulo de desfase, pérdida de pasos, microstepping— sin comprar uno, en el simulador de motores paso a paso.