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Julián González Ramírez
Electiva tecnológica
MOTORES PASO A PASO
Los motores paso a paso son dispositivos que convierten señales digitales en movimientos
incrementales de exactitud conocida. Al contrario de los motores AC y DC convencionales, que
operan a partir de voltajes de entrada aplicados co ntinuamente y producen usualmente un
movimiento rotatorio continuo, los motores paso a paso (step to step ) se mueven en paso
discretos. Puesto que la marcha a paso (s tepping) ocurre en estricta concorda ncia con los
comandos digitales de entrada proporcionados, la posición final del eje es siempre predecible.
Los motores de paso pueden ser de reluctancia variable, de imán permanente o hibrido, cada uno
con sus propias características constructivas y funcionales.
LOS MOTORES PASO A PASO DE RELUCTANCIA VARIABLE
Son los más económicos. Se caracterizan por poseer un estator devanado y un roto de hierro
dulce de múltiples polos. El ángulo de paso, por el nú mero de dientes de estator y el rotor, vario
típicamente desde 5° hasta 15°. Este tipo de motores tiene una baja inercia de carga.
LOS MOTORES PASO A PASO DE IMAN PERMANENTE
Tienen ángulos de paso entre 5 ° y 90° .Son más costosos que los de reluctancia variable y
operan épicamente a ratas entre 100 pps (pasos/segundos) y 350 pps. Los mismos emplean
usualmente un estator devanado con un rotor de imán permanent e y proporcionan un bajo torque.
La precisión del paso es mayor de  10° .Algunos utilizan un rotor de disco plano, localizado entre
dos núcleos electromagnético en forma de C, para disminuir su inercia y permitir la operación en
alta velocidad.
LOS MOTORES PASO A PASO HIBRIDOS
Combinan en una sola unidad las características de los motores de imán permanente y de
reluctancia variable. En los mismos, el es tator es devanado y tanto este último como el rotor son
dentados. En la figura siguiente se muestra la sección transversal de un motor de este tipo.
Sección Transversal De Un Motor Paso A Paso Hibrido
El rotor está compuesto de uno o mas elementos llamados pilas o stacks, cada una provista de
laminaciones cóncavas y convexas, unidad entre si, que constituyen una estructura en forma de
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copa. En el espacio vació entre cada par de copas, se inserta un imán permanente. Las pilas del
rotor están aseguradas a un eje de acero inoxidable.
Este tipo de motores tienen capacidades de torque entre 50 y 2000 ozin (onzas por pulgadas) o
mas, ángulos de paso desde 0.5 ° hasta 15°, precisiones de paso del orden de  3% y pueden
operar con velocidades superiores a los 1000 pps. La mayoría son de cuatro fases, es decir
utilizan cuatro juegos de devanados que forman cuatro polos. Además, puesto que el ángulo de
paso esta definido por la geometría de los dientes, la posición del eje es siempre conocido y
pueden ser operados confiablemente en lazo abierto. Sin embargo , tienden a oscilar al detenerse
y su capacidad de manejar cargas inerciales muy altas es limitada.
IMPORTANCIA DEL MOTOR PASO A PASO
Tradicionalmente, los motores de corriente continua han sido utili zados cuando se desea un
control preciso de la velocidad, o posición de una pieza mecánica.
Para llevar esto a cabo, es necesario que los motores estén dotados de un sistema de control de
velocidad, o de posicionamiento, denominado de lazo cerrado , en razón a que el control debe
monitorear permanentemente la velocidad del motor, o su posición. Esta información se emplea
para hacer correcciones a la alimentación eléctrica del mismo, con el fin de variar su velocidad o
posición, ajustándola así a los requer imientos exigidos.
Esto necesariamente exige un sistema de control eléctrico, en ocasiones muy sofisticado, además
de un dispositivo que puede sensar la posición o la velocidad de la carga conectada al motor. El
motor paso a paso resuelve el problema del control y del sensor de manera adecuada y sencilla.
Por su forma de operación, su desplazamiento se realiza en pequeños pasos de tamaño fijo, en
donde el motor gira un ángulo, que puede ser, por ejemplo 15°, cada vez que un sencillo sistema
de control asociado a el recibe un pulso de tamaño y forma adecuado.
Como en una vuelta completa hay 360°, se sabe entonces que si se envían, por ejemplo, 24
pulsos al motor, este procederá a rotar un total de 24  15°=360°, es decir, a dar una vuel ta
completa.
Por lo tanto, si se sabe cuantos pulsos se han envido al motor, se sabrá exactamente cual es su
posición, siempre y cuando la carga mecánica que se le conecta no exceda su capacidad,
impidiéndole que gire libremente forzándolo a perder pasos de su recorrido.
Por esto, a este tipo de motor se le denomina en ocasiones motor digital, pues es ideal para ser
utilizado en dispositivos electrónicos digitales, operando bajo control de una computadora, un
microprocesador, o cualquier otro tipo de circ uitos digitales que requieren de un movimiento
precisamente controlado sin necesidad de complicados sistemas de control de lazo cerrado.
Algunos ángulos típicos de giro son 1,8°, 3,6°,7.5° y 5°,con voltajes de operación entre 1,3Vy 24
V. se disponen también de voltaje intermedios, como por ejemplo 12V.
FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR PASO A PASO
Lo primero que se nota cuando tiene un motor paso a paso en la mano, es que tiene mas de dos
alambres que salen de el, y que cuando se le gira manualmente, se le exper imenta un movimiento
discontinuo, como a golpecitos.
Pronto entenderemos el porque de esto.
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En su forma más sencilla, puede decirse que un motor paso a paso esta construido como se
muestra en la figura siguiente. El rotor es un simple imán de barra pivota do en su centro para que
pueda girar. Los enrollados de alambre son bobinas que al hallarse devanadas sobre núcleo de
hierro, se constituyen en electroimanes, cada uno de diferente polaridad según el sentido en que
se haya enrollado el alambre sobre el núc leo, y dependiendo del sentido en que fluya la corriente
en ellos. Hay que notar también que, como electroimanes que son, de manera similar a los
imanes normales, presentaran dos polos. Norte y sur, dependiendo del sentido del enrollamiento y
de la dirección en que los recorre la corriente.
Si se aplica ahora un voltaje tal que el polo (núcleo con bobina) A ser sur en su extremo inferior y
el polo B sea Norte, en su extremo superior el imán de barra se alinearan como se mue stra en la
figura siguiente. Recuerde que en magnetismo, los polos opuestos se atraen y los iguales se
repelen.
El rotor se alinea con el campo magnético creado por los polos AyB
Como se ve, no solamente el rotor se alinea como se muestra, sino que permanecerá en esta
posición mientras se continúe aplicando voltaje a las bobinas de los polos A y B. esta situación se
mantendrá a menos que se le aplique una fuerza al rotor, tan grande, que sea capaz de moverlo
en contra de la atracción de los dos electroimanes con los que se encuen tran alineado.
Para conseguir que el rotor gire, desenergizamos las bobinas de los polos A y B y aplicamos ahora
voltajes a las bobinas de los polos D y C, con una polaridad de voltaje tal que el polo C se vuelva a
sur y el polo D se vuelva norte.
Esto hará que el rotor busque alinearse, como se muestra en la figura siguiente, produciendo
entonces un giro igual a un cuarto de vuelta, o de 90°.
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El rotor se alinea con el campo magnético creado por los polos C y D
Este, no esta por demás decir, es un movim iento muy grande y brusco, pero al menos ya gira y
mantendrá un nueva posición aún en contra de fuerzas razonablemente grandes aplicadas al
rotor. Esto será posible siempre y cuando el voltaje sea suficiente para promover un flujo de
corriente de magnitud tal que la fuerza magnética a que ella de origen contrarreste la fuerza
mecánica aplicada al rotor. Para conseguir que el rotor gire de nuevo en la misma dirección, se
retira el voltaje aplicado a las bobinas D y C, y se le aplica de nuevo a las bobinas A y B, pero esta
vez, con la polaridad invertida para que los polos norte y sur aparezcan como se observa en la
siguiente figura, y originen el deseado alineamiento del rotor, consiguiéndose así un nuevo giro de
90°.
El rotor se alinea otra vez con los p olos A y B pero en sentido contrario. Su polo norte
queda hacia abajo
Para lograr un nuevo movimiento, se retira el voltaje de la segunda bobina y se le aplique a la
primera, de nuevo invirtiendo la polaridad con respecto a la primera vez que se le aplicó a esta
bobina, y así sucesivamente.
Para invertir el sentido de girar, se le quita el voltaje a la segunda bobina se le reaplica a la
primera pero con la polaridad invertida. Toda la secuencia se repite como la anterior, pero
invirtiendo las polaridades e n cada caso.
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Es preciso tener la precaución de no exceder la carga mecánica que el motor deba girar, porque
pueda presentar la tendencia a que el rotor astil sin conseguir girar, perdiéndose así la información
de posición verdadera del rotor.
Se pude variar la velocidad de giro del rotor, por simple variación de la velocidad a la cual se lleva
a cabo la secuencia de energizaciones y desenergizaciones de las bobinas.
Sin embargo, siempre existirá una cierta cantidad de inercia debido a la carga aplicada y a la masa
del rotor. Esta debe ser vencida para que el motor acelere, por lo que debe tenerse cuidado de no
exceder los limites de aceleración específicamente por el fabricante, evitando así el riesgo de que
el motor se <<fatigue>>y pierda pasos.
Motores de medio paso
La secuencia se energización anterior produjo un motor de cuatro pasos por revolución. Es posible
hacer que el motor solo recorra el equivalente a medio paso por energización, donde así un giro
de 45° por cada disposición de voltajes en las bob inas. Para ellos sólo se necesita que en la
secuencia las dos bobinas estén energizadas simultáneamente. Esto da origen a fuerza magnética
inclinadas (no directamente vertical y horizontales como en el caso anterior, sino formando
ángulos de 45°), como se ilustra en la figura siguiente.
Secuencia de polaridades de polos para que el rotor gire medio paso cada vez
Reduciendo el tamaño del paso
Dado que 45° es todavía un ángulo de gire demasiado grande,¿cómo se consiguen ángulos tan
pequeños como 1,7°.
En la figura siguiente se ilustra cómo, en los motores de verdad, el estator (o sea los electrones)
consta de más polos, y a su vez el rotor consta, en este caso, de 3 imanes, lo que permite giros
mucho más pequeños. No obstante, el principio de funcionamiento continúa igual.
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Configuración de polos y de rotor para un motor real
El control del motor
De la discusión anterior, podría pensarse que lograr que uno de estos motores gire requiere de
complicados malabares electrónicos para llegarle con la polaridad y en la secuencia correcta de
voltaje a las diferentes bobinas que le constituyan.
Sin embargo, existen en el comercio una gran variedad de circuitos integrados que se encargan de
generar la secuencia de voltajes necesaria, y que sólo requiere por parte d el usuario un tren de
pulsos, uno por cada incremento de giro, y un nivel lógico de uno o de cero con el cual se
especifica en que dirección se quiere el giro motor.
Una característica técnica importante en este tipo de motores es el número de paso con qu e
puede responder para dar un giro completo. Esta característica viene dada en el “ángulo de paso”
que generalmente varía entre 0.9 y 90°.
Si por ejemplo se tiene un motor con un ángulo de paso de 1.8 (es bastante común) este
necesitará 200 pasos para dar un giro completo (360/1.8), un motor de 7.5 grados necesitará de
48 pasos.
Se debe intentar transmitir una secuencia particular de impulsos que posibiliten habilitar de la
mejor manera su ángulo de paso para obtener una resolución superior, entre menos sea el ángulo
de paso mayor será la precisión del motor.
Existe una restricción, el número de pulsos por segundo que puede aceptar un motor paso a paso
es imitador. Este valor (rata de pulso) puede variar entre 200 a 300 impulsos por segundo hasta
1000. Entre mayor sea la rata de los pulsos mayor será la velocidad del motor.
No es posible poner a marchar un motor PAP a su máxima velocidad instantáneamente. Requiere
de cierto periodo de tiempo para llegar a su punto de máxima velocidad.
Para controlar un motor PAP se debe implementar la aceleración adecuada. Para regular la
velocidad el motor debe ser gradualmente acelerado y para parlo debe ser gradualmente
desacelerado (teniendo en cuenta la inercia del sistema), por este motivo se habla del perfil
trapezoidal, figura siguiente.
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Perfil trapezoidal de la velocidad que se debe tener en cuenta al hacer el control
La primera rampa representa la aceleración, entre más vertical sea ésta mejor. El trazo horizontal
quiere decir que en ese tramo es constante y la se gunda rampa representa la desaceleración.
Para mayor claridad, supongamos que queremos que el motor vaya del punto a hasta el punto b .
Inicialmente aceleramos el motor a una rata creciente, luego mantenemos esa velocidad constante
por un periodo determinad o y finalizamos desacelerando poco a poco hasta que llegamos de una
manera suave al punto b.
Obviamente este movimiento implica un algoritmo de cálculo de la trayectoria para corregir el error
presentado. Por eso se puede utilizar un control PIC si tenemos acceso a un sensor tipo encoger
que nos devuelva una lectura de la posición actual. De otra manera sólo nos queda calcular a
mano el perfil de eso tres segundos.
Dedicaremos nuestra atención en las dos pri ncipales familias de motores paso a paso, el motor
monopolar y el bipolar de imán permanente, estos son los que se consiguen más fácilmente en el
comercio y son los que viene en el interior de las unidades de disquete de una computadora.
Motores monopolares de 4 fases
Estos motores interiormente poseen cuatro bobinas, tal como se muestra en la figura siguiente.
Esquema de un motor monopolar de 4 fases
Pero por lo general vienen conexiona dos de tal manera que presenten un punto común, tal como
se aprecia en la figura siguiente, reduciendo el número de cables externos a seis.
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Nomenclatura de los cables de conexión para un motor de 4 fases
Otra forma de conexiones con que típicamente pueden venir estos motores es la que se ve en la
próxima figura, con lo cual se logra tener sólo cinco cables de salida .
Conexionado de un motor de 4 fases con 5 terminales de salida
La detección de las bobinas es muy sencilla y no es necesario abrir el motor. Si no existen las
específicamente técnicas del mot or puede acudir a un multímetro y medir la resistencia en to dos
los cables para detectar cuáles de ellos forman cada u na de las bobinas. Al hacer este proceso se
puede determinar si se trata de un motor monopolar de cuatro fases.
Tipo de funcionamiento de un motor PAP
Un motor PAP puede funcionar de tres formas distintas: secuencia de medio paso. En forma de
ola y potencia.
SECUENCIA DE OLA
Consiste en activar una sola bobina a la vez, vea la tabla siguiente. Con cada activación, el motor
se moverá un paso; es la técnica que requiere de menor consumo de energía .
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Funcionamiento por OLA del motor paso a paso
SECUENCIA DE POTENCIA
Consiste en la activación de dos bobinas al mismo tiempo, observe la siguiente tabla. En este caso
la potencia del motor se ve incrementada en cerca del 40%.
Funcionamiento de secuencia de potencia del motor paso a paso
SECUENCIA DE MEDIO PASO
Es una combinación de las dos anteriores. En el primer paso se desarrolla la activación de dos
bobinas, tal como en un manejo de potencia. En otras palabras, se intercalan las dos secuenci as
anteriores para formar una sola, vea la tabla siguiente.
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Diagrama de potencia
Cualquiera que sea su apariencia externa, el motor tiene internamente una serie de bobinas que
en conjunto forman el estator. El rotor está compuesto por un material cerám ico que tiene
propiedades magnéticas, con nume rosos polos norte y sur alterna dos. Estos motores pueden
tener varias bobinas uniformemente distribuidas y son muy utilizados en aplicaciones de rebotica.
Los motores de cuatro bobinas requieren fuentes de alim entación simples, con una sola polaridad.
Aquellos motores que tienen dos bobinas deben alimentarse con fuentes bipolares. Y conformar n
circuito en puente H para controlarla alimentación de las mismas. Estos motores siempre tendrán
circuitos más complejos que aquellos de cuatro o más bobinas.
El movimiento de los motores se consigue alimentando de manera secuencial las bobinas y de
acuerdo al orden en que esta labor se ejecuten, el giro del motor se hará hacia uno otro lado. Si se
varía el tiempo de duraci ón de cada paso de la secuencia se consigue el control de la velocidad
del motor.
Una manera fácil de identificar el número de bobinas de un motor paso a paso es contando el
número de sus terminales. Si tienen únicamente cuatro cables, es muy probable que el motor sea
de dos bobinas: si, en cambio tiene 5.6 u 8 cables, puede ser que el motor sea de cuatro bobinas.
Cuando se tiene 5 cables, normalmente uno de ellos es común a las cuatro bobinas. Cuando se
tiene 6 cables, seguramente el par de bobinas de cada capa tiene un elemento común, y cuando
se tiene 8 cables. Lo más probable es las cuatro bobinas no tienen elementos comunes dentro de
la estructura del motor.
Identificación del terminal común. Para identificar los elementos comunes en un motor, algunas
veces se acude al color de cada uno de los cables: el negro, por lo regular indica el elemento
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común. Otra forma de identificar es por medio de la medición de resistencia: el terminal común
siempre tendrá un valor más bajo con respecto a los demás.
Operación con dos polaridades
Los motores PAP de dos bobinas necesitan alimentación de potencia de polaridad positiva y
negativa. El flujo en el estator de un motor de este tipo, vea figura siguiente, se invierte cuando se
invierte también la corriente a través de la bobina.
Configuración bipolar de un motor PAP
El circuito de potencia que alimenta las bobinas debe estar compuesto por un puente de
interruptores que permitan aplicar las dos polaridades. Este puente puede estar constituido por un
arreglo de cuatro transistores cuyo funcionamiento se explica a continuación. Cuando Q1 y Q4
conducen se tiene polaridad positiva en la bobina y si Q2 y Q3 lo hacen, la polaridad será
negativa. En las tablas siguientes, se muestra la secuencia de conmutación de las bobinas que se
deben seguir para obtener el movimiento en ambos sentidos.
Giro en el sentido de las manecillas del reloj
Pasos
1
2
3
4
5
Q1-Q4
1
1
0
0
1
Q2-Q3
0
0
1
1
0
Q5-Q8
1
0
0
1
1
Q6-Q7
0
1
1
0
0
Giro contrario a las manecillas del reloj
Pasos
1
2
3
4
5
Q1-Q4
1
0
0
0
1
Q2-Q3
0
0
1
0
0
Q5-Q8
0
0
0
1
0
Q6-Q7
0
1
0
0
0
Operación con una sola polaridad
Muchos motores de este tipo que se consiguen comercialmente, poseen externamente ocho
terminales y cuatro bobinas independientes. En la próxim a figura, se muestra la forma en que se
debe conectar para conseguir la rotación.
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Allí se puede apreciar que uno de los terminales de cada bobina se esta conectando a un punto
común, que por lo regular es el positivo de la fuente de alimentación. Esta cone xión nos sugiere
las demás, cuando el motor tiene entre 5 y 8 terminales.
Conexión básica de un motor PAP de cuatro bobinas. Configuración unipolar
Observe en la conexión anterior que los terminales provenientes de una misma sección están
alternados. Esta conexión tiene algunas ventajas ya que no solamente facilita el alambrado del
circuito de control, sino también la realización del programa en microcontroladores y
microprocesadores. Con simple instrucciones de rotación, hacia uno u otro lado. Se conseguirá
hacer girar adecuadamente el motor.
Para lograr el giro del motor se debe tener en cuenta que hay dos tipos de secuencia de pulso
para los motores paso a paso, según la velocidad de la secuencia y la carga aplicada al eje: el
denominador manejo por ola (wave drive). Donde solamente una de las bobinas se encuentra
energizada en un momento dado, y el manejo de dos sentidos fases (two phase drive), en donde
se energizan al tiempo dos de las bobinas para lograr el movimiento. En la tabla siguient e, se
observa la secuencia de conmutación de las bobinas en el motor de configuración unipolar.
Secuencia de conmutación de los transistores para movimiento en ambos sentidos
Giro antihorario
Giro horario
Pasos
1
2
3
4
5
Q1-Q4
1
1
0
0
1
Q2-Q3
0
0
1
1
0
Q5-Q8
1
0
0
1
1
Q6-Q7
0
1
1
0
0
Pasos
1
2
3
4
5
Q1-Q4
1
0
0
0
1
Q2-Q3
0
0
1
0
0
Q5-Q8
0
0
0
1
0
Q6-Q7
0
1
0
0
0
Obviamente, con este último tipo se consigue un mayor torque. Aunque demanda mayor energía.
Si se activa con una secuencia lenta, el motor deja notar el reposo al final de cada paso. En las
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aplicaciones que no adquieren una respuesta rápida y las distancias son cortas, esta operación es
la más simple. Si la velocidad de la secuencia aumenta, el movimiento cambia de paso discretos a
movimiento continuo como el de cualquier motor. En este caso. Lo que realmente ocurre es que el
motor no alcanza el reposo entre paso y por lo tanto el control envía nuevas órdenes de
conmutación hacia el motor cuando aún este presenta cierta velocidad. Par a evitar este tipo de
inconvenientes. Se debe seleccionar la velocidad de la secuencia según las especificaciones de
cantidad y ángulo de cada paso en el catálogo del motor. De lo contrario. Se corre el riesgo de
tener un comportamiento completamente inest able del mismo.
En la figura siguiente se muestra ambas formas de onda para el control de giro de un motor paso a
paso. Allí se debe tener presente que si las secuencias se proporcionan en orden inverso. El
motor girará en sentido contrario.
Ondas de control para manejar un motor paso a paso de 4 bobinas
Vale la pena descartar el hecho que no existe una única manera de manejar los motores paso a
paso. Pues se puede diseñar un gran número de circuitos que posean configuración diferentes, y
que posiblemente cumplen la misma función.
Existen circuitos integrados especializados para esta labor, pero su desventaja es la poca
corriente que puede manejar.
En esta oportunidad se ha desarrollado un circuito sencillo, cuyo diagrama esquemático se
muestra en la siguiente figura, en el cual se utiliza transistores para controlar un motor paso a
paso de dos bobinas.
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Circuito para implementar movimientos básicos en el motor PAP
También se puede usar drivers ULN 2803 para reemplazar dichos tran sistores. Allí, las señales de
control de disparo de las bobinas provienen de un circuito formando por un contador de década
4017. el cual. al aplicársele una serie de pulso en uno de sus pines conmuta en forma secuencial
el estado de sus diez salidas (O a 9). Los pulsos de entrada al contador son originados por un 555
configurado como reloj. El circuito irá habilitando secuencialmente las filas de un codificador hecho
con diodos rápidos 1N4148, los cuales están dispuestos de acuerdo allá secuencia requerid as por
el motor para que se mueva en cada dirección, tal como se muestra en la tabla giro en el sentido
de las manecillas del reloj.
Cuando se diseña un sistema con motores paso a paso, se debe tener en cuenta varios factores
antes de hacer la elección de l más adecuado, tales como el ángulo del paso, la vida útil. El
diámetro y la capacidad del torque.
Para este ultimo, es conveniente calcular el torque máximo demandado por la aplicación y
comparado con las especificaciones dadas en la hoja de datos del m otor.
Todos los sistemas mecánicos manifiestan ciertos grados de fricción. El motor seleccionado debe
tener un torque suficiente para superar la fricción que se presente y proporcionar suficiente
aceleración para contrarrestar la inercia de la carga. Por lo generar, las trayectorias se ilustran
como perfiles trapezoidales, figuras (perfil trapezoidal de la velocidad que se debe tener en cuenta
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al hacer el control). Para llegar desde el reposo a un punto cualquiera, el motor debe inicialmente
tener un tiempo de aceleración, un tiempo donde permanece con una velocidad constante y
finalmente un período de desaceleración hasta llegar establemente a su objetivo final. El torque
demandado se ubica en el primer tramo de la trayectoria o tramo de aceleración, y con siste de
varias partes, entre ellas el torque de aceleración, torque debido a la fricción y torque debido a la
gravedad.