Motores paso a paso

2. Principio de
   funcionamiento
3. Tipos de motores paso a
   paso
4. Parámetros de los
   motores paso a paso
5. Control de los motores paso a
   paso
6. Secuencia del circuito de
   control
7. Aplicaciones de los motores
   paso a paso
8. Características

INTRODUCCIÓN

En numerosas ocasiones es necesario convertir la
energía
eléctrica en energía mecánica, esto se puede lograr, por
ejemplo, usando los motores de
corriente continua. Pero cuando lo deseado es posicionamiento
con un elevado grado de exactitud y/o una muy buena
regulación de la velocidad, se
puede contar con una gran solución: utilizar un motor paso a
paso.

El desarrollo de
la presente investigación tiene por objeto dar a
conocer los principios
básicos de funcionamiento de este tipo de motores, sus
características constructivas y las formas básicas
de hacer funcionar los motores por medio de dispositivos microcontroladores.

Sus principales aplicaciones se pueden encontrar en
robótica, tecnología
aeroespacial, control de
discos duros,
flexibles, unidades de CD-ROM o de
DVD e impresoras, en
sistemas
informáticos, manipulación y posicionamiento de
herramientas y
piezas en general.

Los
motores paso a paso son ideales para la
construcción de mecanismos en donde se
requieren movimientos muy precisos.

La característica principal de estos motores es
el hecho de poder moverlos
un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso
puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de
tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en
el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°),
para completar un giro completo de 360°.

Estos motores poseen la habilidad de poder quedar
enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si
una o más de sus bobinas están energizadas, el
motor estará enclavado en la posición
correspondiente y por el contrario quedará completamente
libre si no circula corriente por ninguna de sus
bobinas.

El motor paso a paso está constituido
esencialmente por dos partes: a) Una fija llamada "estator",
construida a base de cavidades en las que van depositadas las
bobinas que excitadas convenientemente formarán los polos
norte-sur de forma que se cree un campo
magnético giratorio. b) Una móvil, llamada
"rotor" construida mediante un imán permanente, con el
mismo número de pares de polos, que el contenido en una
sección de la bobina del estator; este conjunto va montado
sobre un eje soportado por dos cojinetes que le permiten girar
libremente.

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Imagen del Rotor

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Imagen de un estator de 4
bobinas

Si por el medio que sea, conseguimos excitar el estator
creando los polos N-S, y hacemos variar dicha excitación
de modo que el campo magnético formado efectúe un
movimiento
giratorio, la respuesta del rotor será seguir el
movimiento de dicho campo, produciéndose de este modo el
giro del motor.

Puede decirse por tanto que un motor paso a paso es un
elemento que transforma impulsos eléctricos en movimientos
de giro controlados, ya que podremos hacer girar al motor en el
sentido que deseemos y el número de vueltas y grados que
necesitemos.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Los motores
eléctricos, en general, basan su funcionamiento en las
fuerzas ejercidas por un campo electromagnético y creadas
al hacer circular una corriente
eléctrica a través de una o varias bobinas. Si
dicha bobina, generalmente circular y denominada estator, se
mantiene en una posición mecánica fija y en su interior, bajo la
influencia del campo electromagnético, se coloca otra
bobina, llamada rotor, recorrida por una corriente y capaz de
girar sobre su eje, esta última tenderá a buscas la
posición de equilibrio
magnético, es decir, orientará sus polos NORTE-SUR
hacia los polos SUR-NORTE del estator, respectivamente. Cuando el
rotor alcanza esta posición de equilibrio, el estator
cambia la orientación de sus polos, aquel tratará
de buscar la nueva posición de equilibrio; manteniendo
dicha situación de manera continuada, se conseguirá
un movimiento giratorio y continuo del rotor y a la vez la
transformación de una energía eléctrica en
otra mecánica en forma de movimiento circular.

Aún basado en el mismo fenómeno, el
principio de funcionamiento de los motores de corriente continua,
los motores paso a paso son más sencillos si cabe, que
cualquier otro tipo de motor eléctrico.

La figura 1 intenta ilustrar el modo de funcionamiento
de un motor paso a paso, suponemos que las bobinas L1 como L2
poseen un núcleo de hierro dulce
capaz de imantarse cuando dichas bobinas sean recorridas por una
corriente eléctrica. Por otra parte el imán M puede
girar libremente sobre el eje de sujeción
central.

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Figura 1. Principio de funcionamiento
de un motor paso a paso

Inicialmente, sin aplicar ninguna corriente a las
bobinas (que también reciben el nombre de fases) y con M
en una posición cualquiera, el imán
permanecerá en reposo si no se somete a una fuerza
externa. 

Si se hace circula corriente por ambas fases como se
muestra en la
Figura 1(a), se crearán dos polos magnéticos NORTE
en la parte interna, bajo cuya influencia M se desplazará
hasta la posición indicada en dicha figura.

Si invertimos la polaridad de la corriente que circula
por L1 se obtendrá la situación magnética
indicada en la Figura 1(b) y M se verá desplazado hasta la
nueva posición de equilibrio, es decir, ha girado 90
grados en sentido contrario a las agujas del reloj.

Invirtiendo ahora la polaridad de la corriente en L2, se
llega a la situación de la Figura 1 (c) habiendo girado M
otros 90 grados. Si, por fin, invertimos de nuevo el sentido de
la corriente en L1, M girará otros 90 grados y se
habrá obtenido una revolución
completa de dicho imán en cuatro pasos de 90
grados.

Por tanto, si se mantiene la secuencia de
excitación expuesta para L1 y L2 y dichas corrientes son
aplicadas en forma de pulsos, el rotor avanzará pasos de
90 grados por cada pulso aplicado.

Por lo tanto se puede decir que un motor paso a paso es
un dispositivo electromecánico que convierte impulsos
eléctricos en un movimiento rotacional constante y finito
dependiendo de las características propias del
motor.

El modelo de
motor paso a paso que hemos analizado, recibe el nombre de
bipolar ya que, para obtener la secuencia completa, se requiere
disponer de corrientes de dos polaridades, presentando tal
circunstancia un inconveniente importante a la hora de
diseñar el circuito que controle el motor. Una forma de
paliar este inconveniente es la representada en la Figura 2,
obteniéndose un motor unipolar de cuatro fases, puesto que
la corriente circula por las bobinas en un único
sentido.

Si inicialmente se aplica la corriente a L1 y L2
cerrando los interruptores S1 y S2, se generarán dos polos
NORTE que atraerán al polo SUR de M hasta encontrar la
posición de equilibrio entre ambos como puede verse en la
Figura 2(a). Si se abre posteriormente S1 y se cierra S3, por la
nueva distribución de polos magnéticos, M
evoluciona hasta la situación representada en la Figura
2(b).

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 Figura 2.- Principio
básico de un motor unipolar de cuatro fases

Siguiendo la secuencia representada en la Figuras 2 (c)
y (d), de la misma forma se obtienen avances del rotor de 90
grados habiendo conseguido, como en el motor bipolar de dos
fases, hacer que el rotor avance pasos de 90 grados por la
acción
de impulsos eléctricos de excitación de cada una de
las bobinas. En uno y otro caso, el movimiento obtenido ha sido
en sentido contrario al de las agujas del reloj; ahora bien, si
las secuencias de excitación se generan en orden inverso,
el rotor girará en sentido contrario, por lo que
fácilmente podemos deducir que el sentido de giro en los
motores paso a paso es reversible en función de
la secuencia de excitación y, por tanto, se puede hacer
avanzar o retroceder al motor un número determinado de
pasos según las necesidades.

El modelo de motor paso a paso estudiado, salvo su
valor
didáctico, no ofrece mayor atractivo desde el punto de
vista práctico, precisamente por la amplitud de sus
avances angulares.

Una forma de conseguir motores Paso a Paso de paso mas
reducido, es la de aumentar el número de bobinas del
estator, pero ello llevaría a un aumento del coste y del
volumen y a
pérdidas muy considerable en el rendimiento del motor, por
lo que esta situación no es viable. Hasta ahora y para
conseguir la solución más idónea, se recurre
a la mecanización de los núcleos de las bobinas y
el rotor en forma de hendiduras o dientes, creándose
así micropolos magnéticos, tantos como dientes y
estableciendo las situaciones de equilibrio magnéticos con
avances angulares mucho menores, siendo posible conseguir motores
de hasta de 500 pasos.

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Bobinado de un motor paso a paso de
una disquetera, en el que pueden apreciarse bobinados, el
imán permanente se ha desmontado para poder ver el
interior del motor que está montado sobre la propia placa
de circuito impreso

TIPOS
DE MOTORES PASO A PASO

Hay dos tipos básicos de motores Paso a Paso, los
BIPOLARES que se componen de dos bobinas y los UNIPOLARES que
tienen cuatro bobinas. Externamente se diferencian entre
sí por el número de cables. Los bipolares solo
tienen cuatro conexiones dos para cada bobina y los unipolares
que normalmente presentan seis cables, dos para cada bobina y
otro para alimentación de cada par de éstas,
aunque en algunos casos podemos encontrar motores unipolares con
cinco cables, básicamente es lo mismo, solo que el cable
de alimentación es común para los dos pares de
bobinas.

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Motores Unipolares: En este tipo de
motores, todas las bobinas del estator están conectadas en
serie formando cuatro grupos. Esta a su
vez, se conectan dos a dos, también en serie, y se montan
sobre dos estatores diferentes, tal y como se aprecia en la
Figura 3. Según puede apreciarse en dicha figura, del
motor paso a paso salen dos grupos de tres cables, uno de los
cuales es común a dos bobinados. Los seis terminales que
parten del motor, deben ser conectados al circuito de control, el
cual, se comporta como cuatro conmutadores electrónicos
que, al ser activados o desactivados, producen la
alimentación de los cuatro grupos de bobinas con que
está formado el estator. Si generamos una secuencia
adecuada de funcionamiento de estos interruptores, se pueden
producir saltos de un paso en el número y sentido que se
desee.

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Figura 3.- Control de motor
Unipolar

Motores Bipolares: En este tipo de
motores las bobinas del estator se conectan en serie formando
solamente dos grupos, que se montan sobre dos estatores, tal y
como se muestra en la Figura 4.

Según se observa en el esquema de este motor
salen cuatro hilos que se conectan, al circuito de control, que
realiza la función de cuatro interruptores
electrónicos dobles, que nos permiten variar la polaridad
de la alimentación de las bobinas. Con la
activación y desactivación adecuada de dichos
interruptores dobles, podemos obtener las secuencias adecuadas
para que el motor pueda girar en un sentido o en otro.

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Figura 4.- Control de motor
Bipolar

La existencia de varios bobinados en el estator de los
motores de imán permanente, da lugar a varias formas de
agrupar dichos bobinados, para que sean alimentados
adecuadamente. Estas formas de conexión permiten
clasificar los motores paso a paso en dos grandes
grupos:

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Desde el punto de vista de su construcción
existen los siguientes tipos de motores paso a paso:

1.- De reluctancia variable (V.R.): Los motores
de este tipo poseen un rotor de hierro dulce que en condiciones
de excitación del estator y bajo la acción de su
campo magnético, ofrecen menor resistencia a ser
atravesado por su flujo en la posición de equilibrio. Su
mecanización es similar a los de imán permanente y
su principal inconveniente radica en que en condiciones de
reposos (sin excitación) el rotor queda en libertad de
girar y, por lo tanto, su posicionamiento de régimen de
carga dependerá de su inercia y no será posible
predecir el punto exacto de reposo. El tipo de motor de
reluctancia variable o V.R. (figura 5) consiste en un rotor y un
estator cada uno con un número diferente de dientes. Ya
que el rotor no dispone de un magneto permanente el mismo gira
libremente, o sea que no tiene torque de
detención.

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Figura 5.- Vista de sección de
un motor por pasos de reluctancia variable

2.- De magneto Permanente: es el
modelo en el que rotor es un imán permanente en el que se
mecanizan un número de dientes limitado por su estructura
física.
Ofrece como principal ventaja que su posicionamiento no
varía aún sin excitación y en régimen
de carga. El motor de magneto permanente (PM) o tipo enlatado
(figura 6) es quizá el motor por pasos mas ampliamente
usado para aplicaciones no industriales. En su forma mas simple,
el motor consiste en un rotor magneto permanentemente magnetizado
radial  y en un estator similar al motor V.R. Debido a las
técnicas de manufactura
usadas en la construcción del estator, los mismos se
conocen a veces como motores de "polo de uñas "o "claw
pole" en Inglés.

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Figura 6.- Vista en sección de
un magneto permanente

3.- Híbridos: Son
combinación de los dos tipos anteriores; el rotor suele
estar constituido por anillos de acero dulce
dentado en un número ligeramente distinto al del estator y
dichos anillos montados sobre un imán permanente dispuesto
axialmente. El tipo Híbrido es probablemente el más
usado de todos los motores por pasos. Originalmente desarrollado
como un motor PM sincrónico de baja velocidad su
construcción es una combinación de los
diseños V.R. y P.M. El motor Híbrido consiste en un
estator dentado y un rotor de tres partes (apilado simple). El
rotor de apilado simple contiene dos piezas de polos separados
por un magneto permanente magnetizado, con los dientes opuestos
desplazados en una mitad de un salto de diente (figura 7) para
permitir una alta resolución de pasos.

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Figura 7

El incremento de demanda de
los sistemas de motor por pasos de reducido ruido
acústico, con una mejora en el desempeño al mismo tiempo con
reducción de costos fue
satisfecho en el pasado con los dos tipos principales de
motores por pasos Híbridos. El tipo 2(4) fases que ha
sido generalmente implementado en aplicaciones simples y el de
5 fases ha probado ser ideal para las tareas más
exigentes. Las ventajas ofrecidas por los motores de 5 fases
incluían:

• Mayor resolución
• Menor ruido acústico
• Menor resonancia operacional
• ·       Menor
  torque de frenado.

A pesar de que las características de los motores
de 5 fases ofrecían muchos beneficios, especialmente en
micro pasos, el creciente número de conmutaciones de
alimentación y el cableado adicional requerido
tenían un efecto adverso en el costo del
sistema. Con
el avance de la electrónica permitiendo circuitos de
cada vez mayor grado de integración y mayores
características, la fábrica SIG Positec vio una
oportunidad y tomó la iniciativa en el terreno 
desarrollando tecnología de punta en motores por
pasos.

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Figura 8.- Secciones ilustrativas de
las laminaciones y rotores para motores de 2, 3 y 5
fases

El motor Híbrido de 3 fases:

A pesar de ser similar en construcción a otros
motores por pasos (ver figura 8), la implementación de la
tecnología de 3 fases hizo posible que el número de
fases del motor sean reducidas dejando al número de pares
de polos del rotor y a la electrónica determinar la
resolución (pasos por revolución).

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Figura 9.- Corte de sección de un motor por pasos
Híbrido ( 3 fases )

 Dado que la
tecnología de 3 fases ha sido usada por décadas
como un método
efectivo de generación de campos rotativos, las ventajas
de éste sistema son evidentes en sí. El motor por
pasos de 3 fases fue por lo tanto una progresión natural
que incorporó todas las mejores características de
un sistema de 5 fases a una significativa reducción de
costo.

Un problema que se nos puede plantear es como saber cual
es cada polo de la bobina, ya que los colores no
están estandarizados. Así que tomamos el tester y
leemos el valor (resistencia) de todos los polos (supongamos que
las bobinas son de 30 Ohm.), el común
(alimentación) con cada polo de bobina leerá 30 Ohm
y entre polos de la misma bobina 60 Ohm., por eliminación
nos será fácil encontrar los polos de las bobinas.
Si nos equivocamos no pasa nada, solo que el motor no
girará. Cambiando el orden de dos de los polos de una
bobina cambiamos el sentido de giro. El orden para el controlador
del CeNeCé según esquema Unipolar es:

Si el motor solo tiene cinco cables, el
común de alimentación se puede conectar a
cualquiera de los lados.

 Hay que tener en cuenta que los motores unipolares
de seis u ocho hilos, pueden hacerse funcionar como motores
bipolares si no se utilizan las tomas centrales, mientras que los
de cinco hilos no podrán usarse jamás como
bipolares, porque en el interior están conectados los dos
cables centrales.

PARÁMETROS DE LOS MOTORES PASO A
PASO

Desde el punto de vista mecánico y
eléctrico, es conveniente conocer el significado de
algunas de las principales características y
parámetros que se definen sobre un motor paso a
paso:

       
Par dinámico de trabajo (
Working Torque): Depende de sus
características dinámicas y es el momento
máximo que el motor es capaz de desarrollar sin perder
paso, es decir, sin dejar de responder a algún impulso
de excitación del estator y dependiendo, evidentemente,
de la carga.

Generalmente se ofrecen, por parte del fabrican,
curvas denominadas de arranque sin error (pull-in) y que
relaciona el par en función el número de
pasos.

Hay que tener en cuenta que, cuando la velocidad de
giro del motor aumenta, se produce un aumento de la f.c.e.m. en
él generada y, por tanto, una disminución de la
corriente absorbida por los bobinados del estator, como
consecuencia de todo ello, disminuye el par motor.

       
Par de mantenimiento (Holding Torque): Es el
par requerido para desviar, en régimen de
excitación, un paso el rotor cuando la posición
anterior es estable ; es mayor que el par dinámico y
actúa como freno para mantener el rotor en una
posición estable dada

       
Para de detención ( Detention Torque): Es
una par de freno que siendo propio de los motores de
imán permanente, es debida a la acción del rotor
cuando los devanados del estator están
desactivados.

       
Angulo de paso ( Step angle ): Se define como el
avance angular que se produce en el motor por cada impulso de
excitación. Se mide en grados, siendo los pasos
estándar más importantes los
siguientes:

 
       
Número de pasos por vuelta: Es la cantidad de pasos
que ha de efectuar el rotor para realizar una revolución
completa; evidentemente es

Donde NP es el número de pasos y
α el ángulo de
paso.

       
Frecuencia de paso máximo (Maximum
pull-in/out): Se define como el máximo
número de pasos por segundo que puede recibir el motor
funcionando adecuadamente.

       
Momento de inercia del rotor: Es su momento de inercia
asociado que se expresa en gramos por centímetro
cuadrado.

       
Par de mantenimiento, de detención y
dinámico: Definidos anteriormente y expresados en
miliNewton por metro. 

CONTROL DE LOS MOTORES PASO A PASO

Para realizar el control de los motores paso a paso, es
necesario generar una secuencia determinada de impulsos.
Además es necesario que estos impulsos sean capaces de
entregar la corriente necesaria para que las bobinas del motor se
exciten, por lo general, el diagrama de
bloques de un sistema con motores paso a paso es el que se
muestra en la Figura 10.

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Figura 10.- Diagrama de bloques de un
sistema con motor paso a paso

SECUENCIA DEL CIRCUITO DE CONTROL

Existen dos formas básicas de hacer funcional los
motores paso a paso atendiendo al avance del rotor bajo cada
impulso de excitación:

       
Paso completo (full step): El rotor avanza un paso
completo por cada pulso de excitación y para ello su
secuencia ha de ser la correspondiente a la expuesta
anteriormente, para un motor como el de la Figura 2, y que es
presentada de forma resumida en la Tabla 1 para ambos sentidos
de giro, las X indican los interruptores que deben estar
cerrados (interruptores en ON), mientras que la ausencia de X
indica interruptor abierto (interruptores en OFF).

 Tabla 1.- Secuencia de
excitación de un motor paso a paso
completo

       
Medio paso (Half step): Con este modo de
funcionamiento el rotor avanza medio paso por cada pulso de
excitación, presentando como principal ventaja una mayor
resolución de paso, ya que disminuye el avance angular
(la mitad que en el modo de paso completo). Para conseguir tal
cometido, el modo de excitación consiste en hacerlo
alternativamente sobre dos bobinas y sobre una sola de ellas,
según se muestra en la Tabla 2 para ambos sentidos de
giro.

Tabla 2.- Secuencia de
excitación de un motor Paso a Paso en medio
paso

 Según la Figura 2 al excitar dos bobinas
consecutivas del estator simultáneamente, el rotor se
alinea con la bisectriz de ambos campos magnéticos; cuando
desaparece la excitación de una de ellas,
extinguiéndose el campo magnético inducido por
dicha bobina, el rotor queda bajo la acción del
único campo existente, dando lugar a un desplazamiento
mitad.

Sigamos, por ejemplo, la secuencia presentada en la
Tabla 2: en el paso 1, y excitadas las bobinas L1 y L2 de la
Figura 2 mediante la acción de S1 y S2, el rotor se
situaría en la posición indicada en la Figura 2 a;
en el paso 2, S1 se abre, con lo que solamente permanece excitada
L2 y el rotor girará hasta alinear su polo sur con el
norte generado por L2. Supuesto que este motor tenía un
paso de 90 grados, en este caso sólo ha avanzado 45
grados. Posteriormente, y en el paso 3, se cierra S3,
situación representada en la Figura 2 b, con lo que el
rotor ha vuelto a avanzar otros 45 grados. En definitiva, los
desplazamientos, siguiendo dicha secuencia, son de medio
paso.

La forma de conseguir estas secuencias puede ser a
través de un circuito lógico secuencial, con
circuitos especializados o con un microcontrolador.

 Nos vamos a centrar en el control de los motores
paso a paso utilizando el microcontrolador PIC16F84.
Además como el microcontrolador no es capaz de generar la
corriente suficiente para excitar las bobinas del motor paso a
paso se puede utilizar el integrado L293.

El montaje que permite el control de un motor paso a
paso es el de la Figura 7, en el que se ha realizado la
conexión del motor paso a paso a través de un
driver L293. Las líneas RB0,RB1, RB2 y RB3
serán las encargadas de generar la secuencia de
activación del motor paso a paso, mientras que RB4 y RB5
se ponen siempre a "1" para habilitar las entradas de
inhibición de los drivers. Las salidas de los
drivers se conectan a las bobinas del motor para conseguir
la corriente necesaria para que este se ponga en funcionamiento.
Por su parte las entradas RA0-RA4 se configuran como
entrada.

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 Figura 11.- Conexión
del motor paso a paso al PIC16F84 y al circuito
L293

 El organigrama
del programa es el
que se muestra en la Figura 12 y el programa correspondiente es
paso1.asm que se muestra a continuación:

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Figura 12.- Organigrama del
programa

APLICACIONES DE LOS MOTORES PASO A
PASO

• Taxímetros.
• Disk-drive.
• Impresoras.
• Plotters.
• Brazo y Robots completos.
• Patrón mecánico de velocidad
  angular.
• Registradores XY.
• Relojes Eléctricos.
• Casetes Digitales.
• Control Remoto.
• Máquinas de escribir
  electrónicas.
• Manipuladores.
• Posicionamiento de válvulas
  en controles industriales.
• Posicionamiento de piezas en general.
• Bombas impelentes en aplicaciones de
  electromedicina.

CARACTERÍSTICAS

• Larga vida.
• Velocidad de respuesta elevada (<1ms).
• Posicionamiento dinámico preciso.
• Reinicialización a una posición
  preestablecida.
• Frecuencia de trabajo variable.
• Funcionamiento sincrónico
  bidireccional.
• Sincronismo unidireccional en régimen de
  sobrevelocidad.
• Carencia de escobillas.
• Insensibilidad al choque en régimen
  dinámico, a la regulación de la fuente de
  alimentación.

Trabajo de investigación realizado por

Javier Colmenares Apitz