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Motores Paso a Paso. Funcionamiento y Control a Través de un Pc




Enviado por Irlenys Tersek



    1. Controlador de Motor Paso a
      Paso sin necesidad de Computadora
    2. Principio de
      Funcionamiento
    3. Secuencias para Manejar Motores
      Paso a Paso Bipolares
    4. Secuencias para Manejar
      Motores Paso a Paso Unipolares
    5. Cómo Identificar los
      Terminales
    6. Control de un Motor Paso a Paso
      desde la PC

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    Introducción

    Hoy en día es casi imposible pensar en
    aplicaciones de control o de robótica en las que no estén
    presentes los motores paso a
    paso. Donde se requieren movimientos precisos, hay un motor paso a
    paso. Pero ¿qué diferencia hay entre un motor paso
    a paso a un motor convencional, ya sea de continua o de alterna?
    En siguiente escrito se explica el funcionamiento de estos
    dispositivos y cómo se realiza su control por medio de una
    computadora,
    utilizando una interfaz para puerto
    paralelo.

    Controlador de Motor Paso a Paso sin necesidad de
    Computadora

    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. Esto paso
    puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de
    tan sólo 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 está energizada, el motor estará
    enclavado en la posición correspondiente y por el
    contrario quedará completamente libre si no circula
    corriente por ninguna de sus bobinas. En este caso trataremos
    solamente los motores P-P del tipo de imán permanente, ya
    que éstos son los más usados en
    robótica.

    Principio
    de Funcionamiento

    Básicamente, estos motores están constituidos
    normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos
    imanes permanentes y por un cierto número de bobinas
    excitadoras bobinadas en su estator. Las bobinas son parte del
    estator y el rotor es un imán permanente. Toda la
    conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser
    externamente manejada por un controlador.

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    En la figura 1 se puede apreciar la imagen de un
    rotor típico y en la figura 2 el aspecto de un estator de
    4 bobinas. Existen dos tipos de motores paso a paso de
    imán permanente:

    Bipolar: Estos tienen generalmente, cuatro cables
    de salida (ver figura 3). Necesitan ciertos trucos para ser
    controlados, debido a que requieren del cambio de
    dirección del flujo de corriente a
    través de las bobinas en la secuencia apropiada para
    realizar un movimiento. En
    la figura 5A podemos apreciar un ejemplo de control de estos
    motores mediante el uso de un puente en H (H-Bridge).

     

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    Como se aprecia, será necesario un H-Bridge por
    cada bobina del motor, es decir que para controlar un motor paso
    a paso de 4 cables (dos bobinas), necesitaremos usar dos
    H-Bridges iguales al de la figura 5. El circuito de la figura 5
    es a modo ilustrativo y no corresponde con exactitud a un
    H-Bridge. En general, es recomendable el uo de H-Bridge
    integrados, como son los casos del 1293 (ver figura
    5B).

    Unipolar: Estos motores suelen tener 6 o 5 cables
    de salida, dependiendo de su conexionado interno (ver figura 4).
    Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar.
    En la figura 6 podemos apreciar un ejemplo de conexionado para
    controlar un motor paso a paso unipolar mediante el uso de un
    ULN2803, el cual es una array de 8 transistores tipo
    Oarlington capaces de manejar cargas de hasta 500mA. Las entradas
    de activación (Activa A, 8 , C y D) pueden ser
    directamente activadas por un microcontrolador.

    Secuencias para Manejar Motores Paso a Paso
    Bipolares:

    Como se dijo anteriormente, estos motores necesitan la
    inversión de la corriente que circula en
    sus bobinas en una secuencia determinada. Cada inversión
    de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso, cuyo
    sentido de giro está determinado por la secuencia
    seguida.

    En la figura 7 se puede ver la tabla con la secuencia
    necesaria para controlar motores paso a paso del tipo
    Bipolares.

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    Secuencias para Manejar Motores Paso a Paso
    Unipolares

    Existen tres secuencias posibles para este tipo de
    motores, las cuales se detallan a continuación. Todas las
    secuencias comienzan nuevamente por el paso 1 una vez alcanzado
    el paso final (4 u 8). Para revertir el sentido de giro,
    simplemente se de ejecutar las secuencias en modo
    inverso.

    Secuencia Normal: Esta es la secuencia más
    usada y la que generalmente recomienda el fabricante. Con esta
    secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre
    hay al menos dos bobinas activadas, se obtiene un alto torque de
    paso y de retención (figura 8).

    Secuencia del tino wave drive: En esta secuencia
    se activa sólo una bobina a la vez. En algunos motores
    esto brinda un funcionamiento más suave. La contrapartida
    es que al estar sólo una bobina activada, el torque de
    paso y retención es menor (figura 9).

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    Secuencia del tipo medio paso; En esta secuencia se
    activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a
    la mitad del paso real. Para ello se activan primero 2 bobinas y
    luego sólo 1 y así sucesivamente.

    Como vemos en la tabla, la secuencia completa consta de
    8 movimientos en lugar de 4 (figura 10).

    Como comentario final, cabe destacar que debido a que
    los motores paso a paso son dispositivos mecánicos y como
    tal deben vencer ciertas inercias, el tiempo de
    duración y la frecuencia de los pulsos aplicados es un
    punto muy importante a tener en cuenta. En tal sentido el motor
    debe alcanzar el paso antes que la próxima secuencia de
    pulsos comience. Si la frecuencia de pulsos es muy elevada, el
    motor puede reaccionar en alguna de las siguientes
    formas:

    • Puede que no realice ningún movimiento en
      absoluto.
    • Puede comenzar a vibrar pero sin llegar a
      girar
    • Puede girar erráticamente.
    • O puede llegar a girar en sentido
      opuesto.

    Para obtener un arranque suave y preciso, es
    recomendable comenzar con una frecuencia de pulso baja y
    gradualmente ir aumentándola hasta la velocidad
    deseada sin superar la máxima tolerada. El giro en reversa
    debería también ser realizado previamente bajando
    la velocidad de giro y luego cambiar el sentido de
    rotación.

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    Cómo Identificar
    los Terminales

    Cuando se trabaja con motores P-P usados o bien nuevos,
    pero de los cuales no tenemos hojas de datos. Es posible
    averiguar la distribución de los cables a los bobinados
    y el cable común en un motor de paso unipolar de 5 o 6
    cables siguiendo las instrucciones que se detallan a
    continuación:

    1. Aislando el cable(s) común que va a la
    fuente de alimentación:

    Como se aprecia en las figuras anteriores, en el caso de
    motores con 6 cables, éstos poseen dos cables comunes,
    pero generalmente poseen el mismo color, por lo que
    es mejor unirlos antes de comenzar las pruebas.
    Usando un multímetro para verificar la resistencia entre
    pares de cables, el cable común será el
    único que tenga la mitad del valor de la
    resistencia entre ella y el resto de los cables.

    Esto es debido a que el cable común tiene una
    bobina entre ella y cualquier otro cable, mientras que cada uno
    de los otros cables .tienen dos bobinas entre ellos. De
    ahí la mitad de la resistencia medida cable
    común.

    2. Identificando los cables de las bobinas (A, B, C y
    D):
    aplicar un voltaje al cable común (generalmente 12
    volt, pero puede ser más o menos) y manteniendo uno de los
    otros cables a masa (GND) mientras vamos poniendo a masa cada uno
    de los demás cables de forma alternada y observando los
    resultados.

    El proceso se
    puede apreciar en cuadro de la figura 11.

    Nota: La nomenclatura de
    los cables (A, B, C, D) es totalmente arbitraria.

    Para el caso de motores paso paso bipolares
    (generalmente de en el Identificando los Cables en Motores P-P
    Bipolares:

    cables de salida), la identificación es
    más sencilla. Simplemente tomando un multímetro en
    modo óhmetro (para medir resistencias),
    podemos hallar los pares de cables que corresponden a cada
    bobina, debido a que entre ellos deberá haber continuidad
    (en realidad una resistencia muy baja). Luego solo deberemos
    averiguar la polaridad de la misma, la cual se obtiene
    fácilmente probando. Es decir, si conectado de una manera
    no funciona, simplemente damos vuelta los cables de una de las
    bobinas y entonces ya debería funcionar correctamente. Si
    el sentido de giro es inverso a lo esperado, simplemente se deben
    invertir las conexiones de ambas bobinas y el
    H-Bridge.

    Recordar

    • Un motor de paso con 5 cables es casi seguro de 4
      fases y unipolar.
    • Un motor de paso con 6 cables también puede
      ser de 4 fases y unipolar, pero con 2 cables comunes para
      alimentación, pueden ser del mismo color.
    • Un motor de pasos con solo 4 cables es
      comúnmente bipolar.

    Control de un Motor Paso a Paso desde la
    PC

    El propósito de este proyecto es
    familiarizarse con el manejo y comportamiento
    de los motores paso a paso.

    Para ello utilizaremos la Interfaz para el puertó
    paralelo (IPPO1) que puede bajar de Internet desde la
    dirección:
    wwwtodorobotcom.ar/proyectos
    /paralelo/paralela.htm
    .

    En la figura 12 se puede ver el diagrama
    interno y las salidas correspondientes a un clásico motor
    PP Unipolar. Los cinco cables de salida deben conectarse al
    puerto de salida High Power de la interfaz para puerto paralelo
    (HPO a HP6) de la siguiente manera:

    Común

    Vdd

    A

    HPO

    B

    HPI

    C

    HP2

    O

    HP3

    Ejemplos de Operación desde
    Qbasic

    Veamos cómo podemos realizar determinadas rutinas
    para el movimiento del motor desde la PC utilizando la interfaz
    sugerida. (Figura 14).

    Haciéndolo girar en ambos sentidos: El mostrado
    en la figura 13 es un programa
    realizado en Qbasic y muy fácil de interpretar, en donde
    podemos ver como se puede hacer rotar el motor una vuelta en un
    senda y luego otra en el sentido contrario.

    Puede visualizar o bajar directa- ente el ejecutable,
    llamado stepper.exe directamente desde la página e
    TodoRobot.

    Agregando dos botones para contar el giro: en el
    programa de la figura 14 se ha sofisticado aún más
    el uso de la interfaz, mediante el agregado de dos botones en el
    puerto de entrada TTL para indicar cuándo girar hacia un
    lada o hacia el otro, o bien permanecer inmóvil hasta
    tanto no se sesione ningún botón.

    En la figura 15 se puede apreciar conexionado de los
    botones y el motor con la interfaz. Puede visualizar o bajar
    directamente el ejecutable, llamado stepper.exe directamente
    desde la página de TodoRobot.

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    El funcionamiento es muy simple. Cuando recién se
    inicia el programa, el motor se encuentra libre. Luego
    presionando el pulsador correspondiente, el motor gira hacia uno
    de los lados. Al dejar de pulsar, el motor se detiene y queda
    enclavado en esa posición. Solamente se liberará al
    salir por completo del programa.

    Cabe aclarar que la interfase para puerto paralelo (cuya
    información completa puede bajar de
    Internet) tiene un circuito como el mostrado en la figura 16 y
    nos provee 8 salidas TTL, 7 salidas de potencia (500mA)
    y cuatro entradas TTL. Es importante tener en cuenta que las
    salidas TTL entregan una tensión de 5V y sólo se
    les puede exigir un mínimo de corriente, apenas suficiente
    para activar un transistor o bien
    un par de compuertas TTL.

    Así mismo, las entradas TTL deben ser alimentadas
    con una tensión máxima de 5V o de lo contrario el
    chip resultará dañado. Esta tensión se
    obtiene desde VDD a través del Regulador U1
    (7805).

    Las 7 salidas de potencia no son más que la
    amplificación mediante un array de transistores Darlington
    (ULN2003) de las salidas TTL O a 6 (la salida 7 no es usada).
    Este chip puede drenar una corriente máxima de 500mA, lo
    que es suficiente para activar un LED, un relé y hasta un
    motor DC de bajo consumo (tipo
    motor de grabador).

    La interfaz es tan sencilla como útil, ya que nos
    permite realizar todo tipo de pruebas sin la necesidad de usar un
    microcontrolador. Y de paso nos permite tomar experiencia en el
    manejo de señales
    mediante equipos microprocesados.

    Podemos por ejemplo, conectar un pequeño robot y
    tomar datos de sus sensores y
    analizar las decisiones a tomar mediante un programa hecho en
    cualquier lenguaje de PC
    actual.

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    Recomendamos a todos los lectores que visiten la
    página de Todo- Robot, a los efectos de conocer más
    información y saber cuáles son los productos que
    se comercializan y que permitirán realizar montajes
    específicos y proyectos
    generales.

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    Bibliografía

    Redacción de Quark sobre trabajo y
    monografías de autores varios (2005). Motores Paso
    a Paso. Funcionamiento y Control a Través de un
    Pc.
    Saber Electrónico. Nº de Edición 179. Página 5

    Realizado por:

    Irlenys Tersek Rodríguez

    Ingeniero en Electrónico en Computación

    Chivacoa, Junio 27 de 2005

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