- Controlador de Motor Paso a
Paso sin necesidad de Computadora - Principio de
Funcionamiento - Secuencias para Manejar Motores
Paso a Paso Bipolares - Secuencias para Manejar
Motores Paso a Paso Unipolares - Cómo Identificar los
Terminales - Control de un Motor Paso a Paso
desde la PC
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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.
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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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