Ascensor con motor paso a paso

Introducción

Con este proyecto es realizar el control
de un ascensor mediante un motor paso a paso que puede ascender y
descender 4 pisos el cual mediante los conocimientos de java
vistos en laboratorio de computación II. Mediante el
control de la secuencia del motor.

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 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 capítulo trataremos
solamente los motores P-P del tipo de imán permanente, ya
que estos son los mas 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.

Imagen del rotor 

Imagen de un estator de 4 bobinas

 Existen dos tipos de
motores paso a paso de imán permanente:

• Bipolar: Estos tiene
  generalmente cuatro cables de salida (ver figura 1).
  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 figura 3
podemos apreciar un ejemplo de control de estos motores mediante
el uso de un puente en H (H-Bridge). 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 3 . El
circuito de la figura 3 es a modo ilustrativo y no corresponde
con exactitud a un H-Bridge. En general es recomendable el uso de
H-Bridge integrados como son los casos del L293 (ver figura 3
bis).

• Unipolar: Estos motores suelen
  tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado
  interno (ver figura 2). Este tipo se caracteriza por ser
  más simple de controlar. En la figura 4 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 Darlington capaces de
  manejar cargas de hasta 500mA. Las entradas de
  activación (Activa A, B , C y D) pueden ser
  directamente activadas por un microcontrolador.

Secuencias para
manejar motores paso a paso

 Una referencia
importante:

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, estos
poseen dos cables comunes, pero generalmente poseen el
mismo color, por lo que lo mejor es unirlos antes de comenzar las
pruebas.

Usando un tester para chequear 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 en el cable común.

2.Identificando los cables de las
bobinas (A, B, C y D): aplicar un voltaje al cable
común  (generalmente 12 volts, 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 el
siguiente cuadro:

Seleccionar un cable y conectarlo a masa.
Ese será llamado cable A.

Manteniendo el cable A conectado a
masa, probar cuál de los tres cables restantes provoca un
paso en sentido antihorario al ser conectado también a
masa. Ese será el cable B.

Manteniendo el cable A conectado a
masa, probar cuál de los dos cables restantes provoca un
paso en sentido horario al ser conectado a masa. Ese será
el cable D.

El último cable debería ser
el cable C. Para comprobarlo, basta con conectarlo a masa,
lo que no debería generar movimiento alguno debido a que
es la bobina opuesta a la A. 

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

Secuencias para
manejar motores paso a paso (unipolar)

Existen tres métodos para el control
de este tipo de motores , según las secuencias de
encendido de bobinas.

Las secuencias son las
siguientes: 

La
práctica

Unipolar: Para controlar un motor
paso a paso unipolar deberemos alimentar el común del
motor con Vcc y conmutaremos con masa en los cables del devanado
correspondiente con lo que haremos pasar la corriente por la
bobina del motor adecuada y esta generará un campo
electromagnético que atraerá el polo magnetizado
del rotor y el eje del mismo girará.

Para hacer esto podemos usar transistores
montados en configuración Darlington o usar un circuito
integrado como el ULN2003 que ya los lleva integrados en su
interior aunque la corriente que aguanta este integrado es baja y
si queremos controlar motores mas potentes deberemos montar
nosotros mismos el circuito de control a base de transistores de
potencia.

El esquema de uso del ULN2003 para un motor
unipolar es el siguiente:

Las entradas son TTL y se activan a nivel
alto, también disponen de resistencias de
polarización internas con lo que no deberemos de
preocuparnos de esto y podremos dejar "al aire" las entradas no
utilizadas. Las salidas son en colector abierto.

Imagen del rotor

Imagen de un estator de 4 bobinas

 MPPC . Familia
de circuitos integrados controladores de motores unipolares de 4
fases y bipolares de 2 fases

 MPPC 001.
Controlador de motores paso a paso simple

MPPC 001 controlara un motor paso a paso
con solo dos o tres bits. Dos bits le permitirán controlar
el sentido de giro y en que instante el motor debe avanzar un
paso. Con el tercer bit  podrá seleccionar entre
precisión 1 paso o 1/2 paso. Es provisto en encapsulado
DIP20. Todas sus entradas y salidas son TTL, con cual es optimo
para ser utilizado con PICs, BasicX , Basic Stamps,
etc…

El circuito integrado esta preparado para
recibir una senal digital de realimentación de limite de
corriente de fase . Sus dos entradas para comparadores de 
le facilitaran implementar controles de corriente de fase por
medio de switching.

Las salidas tienen capacidad para entregar
una corriente máxima de 100 mA, capaces de entregar
corriente suficiente para la excitación de los
transistores de potencia adecuados para las tensiones y
corrientes de operación del motor paso a paso a
controlar.

Características
técnicas

Condiciones
Máximas

Condiciones recomendadas de
operación:

Definición de
pines:

Circuito de aplicación
típico:La configuración mas sencilla es la de
la del esquema de la figura. Sus salidas atacando directamente a
transistores npn para la excitación de cada bobina del
motor paso a paso. los pines de comparación comp1 y comp2
polarizados a tierra para que las salidas se encuentren
permanentemente habilitadas. El pin de 1/2 paso polarizado a VCC
para que el controlador genere una salida de paso completo. La
entrada izq/der permite definir la dirección de giro del
motor paso a paso, la cual será validada en el primer
pulso presente en la entrada de reloj. Por cada pulso entregado
al pin de reloj el motor paso a paso dará un
paso.

Materiales

• Estructura de edificio hechas de
  cartulina

• Soportes de cartulina prensada para los
  soportes del ascensor

• Hilo como cuerda para nuestra
  polea

• Motor paso a paso unipolar

• Alicate

• Multimetro

• Cinta aislante

Circuito:

• Resistecia de 220

• Transistores TIP 31C

• Un circuito LC 7473

• Un integrado 7486 norex

• 4 leds

• Conectores

• 3 Protoboard

• 1 cable de puerto paralelo
  LPT1

• 1 fuente de tensión de 5
  voltios

Software:

• 1 computadora con conector
  LPT1

• Programa READY TO PROGRAM

• Programa de control de secuencias
  realizado en java

Programa en java para el control del
ascensor:

import parport.ParallelPort;

import java.io.*;

public class Led {

//——————————————

public static class Aplicacion {

private ParallelPort lpt1;

public Aplicacion()throws
IOException

{

int pin=0;

BufferedReader w=new BufferedReader(new
InputStreamReader(System.in));

lpt1 = new ParallelPort(888); // 0x378
normalmente es utilizado para impresora LPT1

int opcion=0;

do {

System.out.println("1) Sube
ascensor.");

System.out.println("2) Para
ascensor.");

System.out.println("3) baja
ascensor.");

System.out.println("4) para
todo.");

System.out.println("6) Salir.");

opcion =
Integer.parseInt(w.readLine());

switch(opcion){

case 1 :

pin = 310;

//(int)Math.pow(2,2);

//potencias desde 2 elevado a 0

break;

case 2 :

pin = (int)Math.pow(2,4);

break;

case 3 :

pin = (int)Math.pow(2,2);

try

{

Thread.sleep(3000);

}

catch(InterruptedException e)

{

e.printStackTrace();

}

//pin=0;

break;

case 4 :

pin = 0;

try

{

Thread.sleep(3200);

}

catch(InterruptedException e)

{

e.printStackTrace();

}

break;

case 5 :

pin = 255; //prender todo

break;

}

lpt1.write(pin);//manda a la
impresora

}while(opcion!=6);

}

}

//———————————-

public static void main(String[]
args)throws IOException

{

new Aplicacion();

}

}

Anexos

Autor:

Domingo