Proyecto con microprocesadores

“Control motores (DC, Servo, Paso a paso)”

Integrantes:

Erick M. Díaz A. 07-0286 Danelson Pérez 04-1100

9 de septiembre de 2010Santo Domingo, D.N.

1. Motores de corriente continua (DC)

1.1 Definición

El motor de corriente continua es una máquina que basa su funcionamiento en la conversión de la energía eléctrica en mecánica generalmente mediante el movimiento rotatorio. Para accionar un motor DC solo es necesario aplicar la tensión nominal que éste requiera en sus terminales.

1.2 Funcionamiento

En esencia el funcionamiento de este tipo de motores es la conversión de energía de eléctrica a rotacional. Generalmente al eje del motor se encuentra acoplado algún otro mecanismo de manera que pueda trabajar bajo un movimiento giratorio. Los motores DC tienen dos sentido de giro, que va a depender de cómo estén polarizados en sus terminales, cuando se invierte la polarización así mismo se invierte el giro.

Cuando un conductor por el que fluye una corriente continua es colocado bajo la influencia de un campo magnético, se induce sobre él una fuerza que es perpendicular tanto a las líneas de campo magnético como al sentido del flujo de la corriente. Este magnetismo es producido desde el estator provocando así un movimiento en la parte giratoria del motor.

1.3 Características

Una de las características más conocidas para este tipo de motor, es precisamente su sencillez en el funcionamiento, este motor no puede quedarse enclavado en un ángulo a diferencia de otros tipos de motores. Estos motores giran a máxima velocidad a medida que el voltaje aplicado se lo permite.

La velocidad es proporcional al valor de la tensión media de DC, esto es válido siempre que se mantengan constantes, las condiciones de excitación y el par mecánico resistente. El valor de la tensión media aplicada a las conexiones de la armadura del motor se distribuye fundamentalmente de la forma:

 

U: Tensión media aplicada.

RxI: Caída de tensión debida a la corriente que circula por el inducido.

E: Fuerza contra electromotriz inducida (velocidad).

1.4 Composición

Básicamente el motor cuenta de dos partes fundamentales, un rotor y un estator.

El estator, es el que crea el campo magnético fijo, que se conoce como excitación. En los motores pequeños se consigue con imanes permanentes. Cada vez se construyen imanes más potentes, y como consecuencia aparecen en el mercado motores de excitación permanente, mayores. El rotor, también llamado armadura, lleva las bobinas cuyo campo crea, junto al del estator, el par de fuerzas que le hace girar el eje.

1.5 Control de motores DC

Una de las aplicaciones mas utilizadas en este tipo de motor en la inversión del giro, por lo que presentaremos las principales técnicas para controlar dicha inversión, donde se ve envuelta la velocidad del mismo. Además de la inversión de giro se puede controlar la velocidad a la que gira el motor.

Control de velocidad para motores DC por modulación de ancho de pulso

Concepto clave: Cuando más ancho es el pulso, mayor es la velocidad del motor y viceversa.

R2 Ajusta la frecuencia del oscilador y por lo tanto la velocidad del motor M1. M1 puede ser cualquier motor DC que opere a partir de los 6v y no consuma mas allá de la corrientesoportada por Q1. El voltaje puede ser incrementado conectando un voltaje más elevado directamente al switch S1 en lugar de usar los 6v que alimentan al circuito. (Asegúrese de no exceder el máximo voltaje soportado por Q1) Q1 de la lista de partes (IRF511) puede soportar un máximo de 5 amperes. Se Puede utilizar un IRF620 para manejar un máximo de 6 amperes

Control de inversión de giro

Con Fuente Simétrica o Doble Fuente

    

Con una Fuente Simple

    

Mas abajo presentamos como realizar la inversión de giro hacerlo con una fuente simétrica. Para este caso es necesario podemos utilizar dos transistores complementarios es decir uno PNP y otro NPN, de este modo sólo es necesario una terminal de control, el cual puede tomar valores lógicos "0" y "1", el esquema de conexiones es el que sigue.

Mediante puente H

Cuando se utilizar una fuente de alimentación simple, como alternativa al uso de transistores en esta configuración se utiliza una configuración denominada puente H.

    

Su funcionamiento es de la siguiente manera, tiene dos entradas lógicas Si la entrada A es alta, entonces la salida A también será alta y el motor gira en un sentido. Ahora, si la entrada B es alta, la salida B es alta y el motor gira en sentido contrario. Teniendo en cuenta que las salidas van conectadas a las terminales del motor. Esta configuración puede manejar un motor de 6 a 40 Voltios.

Si las dos entradas son bajas, el motor estará apagado y no existe consumo de potencia alguno. Por el contrario, si las dos entradas son altas, el motor entra en corto pero no sufre daño alguno ya que esto se hace para producir un efecto de frenado del motor. Esto solo se hace por un corto tiempo.

2. Motores Paso a paso (PaP)

2.1 Definición

El motor Paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que significa es que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control. A diferencia de los Motores DC, que giran a la velocidad que la tensión aplicada le permite, los Motores PaP solamente giran un ángulo determinado. A pesar de que pueden ser tanto AC como DC por sus características y para sus aplicaciones en robótica solo estamos considerando el paso a paso DC clasificándose como un tipo especial de motor DC. Generalmente este tipo de motor se utiliza en mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos.

2.2 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. El motor puede tener varias entradas dependiendo del número de bobinas que posea. Al aplicarle voltaje a las bobinas, de manera que se van energizando subsiguientemente, de esa manera girar el motor a traves de ángulos de giro.

2.3 Características

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 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°.

2.4 Clasificación

De acuerdo a las ramificaciones en sus bobinas (diseño) pueden ser:

Bipolar, estos tiene generalmente cuatro cables de salida (dos par cada bobina, asumiendo dos bobinas). En el caso de controlarse con un puente H, es necesario un puente para cada bobina.

Unipolar, estos motores suelen tener 6 cables, debido a que cada bobina tiene una ramificación para un cable común. Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar y son más costosos.

2.5 Control de los motores PaP

De la forma en que están estructurados estos motores, se requieren de medios electrónicos o mecánicos que vallan seleccionando las fases en el orden correspondiente, para así, ir excitando las bobinas y producir el giro de este con un retardo característico entre pulsos. Dependiendo de la cantidad de fases que tenga el motor, estos pueden recibir una cantidad de pulsos por segundo. Por ejemplo, un motor de paso de trabajo forzado solo puede recibir entre 200 y 300 pulsos por segundo, limitando así, la velocidad y la torca que pueden entregar.

A la hora de manejar un paso a paso hay que tomar en cuenta que el hecho de que se aumente el voltaje de alimentación de este, no va a aumentar su velocidad. En el caso de la corriente siempre hay que tomar en cuenta la corriente drenada por cada fase y dependiendo de la actuación por fase ó cuantas fases se excitan al mismo tiempo se generara un drenado de corriente.

Para controlar un motor PaP unipolar se utilizan diferentes medios para lograr el mismo efecto. En el control de los PaP se pueden considerar dos partes constituyentes. La primera es la parte de control, ya sea por micro controladores, interruptores mecánicos, compuertas lógicas, flip-flops combinadas con un reloj o contador que genere los pulsos para excitar las bobinas en el orden adecuado y la otra parte es la de los niveles eléctricos. Se necesita de una configuración que adecue los pulsos y los lleve a un nivel de voltaje y corriente adecuados para trabajar con el motor. Esto se puede lograr con arreglos de resistencias, transistores diodos o con circuitos dedicados para esto como por ejemplo el UCN5804 de Allegro Microsystems que es utilizado para controlar PaP unipolares.

Excitación por medio de transistores

Control utilizando compuertas y flipflops

Para los PaP bipolares se solían utilizar relay para invertir la polaridad de las 2 bobinas. En la actualidad el método de control mas usado es la utilización del controlador SGS-Thompson L297D (puede ser utilizado para controlar motores PaP unipolares). También se le puede añadir un controlador doble puente H, como el L298N.

2.6 Adquisición de motores PaP

Los PaP a diferencia de los motores DC son más difíciles de conseguir y son más costosos. Dentro de los fabricantes de motores PaP se encuentran: Thompson-Airpax, Molon, Haydon, y Superior Electric. Una forma de adquirirlos es ordenándolos de distribuidores como:

http://www.anaheimautomation.com/

http://www.ametektip.com/

http://www.hitecrcd.com/

http://www.pontech.com/

http://www.solutions-cubed.com/Solutions%20Cubed/index.htm

http://www.vantec.com/

O posiblemente sustrayéndolos de equipos como impresoras y escaners.

3. Servo Motores

3.1 Definición

Un Servo es un dispositivo que tiene un eje de rendimiento controlado. Este puede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Con tal de que una señal codificada exista en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje. Cuando la señala codificada cambia, la posición angular de los piñones cambia.

3.2 Funcionamiento

El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro que esta conectado al eje central del servo motor. Este potenciómetro permite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual del servo motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuito chequea que el ángulo no es el correcto, el motor girará en la dirección adecuada hasta llegar al ángulo correcto.

3.3 Características

El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero varía según el fabricante. Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180 grados.

La cantidad de voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que éste necesita viajar. Así, si el eje necesita regresar una distancia grande, el motor regresará a toda velocidad. Si este necesita regresar sólo una pequeña cantidad, el motor correrá a una velocidad más lenta. A esto se le llama control proporcional. En la práctica, se usan servos para posicionar superficies de control como el movimiento de palancas, pequeños ascensores y timones.

3.4 Control de un Servo

Estos motores poseen un cable de control. El cable de control se usa para comunicar el ángulo. El ángulo está determinado por la duración de un pulso que se aplica al alambre de control. Generalmente los servos están configurados para 0 grados en 1ms y 120 grados en 2ms. La longitud del pulso determinará los giros del motor. Un pulso de 1.5 ms., por ejemplo, hará que el motor se torne a la posición de 90 grados (llamado la posición neutra). Si el pulso es mayor de 1.5ms, el eje se acercará a los 180 grados. Naturalmente para observar el comportamiento de los pulsos antes mencionados son necesarios ciertos equipos de laboratorio. La generación de la onda PWM se hace desde un microcontrolador

La tensión de trabajo de los servomotores suele estar comprendida entre los 3 y los 7 Voltios, siendo 5 Voltios la tensión que se utiliza en la mayoría de las aplicaciones fijas donde interviene una fuente de alimentación conectada a la red de energía domiciliaria, y 6 Voltios para los casos de alimentación a baterías.

3.5 ¿Cómo conectar un servo?

Estas conexiones se basan en una normativa de colores donde el Rojo como positivo de la alimentación principal, junto a otro cable que puede ser de color Negro o Marrón que es el negativo de alimentación. Un tercer cable, correspondiente al control de posicionamiento del actuador mecánico, es Amarillo o Blanco.

3.6 La señal de control del servo

Los servomotores se controlan mediante impulsos de ancho variable que deben refrescarse periódicamente. Esto significa que si no se envía la señal de control en el tiempo en el que el servomotor lo necesita, éste a pesar de estar energizado dejará de mantenerse en la posición preestablecida y adoptará cualquier orientación regida por el esfuerzo al que esté sometido.