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MOTORES PASO A PASO (MPaP)

Ing. NORBERTO NOVOA TORRESBogotá D.C., Julio/2010

13/04/23 Ing. Norberto Novoa Torres 2

Motores Paso a Paso (MPaP) Definición Características Partes Descripción Especificaciones Funcionamiento Secuencias para control de

Unipolares Control Tipos de steppers Conexión de las bobinas

Control de steppers Circuitos de drivers

prácticos Drivers para el control: el

ULN2003 Circuitos de drivers

comerciales: L298 Drivers Indexer o controlador Circuito controlador + driver Bibliografía Programas


MPaP (Stepper Motors): Definición

Conversor electromecánico, que transforma la energía eléctrica en mecánica; pero de un modo tan peculiar que constituye en la actualidad una categoría aparte.

Motores en los que podemos controlar el desplazamiento y la velocidad del rotor en función de tensiones que se aplican a las bobinas. Por lo que podemos conseguir control del desplazamiento adelante, atrás y determinado numero de pasos por vuelta.


Características Realiza desplazamientos angulares lo suficientemente

precisos, dependiendo el ángulo de paso (o resolución angular) del tipo de motor. Ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos.

El paso es de: [1.8°.. 90°], ed. [200..4] pasos , para completar un giro completo de 360°.

Se puede mover un paso a la vez por cada pulso que se le aplique.

Habilidad de poder quedar enclavados en una posición, si una o más de sus bobinas está energizada, o bien totalmente libres, si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.

Enfasis MPaP del tipo de imán permanente, los más usados en robótica.


Partes Dos partes principales: un rotor sobre el que van

aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras formando parte del estator(es).

Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) debe ser externamente manejada por un controlador.

El funcionamiento de un MPaP clásicamente siempre se ha comparado a un motor síncrono: un campo magnético rotativo, controlado aquí por un dispositivo electrónico, pone en funcionamiento al rotor.


Descripción Similares a los motores de corriente

continua. Diferencia principal: se usan más para

posicionamiento electromecánico. Otras diferencias:

La conmutación de polos es externa;

Nº polos grande, paso pequeño ->precisión en movimientos

Nº de polos variable (relacionado con nº pasos necesario para completar una vuelta)

Rotor y Estator de 4 Bobinas


Especificaciones

Tensión de operación Resistencia de los arrollamientos Nº de pasos por revolución (o ángulo

de cada paso) Torque o cupla disponible Velocidad máxima de operación Otros: peso, cte. máxima/bobina, etc.

Resolución: número de pasos para completar una vuelta (mayor cantidad de pasos, mayor resolución).

23LNC355 MPaP Bipolar de 200 pasos (1,8º) Alimentación 5V 2A Dimensiones 55x55x50mm eje de 30x6mm


Funcionamiento

2 rodillos excitados: posición estable, S y N, N y S enfrentados.

1 rodillo excitado: posición estable, N y S enfrentados. El rotor giró ½ paso.

2 rodillos excitados: posición estable (similar a la inicial). El rotor giró 1 paso.


Secuencias para control de UnipolaresTodas 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 deben ejecutar las secuencias en modo inverso.


Secuencia Normal


Funcionamiento Secuencia Normal

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.


Secuencia Wave Drive


Funcionamiento Secuencia Wave Drive

Activa solo una bobina a la vez. En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave. La contrapartida es que al estar solo una bobina activada, el torque de paso y retención es menor.


Secuencia Medio Paso


Funcionamiento Secuencia Medio Paso

En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma que brindan un movimiento igual a la mitad del paso real. Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y así sucesivamente. Como vemos en el graf., la secuencia completa consta de 8 movimientos en lugar de 4.


Control

Secuencia de accionamiento 2-2 (2 rodillos consecutivos siempre activos).

Cada fase de esta secuencia avanza el stepper un paso.

Recorriendo la secuencia inversa, gira al revés.


Control

Secuencia de accionamiento1-2 (alternativamente 1 y 2 arrollamientos energizados).

Cada fase avanza el stepper ½ paso.


Tipos de steppers

Existen 3 tipos básicos:

De reluctancia variable De imán permanente Híbridos

Se diferencian por el tipo de construcción (uso o no de imanes permanentes en el rotor y estatores de acero laminado).


Tipos de steppers

No usa imanes permanentes en el rotor

Por eso, se mueve libremente al girarlo

Uso: aplicaciones no industriales que requieren poco torque

Motor de reluctancia variable

Motor de 15 grados por paso


Tipos de steppers

Usualmente tienen 3 (a veces 4) bobinados, con un retorno común. El stepper de la figura tiene 4 “dientes” en el rotor y 6 polos en el estator.

Motor de reluctancia variable


Tipos de steppers

El rotor está compuesto por varios polos (imanes permanentes).

El rotor no tiene “dientes” Tienen baja velocidad y

bajo torque. Bajo costo. Ideales para aplicaciones no

industriales (por ej. impre-soras, scanners, disketeras).

Motor de imán permanente

Motor de 90º por paso con 4 fases (A-D)


Tipos de steppers

Combina las mejores características de los anteriores.

Tienen muchos polos en el rotor (p.ej. 200).

Tienen altas resoluciones (hasta < 1º).

Tienen gran torque. Son más caros. Ideales para aplicaciones

industriales (p.ej. robots).

Motor híbrido


Tipos de steppers

Tienen 5 o 6 terminales, con una derivación en el centro de cada bobina.

Los puntos medios(1 y 2) se conectan a c.c. y los terminales (a y b) a masa alternativamente.

Motores unipolares

• El rotor de la figura es un magneto de 6 polos.

• Cada arrollamiento o bobina está distribuido entre 2 polos en el estator.


Conexión de las bobinas


Tipos de steppers

Similares a unipolares pero sin derivación central en las bobinas.

Es más simple que unipolares, pero el driver es más complejo.

Requiere un “puente H” para alimentar cada bobina con ambas polaridades.

Motores bipolares


Control de steppers

Una unidad de control (no representada) provee las señales necesarias para abrir y cerrar las llaves con la secuencia apropiada para posicionar el motor o hacerlo girar. Puede ser una computadora con soft adecuado.

Circuito de control para un stepper de reluctancia variable

• Se requiere una llave por cada bobina (transistor).

• Como las cargas son inductivas, hay que agregar diodos de “damping” en paralelo para proteger los transistores.


Control de steppers

Como en el caso anterior, cada cuadro representa una llave electrónica.

Circuito de control para steppers unipolares e híbridos

Como la corriente circula en 2 sentidos por cada semibobina, se requieren 2 diodos por cada una.


Control de steppers

Circuito de control para steppers bipolares: puente H

En este tipo de circuitos hay que ser cuidadoso con el control para no cortocircuitar la fuente! (p.ej. al cerrar A y B simultáneamente).

Para evitar cortocircuitar la fuente:


Circuitos de drivers prácticos

• Cada llave es compatible con una entrada TTL.

• Los 5 V para la lógica, incluyendo la del driver open collector 7407 debe estar bien regulada.

• El SK3180 es un Darlington con ganancia de corriente = 1000.

• El IRL540 puede manejar hasta 20 A, soportando tensiones inversas de hasta 100 V.

Para motores unipolares y de reluctancia variable.

El ULN2003, circuito comercial con 7 transistores Darlington con entradas compatibles con TTL, c/u protegido con 2 diodos ( protegen contra tensiones inversas y picos inductivos).


Drivers para el control: el ULN2003

Corriente máxima: 500 mA (sólo se muestran 4 de los 7 transistores).Incluye los diodos de “damping” para proteger al transistor de la cte.

inversa cuando se desconecta la carga inductiva


Circuitos de drivers prácticosPara motores bipolares y puentes H

• Las entradas X e Y pueden controlarse con drivers TTL open collector.

• Conocidos como puente H.

• Para energizar la bobina, sólo con X alto e Y bajo o viceversa.

Para cargas y tensiones pequeñas puede usarse un tri-state TTL tipo LS244 como semipuente.


Circuitos de drivers comerciales

Circuito “puente H” comercial

• El L293 contiene 2 puentes H (puente H dual).

• La versión L293D es igual pero incluye los diodos de protección.

• Permiten manejar steppers bipolares de hasta 1 A por bobina y 36 V.


Circuitos de drivers comerciales: L298

Para cargas mayores (hasta 2 A) puede usarse el L298, también puente H dual.


Circuitos de drivers comerciales: L298

Para corrientes mayores (4 A) pueden conectarse ambos puentes en paralelo:


Drivers

El driver recibe los pulsos de bajo nivel desde el sistema de control (indexer), generando los pasos para mover el motor.

La velocidad y torque depende del flujo de corriente a las bobinas, que está limitada por la inductancia.

Para reducir este efecto, muchos drivers trabajan con mayores tensiones que las del motor.


Indexer o controlador

Provee la cantidad de pasos y dirección de giro al driver. A veces incluye otros parámetros como aceleración,

desaceleración, pasos por segundo. Los basados en microprocesador pueden funcionar stand-alone

o controlados por una computadora vía RS232. En nuestro ejemplo se hace por el pto. paralelo.


Circuito controlador + driver

Mediante el L297 se generan las señales necesarias (paso o semipaso, cantidad de pasos, dirección, etc.).


Bibliografíahttp://eya.swin.net/ www.todorobot.com.ar/proyectos/WWW.MICROPIC.ARRAKIS.COM


Videos circuitos http://www.youtube.com/watch?v=cQPMOP9b720&NR=1 http://www.youtube.com/watch?v=ERkepZb34js http://www.youtube.com/watch?v=uz-N23OMwEE http://www.youtube.com/watch?v=8kVmHMxQNbs comp Log


Videos robots http://www.youtube.com/watch?v=p6u5-cqAsm0&feature=player_embedded http://www.youtube.com/watch?v=idI2z2DlJDM&NR=1&feature=fvwp http://www.youtube.com/watch?v=idI2z2DlJDM&feature=fvw http://www.youtube.com/watch?v=eeX1-TZj6ZA&feature=channel http://www.youtube.com/watch?v=opZxlUggY_I&feature=related http://blog.bricogeek.com/noticias/robotica/video-construccion-de-un-brazo-

robotico/#more


Programa ;MOTOR BIPOLAR LIST P=16F84 LIST C=132 PB_TB EQU 0X06 ;PUERTA B y TRIS B PA_TA EQU 0X05 ;PUERTA A Y TRIS A ESTADO EQU 0X03 ;DIRECCION DE ESTADO TMR0_OPT EQU 0X01 ;REGISTRO DE OPTION INTCON EQU 0X0B ;REGISTRO DE INTERRUPCIONES DELAY1 EQU 0X0D ;VALOR DEL RETRASO1 DELAY2 EQU 0X0C ;VALOR DEL RETRASO2 DELAY3 EQU 0X1C ;VALOR DEL RETRASO3 DELAY4 EQU 0X2C ;VALOR DEL RETRASO3 ORG 0X00 GOTO INICIO ORG 0X05 INICIO BSF ESTADO,5 ;VOY AL BANCO 1 MOVLW 0X07 ;OPTION = 00000111 MOVWF TMR0_OPT MOVLW 0X00 ;PONEMOS A 00000000 INTCON MOVWF INTCON ;SIN INTERRUPCION (ver notas de programa) MOVLW 0X00 ;CARGAMOS LA PUERTA B DE SALIDA MOVWF PB_TB ;PUERTA B = 00000000 MOVLW 0X1F ;PUERTA A = 00011111 MOVWF PA_TA ;CARGAMOS LA PUERTA A COMO ENTRADA BCF ESTADO,5 CLRF PA_TA ;LIMPIAMOS PUERTA A CLRF PB_TB ;LIMPIAMOS PUERTA


Programa PRINC CLRF PB_TB BTFSC PA_TA,0 ;INTERRUPTOR GOTO HORARIO BTFSC PA_TA,1 ;INTERRUPTOR GOTO AHORARIO GOTO PRINC ;VUELTA A RUTINA PARADO MOVLW 0X00 MOVWF PB_TB CALL PAUSA GOTO PRINC HORARIO BTFSC PA_TA,1 ;CARGO RUTINA DE PARADO POR CONDICIÓN DE SEÑAL ALTO-ALTO GOTO PARADO MOVLW 0X0D ;NO CUMPLE ANTERIOR CONDICION, CARGO MOVIMIENTO

HORARIO MOVWF PB_TB CALL PAUSA ;RETRASO MOVLW 0X0F MOVWF PB_TB CALL PAUSA ;RETRASO MOVLW 0X07 MOVWF PB_TB CALL PAUSA ;RETRASO MOVLW 0X05 MOVWF PB_TB CALL PAUSA ;RETRASO


Programa BTFSC PA_TA,1 ;REPITO VIGILANCIA DE INTERRUPTOR DE PARADO GOTO PARADO BTFSC PA_TA,0 ;COMPRUEBO SI INTERRUPTOR HORARIO CUMPLE GOTO HORARIO GOTO PRINC ;VUELVE A RUTINA PRINCIPAL AHORARIO BTFSC PA_TA,0 ;COMPRUEBO CONDICION DE PARADO POR ALTO-ALTO GOTO PARADO MOVLW 0X05 ;BINARIO 00001101 MOVWF PB_TB CALL PAUSA ;RETRASO MOVLW 0X07 ;BINARIO 00000101 MOVWF PB_TB CALL PAUSA ;RETRASO MOVLW 0X0F ;BINARIO 00000111 MOVWF PB_TB CALL PAUSA ;RETRASO MOVLW 0X0D ;BINARIO 00001111 MOVWF PB_TB CALL PAUSA ;RETRASO BTFSC PA_TA,0 ;COMPRUEBO INTERRUPTOR POR SI CUMPLE CONDICION ALTO-

ALTO GOTO PARADO BTFSC PA_TA,1 ;COMPRUEBO SI INTERRUPTOR AHORARIO CUMPLE GOTO AHORARIO GOTO PRINC ;VUYELVE A RUTINA PRINCIPAL


Programa PAUSA MOVLW 0X06 ;SE PUEDE REDUCIR ESTABA 0X06 A 4 PERO

AL RATO EMPIEZA A FALLAR MOVWF DELAY1 PAUSA2 MOVLW 0XFF MOVWF DELAY2 PAUSA1 DECFSZ DELAY2,1 GOTO PAUSA1 DECFSZ DELAY1,1 GOTO PAUSA2 RETURN END


Programa'******************************************************************

****** '* Programa para prueba de funcionamiento de motor paso a paso * '* unipolar de 4 fases con interfaz para puerto paralelo * '* * '* Conexiones: * '* NEGRO ------------ Vdd * '* AMARILLO --------- HP0 * '* ROJO ------------- HP1 * '* Azul ------------- HP2 * '* MARRON ----------- HP3 * '* * '* Pulsador Izquierda ----- Input 0 * '* Pulsador Derecha ------- Input 1 * '* * '* NOTA: Input 2 y 3 se deben conectar directo a GND * '* Se debe poner una resistencia de 2,2K a Vcc(5v) * '* desde Input 0 e Input 1 para hacer de Pull-Up * '* *


ProgramaOUT 888, 0 'inicilizo el puerto CLS PRINT PRINT PRINT "Presione

el pulsador correspondiente" PRINT PRINT PRINT PRINT PRINT "Presione cualquier tecla para salir" DIM status(4) status(1) = 3 'inicializo variables para los pasos status(2) = 6 status(3) = 12 status(4) = 9 paso = 1 inicio: IF INKEY$ = "" THEN GOTO sigue OUT 888, 0 'si preciono una tecla END 'paro el motor y salgo sigue: FOR z = 1 TO 100000 'delay NEXT z botones = INP(889) SELECT CASE botones CASE 152 GOTO inicio 'si no hay pulsadores presionados CASE 144 'boton derecha presionado IF paso = 1 THEN paso = 4 ELSE paso = paso - 1 END IF OUT 888, status(paso) GOTO inicio CASE 136 'boton izquierda presionado IF paso = 4 THEN paso = 1 ELSE paso = paso + 1 END IF OUT 888, status(paso) GOTO inicio CASE 128 'ambos botones presionados GOTO inicio 'lo dejo como esta CASE ELSE GOTO inicio END SELECT GOTO inicio 'vuelvo para empezar a la izq.

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