CONTROL DE MOTORES PASO A PASO MEDIANTE MICROCONTROLADORES(Stepper motor)1 - Introduccin a los MPAP2 - Principio de funcionamiento3 - Tipos de motores- Unipolares- Bipolares4 - Secuencias para manejarMPAP- Tipo paso simple- Tipo paso doble- Tipo medio paso5 - Identificacin de MPAP- Segn el n de hilos (4, 5, 6 u 8)6 -Programa en C7 - Ejemplos prcticos1. INTRODUCCIONQu es un motor paso a paso? Un motor paso a paso, como todo motor, es en esencia un conversorelectromecnico,que transforma energa elctrica en mecnica.Mientras que un motor convencional gira libremente al aplicarle una tensin,el motor paso a paso gira un determinado ngulo de forma incremental(transforma impulsos elctricos en movimientos de giro controlados), lo quele permite realizar desplazamientos angulares fijos muy precisos (puedenvariar desde 1,80 hasta unos 90) Los motores, tanto de corriente continua como de corriente alterna,son muy efectivos en muchas labores cotidianas desde la traccin degrandes trenes hasta el funcionamiento de lavarropas. Pero debido aproblemas tales como la, inercia mecnica o su dificultad para controlar suvelocidad, se desarrollaron otro tipo de motores cuya caractersticaprincipal es la precisin de giro Este tipo de motores son ideales cuando lo que queremos esposicionamiento con un elevado grado de exactitud y/o una muy buenaregulacin de la velocidad. Sus principales aplicaciones se pueden encontrar en robtica,tecnologa aeroespacial, control de discos duros, flexibles, unidades de CD-ROM o de DVD e impresoras, en sistemas informticos, manipulacin yposicionamiento de herramientas y piezas en general. Estn constituidos esencialmente por dos partes: Estator: parte fija construida a base de cavidades en las que van depositadas las bobinas. Rotor: parte mvil construida mediante un imn permanente. Este conjunto va montado sobre un eje soportado por dos cojinetesque le permiten girar libremente. La precisin y repetitividad que presentan esta clase de motores lohabilitan para trabajar en sistemas abiertos sin realimentacin.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Aun basado en el mismo fenmeno que los motores de corrientecontinua, el principio de funcionamiento de los motores paso a paso es mssencillo que cualquier otro tipo de motor elctrico. Los motores elctricos, en general, basan su funcionamiento en lasfuerzas ejercidas por un campo electromagntico y creadas al hacercircular una corriente elctrica a travs de una o varias bobinas. Si dichabobina, generalmente circular y denominada estator, se mantiene en unaposicin mecnica fija y en su interior, bajo la influencia del campoelectromagntico, se coloca otra bobina, llamada rotor, recorrida por unacorriente y capaz de girar sobre su eje. Al excitar el estator, se crearan los polos N-S, provocando lavariacin del campo magntico formado.La respuesta del rotor ser seguir el movimiento de dicho campo (tender abuscas la posicin de equilibrio magntico), es decir, orientar sus polosNORTE-SUR hacia los polos SUR-NORTE del estator, respectivamente.Cuando el rotor alcanza esta posicin de equilibrio, el estator cambia laorientacin de sus polos y se tratar de buscar la nueva posicin deequilibrio. Manteniendo dicha situacin de manera continuada, se conseguirun movimiento giratorio y continuo del rotor, producindose de este modo elgiro del eje del motor, y a la vez la transformacin de una energa elctricaen otra mecnica en forma de movimiento circular. Al nmero de grados que gira el rotor, cuando se efecta un cambiode polaridad en las bobinas del estator, se le denomina "ngulo de paso". Existe la posibilidad de conseguir una rotacin de medio paso con elcontrol electrnico apropiado, aunque el giro se har con menor precisin.Los motores son fabricados para trabajar en un rango de frecuenciasdeterminado por el fabricante, y rebasado dicho rango, provocaremos laprdida de sincronizacin. Los motores paso a paso, se controlan por el cambio de direccin delflujo de corriente a travs de las bobinas que lo forman:controlar el desplazamiento del rotor en funcin de lastensiones que se aplican a las bobinas, con lo que podemos conseguirdesplazamientos alante y atrs.controlar el nmero de pasos por vuelta.controlar la velocidad del motor. Adems estos motores poseen la habilidad de poder quedarenclavados en una posicin (si una o ms de sus bobinas est energizada) obien totalmente libres (si no circula corriente por ninguna de sus bobinas). Segn la construccin de las bobinas del estator, dos tipos de MPAP: Unipolares: se llaman as porque la corriente que circula por losdiferentes bobinados siempre circula en el mismo sentido. Tienen lasbobinas con un arrollamiento nico Bipolares: la corriente que circula por los bobinados cambia desentido en funcin de la tensin que se aplica. por lo que un mismo bobinadopuede tener en uno de sus extremos distinta polaridad (bipolar). Tienen lasbobinas compuestas por dos arrollamientos cada una. Algunos motores tienen los bobinados de tal manera que en funcin depuentes pueden convertirse en unipolares o bipolares. Lo ms importante de un motor es saber el tipo de motor que es, lapotencia, el nmero de pasos, el par de fuerza, la tensin de alimentacin ypoco ms si son motores sencillos.Cmo saber cmo conectar uno de estos motores? Estos motores exteriormente poseen 6 o 5 cables (cuatrocorresponden a cada uno de los extremos de las dos bobinas existentes,mientras que los otros dos corresponden al punto medio de cada una. En elcaso de que el cable restante sea uno, entonces corresponde a estos dosltimos unidos internamente). Una vez localizados dichos cables mediremos la resistencia con unhmetro o un multmetro en ellos. De esta forma localizamos las dos bobinas(los tres cables cuya resistencia entre s sea distinta de infinitocorresponden a una bobina). Podemos decir que tenemos dos grupos de tres cables (A, B y C).Mediremos ahora la resistencia entre A y B, B y C y entre A y C. El paranterior cuya lectura sea ms alta corresponde a los extremos de la bobina,mientras que el restante es el punto medio de la misma.Cul es su secuencia? Para saber la secuencia del motor necesitaremos una fuente detensin contnua del valor caracterstico del motor (5 Voltiosgeneralmente). Conectamos un polo de la misma a los dos cablescorrespondientes al punto medio de cada bobina. Al polo restante loconectamos a uno de los cuatro cables y observamos hacia que lado seproduce el paso. Procedemos igual con los otros, probando en distinto orden,hasta que los cuatro pasos se hayan producido en la misma direccin. Deesta forma ya habremos hallado la secuencia del motor.Pero y para hacerlo funcionar? Para hacer funcionar un motor paso a paso requerimos de un circuitoespecial. De acuerdo al uso que deseemos para el motor podemos utilizar unsimple secuenciador, un microcontrolador, algn puerto del PC, o bienciertos circuitos integrados diseados para tal fin.Paso 1 (a)Paso 2 (b)Paso 3 (c)Paso 4 (d) La Figura intenta ilustrar el modo de funcionamiento de un motorpaso a paso. Suponemos que las bobinas L1 y L2 poseen un ncleo de hierrocapaz de imantarse cuando dichas bobinas sean recorridas por una corrienteelctrica. Por otra parte el imn M puede girar libremente sobre el eje desujecin central.3. TIPOS DE MOTORES PASO A PASO En los motores paso a paso, podemos distinguir 3 tipos desde el puntode vista de su construccin: los de reluctancia variable, los de imnpermanente, y los hbridos.En los de reluctancia variable, su rotor estfabricado por un cilindro de hierro dentado y el estator est formado porbobinas. Este tipo de motor trabaja a mayor velocidad que los de imnpermanente. En los motores tipo imn permanente, su rotor es un imn que poseeuna ranura en toda su longitud y el estator est formado por una serie debobinas enrolladas alrededor de un ncleo o polo. Nosotros nos centraremosen este tipo de motores puesto que son los ms utilizados y ms sencillos deutilizar. Por ltimo, los hbridos, seran una combinacin de los anteriores,logrando un alto rendimiento a una buena velocidad. Una vez vistos los distintos tipos de motores paso a paso desde elpunto de vista fsico, los clasificaremos en funcin de la forma de conexiny excitacin de las bobinas del estator. Existen 2 tipos: unipolares ybipolares.UNIPOLARESLos motores paso a paso unipolares se componen de 4 bobinas. Se denominan as debido a que la corriente que circula por susbobinas lo hace en un mismo sentido, a diferencia de los bipolares. Secomponen de 6 cables externos, dos para cada bobina, y otro para cada parde stas, aunque tambin se pueden ver con 5 cables, compartiendo el dealimentacin para los 2 pares de bobinas. En la figura se muestra un MPAP unipolar con 2 estratores de loscuales cada bobina se encuentra dividida en dos mediante una derivacincentral conectada a un terminal de alimentacin, y del que va a depender elsentido de la corriente de cada bobina.BIPOLARESSe componen de 2 bobinas. Para que el motor funcione, la corriente que circula por las bobinascambia de sentido en funcin de la tensin, de ah el nombre de bipolar,debido a que en los extremos de una misma bobina se pueden tener distintaspolaridades. Otra de las caractersticas que los diferencian de los unipolares sonque estos llevan cuatro conexiones externas, dos para cada bobina .A diferencia de los unipolares que son ms sencillos de utilizar, en losbipolares su dificultad reside en el control de la alimentacin y el cambio depolaridad. 4. SECUENCIAS PARA MANEJARMOTORES PASO A PASO (UNIPOLAR) Existen tres mtodos para el control de este tipo de motores , segnlas secuencias de encendido de bobinas.Las secuencias son las siguientes:PasoABCD1Paso simple:Esta secuencia de pasos esla mas simple de todas yconsiste en activar cadabobina una a una y porseparado, con estasecuencia de encendido debobinas no se obtienemucha fuerza ya que soloes una bobina cada vez laque arrastra y sujeta el rotordel eje del motor1 0 0 020 1 0 030 0 1 040 0 0 1PasoABCD1Paso doble:Con el paso dobleactivamos las bobinas dedos en dos con lo quehacemos un campomagntico mas potente queatraer con mas fuerza yretendr el rotor del motoren el sitio. Los pasostambin sern algo masbruscos debidos a que laaccin del campomagntico es maspoderosa que en lasecuencia anterior.1 1 0 020 1 1 030 0 1 141 0 0 1PasoABCD11 0 0 021 1 0 030 1 0 0Medio Paso:Combinando los dos tipos desecuencias anteriorespodemos hacer moverse almotor en pasos maspequeos y precisos y aspues tenemos el doble depasos de movimiento para elrecorrido total de 360 delmotor.40 1 1 050 0 1 060 0 1 170 0 0 181 0 0 1LA PRACTICA: Unipolar: Para controlar un motor paso a paso unipolar deberemosalimentar el comn del motor con Vcc y conmutaremos con masa en loscables del devanado correspondiente con lo que haremos pasar la corrientepor la bobina del motor adecuada y esta generar un campoelectromagntico que atraer el polo magnetizado del rotor y el eje delmismo girar. Para hacer esto podemos usar transistores montados enconfiguracin Darlington o usar un circuito integrado como el ULN2003 queya los lleva integrados en su interior aunque la corriente que aguanta esteintegrado es baja y si queremos controlar motores mas potentes deberemosmontar nosotros mismos el circuito de control a base de transistores depotencia.El esquema de uso del ULN2003 para un motor unipolar es el siguiente: Las entradas son TTL y se activan a nivel alto, tambin disponen deresistencias de polarizacin internas con lo que no deberemos depreocuparnos de esto y podremos dejar "al aire" las entradas no utilizadas.Las salidas son en colector abierto. Imagen del rotorbobinasImagen de un estator de 4 MPPC . Familia de circuitos integrados controladores de motoresunipolares 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 permitirn controlar el sentido de giro y en que instante el motor debe avanzar un paso. Con el tercer bit podr seleccionar entre precisin 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 realimentacin de limite de corriente defase . Sus dos entradas para comparadores de le facilitaran implementarcontroles de corriente de fase por medio de switching.Las salidas tienen capacidad para entregar una corriente mxima de 100mA, capaces de entregar corriente suficiente para la excitacin de lostransistores de potencia adecuados para las tensiones y corrientes deoperacin del motor paso a paso a controlar.Caractersticas tcnicasCondiciones MximasTensin de alimentacinTensiones de entradaCorriente de salidaTemperatura ambiente con alimentacin0 a +7v.-2.5 a vcc + Vcc+1v100mA-65 a +125 cCondiciones recomendadas de operacin:ParmetroVccTambAncho de pulso minimo de la seal de relojLa entrada de reloj ser valida despus dela subida de la alimentacin a losNivel alto de las entradasNivel bajo de las entradasTensin de salida en altoTensin de salida en bajoCorriente mxima de salida con las salidasdeshabilitadasMin.4.750151002-12.40.510Vcc+10.8Nom.525Max.5.2575vcnsegnsegvvvvmADefinicin de pines:Pin Nombre1234567891011121314151617181920RelojIzq , /derComp1Comp21/2 pasoN.C.N.C.N.C.N.C.GND/habilitacionSal3Sal2N.C.N.C.N.C.N.C.Sal1Sal0VccE/SEEEEEDescripcinCada vez que esta seal pasa de 0 a 1 produce el avance de un paso en elmotor en el sentido determinado por el pin de izq/der.Establece el sentido de giro.Entrada para operacional de control de corriente por switching para lassalidas 0 y 1.Entrada para operacional de control de corriente por switching para lassalidas 2 y 3.En "1" genera una secuencia de control de 1/2 paso, en "0" genera unasecuencia de 4 estados.ESS0v. Tierra.En "0" habilita las salidas del circuito integrado, en "1" las des habilita.Salida de excitacin 3Salida de excitacin 2SSSalida de excitacin 1Salida de excitacin 0+4.75 a +5.25 voltCircuito de aplicacin tpico: La configuracin mas sencilla es la de la del esquema de la figura. Sussalidas atacando directamente a transistores npn para la excitacin de cadabobina del motor paso a paso. los pines de comparacin comp1 y comp2polarizados a tierra para que las salidas se encuentren permanentementehabilitadas. El pin de 1/2 paso polarizado a VCC para que el controladorgenere una salida de paso completo. La entrada izq/der permite definir ladireccin de giro del motor paso a paso, la cual ser validada en el primerpulso presente en la entrada de reloj. Por cada pulso entregado al pin dereloj el motor paso a paso dar un paso.FUNCIONAMIENTO DE MOTORESPASO A PASO (BIPOLAR) Estos motores necesitan la inversin de la corriente que circula ensus bobinas en una secuencia determinada. Cada inversin de la polaridadprovoca el movimiento del eje en un paso, cuyo sentido de giro estdeterminado por la secuencia seguida. A continuacin se puede ver la tabla con la secuencia necesaria paracontrolar motores paso a paso del tipo Bipolares:PASO TERMINALES A B C D1 +V -V +V -V2 +V -V -V +V3 -V +V -V +V4 -V +V +V -VSon ms difciles de construir porque tienen mas bobinas.5. IDENTIFICACINCmo reconocer cada tipo de motor? Cuando trabajamos con motores paso a paso, muchas veces podemosno tener la ficha tcnica del motor y por tanto no saber de que tipo es o decmo lo podemos conectar a un circuito de control. Lo primero que debemos mirar son los hilos que salen del interior delmotor:- Si salen 4 hilos: Tenemos un motor bipolar. Los 4 hilos que salen son losde las bobinas, ya que no tienen toma central. Adems, son de menor tamaoque los unipolares.- Si salen 5,6 u 8 hilos: Tenemos un motor unipolar.- Con 5 hilos: Las bobinas tienen una toma central que las une y que va unidaa la toma de tierra.- Con 6 hilos: Cada bobina tiene su toma central y ambas van unidas a tierra.Cmo la tensin que soportan? Los motores paso a paso, pueden soportar diversas tensiones(9V,12V,15V,etc), pero puede que el circuito de control no lo puedasoportar. Por eso se debe limitar las corrientes de las bobinas con dichocircuito, ya que si las tensiones o la corriente que circulan por el sondemasiado altas, el circuito se daar rpidamente.6. EJEMPLO DE PROGRAMA EN C PARA CONTROLAR UN MOTOR PaPMotor Unipolar de lgica inversa. Con pasos de 90#include // Incluimos librerias necesarias#ifndef MOTP // Si motp no esta definido#define MOTP P1 // Entonces lo definimos y se utilizara para introducir lasecuencia para que haga los pasos. (Solo se usa la parte baja los 4 bitsmenos significativos)#endif#define NPASOS 4 // Npasos es igual a 4#define static unsigned char pasos={0x05,0x09,0x0A,0x06}; // Definimoslos pasos (lo podemos encontrar en la tabla del fabricante)#define R 1 // Definimos R como 1 para dar las vueltas en sentido del reloj#define CR 0 // CR es sentido contrario al reloj.static unsigned char cpaso=0; // Cpaso es la variable que utilizaremos parasaber el paso actual y poder poner el siguiente correctamente.void motpp_off(void) // Esta funcion aplica una mascara que hace que laparte baja de la variable MOTP se ponga a 1s y por lo tanto el motor estaapagado.{MOTP = (MOTP | 0x0F);}void motpp_r(void) // Esta funcion hace que el motor de una vuelta ensentido de las agujas del reloj.{cpaso = (cpaso + 1) % NPASOS; // Ponemos el paso siguiente a efectuar(esta funcion suma 1 ciclicamente, 0+1=1, 1+1=2 2+1=3 3+1=0MOTP = ((MOTP | pasos[cpaso]) & (0xF0 | pasos[cpaso])); // Aplicamos lasmascaras necesarias para conseguir que en la parte baja de motp este lasecuencia del paso[cpaso] (del paso que queremos hacer).}void motpp_cr(void) // Esta funcion hace que el motor de una vuelta ensentido contrario a las agujas del reloj.{cpaso = (cpaso-1) % NPASOS; // Ponemos el paso siguiente a efectuar (estafuncion resta 1 ciclicamente, 3-1=2 2-1=1 1-1=0 0-1=3MOTP = ((MOTP | pasos[cpaso]) & (0xF0 | pasos[cpaso])); // Aplicamos lasmascaras necesarias para conseguir que en la parte baja de motp este lasecuencia del paso[cpaso] (del paso que queremos hacer).}void pasos(unsigned char s, unsigned int t, unsigned int d) // La variable sindica si es en sentido R o CR, la variable t indica cuantos pasos se van a dary la variable d indica el retraso (delay){while (t--) // Este bucle se repetira t veces, con lo cual hara t pasos{if (s) motpp_r(); // Si el sentido es R se ejecuta la function en sentido delas agujas del relojelse motpp_cr();// Si el sentido es CR se ejecuta la function en sentidocontrario a las agujas del relojretardo(d); // Invoca a la function retraso para introducir un retraso entrepaso y paso.}}void retardo (long i) // Introduce un retraso{while (i--); // Ejecuta x veces un while que no hace nada, con lo cualintroduce un retraso.}void main(void){pasos(R,40,500); // Dara 40 pasos con 500 unidades de tiempo (u.t.) deretraso en sentido R.retardo(5000); // Retraso de 5000 unidades de tiempo (u.t.)while(1){pasos(R,200,10); //Sentido R 200 pasos 10 u.t.retardo(5000); // Retraso 5000 u.t.pasos(CR,200,10); //Sentido CR 200 pasos 10 u.t.retardo(5000); // Retraso 5000 u.t.}}7. Aplicaciones de Motores PaPTelescopio: Varios motores paso a paso permitirian que se controlara la latitud ylongitud del telescopio.Robot Con los motores paso a paso podemos hacer que los robots se muevan,si se le pone un sensor podria saber donde estan los obstaculos y como losmotores paso a paso son muy precisos se podria acercar lo maximo posibleantes de bordearlo.Este es un ejemplo de control del moto paso a paso.Webcam En este ejemplo, con los motores paso paso, podemos controlarremotamente la webcam para que grabe en la direccion que queramos. Estoes muy util para las empresas que tiene puesto un sistema de seguridad.Robot con Webcam Si unimos las dos ideas anteriores conseguimos una camara queademas de poder apuntar hacia donde queramos, tiene movilidad en todaslas direcciones. Esto es util para meterlo en sitios donde el hombre nopuede llegar.