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  • 1. MOTORES PASO A PASO (MPaP) Ing. NORBERTO NOVOA TORRES Bogotá D.C., Julio/2010
  • 2. 30/01/15 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
  • 3. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 3 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.
  • 4. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 4 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.
  • 5. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 5 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.
  • 6. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 6 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
  • 7. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 7 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
  • 8. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 8 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.
  • 9. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 9 Secuencias para control de Unipolares  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 deben ejecutar las secuencias en modo inverso.
  • 10. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 10 Secuencia Normal
  • 11. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 11 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.
  • 12. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 12 Secuencia Wave Drive
  • 13. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 13 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.
  • 14. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 14 Secuencia Medio Paso
  • 15. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 15 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.
  • 16. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 16 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.
  • 17. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 17 Control  Secuencia de accionamiento1-2 (alternativamente 1 y 2 arrollamientos energizados).  Cada fase avanza el stepper ½ paso.
  • 18. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 18 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).
  • 19. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 19 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
  • 20. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 20 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
  • 21. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 21 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)
  • 22. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 22 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
  • 23. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 23 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.
  • 24. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 24 Conexión de las bobinas
  • 25. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 25 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
  • 26. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 26 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.
  • 27. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 27 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.
  • 28. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 28 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:
  • 29. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 29 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).
  • 30. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 30 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
  • 31. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 31 Circuitos de drivers prácticos Para 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.
  • 32. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 32 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.
  • 33. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 33 Circuitos de drivers comerciales: L298 Para cargas mayores (hasta 2 A) puede usarse el L298, también puente H dual.
  • 34. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 34 Circuitos de drivers comerciales: L298 Para corrientes mayores (4 A) pueden conectarse ambos puentes en paralelo:
  • 35. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 35 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.
  • 36. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 36 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.
  • 37. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 37 Circuito controlador + driver Mediante el L297 se generan las señales necesarias (paso o semipaso, cantidad de pasos, dirección, etc.).
  • 38. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 38 Bibliografía  http://eya.swin.net/  www.todorobot.com.ar/proyectos/  WWW.MICROPIC.ARRAKIS.COM
  • 39. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 39 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
  • 40. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 40 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
  • 41. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 41 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
  • 42. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 42 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
  • 43. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 43 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
  • 44. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 44 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
  • 45. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 45 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 * '* *
  • 46. 30/01/15 Ing. Norberto Novoa Torres 46 Programa OUT 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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