MOTORES PASO A PASO - FUNCIONAMIENTO Y CONTROL POR COMPUTADORA

MOTORES PASO A PASO
FUNCIONAMIENTO Y CONTROL POR COMPUTADORA

Hoy en día es casi imposible pensar en aplicaciones de control o de robótica en las que no estén presentes los motores paso a paso. Donde se requieren movimientos precisos, hay un motor paso a paso. Pero ¿Qué diferencia a un motor convencional, ya sea de continua o de alterna? En esta nota explicamos el funcionamiento de estos dispositivos y cómo se realiza su control por medio de una computadora, utilizando una interfaz para puerto paralelo. Cabe aclarar, que en esta misma edición de describe el montaje de un controlador de motores paso a paso, que no requiere de computadora para efectuar el giro en ambos sentidos con aplicación de pulsos externos.

INTRODUCCION

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

En la figura 1 se puede apreciar la imagen de un rotor típico y en la figura 2 el aspecto 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 3). 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 la figura 5A 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 5.

El circuito de la figura 5 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 5B).

UNIPOLAR
Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado interno (ver figura 4). Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar. En la figura 6 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 BIPOLARES

Como se dijo anteriormente, estos motores necesitan la inversión de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada. Cada inversión de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso, cuyo sentido de giro está determinado por la secuencia seguida.

En la figura 7 se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares.

SECUENCIAS PARA MANEJAR MOTORES PASO A PASO UNIPOLARES

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores, las cuales se detallan a continuación. 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.

SECUENCIA NORMAL
Esta 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 (figura 8).

SECUENCIA DEL TIPO WAVE DRIVE
En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez. En algunos motores esto brinda un funcionamiento más suave. La contrapartida es que al estar solo una bobina activada, el torque de paso y retención es menor (figura 9).

SECUENCIA DEL TIPO MEDIO PASO
En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar 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 la tabla la secuencia completa consta de 8 movimientos en lugar de 4 (figura 10).

Como comentario final, cabe destacar que debido a que los motores paso a paso son dispositivos mecánicos y como tal deben vencer ciertas inercias, el tiempo de duración y la frecuencia de los pulsos aplicados es un punto muy importante a tener en cuenta. En tal sentido el motor debe alcanzar el paso antes que la próxima secuencia de pulsos comience. Si la frecuencia de pulsos es muy elevada, el motor puede reaccionar en alguna de las siguientes formas:

Puede que no realice ningún movimiento en absoluto.
Puede comenzar a vibrar pero sin llegar a girar.
Puede girar erráticamente.
O puede llegar a girar en sentido opuesto.

Para obtener un arranque suave y preciso, es recomendable comenzar con una frecuencia de pulso baja y gradualmente ir aumentándola hasta la velocidad deseada sin superar la máxima tolerada. El giro en reversa debería también ser realizado previamente bajando la velocidad de giro y luego cambiar el sentido de rotación.

COMO IDENTIFICAR LOS TERMINALES

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 téster 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 volt, 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 cuadro de la figura 11.

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

IDENTIFICANDO LOS CABLES EN MOTORES P-P BIPOLARES

Para el caso de motores paso a paso bipolares (generalmente de 4 cables de salida), la identificación es más sencilla. Simplemente tomando un téster en modo ohmetro (para medir resistencias), podemos hallar los pares de cables que corresponden a cada bobina, debido a que entre ellos deberá haber continuidad (en realidad una resistencia muy baja). Luego solo deberemos averiguar la polaridad de la misma, la cual se obtiene fácilmente probando. Es decir, si conectado de una manera no funciona, simplemente damos vuelta los cables de una de las bobinas y entonces ya debería funcionar correctamente. Si el sentido de giro es inverso a lo esperado, simplemente se deben invertir las conexiones de ambas bobinas y el H-Bridge.

PARA RECORDAR

Un motor de paso con 5 cables es casi seguro de 4 fases y unipolar.
Un motor de paso con 6 cables también puede ser de 4 fases y unipolar,
pero con 2 cables comunes para alimentación, pueden ser del mismo color.
Un motor de pasos con solo 4 cables es comúnmente bipolar.

CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO DESDE LA PC

El propósito de este proyecto es familiarizarse con el manejo y comportamiento de los motores paso a paso.

Para ello utilizaremos la Interfaz para el puerto paralelo (IPP01) que puede bajar de Internet desde la dirección:

www.todorobot.com.ar/proyectos/ paralelo/paralelo.htm

Si no desea armarla, puede adquirirla en “Todo Robot” (www.todorobot. com.ar) por un precio en Argentina de $119,90.

En la figura 12 se puede ver el diagrama interno y las salidas correspondientes a un clásico motor PP Unipolar. Los cinco cables de salida deben conectarse al puerto de salida High Power de la interfaz para puerto paralelo (HP0 a HP6) de la siguiente manera:

COMUN	Vdd
A	HP0
B	HP1
C	HP2
D	HP3

EJEMPLOS DE OPERACION DESDE QBASIC

Veamos cómo podemos realizar determinadas rutinas para el movimiento del motor desde la PC utilizando la interfaz sugerida:

Haciéndolo girar en ambos sentidos: El mostrado en la figura 13 es un programa realizado en Qbasic y muy fácil de interpretar, en donde podemos ver como se puede hacer rotar el motor una vuelta en un sentido y luego otra en el sentido contrario.

Puede visualizar o bajar directamente el ejecutable, llamado stepper. exe directamente desde la página de TodoRobot.

Agregando dos botones para controlar el giro: en el programa de la figura 14 se ha sofisticado aún más el uso de la interfaz mediante el agregado de dos botones en el puerto de entrada TTL para indicar cuando girar hacia un lado o hacia el otro, o bien permanecer inmóvil hasta tanto no se presione ningún botón.

En la figura 15 se puede apreciar el conexionado de los botones y el motor con la interfaz.

Puede visualizar o bajar directamente el ejecutable, llamado stepper1. exe directamente desde la página de TodoRobot.

El funcionamiento es muy simple. Cuando recién se inicia el programa, el motor se encuentra libre. Luego presionando el pulsador correspondiente, el motor gira hacia uno de los lados. Al dejar de pulsar, el motor se detiene y queda enclavado en esa posición. Solamente se liberará al salir por completo del programa.

Cabe aclarar que la interfase para puerto paralelo (cuya información completa puede bajar de Internet) tiene un circuito como el mostrado en la figura 16 y nos provee 8 salidas TTL, 7 salidas de potencia (500ma) y cuatro entradas TTL. Es importante tener en cuenta que las salidas TTL entregan una tensión de 5V y sólo se les puede exigir un mínimo de corriente, apenas suficiente
para activar un transistor o bien un par de compuertas TTL.

Así mismo las entradas TTL deben ser alimentadas con una tensión máxima de 5V o de lo contrario el chip resultará dañado. Esta tensión se obtiene desde VDD a través del regulador U1 (7805).

Las 7 salidas de potencia no son más que la amplificación mediante un array de transistores Darlington (ULN2003) de las salidas TTL 0 a 6 (la salida 7 no es usada). Este chip puede drenar una corriente máxima de 500ma, lo que es suficiente para activar un LED, un relé y hasta un motor DC de bajo consumo (tipo motor de grabador).

La interfaz es tan sencilla como útil, ya que nos permite realizar todo tipo de pruebas sin la necesidad de usar un microcontrolador. Y de paso nos permite tomar experiencia en el manejo de señales mediante equipos microprocesados.

Podemos por ejemplo, conectar un pequeño robot y tomar datos de sus sensores y analizar las decisiones a tomar mediante un programa hecho en cualquier lenguaje de PC actual.

Recomendamos a todos los lectores que visiten la página de Todo- Robot, a los efectos de conocer más información y saber cuáles son los productos que se comercializan y que permitirán realizar montajes específicos y proyectos generales.

Preparado por la Redacción de Quark
sobre trabajos y monografías de autores varios.