UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANÁLOG
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UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANÁLOGA II PRÁCTICA # 8 MOTORES PASO A PASO
OBJETIVO Estudiar las características y funcionamiento de motores paso a paso unipolares, realizando actividades de control mediante microcontroladores como Arduino, adquiriendo así conocimientos sobre un elemento ampliamente utilizado en robótica y que puede ser útil para la realización del proyecto final.
MARCO TEÓRICO En esta práctica se trabajará con motores paso a paso de imanes permanentes. A continuación, se presenta una descripción de las características de un motor paso a paso y su principio de funcionamiento. Los motores paso a paso, al igual que otros motores, se caracterizan por convertir energía eléctrica en energía mecánica, lo que diferencia a los paso a paso o stepper (en inglés) es que son ideales para hacer movimientos de muy alta precisión, pues es posible moverlos un solo paso a la vez y este paso puede variar desde un ángulo de 90° hasta uno de tan solo 0.9°, con lo cual, en el primer caso, para dar una vuelta completa (360°) requiere 4 pasos; y en el segundo caso, requiere de 400 pasos. Otra de sus características es que pueden permanecer enclavados en una posición fija o completamente libres, el primer caso se da si una o varias de sus bobinas están excitadas y el segundo si ninguna lo está. Una bobina estará excitada si por ella circula corriente. Principio de Funcionamiento Un motor PAP tiene dos partes fundamentales: el rotor y el estator. En el rotor se encuentran uno o varios imanes permanentes y en el estator varias bobinas, las cuales son excitadas externamente para generar el movimiento. Cuando por una bobina circula corriente, se genera un campo electromagnético y el imán del rotor reorienta sus polos norte – sur con los sur – norte del campo generado por la bobina, esto lo hace hasta llegar a un punto de equilibrio. Si se sigue excitando la misma bobina, el motor queda enclavado a una posición, pero si se excitan otras bobinas, el rotor se moverá, buscando el equilibrio.
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Hay dos tipos de motores PAP de imanes permanentes: unipolares y bipolares. Bipolares: Estos motores tienen dos bobinas y cuatro cables de salida. Para su control se requiere del cambio del flujo de corriente por sus bobinas, por lo cual es necesario emplear un puente H por cada una. Lograr una secuencia correcta de este tipo de motores es más complicado que los unipolares.
Unipolares: Estos motores tienen cuatro bobinas y por ello, cinco o seis cables de salida, dependiendo de su conexión interna (5 si tiene unidos internamente los dos comunes o 6 si no). Estos motores son más simples de controlar. Para controlarlo, se requiere de un microcontrolador y un driver de potencia. Para esta práctica se recomienda emplear el ULN2803. Para controlar estos motores existen tres secuencias posibles: excitando dos bobinas a la vez, lo cual da mayor torque; excitando una bobina a la vez y la secuencia de medio paso.
Secuencia normal: Se excitan las bobinas en orden, una vez ejecutado el paso 4, sigue el paso 1 (12341234…). Para invertir el sentido de giro, se invierte la ejecución de la secuencia (43214321…).
Fig.3: Secuencia normal. Tomada de: http://bit.ly/1Q7lrqq
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Secuencia de una sola bobina: Se excitan las bobinas en orden, una vez ejecutado el paso 4, sigue el paso 1 (12341234…). Para invertir el sentido de giro, se invierte la ejecución de la secuencia (43214321…).
Fig. 4: Secuencia una bobina. Tomado de: http://bit.ly/1Q7lrqq
Secuencia de medio paso: Esta secuencia es una combinación de las dos anteriores, en cada paso se da medio paso real. Se excitan las bobinas de la misma manera que en los casos anteriores.
Fig. 5: Secuencia medio paso. Tomado de: http://bit.ly/1Q7lrqq
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Identificación de cables Para que el motor pueda ejecutar adecuadamente alguna de las secuencias presentadas anteriormente, se requiere identificar el orden de las bobinas (A, B, C, D) y el común. A continuación, se presentan los pasos a seguir para hacerlo: 1. Identificar el común: para esto se debe tener en cuenta si el motor es de 5 o 6 cables. Si es de 5, se mide la resistencia entre todos los cables, el que da aproximadamente la mitad de la resistencia con todos los demás, es el común. Si es de 6, normalmente los comunes son del mismo color, en caso de que no, se hace lo mismo que para 5, pero teniendo en cuenta que en este caso la resistencia da la mitad solo con un par de cables. 2. Si el motor tiene 6 cables, una los dos comunes. 3. Conectar a VCC (5 a 12V, según el motor) el común. 4. Definir un cable como la bobina A y llevarlo a tierra. 5. Probar con cuál de los otros cables el motor da un paso en sentido anti horario, esa es la bobina B. 6. Dejar solo la bobina A a tierra y probar con qué cable el motor da un paso en sentido horario, esta será la bobina D. 7. Por descarte, la bobina restante será la C.
Frecuencia y Velocidad Los motores paso a paso son máquinas mecánicas, por lo cual requieren de un tiempo mínimo para ejecutar cada paso. Si no se respeta ese tiempo y la secuencia de control es muy rápida, lo más posible es que el motor no funcione y presente una de las siguientes fallas: se quede quieto, vibre y no gire, hacer giros erróneos o girar en sentido opuesto al deseado.
PRÁCTICA En esta práctica se trabajará con una tarjeta que ya tiene conectado el motor al driver de control. Su trabajo será tomar los cuatro cables de control (alimentación de las bobinas), identificar el orden de las bobinas y controlarlo desde el Arduino. 1. Identificación de las bobinas del motor (A, B, C, D). Las bobinas corresponden a los colores: COLOR BOBINA PIN ARDUINO (digital) Verde A 2 Azul B 3 Violeta C 4 Gris D 5
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2. Conecte la alimentación para el driver de potencia: Blanco a V+ y Negro a gnd. 3. Corra el programa de Arduino y responda: 3.1 Complete la siguiente tabla: #Pasos Grados 4 0.7 30 5.25 90 15.75 180 31.5 270 47.25 360 63 720 126 3.1.1 ¿Cuál es la precisión del motor? (Ngrados/Npasos) 0.175 3.1.2 Configure esta precisión para su motor.
3.2 Control por grados: complete la siguiente tabla. Grados Error (grados) Error (%) 9 0.075 18 0.15 90 0.05 180 0.1 10 0.025 50 0.125 100 0.075 250 0.1 3.2.1 ¿Cómo se comporta el error según el ángulo ingresado?
3.2.2 ¿Se cumple la precisión del motor definida en el numeral 3.1.1?
3.2.3 Cambie la conexión siguiendo la secuencia (bobina(pin arduino)): A(2), B(3), C(4), D(5)– A(3), B(4), C(5), D(2) – A(4), B(5), C(2), D(3) … y corra para diferentes ángulos o pasos. ¿Qué puede concluir? 2, cambia sentido, mantiene grados 3,
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3.3 Cambio de sentido de giro: hay dos formas para realizarlo: cambiando el orden de excitación de las bobinas en el microcontrolador o cambiando la conexión física de las bobinas. 3.3.1 Mediante software: en la opción de sentido de giro ingrese 1 y realice pruebas como en con diferentes ángulos y pasos. 3.3.2 Mediante Hardware: En la opción de sentido de giro pon 0. Intercambia las bobinas: Ay D, B y C. Prueba con diferentes ángulos o pasos. 3.3.3 ¿Qué puedes concluir de esto?
4. Varíe la frecuencia con la que el motor ejecuta los pasos [1Hz – 150Hz]. En el menú, entre en la opción de frecuencia e ingrese un valor. Luego haga pruebas con diferentes grados o número de pasos. 4.1 ¿Qué cambios observa? velocidad 4.2 ¿A partir de qué frecuencia deja de funcionar el motor? 126 4.3 ¿por qué a esa frecuencia deja de moverse? 4.4 La frecuencia en cuestión es la de excitación de las cuatro bobinas, en todo instante hay una bobina excitada, según esto, ¿cuánto es el tiempo mínimo que tiene que estar excitada una bobina para que el rotor alcance a reaccionar?
5. Configuración de medio paso: Según lo expuesto en la teoría, el motor puede moverse a un paso o medio paso. En el menú seleccione la opción para configurar paso y luego seleccione medio paso. Luego complete la columna tres de la tabla del numeral 3.1. Anote las diferencias halladas.
6. Presente su informe con análisis, resultados y conclusiones.
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BIBLIOGRAFÍA [1] Tutorial sobre motores paso a paso. Todo Robot. Tomado el 22 de febrero de 2016, del sitio: http://www.todorobot.com.ar/tutorial-sobre-motores-paso-a-paso-stepper-motors/ [2] Motores de velocidad gradual o de pasos. Máquinas eléctricas y sistemas de potencia, sexta edición. Theodore Wildi. Pearson Educación. México, 2007.