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Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas Fabián Steven Garay Rairán 20101004114 Luis Alberto Caro 20101005076 Santiago Andrés Peña 20101005087 01/06/2013

INFORME 6

IMPRESORA CON MOTORES PASO A PASO OBJETIVO Diseñe y construya un sistema de control que este en capacidad de dibujar 4 figuras geométricas diferentes (cuadrado, triangulo, octágono y circulo), la implementación se realizará con por lo menos un motor paso. El sistema tendrá un teclado que seleccionara la figura a dibujar y el tamaño en centímetros de dicha figura (esto implica que es necesario el uso de un LCD para mostrar la información digitada). Es obligatorio el uso del PLL en esta práctica para hacer funcionar el micro controlador, esto no implica que cuando se realicen aplicaciones con motores pasos el PLL deba ser utilizado.

TABLA DE CONTENIDO Contenido INTRODUCCION ____________________________________________________ ¡Error! Marcador no definido. MOTOR PASO A PASO _________________________________________________________________________________ 4 SECUENCIA PARA MANEJAR MOTORES PASO A PASO _____________________________________________ 7 UNA REFERENCIA IMPORTANTE ________________________________ ¡Error! Marcador no definido.2 ANALISIS DEL PROBLEMA___________________________________________________________________________ 15 MODELAMIENTO _____________________________________________________________________________________ 16 CONCLUSION _________________________________________________________________________________________ 18 BIBLIOGRAFIA ________________________________________________________________________________________ 18 ANEXOS _______________________________________________________________________________________________ 20

IMPRESORA MOTORES PASO A PASO INTRODUCCIÓN Phase Lock Loop (PLL), Oscilador por enganche de fase. Genera la frecuencia de reloj base para el micro controlador. Utiliza un oscilador a cristal de baja frecuencia para producir frecuencias de reloj mas altas. La salida es usada por el “System Integration Module” SIM. El PLL consiste de:  Oscilador Controlado por Tension de ancho de banda programable (VCO).  Modulo divisor de frecuencia del VCO programable.  Detector de fase.  Filtro de Lazo.  Detector de Enclavamiento. CGMVCLK es la salida del modulo PLL Es el exacto multiplo entero de CGMXCLK, 4 X de la frecuencia interna del Bus (si es seleccionada). Opera en Modo “Adquisicion” o Modo “Tracking”. VCO programable: Genera la senal CGMVCLK basado en:  Divisor de frecuencia Divide frecuencia produciendo “clocks” mas rapidos Los bits de seleccion de multiplicacion controlan division de frecuencia.

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IMPRESORA MOTORES PASO A PASO  Detector de Fase Compara CGMXCLK y la salida del divisor de frecuencia Detecta errores de fase Genera pulso de correccion  Filtro de Lazo Convierte el pulso de correccion del detector de fase en tension de correccion para el VCO.  Ancho de Banda programable mejora la inmunidad al ruido Los Bits de rango del VCO determinan los límites del Ancho de Banda. MOTOR PASO A PASO (STEPPER MOTOR) El principio de funcionamiento de un motor paso a paso (stepper motor) puede ser facilmente explicado si se tiene en mente las leyes de atraccion y repulsion de los polos magneticos. En la Figura siguiente se observa que el iman esta obligado a girar (se supone que el iman esta fijo en su centro y solo le es permitido girar) debido a que los polos de los electroimanes tienen una orientacion tal que producen fuerzas de repulsion a los del iman. Si se cambia la polaridad de los electroimanes de una forma apropiada, se puede lograr que el iman gire permanentemente. Sin embargo, cada vez que se cambie la polaridad se obligara al rotar a girar 180°. Esto significa que para lograr que gire en un solo sentido es necesario hacer uso de la inercia del rotor.

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Si se observa la siguiente Figura, se ve que teniendo cuatro (4) electroimanes, colocados en la forma mostrada, y polarizando apropiadamente cada uno de ellos, se logran tener giros de 90°. Es decir, si se aumenta el numero de polos, el angulo de giro es menor. Pero, adicionalmente, se puede tener una polarizacion tal que el iman solo gire 45° (o medio paso) como se muestra en la parte b de la Figura. Si se tiene un motor de tres bobinas, cada una con cuatro polos, el motor esta constituido de 12 polos (3x4). El angulo de desplazamiento por paso del motor es de 360°/12=30°, pero si el rotor puede posicionarse entre dos polos del estator, el angulo sera 15°. En conclusion, el numero de polos del motor determina el angulo de giro por paso.

Otro aspecto importante del motor paso a paso es que no requiere de control en "lazo cerrado" para saber en que posicion esta. Lo

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IMPRESORA MOTORES PASO A PASO unico importante es tener un estado inicial (o de posicion cero) que puede servir posteriormente para verificar su correcta posicion. (Este es el caso del sistema de desplazamiento de la cabeza de una impresora; el circuito solo detecta la posicion del extremo izquierdo y contando el numero de pasos sabe cuantos centímetros se ha desplazado.) Ademas como el usuario del motor puede definir el sentido de la corriente que tienen las bobinas del estator, el rotor del motor puede ser desplazado en ambos sentidos. Las senales de control que deben enviarse a las bobinas del motor paso a paso son pulsos (de corriente o de voltaje) que llevan una secuencia y que tienen una duracion que esta dentro de un rango. MARCO TEORICO MOTORES PASO A PASO (STEPPER MOTORS)

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Basicamente estos motores estan constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto numero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator. Las bobinas son parte del estator y el rotor es un iman permanente. Toda la conmutacion (o excitacion de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador.

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Imagen de un Rotor

Imagen de un estator de 4 bobinas

Existen dos tipos de motores paso a paso de iman permanente:

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Bipolar Estos tiene generalmente cuatro cables de salida (ver figura 1). Necesitan ciertos trucos para ser controlados, debido a que requieren del cambio de direccion del flujo de corriente

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IMPRESORA MOTORES PASO A PASO a traves de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento. En figura 3 podemos apreciar un ejemplo de control de estos motores mediante el uso de un puente en H (H-Bridge). Como se aprecia, sera 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 3 . El circuito de la figura 3 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 3 bis).

 Unipolar Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado interno (ver figura 2). Este tipo se caracteriza por ser mas simple de controlar. En la figura 4 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

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IMPRESORA MOTORES PASO A PASO 500mA. Las entradas de activacion (Activa A, B , C y D) pueden ser directamente activadas por un micro controlador.

SECUENCIAS PARA MANEJAR MOTORES PASO A PASO BIPOLARES Como se dijo anteriormente, estos motores necesitan la inversion de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada. Cada inversion de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso, cuyo sentido de giro esta determinado por la secuencia seguida. A continuacion se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares: PASO 1 2 3 4

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TERMINALES A B C D +V -V +V -V +V -V -V +V -V +V -V +V -V +V +V -V

IMPRESORA MOTORES PASO A PASO SECUENCIAS PARA MANEJAR MOTORES PASO A PASO UNIPOLARES Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores, las cuales se detallan a continuacion. 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 mas 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 retencion. PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D 1

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A continuacion se puede apreciar la secuencia animada en modo normal:

SECUENCIA DEL TIPO WAVE DRIVE En esta secuencia se 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 retencion es menor. PASO Bobina A Bobina B Bobina C

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A continuacion se puede apreciar la secuencia animada en modo wave drive:

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. PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D 1

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A continuacion se puede apreciar la secuencia animada en modo medio paso:

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Como comentario final, cabe destacar que debido a que los motores paso a paso son dispositivos mecanicos y como tal deben vencer ciertas inercias, el tiempo de duracion 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 proxima 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 ningun movimiento en absoluto. Puede comenzar a vibrar pero sin llegar a girar. Puede girar erraticamente. 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 aumentandola hasta la velocidad deseada sin superar la maxima tolerada. El giro en reversa debería tambien ser realizado previamente bajando la velocidad de giro y luego cambiar el sentido de rotacion. UNA REFERENCIA IMPORTANTE Cuando se trabaja con motores P-P usados o bien nuevos, pero de los cuales no tenemos hojas de datos. Es posible averiguar la distribucion de los cables a los bobinados y el cable comun en un motor de paso unipolar de 5 o 6 cables siguiendo las instrucciones que se detallan a continuacion:

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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 tester para chequear la resistencia entre pares de cables, el cable comun sera el unico 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 volts, pero puede ser mas o menos) y manteniendo uno de los otros cables a masa (GND) mientras vamos poniendo a masa cada uno de los demas cables de forma alternada y observando los resultados.

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IMPRESORA MOTORES PASO A PASO El proceso se puede apreciar en el siguiente cuadro: Seleccionar un cable y conectarlo a masa. Ese sera llamado cable A. Manteniendo el cable A conectado a masa, probar cual de los tres cables restantes provoca un paso en sentido antihorario al ser conectado tambien a masa. Ese sera el cable B. Manteniendo el cable A conectado a masa, probar cual de los dos cables restantes provoca un paso en sentido horario al ser conectado a masa. Ese sera el cable D. El ultimo cable debería ser el cable C. Para comprobarlo, basta con conectarlo a masa, lo que no debería generar movimiento alguno debido a que es la bobina opuesta a la A. 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 identificacion es mas sencilla. Simplemente tomando un tester en modo ohmetro (para medir resistencias), podemos hallar los pares de cables que corresponden a cada

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IMPRESORA MOTORES PASO A PASO bobina, debido a que entre ellos debera haber continuidad (en realidad una resistencia muy baja). Luego solo deberemos averiguar la polaridad de la misma, la cual se obtiene facilmente 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. ANALISIS DEL PROBLEMA Para la construccion de la estructura mecanica, se disenara un CNC muy basico, se usaran 2 motores paso a paso uno para el movimiento en el eje x y el segundo para el eje y; el movimiento del lapiz de la estructura dependera estrictamente del giro de los dos motores paso a paso por medio de dos varillas, que emulan 2 tornillos sinfín conectados directamente al eje del motor.

Figura 1. CNC.

El sistema de control de la impresora estara a cargo del micro controlador MC68HC908AP16, de Freescale, la programacion

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IMPRESORA MOTORES PASO A PASO tendra como punto de partida la cantidad de pasos que debera ejecutar el motor para girar 360 grados, para generar estos movimientos paso a paso, se requiere energizar alternadamente las bobinas del motor. El AP16 sera la herramienta para producir estos pulsos, seguido de una etapa de potencia, que suministrara la corriente necesaria para el funcionamiento adecuado del motor y proteger el micro controlador de posibles danos en los puertos por exceder la corriente maxima que pueden proporcionar. MODELAMIENTO

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IMPRESORA MOTORES PASO A PASO Las rutinas se encargan de encontrar el numero de paso que debe ejecutar el motor para lograr dibujar un lado de la figura de longitud X, para este caso los motores por cada paso ejecutado avanzan 7.5 grados, por lo tanto se requieren 48 pasos para dar una vuelta; ya con este parametro obtenido, resta solo activar los motores paso a paso en sentido horario o anti horario, para lograr movimientos en las 4 sentidos posibles.

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IMPRESORA MOTORES PASO A PASO CONCLUSION  El PLL del micro controlador es una herramienta util y muy valiosa a tener en cuenta a la hora de desarrollar proyecto donde se requieran frecuencias altas, por otro lado el cristal de 32KHz presentaba oscilaciones repentinas debido a ruido externo y de la misma fuente de alimentacion, por consiguiente es conveniente incluir un filtro que elimine el ruido indeseado.  El micro controlador necesita de una etapa externa para poder transmitir las senales digitales necesarias, para el correcto funcionamiento del motor; de lo contrario se podrían ver afectados los puertos utilizados para el control de motor.  Un parametro fundamental es la característica Par-velocidad del motor paso a mayor velocidad el par del motor se reducira, porque es conveniente utilizar el motor a bajas velocidades donde el alcanza el par maximo.

BIBLIOGRAFIA [1]. http://www.todorobot.com.ar/informacion/tutorial%20stepper/stepper-tutorial.htm [2]. Microcontroladores Motorola Freescale, Juan Carlos Vesga; Alfaomega.

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Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas Fabian Steven Garay Rairan 20101004114 Luis Alberto Caro 20101005076 Santiago Andres Pena 20101005087 01/06/2013

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IMPRESORA MOTORES PASO A PASO ANEXOS Se anexa codigo de la practica.

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