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Robótica. Febrero-2020

Laboratorio 2: Motores paso a paso Angie Rosseth Valencia Sabogal 1, Jacobo Quintero Alzate 1 1. Estudiante, Ingeniería Biomédica, Universidad Autónoma de Manizales

I.

Introducción

El motor paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares moderados, es decir es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control, este motor presenta las ventajas de tener alta precisión y repetitividad en cuanto al posicionamiento. Se caracteriza porque al aplicarle una secuencia determinada de señales digitales, su eje puede girar en pasos muy precisos en ambos sentidos, horario y antihorario, posicionando este eje con suma sencillez y precisión en la posición que nosotros deseemos, A cada paso le corresponde un ángulo de giro muy preciso que depende de las características constructivas del motor, estos son utilizados en la robótica muy comúnmente por su movimiento angular. Para conseguir el movimiento adecuado del eje motor lo único que necesitamos es un elemento de control que en este caso es una placa arduino, y el software correspondiente a este mismo para la programación, finalmente en este documento se presentara la descripción del desarrollo de la practica y los resultados obtenidos de esta misma, haciendo una comparación entre los tres componentes electrónicos que permiten el control del elemento común correspondiente al motor paso a paso. II.

se conoce como paso (de ahí el nombre de estos actuadores) [1].

Figura 1. Motor paso a paso 28BYJ-48 unipolar.

El motor 28BYJ-48 tiene un paso de 5.625 grados (64 pasos por vuelta usando half-step). El reductor interno tiene una relación de 1/64. Combinados, la precisión total es de 4096 pasos por vuelta, equivalente a un paso de 0.088, que es una precisión muy elevada, se puede ver en la figura 2. [2]

Marco teórico

II-A. Motor paso a paso La principal función requerida por los controladores (drivers) para motores paso a paso (PaP) son el cambio en las secuencias de control, control de la corriente de alimentación y regulación y limitación de la corriente. Todas las señales de la secuencia pueden ser generadas por computadores, microprocesadores o microcontroladores; esto requiere de esfuerzos en programación y su ejecución consumirá tiempo de procesamiento. Existen esencialmente dos tipos de motores PaP: los bipolares y los unipolares. Para generar movimiento en los motores PaP es necesario producir una secuencia, donde cada iteración de dicha secuencia

Figura 2. Reductor interno motor PaP

II-B. Circuito integrado L293D El integrado L293D posee cuatro circuitos para manejar cargas de potencia media, en especial pequeños motores y cargas inductivas, con la capacidad de controlar corriente hasta 600 mA en cada circuito y una tensión entre 4,5 V a 36 V.

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Figura 3. Circuito integrado L293D Figura 5. Módulo integrado ULN2003A.

II-C. Driver L298N Este módulo basado en el chip L298N te permite controlar dos motores de corriente continua o un motor paso a paso bipolar de hasta 2 amperios. [3] El módulo cuenta con todos los componentes necesarios para funcionar sin necesidad de elementos adicionales, entre ellos diodos de protección y un regulador LM7805 que suministra 5V a la parte lógica del integrado L298N. Cuenta con jumpers de selección para habilitar cada una de las salidas del módulo (A y B). La salida A está conformada por OUT1 y OUT2 y la salida B por OUT3 y OUT4. Los pines de habilitación son ENA y ENB respectivamente. [3]

II-E. Tarjeta Arduino 1 Es una placa electrónica basada en el microcontrolador ATmega328. Cuenta con 14 entradas/salidas digitales, de las cuales 6 se pueden utilizar como salidas PWM (Modulación por ancho de pulsos) y otras 6 son entradas analógicas. Además, incluye un resonador cerámico de 16 MHz, un conector USB, un conector de alimentación, una cabecera ICSP y un botón de reseteo. La placa incluye todo lo necesario para que el microcontrolador haga su trabajo, basta conectarla a un ordenador con un cable USB o a la corriente eléctrica a través de un transformador [2].

Figura 6. Arduino Uno. Figura 4. L298N Salidas y terminales

II-D. Control de motor paso a paso con Driver del 28BYJ-48 (ULN2003A) Consiste en un conjunto de 7 pares de transistores en configuración Darlington, con diodo de protección de contracorriente. Cada salida es capaz de manejar 500 mA y hasta 50V en sus salidas.

III.

Materiales

Los materiales usados en la práctica fueron los siguientes: ● ● ● ● ● ● ● ●

Tarjeta Arduino. Puente H L293D. Motor paso a paso 28BYJ-48. Driver L298N. Driver motor paso a paso 28BYJ-48 (ULN2003A). Fuente de poder. Protoboard. Multímetro.

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Cables.

IV.

Metodología

La práctica constó de tres etapas en las cuales el objetivo era el funcionamiento correcto del motor paso a paso por medio de diferentes controladores, para la realización de estas, se usó el motor paso a paso 28BYJ-48 el cual tiene la siguiente secuencia:

Tabla 1. Secuencia motor paso a paso.

Se implemento un código en el software de Arduino para las tres actividades realizadas el cual fue el siguiente:

IV-A. Etapa 1 Control de Motor paso a paso unipolar 28BYJ-48 con L293D Esta etapa constó de la implementación de un circuito integrado el cual fue usado como interfaz de potencia para manejar motores PaP, conectando dos polos en donde iría una carga. Usando el CI L293D, se conecta cada polo a una salida (3,6,11 y 14), las habilitaciones pueden tener valores fijos y las entradas (2,7,10 y 15) tendrán los valores correspondientes de la secuencia, teniendo en cuenta las relaciones entrada-salida: 2-3, 7-6, 10-11 y 15-14). El montaje realizado para esta etapa fue el siguiente:

Figura 7. Montaje etapa 1.

IV-B. Etapa 2 Control de motor paso a paso con Driver del 28BYJ-48 (ULN2003A). Se implementó un módulo integrado ULN2003A para el control del motor paso a paso unipolar 28BYJ-48, el cual tiene una conexión sencilla y fácil de implementar la cual consto de los siguientes pasos:

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1. 2. 3. 4. 5.

6.

Conectar el Pin 2 del arduino en IN1. Conectar Pin 3 del arduino en IN2. Conectar Pin del 4 arduino en IN3. Conectar Pin 5 del arduino en IN4. Se realizó una alimentación de una fuente externa en los pines + y – (entre 5V y 12V). y se debe acoplar GND de la fuente con la de la tarjeta arduino. Conexión del cabezal del motor de paso con el puerto de 4 pines en el módulo ULN2003A.

IV-C. Etapa 3 Control de motor paso a paso con Driver L298N En esta etapa se implementó el puente H o driver L298N para el control del motor paso a paso 28BYJ-48, este driver cuenta con los componentes necesarios para funcionar de una manera correcta como lo son diodos de protección y un regulador LM7805 que suministra 5V a la parte lógica del integrado L298N. Cuenta con jumpers de selección para habilitar cada una de las salidas del módulo (A y B). La salida A está conformada por OUT1 y OUT2 y la salida B por OUT3 y OUT4. Los pines de habilitación son ENA y ENB respectivamente. [3] El esquema de conexión fue el siguiente:

Figura 9. Montaje realizado con driver L298N y motor paso a paso

La conexión de la tarjeta arduino con el driver fue la siguiente: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Conectar Pin 2 del arduino en IN1. Conectar Pin 3 del arduino en IN2. Conectar Pin 4 del arduino en IN3. Conectar Pin 5 del arduino en IN4. La alimentación debe ser de una fuente externa en los pines + y – (entre 5V y 12V). Debe acoplar GND de la fuente con la de la tarjeta arduino. V.

Resultado y discusión

En este apartado se presentarán los resultados obtenidos al realizar la practica de laboratorio propuesta, la cual consto principalmente de tres etapas que tuvo como fin realizar el control y funcionamiento del motor paso a paso implementado distintos componentes electrónicos que son de utilidad al llevar a cabo dicho proceso.

V-A. Etapa 1 Control de Motor paso a paso unipolar 28BYJ-48 con L293D Al llevar a cabo esta primera parte de laboratorio se pudo observar y analizar que, el circuito integrado L293D puede usarse para el control de motores paso a paso, se pudo observar como el motor cumplía las funciones dirigidas mediante el código de arduino, A su vez en este mismo se pueden dar cambios en la velocidad con que el motor realiza su movimiento. Es de destacar que la placa de arduino funciona como microcontrolador, en el cual generó la señal PWM, permitiendo así la variación de la velocidad de giro del motor en la programación. (ver figura 10 y figura 11).

Figura 8. Esquema de conexión driver L298N con motor paso a paso.

Figura 10. Montaje circuito integrado L293D

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Figura 11. Montaje circuito integrado L293D

V-B. Etapa 2 Control de motor paso a paso con Driver del 28BYJ-48 (ULN2003A). En esta segunda etapa de la práctica se utilizó un driver 28BYJ-48 (ULN2003A) con el mismo fin que el anterior que es controlar el motor paso a paso por medio de la placa de arduino, se pudo observar que realiza la misma función que el circuito integrado utilizado en la etapa 1, con este componente electrónico es más fácil realizar las conexiones lo cual se hace mas practico y factible a la hora de la implementación de un motor paso a paso.

Figura 13. Montaje con driver L298N

Para controlar el motor se generó una señal PWM mediante la placa de arduino, se obtuvo el movimiento del motor hacia el sentido que realiza su desplazamiento, también se pudo observar que las conexiones para hacer el correcto funcionamiento del mismo son mucho mas complejos que los anteriores, pero en si su función fue exactamente igual a los de las etapas culminadas. VI. Conclusiones A partir de la práctica realizada y sus diferentes etapas de las cuales contaba pudimos concluir lo siguiente: ●

● Figura 12. Montaje con driver 28BYJ-48 (ULN2003A)

IV-C. Etapa 3 Control de motor paso a paso con Driver L298N En esta tercera y ultima etapa se utilizo un driver L298N para el control del motor paso a paso, ya que este teóricamente permite el control de motores de corriente continua ya sean unipolares y bipolares, así mismo este puente H posee todos los elementos necesarios para funcionar sin elementos adicionales entre diodos de protección y reguladores.

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El montaje con el driver es el más pertinente para el control del motor de paso esto debido a su facilidad de implementación y simpleza en cuanto al volumen de materiales a utilizar y conexiones a realizar. El motor paso a paso permite movimientos precisos de acuerdo con la necesidad que se tenga y son más efectivos en cuanto a movimientos angulares que otros motores. El voltaje de funcionamiento varió en cada etapa. En la etapa 3 fue en la cual más voltaje se aplicó desde la fuente para el funcionamiento del motor PaP. En cuanto a protección la conexión con el puente H brinda mayor protección de componentes y este permite una alimentación de dos formas diferentes gracias al regulador integrado LM7805. Los motores paso a paso son de gran utilidad en la robótica pues bien sus movimientos angulares permiten una mayor confiabilidad para la

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implementación de diferentes movimientos que necesiten de precisión.

Referencias [1] [En línea]. Available: Motor paso a paso. http://robotsargentina.com.ar/didactica/arduinomotor-paso-a-paso28byj-48-y-modulo-uln2003/. [2] [En línea]. Aprendiendo arduino. Available in: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/category/microc ontrolador/ [3] Guía de laboratorio 2, motor paso a paso, Robótica.