DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERIA VITORIA - GASTEIZ UNIVERSIDAD DEL PAIS VASCO - EUSKAL HERRIKO UNIBERTSITATEA Ampliación de Sistemas Digitales José Miguel Gil-García Dpto de Electrónica y Telecomunicaciones de Abril 2000
Objetivos Se precisa controlar el sentido, la forma (full o half step) y velocidad de giro de un motor paso a paso. Para ello: - El alumno debe saber programar los temporizadores para que generen una interrupción cada cierto tiempo. - Es necesario saber definir una tabla en memoria de programa así como la forma de leerla. - Se debe conocer la forma de configurar el puerto para que sus pines actúen como entrada o como salida, según convenga. Introducción Los motores paso a paso, al contrario que los motores de continua, no pueden moverse libremente, sino que únicamente pueden situarse en una serie de posiciones. Según el número de posiciones estables que un motor paso a paso pueda tener al dar una vuelta, diremos que tiene x pasos y que a cada paso le corresponde 360º/x grados. Existen motores paso a paso desde 90º por paso (4 pasos) hasta 0.72º (500 pasos). Producen un alto par a bajas velocidades y también cuando no hay movimiento. Es decir, si no giran, mantienen su posición con bastante fuerza. Existen dos tipos de motores paso a paso: los de imán permanente, y los de reluctancia variable. Los primeros no giran tan libremente como los segundos cuando no hay aplicada ninguna tensión. Motores de Reluctancia Variable Los motores de reluctancia variable suelen tener varios devanados con un terminal común. La figura muestra la sección de un motor de reluctancia variable de 30 grados por paso. El rotor tiene 4 dientes y el estátor 6 polos, con cada devanado alrededor de dos polos opuestos. Con el devanado 1 en tensión, el diente X es atraído por los polos de este devanado. Si eliminamos la corriente a través del devanado 1 ponemos en tensión el devanado 2, el rotor girará 30 grados en el sentido de las agujas del reloj hasta que el diente Y se alinee con el polo 2. V-G Dpto. de Electrónica y Telecomunicaciones 1
Fig. 1 Motor de reluctancia variable Para que este motor gire continuamente, aplicamos tensión a los tres devanados en secuencia. Con lógica positiva, en donde 1 significa generar corriente a través del devanado, la siguiente secuencia de control girará el motor tres pasos o un cuarto de vuelta en el sentido de las agujas del reloj. Dev. 1 1 0 0 Dev. 2 0 1 0 Dev. 3 0 0 1 Tabla 1. : Secuencia de pulsos para girar motor de reluctancia variable Motores Unipolares Los motores paso a paso unipolares, tanto de imán permanente como los híbridos con 4 ó 5 devanados, se conectan generalmente como en la Figura 2, con conexión intermedia en cada devanado. Éste se conecta al positivo de la fuente, y cada terminal del devanado es llevado a masa alternativamente para cambiar la dirección del campo proporcionado por estos devanados. El motor de la figura es uno de imán permanente o híbrido de 30 grados por paso. El devanado 1 se coloca entre la parte alta y baja del estátor, y el devanado 2 entre la parte izquierda y derecha de la figura. El rotor es de imán permanente con 6 polos, 3 nortes y 3 sur. Fig 2. Motor paso a paso unipolar V-G Dpto. de Electrónica y Telecomunicaciones 2
Para hacer girar el motor de manera continua, aplicamos tensión a los devanados en secuencia: Dev. 1a 1 0 0 0 Dev. 1b 0 0 1 0 Dev. 2a 0 1 0 0 Dev. 2b 0 0 0 1 Tabla 2. Secuencia de pulsos para girar motor unipolar Se aprecia que las dos mitades de cada devanado nunca están en tensión a la vez. La siguiente secuencia girará el motor de igual forma. Sin embargo, hay momentos en los que hay dos devanados en tensión, por tanto produce mayor consumo y también proporciona mayor par al eje del motor. Dev. 1a 1 1 0 0 Dev. 1b 0 0 1 1 Dev. 2a 0 1 1 0 Dev. 2b 1 0 0 1 Tabla 3: Secuencia de pulsos para girar motor unipolar con mayor par. Si se combinan las anteriores secuencias, tendremos el funcionamiento del motor a medio paso: Dev. 1ª 1 1 0 0 0 0 0 1 Dev. 1b 0 0 0 1 1 1 0 0 Dev. 2ª 0 1 1 1 0 0 0 0 Dev. 2b 0 0 0 0 0 1 1 1 Tabla 4: Secuencia de pulsos para girar motor unipolar a medio paso. Motor bipolar Los motores bipolares de imán permanente e híbridos se construyen de igual forma que los unipolares, pero las conexiones de sus devanados son más simples, sin conexión intermedia. El motor propiamente dicho es más simple, pero el circuito que se necesita para invertir la polaridad en cada par de fases es más compleja. Un motor de este tipo es el usado en esta práctica. V-G Dpto. de Electrónica y Telecomunicaciones 3
Fig 3. Motor paso a paso bipolar La secuencia de pulsos de un para controlar un motor bipolar es idéntica a la de un motor unipolar, pero el circuito de control es más complicado ya que los extremos de las bobinas a veces están conectadas a masa y otras veces a alimentación. Por ello es necesario el uso de un puente en H para su control (H Bridge). El L293B es un circuito de ST Microelectronics que implementa 4 bufferes de 1A. para el control de motores de DC. Se pueden controlar 4 motores DC en un cuadrante o 2 motores DC en 2 cuadrantes. Con dos de esos buffers se puede construir un puente en H. Cada uno de esos puentes puede estar habilitado o no, según se desee. Todas las señales de control son compatibles TTL (ver hoja de caracterísitcas del L293B). Un integrado típico para el control unipolar es el ULN2803 que consiste en 8 darlingtons con colector abierto y diodo de protección integrados. Fig. 4 Aplicaciones típicas del L293B. Motores DC y paso a paso bipolares V-G Dpto. de Electrónica y Telecomunicaciones 4
Si la secuencia se efectúa de forma inversa a como se ha descrito, el motor gira en sentido contrario. Se tiene así que para poder controlar el giro de un motor paso a paso es necesario decidir la dirección de giro (horaria o antihoraria) y la forma de giro, paso completo o medio paso (Full o Half step). Estos dos factores determinan la secuencia que debe de aplicarse a las fases del motor. Además, cuanto más rápido se sucedan los pasos, más rápido girará el motor, siempre y cuando no se alcance un límite en que el motor no es capaz de seguir la secuencia y pierde pasos. Existen circuitos comerciales como el L297 (junto con el L298 para la fase de potencia en los bipolares, también de ST Microelectronics, o el LMD18T245 de National Semiconductor que puede controlar un devanado de un motor bipolar) o el SAA1027 que con las dos señales de control (dirección y paso) generan la secuencia correcta. Además de estos, existen integrados más específicos como el TA8435H de Toshiba o el TLE 5250 de Infineon (Siemens) que controlan de forma mucho más precisa el motor (microsteps), así como su corriente. Este tipo de motores son muy usados en aplicaciones donde se necesita saber la posición del rotor del motor en cada momento, como plotters, disqueteras (el motor de la práctica está tomado prestado de una disquetera, ya difunta, la pobre...), impresoras, escáneres... Desarrollo de la práctica 1.- En la práctica es el propio microcontrolador 8051 quien va a reproducir la secuencia deseada, cada 20ms. para mover el motor en un sentido determinado en modo half step. 1.1.- Se va a usar el temporizador cero para generar una interrupción cada 20ms. En que modo debe de programarse el Timer? Cuáles deben ser los valores de recarga de los registros TH0 y TL0? TMOD Valor Timer 1 Timer 0 Hex. GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 TH0 = TL0= 1.2.- La bobina uno está entre los cables rojo y blanco y la bobina dos está entre los cables azul y amarillo. Existen además dos fotodetectores (activos a nivel alto) que detectan el paso de la banda negra del disco acoplado al rotor del motor. Todo está unido al puerto dos del microcontrolador. Qué nivel lógico deben tener los pines a los que están unidas las salidas de V-G Dpto. de Electrónica y Telecomunicaciones 5
los fototransistores? Y los enables de los puentes en H? Rellenar la siguiente tabla con los valores que se deben sacar al puerto. Puerto 2 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 Bobina 1 Sensor Sensor Bobina 2 Enabl. B1 Rojo Blanco Derecho Izquierdo Enabl. B2 Amarillo Azul Valores Hexadecimales Una forma de usar estos valores es colocarlos en una tabla en la memoria de programa. A esta tabla se accede con la instrucción MOVC A, @A+DPTR. El registro de 16 bits DPTR debe contener la dirección donde comienza la tabla y el acumulador debe contener el offset a partir de la dirección de base del DPTR que se quiere leer. Es el equivalente al índice NO 20ms.? de las matrices en los lenguajes de alto nivel. Una vez ejecutada la instrucción el acumulador contiene el byte de la SÍ dirección de memoria de programa de valor DPTR+A. Cada Sacar nuevo paso 20 ms. se incrementa el valor del offset teniendo en cuenta que cuando llegue a 8 debemos volver a hacerlo cero, ya que Incrementar si no DPTR+A apunta fuera de la tabla. El algoritmo básico ptr es el que se describe en la figura adjunta. Una vez realizado se puede complicar para poder controlar el motor tanto en NO ptr = 8 sentido (decrementar o incrementar el índice) como en modo de paso (incremento en dos o solo en una unidad el índice). SÍ Como índice no se puede usar el acumulador, ya que su ptr = 0 contenido es machacado por la instrucción MOVC A, @A+DPTR, por lo que habrá que escoger otro registro. 2.- Una vez conseguido la primera parte de la práctica hay que implementar el diagrama de estados del control del motor. La gráfica siguiente ilustra dicho diagrama de estados. V-G Dpto. de Electrónica y Telecomunicaciones 6
Fig. 2 Máquina de estados para el control de un motor paso a paso Ahora sólo se usará el modo full step (estados 1, 3, 5 y 7). La señal que forzará el cambio de sentido es la activación (a nivel alto) de cualquiera de los fototransistores. Bibliografía - L293B datasheet - http://www.embedded.com/story/oeg20030410s0057 Explicación general de los motores paso a paso, con código de ejemplo para PICs y enlaces a otras páginas. De aquí se han sacado las gráficas de las trasparencias de clase. Entre las notas de aplicación se recomienda la consulta de: - AN235 de SGS-THOMSON (http://eu.st.com/stonline/books/pdf/docs/1679.pdf) en la que se explica el control de un motor paso a paso en sus diferentes formas así como la forma de usar los integrados L297 y L298 para este menester. - AN238 de SGS_THOMSON (HIGH-POWER, DUAL-BRIDGE ICs EASE STEPPER-MOTOR-DRIVE DESIGN) (http://www.st.com/internet/com/technical_resources/technical_lit ERATURE/APPLICATION_NOTE/CD00003775.pdf) Da una visión del control de V-G Dpto. de Electrónica y Telecomunicaciones 7
motores paso a paso, incluyendo, pero presta además especial atención al microcontrolador. - AN460 de SGS-THOMSON (http://eu.st.com/stonline/books/pdf/docs/1675.pdf) sobre los problemas y soluciones que genera el trabajo con motoes paso a paso. Entre los enlaces generales a motores paso a paso se puede destacar http://www.epanorama.net/links/motorcontrol.html#stepper. En este enlace se pueden encotrar referencias a tutoriales, análisis de hardware y técnicas de paso entrero, medio paso y micropaso. Además existen también enlaces a motores AC y DC, así como para servomotores. - http://www.embedded.com/shared/printablearticle.jhtml?articleid=56800129 da una explicación bastante extensa sobre la forma de acelerar y frenar un motor paso a paso. Contiene el código fuente en C para el cálculo de las rampas del motor implamentado en un PIC de la serie 18. - https://www.silabs.com/support%20documents/technicaldocs/an155.pdf. Nota de aplicación AN155 de Silicon Laboratories en la que explica cómo se controlan los diferentes tipos de motores paso a paso, así como repasa los diferentes aspectos a tener en cuenta cuando se diseña un sistema con motores paso a paso (algoritmos, electrónica de potencia, regulador, puerto serie de control ) Revisiones 22.04.03 - Se añade el enlace al artículo de embedded.com y se actualizan las trasparencias con las imágenes de esa página. 31.03.04 05.01.05 - Actualización con el nuevo nombre de la Escuela. - Se actualiza la bibliografía con enlace para calcular las rampas de aceleración y deceleración de los motores paso a paso. 12.11.08 - Se actualiza la bibliografía con enlace a nota de aplicación AN155 de Silabs 24.02.11 - Se actualiza la bibliografía con enlace a nota de aplicación AN238 de SGS- THOMSON V-G Dpto. de Electrónica y Telecomunicaciones 8
Tarjeta del motor paso a paso