I.
INTRODUCCION
Los motores paso a paso son muy
utilizados en ambientes industriales debido a que son ideales para la
construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos, sus
principales aplicaciones se pueden encontrar en robótica, tecnología aerospacial,
control de discos duros, impresoras, manipulación y posicionamiento de
herramientas y piezas en general. Es por esto que nos centraremos inicialmente
en el control manual, (se utilizan dispositivos electrónicos diferentes a un
microcontrolador), en éste informe se explica detalladamente este control; los
bloques funcionales con sus respectivas señales, el modelo circuital, y en
general, el desarrollo paso a paso para llegar finalmente al objetivo
propuesto.
I.
ESTRUCTURA MODULAR DEL HARDWARE
La
señal número 1 corresponde a la salida del oscilador, el cual toma un voltaje
de referencia y mediante un condensador y una resistencia variable genera
pulsos de cierto ancho, de acuerdo al valor de corriente que deje pasar la
resistencia. Esta señal es igual La señal número 2, que corresponde a la señal
de entrada al contador, es la misma señal 1, en la primera fase, ya que la
señal oscilatoria del microcontrolador aún no está presente.
La
señal número 2 es procesada por el contador, de tal forma que genera códigos
binarios como representación del número que cuenta; es decir, cuando cuenta el
uno genera un número binario de 4 bits que corresponde al uno, lo mismo para
dos, y realiza un procedimiento igual para cada numero que cuenta, en nuestro
caso, cuenta hasta 4, ya que el circuito del motor tiene una secuencia de giro
donde solo cambia un bit (una bobina), por cada numero que cuente, que
correspondería a cada bobina del motor.
Las
señales 3, 4, 5 y 6, corresponden a los bits de cada número que cuenta este
dispositivo y serán las señales de entrada al inversor.
Este
elemento es un multiplexor que invierte la señal solo si se indica, es decir,
solo es utilizado para invertir el sentido de giro, la conexión de sus pines es
solo lógica inversa, las entradas en cero son para el sentido de giro normal,
las entradas en uno invierten la señal. En caso de no querer invertir el giro,
la señal pasa como viene del contador.
Estas
señales llegan a la etapa de potencia, con el fin de amplificar la corriente,
de tal forma que puedan energizar las correspondientes bobinas.
La
señal 7 es la señal de control del multiplexor 1, en la primera fase irá
conectada a tierra, ya que las señales de control local son las
correspondientes a la entrada 0. Esta señal es equivalente a la señal 8 y 9,
las cuales controlan los dos multiplexores siguientes, encargados de
encender/apagar y cambiar el sentido de giro, respectivamente.
La
señal 10, desactivará el contador, de tal forma que no le llegue señal al
motor, y la señal 11 enviará una señal para invertir o no la señal. Esta
señales son uno o cero de acuerdo a lo que se requiera.
I. SELECCIÓN DEL CIRCUITO Y FUNCIONAMIENTO
Se aplicará un voltaje DC que será
manipulado por un potenciómetro y a través de un oscilador 40106 conformado por
dos inversores y una red R/C enviará una señal a la entrada de reloj del CD4017
compuesto por un contador Johnson de 5 etapas el cual proporcionará la
secuencia de giro del motor p_p. Los valores de los componentes del
oscilador se elegirán de modo que la frecuencia se pueda ajustar entre ciertos
valores de los que dependerá la velocidad del motor paso a paso, los valores a
tener en cuenta para determinar dicha frecuencia a la que girará el motor es el
periodo, así: 5 ms < T < 1 seg.
Las formulas utilizadas para el cálculo
de los componentes del circuito integrado son:
F = 1/T = 1/(0,8)(R)(C)
La señal del oscilador
llegará al multiplexor de control el cual dejará pasar la señal al contador. La
secuencia de giro generada por el CD4017 irá al 74HC157 (cuatro multiplexores)
para controlar el sentido de giro del motor p_p. Desde un interruptor que irá
conectado como entrada a uno de los multiplexores del segundo bloque se enviará
el sentido de giro (izq/der) del motor que cambiará la señal de control del inversor
de señal, y con otro interruptor que de la misma forma irá conectado a otro
multiplexor del segundo bloque se desactivará el funcionamiento del contador de
tal forma que le llegue o no señal al motor, es decir, encienda o apague. La
secuencia enviada por el segundo 74HC157 la recibirá un driver de potencia
(ULN2003), que amplificará la corriente, y posteriormente la enviará a los
terminales del motor que corresponda.
II. DISEÑO Y CALCULO DE COMPONENTES
Oscilador:
se utilizó un IC40106, 6 inversores tipo smitch trigger. Se tomó como base un
periodo de oscilación entre 5ms y 1s. El procedimiento de cálculo de
componentes se realizó de acuerdo a las fórmulas sugeridas por el fabricante,
así:
F = 1/T = 1/(0,8)(R)(C) C = 4,7 uf
5 ms < T <
1 seg
5ms <
(0,8)(R)(C) < 1 seg
1,3 K ohm <
R < 266 K ohm
Se tomó entonces un
potenciómetro de 50Kohm, para efectos de diseño.
Con estos valores
hallados se implementó el circuito y se comprobó su correcto funcionamiento.
En los demás dispositivos no se utilizan
componentes externos, son solo conexión de las señales de salida de cada
circuito integrado.
Contador: se utilizó un IC
CD4017.
Inversor de señal: solo se utilizó
multiplexor IC74HC157, conectado de tal forma que la secuencia de giro normal
sean las señales que llegan a los pines activos cuando su señal de control sea
cero, y la secuencia invertida sean las señales que llegan a los pines que
activa la señal de control en uno.
Driver de potencia: se utilizó un IC
ULN2005 que proporciona a la salida aproximadamente 500 mA. Esta corriente es
suficiente para energizar las bobinas del motor utilizado.
Multiplexores: los tres multiplexores
adicionales que se utilizaban para el control local o remoto, fueron
reemplazados por un IC 74HC157, el cual tiene en su interior tres
multiplexores.
De ésta forma, el
diagrama de bloques explicado anteriormente tendrá una modificación, después
del oscilador se conectará el multiplexor de control.
III.
JUSTIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS
En el caso del oscilador, se había pensado
inicialmente utilizar un LM555, pero debido a dificultades en la estabilidad,
se decidió utilizar el circuito mencionado anteriormente, el potenciómetro
utilizado en el diseño fue de 100 Kohm, con el fin de no exceder la frecuencia
que soporta el motor en cuanto al multiplexor de las señales de control, se
utilizó porque nos facilitaba el control desde el microcontrolador, ya que se
pide deshabilitar las señales manuales si se hace el control remoto, y
viceversa. Se utilizó el CD4017 como contador, debido a su simplicidad a la
hora de obtener unas salidas consecutivas de un pulso de igual amplitud que el
aplicado a la entrada; para el inversor de señal se decidió utilizar un
multiplexor ya que nos facilitaba la conexión inversa de secuencia, habilitar o
deshabilitar dicha secuencia. Y el driver de potencia se eligió ya que no se
necesita mucha corriente debido a que la impedancia en las bobinas del motor
utilizado son de aproximadamente 160ohm, lo que significa que se necesita cerca
de 30 mA para energizarlas. Si por el contrario tuviera impedancias mucho más
pequeñas se hubiese tenido que utilizar transistores de potencia (TIP’s),
porque la corriente necesaria debería ser más alta.
IV.
PLAN ELECTRICO PIN A PIN
I.
PRUEBAS Y RESPUESTAS
ESPERADAS
Prueba oscilador: para verificar la señal de salida del
oscilador, se tomará la señal, de tal forma que sea observada en el
osciloscopio.
Objetivo: se medirá con el fin de verificar
que la señal cumple con las especificaciones, es decir, al variar el valor del
potenciómetro, debe variar el ancho de la señal.
Señales de salida esperadas:
solo
debe salir una señal oscilatoria.
Formas de la señal: la señal debe ser
cuadrada, con ancho de pulso fijo, mientras sea fijo el valor del
potenciómetro.
Valores límites: el valor mínimo es de
0V, nivel bajo; y el valor máximo es de 5V, nivel alto.
Prueba multiplexor: como el multiplexor
solo deja pasar señales se probará de forma que la señal que llegue al contador
sea la misma que sale del oscilador.
Prueba contador: como se dijo
anteriormente, la señal de entrada del contador, es la misma señal de salida
del oscilador, así que solo se medirá la señal de salida en esta etapa. Como la
salida no es una única señal, y el total de señales no es posible observarlas
en el osciloscopio se probarán con diodos emisores de luz (led), es decir, se
probará la secuencia que debe llegar al motor, con los diodos.
Objetivo: la prueba se realiza con el fin de probar que
todas las señales estén presentes y que la secuencia que provee el contador es
la correcta.
Señales esperadas: los led deben encender
en secuencia, nunca deberá encenderse más de un led al mismo tiempo.
No se tiene una forma
de señal específica, por ende no hay niveles de señal concretos, ni límites.
Prueba inversor de señal: esta prueba se
hará de la misma forma que la anterior. Como lo que se prueba es el sentido de
giro (que la secuencia sea inversa), se revisará que los led enciendan de forma
secuencial en un sentido, y cuando se active, se encenderán en sentido contrario.
Objetivo: se verifica que la
señal esté llegando a los led y que enciendan correctamente en un sentido u
otro, más concretamente, que la secuencia se invierta, ya que es la secuencia
que invertirá el giro del motor.
Señales esperadas: las señales esperadas
deben ser las mismas que en el módulo anterior, y cuando se invierta la señal,
se encenderán de la misma forma pero en sentido contrario.
Igualmente no se tiene
señales con niveles concretos, ni valores máximos y mínimos.
Prueba etapa de potencia: se probará de la
misma manera que las dos etapas anteriores, con las mismas señales esperadas, y
con las respuestas; éstas señales van directamente conectadas al motor.
II.
LISTADO DE ELEMENTOS
·
1 Potenciómetros
de 50KΩ.
·
2 Interruptores.
·
2 Resistencias
de 5KΩ
·
2 Resistencias
de 1.2KΩ
·
1 Capacitores
de 4.7μf
·
1 IC
40106.
·
1 IC
CD4017.
·
2 IC
74HC157.
·
1 IC
ULN2003.
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