circuito digital para control de motor a pasos
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Circuito digital para control de motor a pasos Instituto Tecnológico de Costa RicaTRANSCRIPT
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA
ESCUELA DE INGENIERIA ELECTROMECÁNICA
Carrera: Ingeniería en Mantenimiento Industrial
Laboratorio de Control Eléctrico
Informe de laboratorio 3
Circuito digital para control de motor a pasos
Profesor: Ing. Ana Lucía Morera
Estudiantes:
Jean Carlo Arrieta Arroyo 201013080
Richard Rodríguez Murillo 201046632
Grupo: 01
Jueves 10 de Abril del 2014
Canadian Engineering Accreditation Board Bureau canadien d’accréditation des programmes
d’ingénierie
Carrera evaluada y acreditada por: CEA
Índice General
1) Introducción.......................................................................................................5
2) Objetivos...........................................................................................................6
3) Marco teórico....................................................................................................7
4) Equipos y materiales.......................................................................................10
5) Procedimiento.................................................................................................11
6) Diseño e implementación................................................................................12
7) Resultados experimentales y discusión..........................................................16
8) Conclusiones...................................................................................................18
9) Bibliografía......................................................................................................19
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Índice de tablas
Tabla 1 Secuencia de paso simple.........................................................................12
Tabla 2 Secuencia de paso simple giro invertido...................................................12
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Índice de figuras
Figura 1 Diseño de circuito con transistores..........................................................11
Figura 2 Generador de ondas................................................................................12
Figura 3 Diseño de circuito con registro de desplazamiento 74194.......................13
Figura 4 Circuito alambrado con registro de desplazamiento 74194.....................14
Figura 5 Circuito alambrado con transistores.........................................................15
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1) Introducción
Dentro del campo de la robótica y la automatización en la industria, se puede
encontrar que es de suma importancia la precisión en el control de elementos
móviles, un fallo de estos y el proceso industrial que se está realizando podría dar
traste a grandes pérdidas y consecuencias negativas para el proceso.
Un ejemplo de aplicación de esto se puede encontrar en líneas de producción en
empresas envasado de alimentos preparados que, requieren de movimientos
automáticos muy definidos para así de esta manera evitar una gran variabilidad.
La precisión de estos movimientos se logra mediante los motores a pasos.
Otros usos importantes de los motores a pasos se encuentran en los campos de
tecnología aeroespacial, control de discos duros, flexibles, unidades de CDROM o
de DVD e impresoras, en sistemas informáticos, manipulación y posicionamiento
de herramientas y piezas en general.
Estos componentes electromecánicos son muy similares en aspecto y
construcción a los motores de corriente directa, pero sus principales diferencias
radican en el modo en que operan y de la forma en que son controlados.
Entonces, debido a la utilidad de los motores a pasos dentro de los procesos de
las industrias, es necesario comprender y analizar los métodos de control que se
tienen a disposición para su control.
En el presente Informe de Laboratorio se exponen y detallan los resultados
alcanzados tras el diseño e implementación de un circuito de control y otro de
potencia para el control de un motor a pasos en la mesa de trabajo del laboratorio.
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2) Objetivos
Diseñar del circuito de control para un motor a pasos a partir de un
desplazador de registros bidireccional.
Diseñar del puente H para la interface de potencia entre el control y el
motor.
Diseñar de puente H a partir de relés de 5 volts.
Implementar con puentes H.
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3) Marco teórico
Un motor de pasos es una maquina eléctrica que convierte impulsos eléctricos en
movimientos angulares discretos. Esto hace que sean significativamente
diferentes de los motores convencionales (como los de corriente directa) ya que
pueden girar a una serie de grados o pasos de una manera muy precisa.
Principales parámetros de un motor de paso:
Par de mantenimiento: Par necesario para que el motor se mantenga en posición
fija, cuando este está energizado.
Par de parada: El par necesario para hacer girar el rotor cuando se encuentra des
energizado (solo motor de imán permanente; el motor de reluctancia variable gira
libremente cuando esta des energizado).
Par de trabajo: Par máximo que el motor puede entregar sin perder el paso.
Pasos por revolución: el número de pasos necesarios para completar una
revolución.
Ángulo de paso: Avance angular por cada paso (generalmente se expresa en
grados).
Frecuencia máxima de trabajo: cantidad máxima de pasos por segundo que el
motor puede efectuar.
Las diferencias con otros tipos de motores son de tipo constructiva, de
aplicaciones y de métodos de control. Aunque están conformados por un estator
hecho de un material altamente ferromagnético y un rotor de imanes permanentes,
carece de un conmutador mecánico para los cambios de polaridad, por lo que
requiere de un medio externo de control para su movimiento.
Se pueden clasificar los motores a pasos según su conexionado de bobinas en el
estator y por su construcción particular. Para el primer criterio de clasificación se
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tienen motores unipolares y bipolares y para el segundo, se tienen motores de
imanes permanentes, de reluctancia variable e híbridos.
Los motores unipolares son lo que tienen las bobinas del estator en serie y
formando 4 grupos. Se les distingue porque tienen entre 5 a 6 alambres de salida.
Por otro lado, los bipolares requieren una alimentación intermedia entre grupos de
bobinas, por lo que tienen 4 alambres externos. Los motores de imán permanente
son los más comunes. Estos tienen un conjunto de imanes pequeños en el rotor,
que son los que alinean el eje según el polo magnético presente en el estator. Los
de reluctancia variable funcionan basados en los cambios de oposición al
establecimiento de campo magnético del material con que está fabricado el rotor.
Los híbridos constituyen una combinación de las características de los otros dos.
El aspecto que más atención requieren estos motores es el del control externo que
permite a estos motores moverse, quedar libres o entrabados en una sola
posición. Se indicó anteriormente que los motores a pasos no tienen un
conmutador mecánico para lograr los cambios de polaridad del voltaje inducido.
Esto ocasiona que el control del motor sea externo.
Este control es comúnmente realizado por transistores, circuitos integrados o
controladores especialmente diseñados para tal propósito. Se requiere además de
un sistema de potencia para unir físicamente estos medios de control con el motor.
Estos medios deben permitir que el motor pueda ser detenido en una posición
específica, sea puesto en marcha y que cambie su dirección de rotación.
Un circuito integrado de mucha utilidad para el control de estos motores es el
integrado 74LS194. Este es un desplazador de registros que facilita los cambios
de dirección de giro y la velocidad de los desplazamientos angulares.
También se puede utilizar otros integrados como el MC3479PG que está diseñado
para el control completo de motores a pasos. Otros medios pueden ser el PIC
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12C508, PIC 18F4450 u otro similar. Para la parte de potencia (donde se realiza la
unión eléctrica del circuito de control con el motor a pasos) se usan circuitos con
transistores de tipo darlington (transistores en consecutivo para alta ganancia de
corriente), relés (interruptores electromagnéticos) o la conexión de puente H
(hecha con transistores).
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4) Equipos y materiales
Fuente de 5 voltios.
ProtoBoard
1 CI 555.
1 desplazador de registros. (CI xx74xx194) o cualquier otro driver.
2 FLIP-FLOP JK CI 7476
4 Transistores
Relés 5 voltios
1 motor a pasos
Resistencias de 270 Ω o 330 Ω, 1000 Ω.
4 Diodos LEDs
2 Capacitor de 1 micro f.
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5) Procedimiento
El procedimiento que se requiere es uno que resuelva el siguiente problema
planteado del control del motor unipolar.
1. Se desea un sistema de control de para motor a pasos que se pueda
realizar lo siguiente:
Arranque y pare del motor mediante botoneras pulsadoras.
Giro hacia la derecha o izquierda mediante botoneras pulsadoras
Circuito implementado con 555 para el control de la velocidad del motor.
Implementar la parte de potencia con relés, ó transistores y puente H
2. Además de lo anterior de lo anterior se desea que se presenten dos
diseños de circuito de control
Circuito 1: con desplazadores de registros o drivers.
Circuito 2: con 4 Flip-Flop J-K Puede utilizar adicionalmente compuertas
lógicas y latches Set-Reset de ser necesario.
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6) Diseño e implementación
Mediante la realización de una investigación se diseñaron dos circuitos para el
control de un motor unipolar. Como primera parte se optó por seleccionar una
secuencia de control de paso simple como se muestra en la tabla 1. Como
requerimiento de la práctica se solicitó la construcción de los circuitos de control,
uno mediante un registro de desplazamiento 74194 y otro mediante Flip Flops. La
práctica también solicita que se realice la parte de potencia mediante transistores
o relés.
Tabla 1 Secuencia de paso simple
A B C D
1 0 0 0
0 1 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1
Tabla 2 Secuencia de paso simple giro invertido
A B C D
0 0 0 1
0 0 1 0
0 1 0 0
1 0 0 0
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Figura 1 Diseño de circuito con Flip Fliops JK
Como se puede apreciar en la figura 1 el circuito se diseñó con flip flop JK,
además se utilizaron compuertas lógicas para insertar condiciones para el control
del motor. La parte de potencia de este circuito fue realizada mediante transistores
npn (2n2222) los cuales son conectados en las salidas del circuito de control, uno
por salida. En este caso los transistores funcionan como interruptores para activar
cada bobina. Para este circuito se diseñó un generador de ondas con frecuencia
de 1 Hz para enviar pulsos al JK tal y como se muestra en la figura 2. El circuito
fue modificado posteriormente agregando un potenciómetro en serie con la
resistencia de 10 k conectada entre la patilla 7 y Vcc con el fin de poder regular la
velocidad. Además realizaron los mapas de Karnaugh para determinar que
componentes debian de ir conectado a las entradas de los Flip-Flops.Para
comprobar su correcto funcionamiento se le coloco al diseño unos leds que debian
de encenderse de izquierda a derecha en caso de presionar el boton “Izquierda”
que indica al motor que tiene que girar hacia su izquierda en caso contrario si se
oprime el botón “Derecha” el motor cambia el sentido de giro.
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Figura 2 Generador de onda cuadrada
El segundo diseño de circuito de control del motor a pasos se muestra en la figura
3. El mismo se implemantó mediante un desplazador de registro 74LS194. Al igual
que el anterior se debio de implemenatar un generador de onda para enviar pulsos
al desplazador de registro. Se le incorporó al igual que el anterior, botones para
cambio de giro dependiendo de la dirección que el usuario quiera hacerlo girar. El
cambio de giro se realiza mediante un latch RS el cual guarda la última selección
del usuario. Además del 74194 tambié se usaron compuertas lógicas. La parte de
potencia para este circuito de control se implementó mediante relés de 5 V.
Debido a la poca potencia que maneja el 74194, fue necesario el uso de
transistores para amplificar la señal que llega desde la salida del circuito de control
hasta las bobinas del relé. Con el diseño de estos, ambos circuitos se probaron
para observar si cumplia con las estipulaciones descrito en el enunciado en el
problema cumpliendo cada una de las restricciones y resolviendo de manera
exitosa el problema planteado.
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Figura 3 Diseño de circuito con registro de desplazamiento 74194
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7) Resultados experimentales y discusión
El primer circuito de diseño implementado fue el circuito con los flip flops JK.
Como se puede apreciar en la imagen siguiente, además de lo que se muestra ahí
se agregó un potenciómetro esto con el fin de poder aumentar el valor de
velocidad de giro del motor (selector de velocidad). Los dos circuito, tanto el del
registro de desplazamiento como el de los cuatro flip-flops, tiene los mismos
botones de control, aunque su funcionamiento interno es diferente. El circuito con
el registro de desplazamiento dispone de cuatro botones pulsadores. El primero es
el botón de arranque que cuando se presiona se carga un 1000 al 74194 el circuito
automáticamente pasa del estado de carga al estado normal de trabajo y empieza
la secuencia de paso simple. Si se presiona de nuevo el botón de arranque de
nuevo, el circuito lo ignora y el motor sigue girando normalmente. El segundo es el
botón de pare con el cual se detiene el giro del motor. Cuando se presiona el
botón de pare se le envía un reset al 74194 y ponen en 0000 todas las salidas. En
este estado el circuito automáticamente deshabilita al 74194 hasta que alguien
presione el botón de arranque. El tercer y cuarto botón se utiliza para cambiar el
sentido de giro del motor. Uno está conectado a la patilla set del latch RS y el otro
a laa patilla reset; entonces si el latch se mantiene en 0, el motor gira hacia
adelante y si la salida del latch es 1, el motor gira en sentido inverso.
Figura 4 Circuito alambrado con registro de desplazamiento 74194 y circuito de potencia con relés.
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El circuito de control realizado mediante los cuatro flip-flops también consta de
cuatro botones pulsadores para su manejo. Cuando se presiona el botón de
arranque se carga un 1 al primer flip-flop, con esto se inicia la secuencia. Además
de esto, se deshabilita el botón de arranque para que no altere el funcionamiento
del circuito durante el giro del motor. El botón de pare envía un reset a todos los
flip-flop quedando todos con un 0. Cuando el circuito está en 0000 los flip-flops no
pueden empezar a contar, y este instante se encuentra habilitado el botón de
arranque para poder producir el cambio al primer flip-flop. Los botones de cambio
giro lo que hacen es una selección de las salidas de los flip-flops. Cuando están
en posición de giro normal, la posición del seleccionador se encuentra en A-A, B-
B,C-C, D-D (la primer letra es la salida del circuito y la segunda letra es el flip-flop)
.En caso de seleccionar el giro en sentido inverso se tiene la siguiente selección
A-D, B-C, C-D, D-A. Con esto la secuencia de control cambia de sentido
obteniendo un cambio de giro en el motor.
Figura 5 Circuito de control con Flip-Flip y circuito de potencia con transistores
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8) Conclusiones
Se logró diseñar el circuito de control para un motor a pasos a partir de un
desplazador de registros 74LS194.
Se implementó un circuito de control para un motor a pasos mediante flip-
flops.
Se diseñó un generador de onda cuadrada de variable para controlar la
velocidad del motor.
Se determinó que el motor utilizado es un motor unipolar debido a la
cantidad de cables que el mismo poseía.
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9) Bibliografía
Floyd, T.(2000). Fundamentos Sistemas Digitales (7 edición). Madrid:
Prentice Hall
Tocci, R & Widner, N. (2003). Sistemas digitales: principios y aplicaciones
(8va. edición).México: Prentice Hall
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