Tutorial sobre Motores Paso a Paso (Stepper motors)Los motores paso a paso son ideales para la construccin de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos.La caracterstica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90 hasta pequeos movimientos de tan solo 1.8, es decir, que se necesitarn 4 pasos en el primer caso (90) y 200 para el segundo caso (1.8), para completar un giro completo de 360.Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posicin o bien totalmente libres. Si una o ms de sus bobinas est energizada, el motor estar enclavado en la posicin correspondiente y por el contrario quedar completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.En este captulo trataremos solamente los motores P-P del tipo de imn permanente, ya que estos son los mas usados en robtica.Principio de funcionamiento

Bsicamente estos motores estn constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nmero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator.Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imn permanente. Toda la conmutacin (o excitacin de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador.

Imagen del rotor

Imagen de un estator de 4 bobinasExisten dos tipos de motores paso a paso de imn permanente: Bipolar: Estos tiene generalmente cuatro cables de salida (ver figura 1). Necesitan ciertos trucos para ser controlados, debido a que requieren del cambio de direccin del flujo de corriente a travs 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, ser 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 ms 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 500mA. Las entradas de activacin (Activa A, B , C y D) pueden ser directamente activadas por un microcontrolador.

Secuencias para manejar motores paso a paso BipolaresComo se dijo anteriormente, estos motores necesitan la inversin de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada. Cada inversin de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso, cuyo sentido de giro est determinado por la secuencia seguida.A continuacin se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares:PASO TERMINALES

ABCD

1+V-V+V-V

2+V-V-V+V

3-V+V-V+V

4-V+V+V-V

Secuencias para manejar motores paso a paso UnipolaresExisten tres secuencias posibles para este tipo de motores, las cuales se detallan a continuacin. 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 ms 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 retencin.PASOBobina ABobina BBobina CBobina D

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2OFFONONOFF

3OFFOFFONON

4ONOFFOFFON

A continuacin 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 retencin es menor.PASOBobina ABobina BBobina CBobina D

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2OFFONOFFOFF

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4OFFOFFOFFON

A continuacin 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 as sucesivamente. Como vemos en la tabla la secuencia completa consta de 8 movimientos en lugar de 4.PASOBobina ABobina BBobina CBobina D

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7OFFOFFOFFON

8ONOFFOFFON

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

Como comentario final, cabe destacar que debido a que los motores paso a paso son dispositivos mecnicos y como tal deben vencer ciertas inercias, el tiempo de duracin 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 prxima 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 ningn movimiento en absoluto. Puede comenzar a vibrar pero sin llegar a girar. Puede girar errticamente. 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 aumentndola hasta la velocidad deseada sin superar la mxima tolerada. El giro en reversa debera tambin ser realizado previamente bajando la velocidad de giro y luego cambiar el sentido de rotacin.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 distribucin de los cables a los bobinados y el cable comn en un motor de paso unipolar de 5 o 6 cables siguiendo las instrucciones que se detallan a continuacin: 1. Aislando el cable(s) comn que va a la fuente de alimentacin: 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 comn ser el nico que tenga la mitad del valor de la resistencia entre ella y el resto de los cables.Esto es debido a que el cable comn tiene una bobina entre ella y cualquier otro cable, mientras que cada uno de los otros cables tienen dos bobinas entre ellos. De ah la mitad de la resistencia medida en el cable comn.2.Identificando los cables de las bobinas (A, B, C y D): aplicar un voltaje al cable comn (generalmente 12 volts, pero puede ser ms o menos) y manteniendo uno de los otros cables a masa (GND) mientras vamos poniendo a masa cada uno de los dems cables de forma alternada y observando los resultados.El proceso se puede apreciar en el siguiente cuadro:Seleccionar un cable y conectarlo a masa. Ese ser llamado cable A.

Manteniendo el cable A conectado a masa, probar cul de los tres cables restantes provoca un paso en sentido antihorario al ser conectado tambin a masa. Ese ser el cable B.

Manteniendo el cable A conectado a masa, probar cul de los dos cables restantes provoca un paso en sentido horario al ser conectado a masa. Ese ser el cable D.

El ltimo cable debera ser el cable C. Para comprobarlo, basta con conectarlo a masa, lo que no debera 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 identificacin es ms sencilla. Simplemente tomando un tester en modo ohmetro (para medir resistencias), podemos hallar los pares de cables que corresponden a cada bobina, debido a que entre ellos deber haber continuidad (en realidad una resistencia muy baja). Luego solo deberemos averiguar la polaridad de la misma, la cual se obtiene fcilmente probando. Es decir, si conectado de una manera no funciona, simplemente damos vuelta los cables de una de las bobinas y entonces ya debera 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.Para recordar Un motor de paso con 5 cables es casi seguro de 4 fases y unipolar. Un motor de paso con 6 cables tambin puede ser de 4 fases y unipolar, pero con 2 cables comunes para alimentacin. pueden ser del mismo color. Un motor de pasos con solo 4 cables es comnmente bipolar.

Motores PaP o Motores Paso a PasoA diferencia de los Motores-CC que giran a todo lo que dan cuando son conectados a la fuente de alimentacin, los Motores-PaP solamente giran un ngulo determinado, los primeros slo disponen de dos terminales de conexin, mientras los otros pueden tener 4, 5 o 6, segn el tipo de motor que se trate, por otro lado los motores de corriente continua no pueden quedar enclavados en una sola posicin, mientras los motores paso a paso s.

Esas son slo algunas de las diferencias entre ambos tipos de motores, el primer contacto que tuve con uno de estos fue cuando desarm una disketera de esas antiguas de 5 1/4, y la pregunta era "como ponerlo en funcionamiento...?" hasta que encontr muy buena informacin al respecto, y aqu vamos...

Los motores paso a paso son comnmente utilizados en situaciones en que se requiere un cierto grado de precisin, por ejemplo en las disketeras anteriormente mencionada puedes encontrarlo unido al cabezal hacindolo avanzar, retroceder o posicionarse en una determinada regin de datos alojadas en el disket.

El ngulo de giro de estos motores es muy variado pasando desde los 90 hasta los 1.8 e incluso 0.72, cada ngulo de giro, (tambin llamado paso) se efecta enviando un pulso en uno de sus terminales, es decir que por ejemplo en motores que tienen 90 de giro por paso, se requiere 4 pulsos para dar una vuelta completa, mientras que en los de 1,8 necesitas 200 pulsos, y en los otros necesitas 500.

El que tengo aqu a mano tiene un ngulo de giro de 3,6 es decir que necesita 100 pulsos para dar una vuelta completa, esto puede variar segn la forma de control que quieras utilizar.

Los Motores-PaP suelen ser clasificado en dos tipos, segn su diseo y fabricacin pueden ser Bipolares o Unipolares, aqu tienes un par de imgenes que lo diferencian el uno del otro...

Espero que hayas notado la diferencia, bueno, es que mientras los Unipolares disponen de dos bobinas independientes los Bipolares parecieran tener 4 debido al terminal central que es el comn de cada par de bobinas, pues a eso se debe aquello de los 6 cables y que si unes los terminales Com1 y Com2 tienes un terminal comn y 4 terminales de control (es decir 5 cables). Bien, ahora veamos como controlar estos motores...

Motores BipolaresSi tienes la suerte de toparte con uno de estos,(el que tengo yo lo saqu de un disco duro, p) debers identificar los cables 1a, 1b, 2a y 2b, lo cual es muy sencillo, ya que si utilizas un tester puedes medir la resistencia entre cada par de terminales, ya que los extremos 1a y 1b deben tener la misma resistencia que los extremos 2a y 2b, ahora si mides la resistencia en forma cruzada no te marcar nada ya que corresponden a bobinas distintas.

Bien, pasemos ahora a lo ms interesante que es controlar estos motores bipolares.

El tema es que para hacerlo debes invertir las polaridades de los terminales de las bobinas 1 y 2 en una determinada secuencia para lograr un giro a derecha, y en secuencia opuesta para que gire a izquierda, la secuencia sera la que se muestra en esta tabla...

Recuerda que 1a y 1b corresponden a un misma bobina, mientras 2a y 2b corresponden a la otra...

Esto de invertir polaridades ya lo vimos anteriormente, lo que necesitamos ahora es la interfaz para controlar estos motores, ya que en la mayora de los casos se hace a travs de un microcontrolador, o por medio de la PC y como estos entregan muy poca corriente nos la tenemos que arreglar.

Una de las mejores opciones para controlar estos motores es hacer uso del Driver L293B que ya lo mencionamos anteriormente, el circuito en cuestin sera el siguiente...

En el esquema L1 y L2 son las bobinas del motor, los diodos D1 a D8 son para proteger al integrado de las sobretensiones generadas por dichas bobinas, las lneas marcadas en azul corresponden a la tensin de alimentacin de los motores, mientras la marcada en verde a los niveles TTL de control del integrado, los terminales 1 y 9 se unieron para hacer un solo terminal de habilitacin, y finalmente 1a, 1b, 2a y 2b son las entradas de control para la secuencia de las bobinas del motor, este circuito puede servir de base para muchos proyectos, ya sea controlado por PC o por microcontrolador.

De ahora en ms todo se reduce a seleccionar un lenguaje de programacin y empezar a codificar las secuencias segn la tabla anterior.

Ahora vamos por el que sigue...

Motores-PaP - Leccin 2

Motores UnipolaresEstos motores comparado a los anteriores tienen sus ventajas, a pesar de tener mas de 4 cables son ms fciles de controlar, esto se debe a que tienen un terminal comn a ambas bobinas. Una forma de identificar cada uno de los cables es analizar la forma de conexin interna de estos motores.

En la imagen los dos bobinados del motor se encuentran separados, pero ambos tienen un terminal central el cual lo llamaremos comn (Com1, Com2) jeje, esto parece de puertos... ))

Bueno, en fin, la cuestin es que este motor tiene 6 cables, y ahora vamos a ponerle nombre a cada uno de ellos. Con el multmetro en modo ohmetro comenzamos a medir resistencias por todos los cables y para mayor sorpresa solo se obtienen tres valores distintos y que se repiten varias veces... No marca nada 47 ohm 100 ohm

Eso me dio a mi, pero analicmoslo un poco...

100 Ohm es el mayor valor por lo tanto corresponde a los extremos de las bobinas, es decir A-B o bien C-D.

47 Ohm es aproximadamente la mitad de 100, por tanto esa debe ser la resistencia entre el terminal comn y ambos extremos de una bobina, por ejemplo entre A-Com1 o B-Com1, o bien en la otra bobina, C-Com2 o D-Com2.

Lo que queda pendiente es cuando no marca nada, y bueno es que en ese momento se midieron los cables de bobinas distintas.

Ahora suponte que unes los terminales Com1 y Com2, entonces te quedas con un motor de 5 cables

Aqu la resistencia entre cualquier terminal y el comn es la misma y aproximadamente la mitad de la resistencia entre los extremos de las bobinas.

Eso fue para identificar el cable comn, ahora vamos por los otros...

Como unimos los cables comunes de cada bobina los cuatro cables restantes sern A, B, C y D, y esto ya es a lo guapo, conecta el terminal comn al positivo de la fuente de alimentacin, toma uno de los 4 cables que te quedaron, lo bautizas como A y lo mandas a GND y no lo sacas de ah hasta que te lo diga, el motor quedar enclavado en una sola posicin, ahora abre los ojos bien grandes y sostn otro de los tres que te quedaron, presta mucha atencin en esta oportunidad ya que cuando lo conectes a GND el motor dar un primer paso y luego ya le estaremos enseando a caminar jaja...!!!

Aqu pueden ocurrir 3 cosas: Que el motor gire a derecha, lo bautizas como B Que gire a izquierda, lo nombras D Si no pasa nada es C

Si este ltimo cable era B entonces lo desconectas y manteniendo A Conectado buscas D, es decir que gire a izquierda y bueno, C es el que qued libre. ahora si ya estamos listos para comenzar.

Lo que necesitamos ahora es un circuito para manejar este motor, y lo vamos a hacer fcil, mira, te consigues un ULN2003 o un ULN2803, que creo es 4 5 veces ms econmico que el L293B, y es algo as...

Se trata de un array de transistores Drlington capaz de manejar hasta 500mA en sus salidas, slo debes tener en cuenta que las salidas estn invertidas respecto de las entradas, observa el diagrama interno de una de ellas, se puede apreciar que son de colector abierto. Bien, ahora montemos el siguiente circuito...

Y s..., lo pondremos a funcionar con el puerto paralelo, no es que sea miedoso, pero por si las moscas, le puse 4 diodos 1N4148, y a dems un diodo zener de 12v para proteger al integrado, este circuito lo puedes montar en una placa de pruebas, que creo est dems decirlo.

Nos queda saber como ser la secuencia para poner en marcha estos motores.

Antes de comenzar a explicarlo observa un momento el esquema del circuito y podrs darte cuenta, que los bobinados del motor requieren un pulso de seal negativa para ser activados, como el ULN tiene sus salidas invertidas, cada vez que enves un "1" por el pin INn se transformar en "0" a la salida, es decir en el pin OUtn correspondiente.

Bien, ahora s pasemos a lo que sigue...

Motores-PaP - Leccin 3

Secuencia para Motores-PaP UnipolaresEstas secuencias siguen el orden indicado en cada tabla para hacer que el motor gire en un sentido, si se desea que gire en sentido opuesto, slo se debe invertir dicha secuencia.

Bsicamente alcanc a conocer 3 formas de controlar estos motores-PaP, la primera es realizar una secuencia que activa una bobina por pulso...

La verdad es que con esto bastara, pero al trabajar con una sola bobina se pierde un poco el torque del motor.

La otra propuesta es activar las bobinas de a dos, en este caso el campo magntico se duplica, y en consecuencia el motor tiene mayor fuerza de giro y retencin, la secuencia sera la siguiente...

Lo que not con este tipo de secuencia es que los movimientos resultan demasiado bruscos, y encima las bateras no te aguantan mucho tiempo, pero dicen que este es de los ms recomendados.

En estas dos formas de control vistas anteriormente se respetan la cantidad de pasos preestablecidas para cada motor, por ej., si tiene un ngulo de giro de 90, con 4 pasos das una vuelta completa, pero tambin puedes hacerlo con 8 pasos, para lo cual deberas programar la siguiente secuencia.

Esta es una combinacin de las dos anteriores, y conocida como secuencia de medio paso, por si te preguntas que pasa con la fuerza de giro, slo puedo decirte que en este caso es bueno tener en cuenta la inercia del motor cuando este se encuentra en movimiento.

Tambin deberas saber que hay un tiempo determinado para realizar la secuencia en cada uno de los pasos que se debe dar, ya que si la velocidad de los pulsos es demasiado alta, es posible que el motor se vuelva loco y gire en el sentido que se le ocurra, o bien quedarse titubeando en una sola posicin sin saber que demonios hacer, respecto a eso, no queda otra que probar, y ver que pasa...