CONTROL DE MOTOR A PASOS Y SERVOMOTOR

Área de Tecnologías de la Información

Programa Académico de Infraestructura de Redes Digitales

Materia: Electrónica para I d C

Título: Control del Motor a Pasos y Servomotor

Profesor(a): Mario Cruz Alcaraz

Alumno(a): García López David Alessandro Hernández Guzmán Alfonso Porras Noriega Fátima Abigail Rodríguez Hernández Braulio Arturo

Grupo: IRD-401

León, Guanajuato. 23 de octubre de 2019

INTRODUCCIÓN

El documento presente explicará la teoría y las distintas aplicaciones de un motor a pasos y de un servomotor respectivamente.

Siendo el motor a pasos un dispositivo electromecánico que convierte una serie de pulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, es decir, capaz de girar una cantidad de grados dependiendo de sus entradas de control.

Y el servomotor, un tipo de motor que permite controlar la posición del eje en un momento dado, éste es un alto rendimiento de un motor paso a paso.

Presentaremos el esquema de los motores y la manera de configurarlos a la tarjeta de Arduino, además de su funcionamiento e importancia en la vida actual. Finalmente veremos también las distintas aplicaciones para desarrollar proyectos con estos motores y sus ejemplos.

DESARROLLO

MOTOR A PASOS ¿Qué es?

El motor a pasos es muy utilizado en la actualidad para el desarrollo de mecanismos que requieren de una alta precisión.

Este tipo de motor posee cualidades especiales por el hecho de poderlo mover desde un paso hasta una secuencia interminable de pasos dependiendo de la cantidad de pulsos que se le aplique. Este paso puede ir desde pequeños movimientos de 1.8° hasta 90°.

Es por eso, que este tipo de motor es muy utilizado, ya que puede moverse a deseo del usuario según la secuencia que se le indique a través de un microcontrolador o un driver.

Existen básicamente 3 tipos de motores de pasos: de reluctancia variable (VR), imán

permanente (PM), e híbridos (HM). Estos difieren entre sí por las características de construcción basada en el uso de imanes permanentes y/o rotores de hierro con estatores de acero laminado.

Tipos: •

Motores de reluctancia variable: El motor de pasos VR consiste en un rotor dentado de acero suave y un estator embobinado; no utiliza imanes permanentes y como resultado, el motor se puede mover libremente sin percepción de detención si el motor está apagado.

Cuando las bobinas del estator son energizadas con corriente directa (DC) los polos se magnetizan y la rotación ocurre debido a que los dientes del rotor son atraídos hacia los polos del estator.

•

Motor de imán permanente: El motor PM presenta, como su nombre lo indica, imanes permanentes que conforman el rotor. Es relativamente para baja velocidad y con grandes

ángulos

de

paso;

su

simple

construcción y bajo costo lo hacen ideal para aplicaciones no industriales como posicionamiento de giro en una impresora. A diferencia de los otros tipos de motores de pasos, el motor PM no presenta dientes en el rotor y en su lugar se encuentra alternado con polos Norte-Sur magnéticos situados en línea paralela con el eje.

Estos polos magnéticos proveen un incremento en la intensidad de flujo magnético, por lo que se mejora el desempeño del torque al compararse con los motores VR .

•

Motor híbrido: El motor HM combina lo mejor de las características de los motores VR y PM. Su construcción consiste en multi-dentación en los polos del estator e imanes magnéticos en el rotor. Los dientes del rotor ayudan a una mejor orientación del campo magnético lo que incrementa las características dinámicas cuando se compara con los motores VR y PM. Aunque tiene un mayor costo, también provee un mejor desempeño en velocidad y resolución.

Los motores más comunes de HM presentan 200 dientes en el rotor y realizan pasos angulares de 1.8 grados. Otro tipo de motores HM están disponibles en configuraciones de 0.9 y 3.6 grados. Debido a que estos motores poseen alto torque estático y dinámico, funcionan muy bien a altas velocidades y son utilizados en una infinidad de aplicaciones industriales.

•

Unipolares: Los motores unipolares son llamados así porque, al tener un doble arrollamiento en sus bobinas, no es necesario invertir la polaridad de la alimentación.

¿Cómo es un motor a pasos?

Hay que empezar por resaltar que son un tipo de motor que no sólo puede ser pensado por el voltaje que presente, sino que existen otro tipo de variables que vale la pena analizar al momento de plantear una descripción. Entre ellas está la magnitud que los puede caracterizar.

Voltaje: Se halla impreso de manera directa en la unidad o se lo especifica en la hoja de características del equipo. En determinadas circunstancias es preciso que se exceda el voltaje nominal para que se obtenga el par deseado, pero lo anterior va a contribuir en que se dé un calentamiento mayor y hasta un acortamiento en la vida del motor.

Resistencia: La resistencia por bobina va a determinar la corriente del estator y en ese orden de ideas afecta la curva características del par y la velocidad máxima en sí misma.

Resolución: Tal y como se ha comentado en otros párrafos, el ángulo girado en cada uno de los pasos es el factor que pasa a ser más relevante en un motor paso a paso en lo que se refiere a los efectos de una aplicación en particular. La operación de medio paso va a doblar el número de los pasos por cada revolución. Los números grados/paso habituales son: 0.72, 1.8, 3.6, 7.5, 15 e incluso en ocasiones 90.

Diagrama

Aplicaciones El motor paso a paso se aplica en situaciones donde la precisión de los desplazamientos tiene gran importancia: cabezales de discos duros, impresoras, pequeña tecnología sanitaria, en accionamientos continuos, etc.

Ejemplo de un motor a pasos Este tipo de motores se utiliza en una gran cantidad de proyectos. Desde impresoras 3D a robots.

Resumen de las características principales del motor paso a paso 28BYJ-48 •

Motor paso a paso con 5 cables (unipolar 4 bobinas)

•

Voltaje de funcionamiento 5V o 12V

•

Viene con un circuito integrado

•

4 leds que indican cuando se excita una bobina

•

4 resistencias para proteger los leds

•

Chip ULN2003 que contiene 3 transistores Darlington

•

4 entradas para el controlador, por donde entran los pulsos.

•

Jumpers para seleccionar el voltaje de funcionamiento (5V o 12V)

•

Hay que puentear el voltaje que no se utiliza

•

Cada paso avanza 5,625º

•

Caja reductora mediante engranajes 1/64

•

Se consigue un paso de 5,625/64 = 0,088º

•

Resistencia del bobinado de 50 Ω

•

Torque de 34 Newton Metro más o menos 35 gramos por cm

•

Frecuencia máxima 100Hz que equivale a un delay de 10 ms

Antes de ver las conexiones, hay que aclarar que este tipo de motores llevan un driver o etapa de potencia. Este componente nos permite suministrar la energía suficiente al motor paso a paso para que se mueva.

Para conectarlo se puede seguir el siguiente esquema eléctrico:

Alimentaciรณn con 5V del motor 28BYJ-48 Se debe tener mucho cuidado con los jumpers de alimentaciรณn. Para alimentar el motor 28BYJ-48 desde una placa de Arduino, se deben puentear las conexiones con un jumper. Estos jumpers permiten seleccionar una alimentaciรณn de 5V o de 12V. Es importante recordar que el Arduino UNO trabaja con 5V cรณmo mรกximo.

Programación del motor paso a paso Existen dos formas de programar un motor paso a paso. De forma manual y a través de una librería. Pero antes debemos de conocer cómo funciona este tipo de motores.

•

Funcionamiento del motor unipolar de 4 bobinas: Debido a que el 28BYJ-48 es un motor unipolar (4 bobinas), lo podemos mover de tres maneras diferentes, movimiento normal, movimiento por ola o paso completo y movimiento de medio paso.

a. Movimiento normal (par máximo): Consiste en excitar, administrar corriente, a dos bobinas a la vez en cada paso. Se consigue el máximo par pero también es el máximo consumo.

b. Movimiento por ola o paso completo (par menor): Consiste en excitar una bobina cada vez. El consumo se reduce, pero también el par, por lo tanto, es un consumo y par moderados.

c. Movimiento de medio paso: Se consigue un movimiento lento y suave con un par y consumo entre medias de los otros dos movimientos.

Programación manual del motor paso a paso La primera manera de programar nuestro motor es de forma manual. Es un poco artesanal, pero nos permitirá utilizar el movimiento más adecuado en nuestro proyecto. A continuación, se muestra el código de los tres tipos de movimiento.

Movimiento normal (par máximo) // Definimos #define IN1 #define IN2 #define IN3 #define IN4

los pines donde tenemos conectadas las bobinas 8 9 10 11

// Secuencia de pasos (par máximo) int paso [4][4] = { {1, 1, 0, 0}, {0, 1, 1, 0}, {0, 0, 1, 1}, {1, 0, 0, 1} }; void setup() { // Todos los pines en modo salida pinMode(IN1, OUTPUT); pinMode(IN2, OUTPUT);

pinMode(IN3, OUTPUT); pinMode(IN4, OUTPUT); } void loop() { for (int i = 0; i < { digitalWrite(IN1, digitalWrite(IN2, digitalWrite(IN3, digitalWrite(IN4, delay(10); } }

4; i++) paso[i][0]); paso[i][1]); paso[i][2]); paso[i][3]);

Movimiento por ola (par menor) // Definimos los pines donde tenemos conectadas las bobinas #define IN1 8 #define IN2 9 #define IN3 10 #define IN4 11 // Secuencia de pasos (par mรกximo) int paso [4][4] = { {1, 0, 0, 0}, {0, 1, 0, 0}, {0, 0, 1, 0}, {0, 0, 0, 1} }; void setup() { // Todos los pinMode(IN1, pinMode(IN2, pinMode(IN3, pinMode(IN4, }

pines en modo salida OUTPUT); OUTPUT); OUTPUT); OUTPUT);

void loop() { for (int i = 0; i < 4; i++)

{ digitalWrite(IN1, digitalWrite(IN2, digitalWrite(IN3, digitalWrite(IN4, delay(10);

paso[i][0]); paso[i][1]); paso[i][2]); paso[i][3]);

} }

Movimiento de medio paso // Definimos #define IN1 #define IN2 #define IN3 #define IN4

los pines donde tenemos conectadas las bobinas 8 9 10 11

// Secuencia de pasos (par mรกximo) int paso [8][4] = { {1, 0, 0, 0}, {1, 1, 0, 0}, {0, 1, 0, 0}, {0, 1, 1, 0}, {0, 0, 1, 0}, {0, 0, 1, 1}, {0, 0, 0, 1}, {1, 0, 0, 1} }; void setup() { // Todos los pinMode(IN1, pinMode(IN2, pinMode(IN3, pinMode(IN4, }

pines en modo salida OUTPUT); OUTPUT); OUTPUT); OUTPUT);

void loop() { for (int i = 0; i < 8; i++) { digitalWrite(IN1, paso[i][0]);

digitalWrite(IN2, paso[i][1]); digitalWrite(IN3, paso[i][2]); digitalWrite(IN4, paso[i][3]); delay(10); } }

Programación del motor paso a paso a través de una librería La otra manera de programar un motor 28BYJ-48 no es tan artesanal y reduce el código bastante. Se trata de utilizar la librería Steper que viene incluida con el entorno de desarrollo oficial de Arduino. Esta librería nos facilita el uso de este tipo de motores y viene adaptada para motores bipolares. // Incluimos la librería para poder utilizarla #include <Stepper.h> // Esto es el número de pasos por revolución #define STEPS 4096 // Número de pasos que queremos que de #define NUMSTEPS 100 // Constructor, pasamos STEPS y los pines donde tengamos conectado el motor Stepper stepper(STEPS, 8, 9, 10, 11); void setup() { // Asignamos la velocidad en RPM (Revoluciones por Minuto) stepper.setSpeed(5); } void loop() { // Movemos el motor un número determinado de pasos stepper.step(NUMSTEPS); delay(2000); }

SERVOMOTOR ¿Qué es?

Un servomotor es un tipo especial de motor que permite controlar la posición del eje en un momento dado, es decir podemos controlar tanto la velocidad, como la posición del eje que gira (también llamada dirección del eje o giro del rotor).

Está diseñado para moverse determinada cantidad de grados y luego mantenerse fijo en una posición. Estos se caracterizan por ser permitir un movimiento controlado y por entregar un mayor par de torsión (torque) que un motor DC común.

Las características principales de un servomotor son: •

El par: La fuerza que es capaz de hacer en su eje. También puede ser llamado torque y se suele representar en kg/cm. A mayor par, mayor corriente de consumo del servo, pero no suelen consumir mucho, dependiendo del tipo de servomotor.

•

Velocidad: La velocidad angular o de rotación.

NOTA: Normalmente la tensión de alimentación de los servos en c.c. está entre 4 y 8V (voltios).

Partes de un servomotor Un servomotor es un sistema compuesto por: •

Un motor eléctrico: Es el encargado de generar el movimiento, a través de su eje.

•

Un sistema de regulación: Formado por engranajes, que actúan sobre el motor para regular su velocidad y el par. Mediante estos engranajes, podemos aumentar la velocidad y el par o disminuirlas.

•

Un sistema de control o sensor: Circuito electrónico que controla el movimiento

del motor mediante el envío de pulsos eléctricos.

•

Un potenciómetro: Conectado al eje central del motor que nos permite saber en todo momento el ángulo en el que se encuentra el eje del motor.

Tipos de servomotores

•

Servomotores de corriente continua (cc): Son los más habituales y funcionan con un pequeño motor de corriente continua. El servomotor se controla por PWM (modulación por ancho de pulso).

•

Servomotores de corriente alterna (ac): Pueden utilizar corrientes más potentes y por lo tanto se usan para mover grandes fuerzas.

•

Servomotores de imanes permanentes o Brushless: Se llama brushless porque es un motor de corriente alterna sin escobillas. Se utilizan para grandes torques o fuerzas y para altas velocidades. Son los más usados en la industria.

•

Motor Paso a Paso: Es un motor eléctrico, pero que no gira, sino que avanza un "paso". No giran de manera continua sino por pasos, es decir, giran un número determinado de grados.

Usos de un servomotor Existen servomotores industriales que tienen una gran cantidad de usos en distintas industrias. Algunos de ellos pueden ser: Robótica, brazos, zoom de una cámara de fotos, puertas automáticas de un ascensor, en las impresoras para el control de avance y retroceso del papel, maquinas herramientas, robots industriales, sistemas de producción, coches de radiocontrol, el timón de los aviones, etc.

Se utilizan también en los sistemas de seguimiento solar, para el movimiento de los paneles solares en dirección del sol. En fresadoras, tornos, máquinas de troquelado, etc.

Que son maquinas que se utilizan en la industria para hacer cortes, se utilizan los servomotores para controlar los cortes y poder hacerlos muy precisos.

Funcionamiento de un servomotor El control en Arduino del servomotor se hace por medio de pulsos eléctricos, cuya duración determinara el ángulo de giro del motor. Estos pulsos le dicen al servo a qué posición se debe mover. Recibe los pulsos de entrada y ubica al motor en su nueva posición dependiendo de los pulsos recibidos,

Los servomotores poseen tres cables, a diferencia de los motores comunes que sólo tienen dos. Los colores en los cables de los servomotores nos permitirán identificar su función.

Estos colores pueden llegar a variar pues depende del fabricante, pero básicamente en su función, un cable, generalmente rojo, sirve para alimentar de corriente al servo, otro que va a tierra (puede ser negro o café) y el último que sirve para modular la señal que cambiará la rotación del motor (amarillo, blanco o naranja).

Armado del circuito Al conocer los cables con los que cuenta un servomotor y cómo es que funcionan, nos será más fácil hacer un programa en Arduino utilizando este componente, además de que por sí mismo, Arduino nos provee librerías para facilitar el manejo de los servomotores.

Los servomotores con los que trabajaremos son servomotores de modelismo los cuales operan a voltajes bajos (entre 4 y 6 volts).

Para la conexión a la placa Arduino, conectaremos el cable de voltaje a la alimentación de 5 volts de Arduino, el de tierra lo conectaremos al cualquier pin GND. El pin de la señal de control lo conectaremos ya sea, a cualquiera de los pines analógicos o los pines 3, 5, 6, 10 u 11 de los pines de señal digital.

Diagrama

Programación/Código Como ya hemos mencionado antes, Arduino nos proporciona un librería que nos permite trabajar con servomotores de una manera muy sencilla. Esta librería es llamada Servo.h y se agrega al inicio del código. #include <Servo.h> El siguiente paso en nuestro programa es declarar un objeto tipo Servo.

Servo nombre_Servo; Antes de poder mandar señales y controlar el ángulo del servomotor, requerimos de

utilizar la función attach para asociar el pin de la placa Arduino que modulará la señal a el pin de señal del servo. Es importante recordar que esto debe hacerse desde la función setup. nombre_Servo.attach(pinNumber); Ahora que nuestro servomotor está configurado para ser utilizado por nuestra placa, veamos algunas funciones que podemos llamar.

•

La función write(angle) rotará el ángulo del servomotor por la cantidad ingresada en grados.

•

La función writeMicrosecond(microseconds) controla la rotación, pero con una cantidad en microsegundos, por ejemplo, si en un servomotor 2000 es una vuelta completa, si ingresamos 500, el servo sólo girará 45 grados respectivamente.

•

Para conocer la cantidad en grados que está rotado el servo usamos la función read( ). Así mismo, la función attached( ) regresa el número del pin al que está asociado el control del servomotor.

Ejemplo programando un servomotor Práctica: KNOB (Perilla): Controlar la posición de un servomotor con Arduino y un

potenciómetro haciendo uso de la librería servo de Arduino.

Hardware requerido: Arduino, servomotor, potenciómetro de 10k ohm, cables de conexión.

Circuito: cable de alimentación al pin de 5 V en la placa Arduino, el cable de tierra al pin GND, el pin de señal al pin 9. El potenciómetro de estar cableado de modo que sus dos pines externos estén conectados a la alimentación (+5V) y a tierra, y su pin central esté conectado a la entrada analógica O en la placa.

Código: /* Controlando la posición de un servo usando un potenciómetro */ #include <Servo.h> Servo myservo;

// Crear un objeto servo para controlar un servo

int potpin = 0; // Pin analógico usado para conectar el potenciómetro int val; // Variable para leer el valor del pin analógico void setup() { myservo.attach(9); }

// Conecta el servo en el pin 9 al objeto servo

void loop() { // Lee el valor del potenciómetro (valor entre 0 y 1023) val = analogRead(potpin); // Escalarlo para usarlo con el servo (valor entre 0 y 180) val = map(val, 0, 1023, 0, 180); // Establece la posición del servo de acuerdo con el valor escalado myservo.write(val); // Espera a que llegue el servo delay(15); }

CONCLUSIONES •

Los servomotores son un tipo especial de motor de CC que se caracterizan por su capacidad para posicionarse de forma inmediata en cualquier posición dentro de su intervalo de operación.

•

Los servos se caracterizan porque puede obtenerse un control muy preciso de la velocidad y/o posición, con altas capacidades de par.

•

Los servos son de gran utilidad dentro de la industria, ya que pueden funcionar en robótica, en sistemas solares, en máquinas industriales, cámaras, sistemas de radio, etc. Sin embargo, su uso no está limitado a estos.

•

En la práctica, se usan servos para posicionar superficies de control como el movimiento de palancas, pequeños ascensores y timones. Ellos también se usan en radio control, títeres, y por supuesto, en robots.

Al finalizar esta investigación pudimos concluir que la elección del motor eléctrico

que se utilizara es básica en cualquier proyecto electromecánico. Esta elección se hace de acuerdo con las necesidades de esta, ya que, por ejemplo, cuando se requiere una precisión máxima, es cada vez más habitual pensar en el servomotor.

Los motores se consideran fundamentales en el diseño y la construcción de diversas maquinas, robots, cámaras o cualquier proceso mecánico en la industria que requiera precisión y control.

Además, estos motores nos permiten crear toda clase de movimientos controladores t son un avance importante en el desarrollo de nuevas tecnologías industriales.