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Celestino Benítez Vázquez http://www.issuu.com/microprocesadores http://micros.myblog.es/

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EL MOTOR PASO A PASO

E

n este texto, analizaremos las constitución básica y el funcionamiento de los motores paso a paso. No se entrará en una descripción minuciosa de cada una de sus partes, sin embargo sí deseamos dar una idea clara de las fundamentales y la forma que tienen de interaccionar entre ellas para conseguir el movimiento deseado. Debemos añadir además que la misión principal de un motor paso a paso es la de posicionarse con la mayor precisión posible, ante la demanda de un determinado giro. El motor paso a paso está constituido esencialmente por dos partes: a) Una fija llamada "estator", construida a base de cavidades en las que van depositadas las bobinas, que excitadas convenientemente formarán los polos norte-sur de forma que se cree un campo magnético giratorio. b) Una móvil, llamada "rotor" construida mediante un imán permanente, con el mismo número de pares de polos, que el contenido en el estator; este conjunto va montado sobre un eje soportado por dos cojinetes que le permiten girar libremente. Si por el medio que sea, conseguimos excitar el estator creando los polos N-S, y hacemos variar dicha excitación, de modo que el campo magnético formado efectúe un movimiento giratorio, la respuesta del rotor será seguir el movimiento de dicho campo, produciéndose de este modo el giro del motor. Así pues, un motor paso a paso es un elemento que transforma impulsos eléctricos en movimientos de giro controlados, ya que podremos hacer girar al motor en el sentido que deseemos y el número de vueltas y grados que resulten necesarios. Según la construcción de las bobinas del estator, podemos diferenciar entre motores "bipolares" y motores "unipolares". Los primeros tiene las bobinas con un arrollamiento único, mientras que los segundos tienen las bobinas compuestas por dos arrollamientos cada una. En la FIG.1 podemos ver esta diferencia de forma gráfica. MOTOR BIPOLAR

MOTOR UNIPOLAR

C D E F

R C S T C U FIG.1

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A igual número de espiras, el unipolar, deberá tener menor sección en el hilo de las bobinas, aumentando por tanto su resistencia y disminuyendo su par a bajas velocidades. Al número de grados que gira el rotor, cuando se efectúa un cambio de polaridad en las bobinas del estator, se le denomina "ángulo de paso" y puede ser muy variado en función de la aplicación y por tanto de la construcción del mismo. Además, existe la posibilidad (con el control electrónico apropiado) de conseguir una rotación de medio paso. En los motores que tratamos a continuación el paso completo es de 7'5º (medio paso 3’75º) y el número de pasos por vuelta completa es de 48. En cada paso puede producirse un error cifrado de 0'5º en adelanto o en retraso, sin embargo, este error no es acumulativo, quedando anulado en el transcurso de los 360 grados eléctricos. Deberemos considerar que cuando se efectúe medio giro, el motor desarrollará un par menor y ejecutará el giro con menor precisión.

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Los motores son fabricados para trabajar en un rango de frecuencias determinado por el fabricante y rebasado dicho rango, estaremos provocando una velocidad de giro del campo magnético creado por el estator muy elevada, no siendo el rotor capaz de alcanzar esa velocidad, provocando una pérdida de sincronización y quedando frenado en estado de vibración. Para estos motores, la máxima frecuencia admisible está alrededor de los 625 Hz.

SECUENCIA DE EXCITACION DE LAS BOBINAS. Puesto que estamos hablando de dos tipos de motores paso a paso, el bipolar y el unipolar, tendremos también dos modos de excitación de sus devanados: 1.- Devanado bipolar. Tenemos dos bobinas de arrollamiento único y su excitación, es decir, el orden en que se les aplica la tensión, hace circular una determinada intensidad en un sentido u otro, creando así los polos Norte-Sur y produciendo el giro del motor. La secuencia se expresa en la tabla siguiente. Si seguimos el orden 1, 2, 3, 4, estaremos efectuando un giro hacia la derecha. Para invertir el giro no tendremos más que seguir la secuencia inversa, es decir, 4, 3, 2, 1.

MOTOR PASO A PASO BIPOLAR

C 1 2 3 4 5

D

+ Off Off +

E F Off + Off off

2.- Devanado unipolar. Tenemos dos bobinas con doble arrollamiento y la excitación precisa en las bobinas se representa también en la misma tabla. Los valores 1 y 0 representan niveles lógicos. Con la secuencia 1, 2, 3, 4 se realiza un giro a la derecha y para cambiar el sentido de giro se efectúa la secuencia contraria. MOTOR PASO A PASO UNIPOLAR

1 2 3 4 5

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R 1 1 0 0 1

S 0 0 1 1 0

T 1 0 0 1 1

U 0 1 1 0 0

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CIRCUITOS DE MANDO.

El manejo operativo de un motor paso a paso, puede llevarse a cabo de dos modos básicos, bien mediante un control por tensión constante o bien mediante un control por corriente constante. Vamos a mostrar el control por tensión constante de un motor bipolar, mediante un circuito integrado diseñado específicamente para esta labor. se trata del SAA 1042 (fabricado por Motorola) cuya distribución de patillas se muestra en la FIG.2.

L2

1

16

L3

VD

2

15

VM

L1

3

14

L4

SAA 1042 SET

6

11

Vcc

CLK

7

10

CW/CCW

F/H

8

9

GND

FIG. 2

A continuación describiremos la función de cada una de ellas:

Patilla 1: Salida de control de una bobina del motor en unión con la patilla 3. Patilla 2: Sirve para proteger las salidas 1, 3, 14, y 16, amortiguando los transitorias que introducen las bobinas del motor en los cambios de nivel de los pulsos de control. Es necesario conectar un diodo zener entre la patilla 2 y la 15 (zener de 3V3). Patilla 3: Salida de control de una bobina del motor en unión con la patilla 1.

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Patilla 6: Terminal con dos funciones básicas, a través de una resistencia adapta la corriente del motor y con un pulso a través de la resistencia se efectúa un set de las salidas de control. Si no se utiliza la función set, debe colocarse a masa a través de la resistencia. Patilla 7: Entrada de reloj, activa en el flanco positivo del pulso. Por cada pulso que llegue, el motor gira 7'5º (o bien 3'75º según este conectado el terminal 8). Patilla 8: (Full/Half step) Determina el ángulo de rotación del motor por cada pulso que llegue de reloj. En estado bajo, el motor gira un paso completo (7'5º). Patilla 9: Masa. Patilla 10: (CW/CCW) Determina el sentido de giro. Cuando esta a nivel bajo, gira en sentido de las agujas del reloj. A nivel alto, el giro es contrario al de las agujas del reloj. Patilla 11: Alimentación de la parte lógica del SAA 1042. Puede variar de los +5V hasta los +20V. Puede ser la misma tensión que la alimentación del motor (patilla 15) o bien puede alimentarse a +5V para ser acoplado a señales de nivel TTL. Patilla 14: Salida de control de una bobina del motor en unión con la patilla 16. Patilla 15: Tensión a la que vamos a alimentar al motor. Patilla 16: Salida de control de una bobina del motor en unión con la patilla 14.

Como puede observarse en la FIG.2, posee dos aletas refrigeradoras, que posibilitan mayor disipación de calor interno. No obstante es conveniente añadir un pequeño refrigerador que aumente la capacidad de disipación total.

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El integrado SAA 1042 puede controlar motores con tensiones desde 6V hasta 12V y el SAA 1042A controla motores de 24V. Soportan una corriente de salida de 600 mA y poseen internamente diodos supresores de par谩sitos. sus entradas son compatibles con familias l贸gicas como MOS, DTL y TTL.

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En la FIG.3 puede verse la conexión de las bobinas del motor al SAA 1042. Si conectamos una señal pulsante de reloj en la entrada de Clock, haremos girar el motor en el sentido que deseemos, según conectemos la entrada CW/CCW a +5V o a masa; por cada pulso recibido el motor girará 7'5º ó 3'75º según sea el estado de la entrada F/H. 3V3

+5 V

1

16

2

15

3

14

OSCILADOR

+12 V

SAA 1042 56 K

6

11

7

10

8

9

+5 V

C DE 50 4W

F 50 4W

+5 V FIG. 3

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EL MOTOR PASO A PASO