MOTORES PASO A PASO. PRÁCTICA Nº 3

MOTORES PASO A PASO. PRÁCTICA Nº 3
ACCIONAMIENTO BÁSICO DE UN MOTOR PASO A PASO
CON GENERACIÓN SOFTWARE DE LAS FASES CON
PLD/MICROCONTROLADOR + CIRCUITO DE CONTROL
(L65067) + DRIVER DE POTENCIA (L298N). CONTROL DE
VELOCIDAD Y DE POSICIÓN EN LAZO ABIERTO
En esta práctica se persiguen los siguientes objetivos:
-
-
Que el alumno conozca las principales técnicas de excitación de este tipo
de motores.
Que se familiarice con el uso de los circuitos electrónicos empleados
comúnmente en el accionamiento de motores paso a paso
Que el alumno accione un motor paso a paso, con conexión bipolarparalelo, en diferentes modos de funcionamiento: medio paso y paso
completo con excitación de las dos fases y de una sola fase, mediante la
utilización de dispositivos digitales programables, que se encargarán de
la generación de la secuencia de fases necesaria para la correcta
excitación del motor.
Que el alumno realice, de forma básica, y en lazo abierto, el control de
velocidad y de posición de este tipo de motores.
MPAP. PRÁCTICA 3.- PALCE22V10/PALCE16V8 (uCONTROLADOR)+L6506+L289N
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INTRODUCCIÓN
En esta práctica se pretende desarrollar el accionamiento a alto nivel de un motor paso a
paso, basado en el circuito de control L6506, que realiza la función de chopeado de la
corriente de los devanados, así como en el driver de potencia L298N y en los circuitos
generadores de fases: un PLD (PALCE22V10 o PALCE16V8) o un microcontrolador, el
AVR AT90S8515 o el AVR AT90S8535, ambos de la firma Atmel. Las hojas de
características de los dos primeros dispositivos se adjuntan en el Anexo-II. Así mismo, se
recomienda la lectura de las siguientes notas de aplicación de la firma SGS (fabricante del
L6506 y del L298N):
AN235.- “Stepper Motor Driving”
AN460.- “Stepper motor driver considerations, common problems and
solutions”
AN469.- “Using the L6506 for current control of stepping motors”
Que se encuentran en el anexo III.
IMPORTANTE:
Ha de tenerse en cuenta que
VREF= VSENSEmáx= ISENSE·RSENSE < Imáx·RSENSE
Siendo Imáx la indicada en las especificaciones del motor que estamos utilizando. Para que
el motor no resulte dañado, en cualquier caso, se tendrá que cumplir que:
RSENSE > (VREFmáx/Imáx)
El esquema del montaje que se propone para la realización de la práctica, así como la
serigrafía de su circuito impreso, se representa en las figuras adjuntas. Dicho esquema,
como se puede comprobar fácilmente, se ha obtenido a partir de las notas de aplicación del
fabricante anteriormente reseñadas.
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1.- GENERACIÓN SOFTWARE DE LAS FASES CON UN PLD.
En esta primera parte de la práctica, se propone el accionamiento básico del motor
mediante un sencillo generador de fases construido con un PLD (PALCE22V10 o
PALCE16V8), con la posibilidad de accionamiento en modo medio paso o paso completo
con accionamiento de una de las fases o de las dos fases.
Se recomienda seguir el siguiente procedimiento:
1. Familiarizarse con el entorno de programación de los PLDs (programa
Orcad PLD, ficheros generados, manejo del programador de PLDs). Para
ello dispones de la documentación necesaria en el segundo tomo de la
documentación que se os facilita en el laboratorio.
2. Comprobación del correcto funcionamiento del la tarjeta de circuito impreso
que contiene los circuitos L6506 y L298N. Para realizar esta comprobación
basta con que introduzcas manualmente las señales adecuadas en las
entradas de habilitación (PEN) y de las fases. Recuerda que previamente
has debido de ajustar la tensión de referencia VREF=1.4V, y la frecuencia de
chopeado a 20KHz.
3. Diseño e implementación del generador de fases (autómata) para la
excitación del motor en el modo paso completo con una sola fase excitada.
Una vez realizado el diseño, y antes de conectarlo al L6506, comprueba, de
forma independiente su correcto funcionamiento sobre la placa de inserción
introduciéndole pulsos de reloj utilizando para ello el mismo circuito de
generación de pulsos de la práctica 2, y que se repite a continuación.
Comprueba la correcta generación de las fases en este modo de
funcionamiento. Una vez realizada esta comprobación previa, conecta el
PLD a la tarjeta de circuito impreso e introduce pulsos de reloj manualmente
y comprueba el correcto funcionamiento del sistema completo. Haz lo
mismo introduciendo una señal de reloj 100Hz al generador de fases (PLD).
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4. Diseño e implementación del generador de fases (autómata) para la
excitación del motor en el modo paso completo con dos fases excitadas. Una
vez realizado el diseño, y antes de conectarlo al L6506, comprueba, de
forma independiente su correcto funcionamiento sobre la placa de inserción
introduciéndole pulsos de reloj utilizando para ello el mismo circuito de
generación de pulsos de la práctica 2. Comprueba la correcta generación de
las fases en este modo de funcionamiento. Una vez realizada esta
comprobación previa, conecta el PLD a la tarjeta de circuito impreso e
introduce pulsos de reloj manualmente y comprueba el correcto
funcionamiento del sistema completo. Haz lo mismo introduciendo una
señal de reloj 100Hz al generador de fases (PLD).
5. Diseño e implementación del generador de fases (autómata) para la
excitación del motor en el modo medio paso. Una vez realizado el diseño, y
antes de conectarlo al L6506, comprueba, de forma independiente su
correcto funcionamiento sobre la placa de inserción introduciéndole pulsos
de reloj utilizando para ello el mismo circuito de generación de pulsos de la
práctica 2. Comprueba la correcta generación de las fases en este modo de
funcionamiento. Una vez realizada esta comprobación previa, conecta el
PLD a la tarjeta de circuito impreso e introduce pulsos de reloj manualmente
y comprueba el correcto funcionamiento del sistema completo. Haz lo
mismo introduciendo una señal de reloj 100Hz al generador de fases (PLD).
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6. Incluye las implementaciones anteriores (puntos 3, 4 y 5) en un solo diseño
y añade a dichas implementaciones anteriores el control del sentido de giro y
la selección del modo de funcionamiento. Comprueba la correcta generación
de las fases en los diferentes modos de funcionamiento. Una vez realizada
esta comprobación previa, conecta el PLD a la tarjeta de circuito impreso e
introduce pulsos de reloj manualmente y comprueba el correcto
funcionamiento del sistema completo. Haz lo mismo introduciendo una
señal de reloj 100Hz al generador de fases (PLD). Contesta en este último
caso a las siguientes cuestiones (Recuerda que previamente has debido de
ajustar la tensión de referencia VREF=1.4V, y la frecuencia de chopeado a
20KHz):
6.1. Justifica el valor utilizado para los resistores RSENSE
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6.2. Comprueba las formas de onda de las señales A, B, C y D a la
salida del PLD y a la salida del L6506 para los modos de
funcionamiento: medio paso y paso completo con excitación de
una y de dos fases. Explica las diferencias entre ambos puntos
de test.
Se deberá de visualizar un ciclo completo de cada modo de
funcionamiento, es decir, cuatro estados para el modo de paso
completo (tanto para el caso de dos devanados excitados como
para el caso de un solo devanado excitado) y ocho para el caso de
medio paso.
Para visualizar fácilmente cada estado, se introducirán los pulsos
de reloj necesarios manualmente mediante el montaje
anteriormente referido.
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6.3. Mide la frecuencia de oscilación de chopeado del L6506.
Comprueba y justifica el efecto de variar la frecuencia del
oscilador de chopeado.
6.4. Comprueba y justifica el efecto de variar la tensión de referencia
(siempre por debajo de 1.4V) en relación con la frecuencia
máxima de giro del eje del motor, frecuencias de resonancia, etc.
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2.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD Y
DE POSICIÓN.
La velocidad angular del eje de un motor paso a paso depende de la frecuencia que tengan
las señales de fase que excitan a los devanados. En nuestro caso en concreto, estas fases son
generadas por un dispositivo PLD, y por tanto la velocidad de cambio de los estados del
autómata, nos define la velocidad angular del eje del motor.
Como se comentó en la Práctica 2, un motor paso a paso gira un paso en cada período de
las señales de fase, por lo que si la frecuencia de estas fases es f, el motor girará a una
velocidad de f pasos/segundo, bien entendido que el paso en grados depende del modo de
funcionamiento (medio paso o paso completo) y del número de pasos por vuelta que tenga
el motor (200 pasos en nuestro caso en concreto).
Si llamamos n al número de pasos por vuelta, cada paso corresponde a 360/n grados (en
nuestro caso 360/200= 1.8º).
Si el modo de funcionamiento es paso completo, con uno o los dos devanados excitados,
cada paso corresponde a 360/n grados. En el modo de funcionamiento a medio paso, el giro
del eje corresponderá a 360/(2·n) grados (en nuestro caso 360/(2·200)= 0.9º). Si el modo de
funcionamiento fuese micropaso, con m micropasos por paso, cada micropaso
correspondería a 360/(n·m) grados.
Si se desea que el motor gire a una velocidad de  r.p.m., la frecuencia de las señales de
fase, o lo que es lo mismo, el número de saltos por segundo, será:
 (vueltas/seg.)  360   (/seg.) 
360    m  n
(saltos/seg.)  m  n   (saltos/seg.)
360
Con m= 1 en los modos de funcionamiento a paso completo, m= 2 en el modo a medio
paso, e igual al número de micropasos/paso si el funcionamiento es en modo micropaso.
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2.1.- CONTROL DE VELOCIAD
Como anteriormente se indicó, la gran ventaja de los motores paso a paso, reside en que el
control puede realizarse en lazo abierto con la suficiente precisión, lo cual implica que los
sistemas de control sean sencillos y económicamente interesantes por no necesitar sensores
de movimiento (por ejemplo encóders ópticos).
En esta práctica se desea controlar un motor paso a paso para que gire a una velocidad de
entre 20 y 60 r.p.m. (esta está en función del número del grupo de trabajo del que se forme
parte en el laboratorio), de tal forma que las señales de consigna se le proporcionen al
dispositivo PLD (PALCE22V10 o PALCE16V8) mediante las entradas habilitadas para
tal fin, tal y como se definió en el apartado 1, punto 6, de esta práctica. A partir de estas
señales de consigna, el dispositivo PLD ha de generar la secuencia de fases necesaria para
realizar el control de velocidad en lazo abierto del motor paso a paso.
Antes de comenzar con el control de velocidad en lazo abierto propiamente dicho, ha de
tenerse en cuenta que la velocidad angular del eje de un motor paso a paso depende de la
frecuencia que tengan las señales de las fases que excitan los devanados como
anteriormente se ha mencionado. En nuestro caso en concreto, de la frecuencia de las fases
generadas por el PLD.
Consideremos, a modo de ejemplo, el caso en el que la frecuencia de giro del motor deba
de ser de 60 r.p.m., y que el modo de funcionamiento es el de medio paso, es decir:
REF  60r. p.m. 
60  360
 360 / seg.
60
Como el motor que se utiliza en la práctica tiene 200 pasos por vuelta, o lo que es lo
mismo, 400 medios pasos por vuelta, la consigna de velocidad angular debe de ser:
REF  60r. p.m. 
60  360
 360 / seg.  400medios pasos / seg.
60
Que corresponde a 400Hz.
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Teniendo en cuenta lo anteriormente comentado, contesta razonadamente a los siguientes
apartados:
1.- Calcula la señal de consigna para conseguir la velocidad asignada a tu grupo (te
la debe de asignar el profesor).
2.- Introduce la señal de consigna obtenida en el apartado anterior y comprueba que
realmente genera en el motor la velocidad asignada mediante un tacómetro que te
proporcionará el profesor.
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2.2.- CONTROL DE POSICIÓN EN LAZO ABIERTO
Esta práctica se realizará introduciendo manualmente pulsos al circuito PLD, según se
comentó anteriormente.
En esta práctica se deberá de hacer girar motor paso a paso 90º a partir de una posición
inicial determinada en modo de funcionamiento a medio paso y paso completo (con una y
con dos fases excitadas). El control se realizará en lazo abierto.
En el control de posición, lo que hay que determinar (señal de consigna) es el número de
saltos que ha de realizar el eje del motor para alcanzar la posición deseada. Supóngase que
se desea alcanzar la posición de g grados. La consigna tendría que fijarse en el valor:
g n
pasos
360
Teniendo en cuenta que cada paso puede estar dividido en m micropasos, el número de
saltos N que debería dar el eje del motor para alcanzar la posición deseada sería de:
N
g nm
saltos
360
Debido a que la posición del eje efectúa saltos discretos, la resolución R que podría
alcanzarse en la posición es:
R
360
 / saltos
nm
Es decir, que el error máximo que podría cometerse por paso, en el caso peor, sería de:
 MÁX 
360
grados
nm
Para poder visualizar fácilmente el ángulo que gira el eje del motor, se recomienda poner
algún índice o fijar una marca de cualquier tipo en el eje.
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Obtengamos a continuación, a modo de ejemplo, la señal de consigna (el número de saltos)
para el supuesto en el que se desee que el motor gire tres vueltas y media en un
determinado sentido de giro y en el modo de funcionamiento en medio paso.
Como el motor con el que estamos trabajando es de 200 pasos por vuelta, el número de
medios pasos que corresponden a 3.5 vueltas es de:
200( pasos / vuelta)  3.5vueltas  700 pasos  1400medios pasos
La resolución en grados del motor, depende del modo de funcionamiento (medio paso o
paso completo). En el caso de funcionamiento en modo paso completo sería de:
R
360
360
 / saltos 
 1.8 grados / paso
nm
200 1
El error máximo de posición que podría cometerse sería entonces de 1.8 grados.
En el caso de funcionamiento en modo a medio paso, la resolución sería de 0.9 grados y el
error máximo de 0.9 grados/paso.
Supongamos además que se desea también que la velocidad sea de 30 r.p.m., con lo que la
frecuencia de reloj sería de:
30r. p.m. 
30vueltas / min uto
 0.5vueltas / seg.  0.5  400(medios pasos / vuelta)  200 Hz
60
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CUESTIONES
1.- Calcula la señal de consigna, para los diferentes modos de funcionamiento (medio paso
y paso completo) para que el eje del motor gire 90º y comprueba que el motor gira
realmente estos 90 grados en el sentido adecuado en el los diferentes modos de
funcionamiento. Calcula además la resolución y el error máximo posible por paso.
IMPORTANTE: debe fijarse la tensión de referencia VREF=1.4V y la frecuencia de
chopeado de la corriente a 20KHz.
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Adjunta los listados de los programas que hayas implementado en el PLD.
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