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TEMA 7 MOTORES

TEMA 7 MOTORES. TEMA 7 MOTORES DE PASO, MOTORES DE CD, Y ENCODERS. indice. objetivos. OBJETIVOS El participante será capaz de: Enlistar las principales características de los motores de paso a paso. Describir los principios de funcionamiento de los motores paso a paso.

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TEMA 7 MOTORES

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Presentation Transcript

  1. TEMA 7 MOTORES TEMA 7 MOTORES DE PASO, MOTORES DE CD, Y ENCODERS

  2. indice

  3. objetivos OBJETIVOS El participante será capaz de: Enlistar las principales características de los motores de paso a paso. Describir los principios de funcionamiento de los motores paso a paso. Comprobar la distribución de los cables de conexión de los motores paso a paso utilizando un óhmetro para ello.

  4. 7.1 MOTORES DE PASOS 7.1 MOTORES DE PASOS

  5. 7.1. MOTORES DE PASOS 7.1. MOTORES DE PASOS Motores de Paso a Paso (Stepper motors) Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos. La característica 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 pequeños movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°.

  6. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…) Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas están energizados, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas. En este capítulo trataremos solamente los motores P-P del tipo de imán permanente, ya que estos son los más usados en robótica. Principio de funcionamiento Básicamente estos motores están constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en su estator. Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador.

  7. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…) Imagen del rotor Imagen de un estator de 4 bobinas

  8. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…) Existen dos tipos de motores paso a paso de imán permanente:

  9. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…) Bipolar: Estos tiene generalmente cuatro cables de salida (ver figura 1). Necesitan ciertos trucos para ser controlados, debido a que requieren del cambio de dirección del flujo de corriente a través 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, será 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).

  10. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…)

  11. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…)

  12. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…) 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 más 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 activación Activa A, B, C y D) pueden ser directamenteactivadas por un microcontrolador.

  13. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…)

  14. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…) Secuencias para manejar motores paso a paso Bipolares Como se dijo anteriormente, estos motores necesitan la inversión de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada. Cada inversión de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso, cuyo sentido de giro está determinado por la secuencia seguida. A continuación se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares:

  15. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…) Secuencias para manejar motores paso a paso Unipolares Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores, las cuales se detallan a continuación. 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 más 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 retención.

  16. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…)

  17. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…) A continuación 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 más suave. La contrapartida es que al estar solo una bobina activada, el torque de paso y retención es menor.

  18. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…)

  19. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…) A continuación 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 así sucesivamente. Como vemos en la tabla la secuencia completa consta de 8 movimientos en lugar de 4.

  20. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…)

  21. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…) A continuación se puede apreciar la secuencia animada en modo medio paso:

  22. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…) Como comentario final, cabe destacar que debido a que los motores paso a paso son dispositivos mecánicos y como tal deben vencer ciertas inercias, el tiempo de duración 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 próxima secuencia de pulsos comience. Si la frecuencia de pulsos es muy elevada, el motor puede reaccionar en alguna de las siguientes formas:

  23. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) • 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…) • Puede que no realice ningún movimiento en absoluto. • Puede comenzar a vibrar pero sin llegar a girar. • Puede girar erráticamente. • 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 aumentándola hasta la velocidad deseada sin superar la máxima tolerada. El giro en reversa debería también ser realizado previamente bajando la velocidad de giro y luego cambiar el sentido de rotación.

  24. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…) 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 distribución de los cables a los bobinados y el cable común en un motor de paso unipolar de 5 o 6 cables siguiendo las instrucciones que se detallan a continuación:

  25. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) • 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…) • Aislando el cable(s) común que va a la fuente de alimentación: 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 óhmetro para checar la resistencia entre pares de cables, el cable común será el único que tenga la mitad del valor de la resistencia entre ella y el resto de los cables.  • Esto es debido a que el cable común tiene una bobina entre ella y cualquier otro cable, mientras que cada uno de los otros cables tiene dos bobinas entre ellos. De ahí la mitad de la resistencia medida en el cable común. • Identificando los cables de las bobinas (A, B, C y D): aplicar un voltaje al cable común  (generalmente 12 volts, pero puede ser más o menos) y manteniendo uno de los otros cables a masa (GND) mientras vamos poniendo a masa cada uno de los demás cables de forma alternada y observando los resultados.

  26. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…) El proceso se puede apreciar en el siguiente cuadro:

  27. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) 7.1. MOTORES DE PASOS (Cont…) 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 identificación es más sencilla. Simplemente tomando un multímetro en modo óhmetro (para medir resistencias), podemos hallar los pares de cables que corresponden a cada bobina, debido a que entre ellos deberá haber continuidad (en realidad una resistencia muy baja). Luego solo deberemos averiguar la polaridad de la misma, la cual se obtiene fácilmente probando. Es decir, si conectado de una manera no funciona, simplemente damos vuelta los cables de una de las bobinas y entonces ya debería 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.

  28. 7.1. MOTORES DE PASOS (cont…) • Para recordar • Un motor de paso con 5 cables es casi seguro de 4 fases y unipolar. • Un motor de paso con 6 cables también puede ser de 4 fases y unipolar, pero con 2 cables comunes para alimentación. pueden ser del mismo color. • Un motor de pasos con solo 4 cables es comúnmente bipolar. BIBLIOGRAFIA http://www.todorobot.com.ar/informacion/tutorial%20stepper/stepper-tutorial.htm Fin de motores de pasos

  29. 7.2. MOTORES DE CD 7.2 MOTORES DE CD

  30. OBJETIVOS • OBJETIVOS • El participante será capaz de: • Enlistar las principales características de los motores de CD. • Describir los principios de funcionamiento de los motores CD.

  31. 7.2. motores de cd 7.2. MOTORES DE CD En la imagen anterior se observan algunos micromotores de CD clásicos (Direct Current) o también llamados CC (corriente continua) de los usados generalmente en robótica. Los hay de distintos tamaños, formas y potencias, pero todos se basan en el mismo principio de funcionamiento. Accionar un motor DC es muy simple y solo es necesario aplicar la tensión de alimentación entre sus terminales positiva y negativa. Para invertir el sentido de giro basta con invertir la alimentación y el motor comenzará a girar en sentido opuesto.

  32. 7.2. motores de cd (cont…) • 7.2. MOTORES DE CD (Cont…) • A diferencia de los motores paso a paso y los servomecanismos, los motores de CD no pueden ser posicionados y/o enclavados en una posición específica. Estos simplemente giran a la máxima velocidad y en el sentido que la alimentación aplicada se los permite. • El motor de corriente continua está compuesto de 2 piezas fundamentales: • Rotor • Estator

  33. 7.2. motores de cd (cont…) • 7.2. MOTORES DE CD (Cont…) • Dentro de éstas se ubican los demás componentes como: • Escobillas y porta escobillas • Colector • Eje • Núcleo y devanado del rotor • Imán Permanente • Armazón • Tapas o campanas

  34. 7.2. motores de cd (cont…) 7.2. MOTORES DE CD (Cont…) Tabla de Estructura La siguiente tabla muestra la distribución de las piezas del motor:

  35. 7.2. motores de cd (cont…) • 7.2. MOTORES DE CD (Cont…) • Rotor • Constituye la parte móvil del motor, proporciona el torque para mover a la carga. • Está formado por: • Eje: Formado por una barra de acero fresada. Imparte la rotación al núcleo, devanado y al colector. • Núcleo: Se localiza sobre el eje. Fabricado con capas laminadas de acero, su función es proporcionar un trayecto magnético entre los polos para que el flujo magnético del devanado circule.

  36. 7.2. motores de cd (cont…) 7.2. MOTORES DE CD (Cont…) Las laminaciones tienen por objeto reducir las corrientes parásitas en el núcleo. El acero del núcleo debe ser capaz de mantener bajas las pérdidas por histéresis. Este núcleo laminado contiene ranuras a lo largo de su superficie para albergar al devanado de la armadura (bobinado).

  37. 7.2. motores de cd (cont…) • 7.2. MOTORES DE CD (Cont…) • Devanado: Consta de bobinas aisladas entre sí y entre el núcleo de la armadura. Estas bobinas están alojadas en las ranuras, y están conectadas eléctricamente con el colector, el cual debido a su movimiento rotatorio, proporciona un camino de conducción conmutado. • Colector: Denominado también conmutador, está constituido de láminas de material conductor (delgas), separadas entre sí y del centro del eje por un material aislante, para evitar cortocircuito con dichos elementos. El colector se encuentra sobre uno de los extremos del eje del rotor, de modo que gira con éste y está en contacto con las escobillas. La función del colector es recoger la tensión producida por el devanado inducido, transmitiéndola al circuito por medio de las escobillas (llamadas también cepillos).

  38. 7.2. motores de cd (cont…) 7.2. MOTORES DE CD (Cont…) Estator Constituye la parte fija de la máquina. Su función es suministrar el flujo magnético que será usado por el bobinado del rotor para realizar su movimiento giratorio.

  39. 7.2. motores de cd (cont…) • 7.2. MOTORES DE CD (Cont…) • Está formado por: • Armazón: Denominado también yugo, tiene dos funciones primordiales: servir como soporte y proporcionar una trayectoria de retorno al flujo magnético del rotor y del imán permanente, para completar el magnético.

  40. 7.2. motores de cd (cont…) 7.2. MOTORES DE CD (Cont…) Imán permanente: Compuesto de material ferro magnético altamente remanente, se encuentra fijado al armazón o carcaza del estator. Su función es proporcionar un campo magnético uniforme al devanado del rotor o armadura, de modo que interactúe con el campo formado por el bobinado, y se origine el movimiento del rotor como resultado de la interacción de estos campos.

  41. 7.2. motores de cd (cont…) 7.2. MOTORES DE CD (Cont…) Escobillas: Las escobillas están fabricadas se carbón, y poseen una dureza menor que la del colector, para evitar que éste se desgaste rápidamente. Se encuentran albergadas por los portaescobillas. Ambos, escobillas y portaescobillas, se encuentran en una de las tapas del estator. La función de las escobillas es transmitir la tensión y corriente de la fuente de alimentación hacia el colector y, por consiguiente, al bobinado del rotor. La función del portaescobillas es mantener a las escobillas en su posición de contacto firme con los segmentos del colector. Esta función la realiza por medio de resortes, los cuales hacen una presión moderada sobre las escobillas contra el colector. Esta presión debe mantenerse en un nivel intermedio pues, de ser excesiva, la fricción desgastaría tanto a las escobillas como al colector; por otro lado, de ser mínima esta presión, se produciría lo que se denomina "chisporroteo", que es cuando aparecen chispas entre las superficies del colector y las escobillas, debido a que no existe un buen contacto.

  42. 7.2. motores de cd (cont…) 7.2. MOTORES DE CD (Cont…) EJEMPLOS DE CIRCUITOS DE CONTROL PARA MOTORES DE CD Control mediante H-Bridge con regulador de velocidad: En la siguiente figura podemos apreciar un circuito basado en l uso de dos H-Bridge BA6286 de Rohm para controlar dos motores de CD.

  43. 7.2. motores de cd (cont…) 7.2. MOTORES DE CD (Cont…) Como podemos apreciar en el diagrama, este circuito posee dos resistencias variables (preset) denominadas RV1 y RV2, que se utilizan para variar en forma independiente la velocidad de los motores izquierdo y derecho respectivamente.

  44. 7.2. motores de cd (cont…) 7.2. MOTORES DE CD (Cont…) VM es la tensión que alimenta los motores, el valor de VM depende de los motores usados, en general debe ser un poco más alta para compensar la caída de tensión producida en el H-Bridge. Por otro lado variando RV1 y RV2, se varía la tensión real que es aplicada a los motores, con lo cual se regula su velocidad de giro. La tensión de alimentación VCC es una tensión TTL clásica de 5v, la cual sería también usada para el resto de la lógica de control que se agregase a este circuito. El BA6286 soporta una carga máxima de 1A, por lo que se debe tener en consideración al momento de seleccionar los motores a usar.

  45. 7.2. motores de cd (cont…) 7.2. MOTORES DE CD (Cont…) Control mediante microrelevadores En el siguiente circuito podemos apreciar otra alternativa de control para dos motores DC.

  46. 7.2. motores de cd (cont…) 7.2. MOTORES DE CD (Cont…)

  47. 7.2. motores de cd (cont…) 7.2. MOTORES DE CD (Cont…) En este caso el sentido de giro es controlado por dos microrelevadores del tipo doble inversor (RL2 y RL3). Y combinado a otro microrelevador simple (RL1), se obtiene el control total de los motores. Los relés son accionados mediante un arreglo de transistores Darlington (ULN2003), el cual amplifica los pulsos de control generados por la etapa lógica, en este caso realizada con compuertas OR (74HC32). Este método posee la ventaja de no producir caídas de tensión, por lo que VM en este caso se puede usar dentro del rango de tensión soportada por los motores. VCC, al igual que en el método anterior, debe ser un valor TTL válido (5V). Es recomendable conseguir microrelevadores cuyas bobinas se activen con 5V, de esta manera pueden ser accionados directamente por VCC, evitando así trabajar con tantas tensiones distintas. Si los relés a usar son de 12V, entonces el pin 9 del ULN2003 deberá ser conectado a 12V, así como también el extremo libre de la bobina de los relés (en el circuito anterior conectados a VCC).

  48. 7.2. motores de cd (cont…) 7.2. MOTORES DE CD (Cont…) Cabe aclarar que este método puede resultar más económico y hasta más simple de comprender, pero su desventaja radica en la imposibilidad de regular la velocidad (excepto que se agregue un circuito adicional para este fin tipo PWM). Por otro lado al trabajar con elementos mecánicos (que es el caso de un relé) los riesgos de fallas aumentan y la vida útil del circuito disminuye.

  49. 7.2. motores de cd (cont…) BIBLIOGRAFIA Ligas para mayor información http://www.todorobot.com.ar/productos/productos.htm http://www.todorobot.com.ar Fin de motores de CD

  50. 7.3. ENCODERS ÓPTICOS 7.3 ENCODERS ÓPTICOS

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