Motores Y Sensores Para Robots
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Construcción de Robots a Bajo Costo
Motores y Sensores en Robótica Motor Paso a Paso, Servo, Motores DC, Sensores analógicos, Sensores digitales.
Germán López y Santiago Margni http://www.fing.edu.uy/~pgconrob [email protected]
Tutores Ing. Gonzalo Tejera. Ing. Carlos Martinez.
Universidad de la República Oriental del Uruguay Facultad de Ingeniería Proyecto de Grado 2003
Motores y Sensores en Robótica
Proyecto de Grado 2003
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Resumen El presente informe brinda una introducción a los temas motor de corriente continua, servo motor o motor paso a paso, sensores analógicos y sensores digitales, componentes relevantes a la hora de construir un robot móvil. El documento integra el estado del arte del proyecto de grado: Construcción de Robots a Bajo Costo.
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Tabla de Contenido INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES........................................... .................7 MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA (DC)................................................... ...............7 COMPONENTES DE UN MOTOR DC.............................................................................7 EJEMPLOS DE CIRCUITOS DRIVER PARA UN MOTOR DC.................................... ..............9 CONTROL MEDIANTE H-BRIDGE CON REGULADOR DE VELOCIDAD:.............................................9 CONTROL MEDIANTE MICRORELÉS:...........................................................................11 SERVO MOTOR................................................................... .........................13 COMPONENTES DE UN SERVO MOTOR.........................................................................13 TIPOS DE SERVO MOTOR.....................................................................................14 EJEMPLO DE UN CIRCUITO DRIVER PARA UN MOTOR P – P BIPOLAR.......................................15 EJEMPLO DE UN CIRCUITO DRIVER PARA UN MOTOR P – P UNIPOLAR......................................15 SECUENCIAS PARA MANEJAR MOTORES P – P BIPOLARES...................................................16 SECUENCIAS PARA MANEJAR MOTORES P – P UNIPOLAR....................................................16 RECOMENDACIONES..........................................................................................19 TAMBIÉN SE INCLUYE EN EL APÉNDICE A.3 UN MÉTODO PRÁCTICO PARA DETERMINAR EL CONSUMODE CORRIENTE DE LAS BOBINAS DE UN MOTOR DE PASO.........................................................19 SERVO ............................................................. .......................................19 COMPONENTES DE UN SERVO................................................................................19 MODO DE TRABAJO DE UN SERVO............................................................................20 CÓMO SE DEBE COMUNICAR EL ÁNGULO A CUAL EL SERVO DEBE POSICIONARSE..............................20 EJEMPLO DE UN CIRCUITO DRIVER DEL SERVO.........................................................21 SENSORES EN ROBÓTICA.................................................. ....................22 INTRODUCCIÓN:......................................................................... ..................22 VALORES DE SALIDA DE LOS SENSORES:............................................... ..................22 CONVERSIÓN ANALÓGICA / DIGITAL:....................................... ...........................22 SENSORES ANALÓGICOS MAS FRECUENTES....................................................... ........23 FOTORRESISTENCIA:.........................................................................................23 POTENCIÓMETROS:..........................................................................................23 SENSORES DIGITALES DE USO GENERAL....................................... ..........................24 SWITCH O LLAVES:..........................................................................................24 MICROSWITCH:..............................................................................................25 SENSORES INFRARROJOS OPTOACOPLADOS:..................................................................25 SENSOR DE EFECTO HALL...................................................................................27 BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS............................................................28
APÉNDICE A.1 – GLOSARIO............................................................ .......29
APÉNDICE A.2 – CABLEADO EN MOTORES P – P....................................30
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IDENTIFICANDO LOS CABLES EN MOTORES P – P UNIPOLARES......................................30 IDENTIFICANDO LOS CABLES DE LAS BOBINAS (A, B, C Y D)..............................................30 IDENTIFICANDO LOS CABLES EN MOTORES P – P BIPOLARES........................................31 APÉNDICE A.3 – CONSUMO DE MOTORES P - P......................................32 CONSUMO DE LOS MOTORES DE PASO ............................................................ ......32 MÉTODO PRÁCTICO PARA DETERMINAR EL CONSUMO DE LAS BOBINAS........................................32
Índice de Figuras FIGURA 01: FRENTE Y DORSO DE UN ROTOR...........................................7
FIGURA 02: ESTATOR................................................................... ...........8
FIGURA 03: CONTROL MEDIANTE H-BRIDGE CON REGULADOR DE VELOCIDAD....................................................................................... ......9
FIGURA 04: CONTROL MEDIANTE MICRORELÉS.....................................11
FIGURA 05: UN SERVO MOTOR................................................ ..............13
FIGURA 06: ROTOR.................................................... ...........................13
FIGURA 07: ESTATOR DE 4 BOBINAS....................................................14
FIGURA 08: MOTOR P -P BIPOLAR Y MOTOR P – P UNIPOLAR...............14
FIGURA 09: CONTROL DE UN MOTOR P – P BIPOLAR A TRAVÉS DE PUENTES H-BRIDGE...................................................... ........................15
FIGURA 10: CONTROL DE UN MOTOR P – P UNIPOLAR A TRAVÉS DE UN ULN2803.................................................................................. .............15 Página 4 de 32
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FIGURA 11: UN SERVO DESMONTADO...................................................19
FIGURA 12: DURACIÓN DEL PULSO Y ÁNGULO DEL EJE.........................20
FIGURA 13: CIRCUITO DRIVER DEL SERVO...........................................21
FIGURA 14: FOTORRESISTENCIA..........................................................23
FIGURA 15: POTENCIÓMETRO............................................... ................24
FIGURA 16: SWITCH............................................. ................................24
FIGURA 17: MICROSWITCH........................................................... ........25
FIGURA 18: INFRARROJO OPTOACOPLADO REFLECTIVO.......................26
FIGURA 19: INFRARROJO OPTOACOPLADO DE RANURA........................26
FIGURA 20: SENSOR DE EFECTO HALL......................................... ..........27
FIGURA 21: MOTOR P-P CON 5 CABLES DE SALIDA...............................30
FIGURA 22: MOTOR P-P CON 6 CABLES DE SALIDA...............................30
Índice de Tablas TABLA 01: TABLA DE CONTROL CON H-BRIDGE.....................................10
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TABLA 02: TABLA DE CONTROL CON RELÉ.............................................12
TABLA 03: SECUENCIA DE CONTROL DE MOTORES P – P BIPOLARES.....16
TABLA 04: SECUENCIA NORMAL PARA MOTORES P – P UNIPOLARES.. . .16
TABLA 05: SECUENCIA DEL TIPO WAVE DRIVE PARA MOTORES P – P UNIPOLARES.................................................................................. .......17
TABLA 06: SECUENCIA DEL TIPO MEDIO PASO PARA MOTORES P – P UNIPOLARES.................................................................................. .......18
TABLA 07: TABLA DE CONVERSOR A/D................................................ ..22
TABLA 08: IDENTIFICACIÓN DE LOS CABLES DE LAS BOBINAS (A, B, C Y D).............................................................................. ...........................31
TABLA 09: TABLA DE CONSUMO DE DISTINTOS MOTORES DE PASO......32
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Introducción a los motores Básicamente existen dos tipos de micromotores que se utilizan en robótica. Los motores de corriente continua o motores de corriente directa y los servo motores o motores paso a paso (stepper motors). En la secciones siguientes se detallan los componentes que integran cada uno de ellos, el uso típico que se les da a la hora de construir robots y ejemplos del circuito de control de los mismos.
Motor de corriente continua (DC) Los micromotores DC (Direct Current) o también llamados CC (Corriente Continua) son muy utilizados 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 bornes. Para invertir el sentido de giro basta con invertir la alimentación y el motor comenzará a girar en sentido opuesto. A diferencia de los motores paso a paso y los servomecanismos, los motores DC 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.
Componentes de un motor DC El motor de corriente continua está compuesto de 2 piezas fundamentales: • •
Rotor Estator
El Rotor Constituye la parte móvil del motor, proporciona el torque para mover a la carga.
Figura 01: Frente y dorso de un rotor.
Está formado por: •
Eje: Formado por una barra de acero fresada. Imparte la rotación al núcleo, devanado y al colector.
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•
•
•
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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. 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).
El 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.
Figura 02: Estator.
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 circuito magnético. Imán permanente: Compuesto de material ferromagnético 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. Escobillas: Las escobillas están fabricadas de 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.
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Ejemplos de circuitos Driver para un motor DC Control mediante H-Bridge con regulador de velocidad: En la siguiente figura puede apreciarse un circuito basado en el uso de dos H-Bridge BA6286 de Rohm para controlar dos motores DC.
Figura 03: Control mediante H-Bridge con regulador de velocidad.
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. 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.
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Por otro lado al variar 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 podría ser 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. En caso de que los valores no sean legibles, se presenta una lista de las partes: R1: 10ohms R2: 2K2 R3: 10ohms R4: 2K2 RV1: 10K Lineal RV2: 10K Lineal Q1: BC548 Q2: BC548 IC1: BA6286 IC2: BA6286 1N4148 C1: 1nF C2: 1nF VCC = 5V VM = 4.5V a 6V Las entradas Forward 1 y 2, y Reverse 1 y 2 deben ser operadas dentro de valores TTL válidos (5V)
Forward 1 0 1 0 1
Estado de Entradas Reverse 1 Forward 2 0 0 0 1 1 0 1 1
Reverse 2 0 0 1 1
Tabla 01: Tabla de control con H-Bridge.
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Acción de Motores Izquierdo Derecho Libre Libre Adelante Adelante Atrás Atrás Frenado Frenado
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Control mediante microrelés: En el siguiente circuito se puede apreciar otra alternativa de control para dos motores DC.
Figura 04: Control mediante microrelés.
En este caso el sentido de giro es controlado por dos microrelés del tipo doble inversor (RL2 y RL3). Y combinado a otro microrelé simple (RL1), se obtiene el control total de los motores. Los relés son accionados mediante un array 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 microrelés cuyas bobinas se activen con 5v, de esta manera pueden ser accionados directamente por VCC, evitando así trabajar con varias 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).
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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, Pulse Width Modulation). 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. En caso de que los valores no sean legibles, se presenta una lista de las partes: IC1B: 74HC32 IC1C: 74HC32 IC1A: 74HC32 ULN2003 RL1: RELE – 5V RL2: RELE – 5V RL3: RELE – 5V 1N4148 C1: 1nF C2: 1nF VCC = 5V VM = 1.5V a 3V Las entradas Forward 1 y 2, y Reverse 1 y 2 deben ser operadas dentro de valores TTL válidos (5V)
Forward 1 0 1 0 1
Estado de Entradas Reverse 1 Forward 2 0 0 0 1 1 0 1 1
Reverse 2 0 0 1 1
Tabla 02: Tabla de control con relé.
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Acción de Motores Izquierdo Derecho Libre Libre Adelante Adelante Atrás Atrás Atrás Atrás
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Servo Motor 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°. Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas está energizada, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.
Figura 05: Un servo motor
Componentes de un servo motor Básicamente esos 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.
Figura 06: Rotor.
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.
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Figura 07: Estator de 4 bobinas.
Tipos de servo motor Existen dos tipos de motores paso a paso de imán permanente: •
•
Bipolar: Estos tiene generalmente cuatro cables de salida (ver figura 08). Requieren del cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento. Unipolar: Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado interno (ver figura 08). Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar.
Figura 08: Motor P -P Bipolar y Motor P – P Unipolar
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Ejemplo de un circuito Driver para un Motor P – P Bipolar En figura 09 se puede apreciar un ejemplo de control de estos motores mediante el uso de un puente en H (H-Bridge), será necesario un H-Bridge por cada bobina del motor. En general es recomendable el uso de H-Bridge integrados como son los casos del L293.
Figura 09: Control de un Motor P – P Bipolar a través de puentes H-Bridge.
Ejemplo de un circuito Driver para un Motor P – P Unipolar En la figura 10 podemos apreciar un ejemplo de conexionado para controlar un motor paso a paso unipolar mediante el uso de un ULN2803, el cual es un 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 directamente activadas por un microcontrolador.
Figura 10: Control de un Motor P – P Unipolar a través de un ULN2803.
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Secuencias para manejar Motores P – P Bipolares 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 Bipolar: Paso
TERMINALES B C -V +V -V -V +V -V +V +V
A +V +V -V -V
1 2 3 4
D -V +V +V -V
Tabla 03: Secuencia de control de Motores P – P Bipolares.
Secuencias para manejar Motores P – P Unipolar Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores. 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. 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. Paso
Bobina A
Bobina B
Bobina C
Bobina D
1
ON
ON
OFF
OFF
2
OFF
ON
ON
OFF
3
OFF
OFF
ON
ON
4
ON
OFF
OFF
ON
Tabla 04: Secuencia Normal para Motores P – P Unipolares.
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•
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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. Paso
Bobina A
Bobina B
Bobina C
Bobina D
1
ON
OFF
OFF
OFF
2
OFF
ON
OFF
OFF
3
OFF
OFF
ON
OFF
4
OFF
OFF
OFF
ON
Tabla 05: Secuencia del tipo wave drive para Motores P – P Unipolares.
•
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 06 la secuencia completa consta de 8 movimientos en lugar de 4.
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Paso
Bobina A
Bobina B
Bobina C
Bobina D
1
ON
OFF
OFF
OFF
2
ON
ON
OFF
OFF
3
OFF
ON
OFF
OFF
4
OFF
ON
ON
OFF
5
OFF
OFF
ON
OFF
6
OFF
OFF
ON
ON
7
OFF
OFF
OFF
ON
8
ON
OFF
OFF
ON
Tabla 06: Secuencia del tipo medio paso para Motores P – P Unipolares.
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Recomendaciones Debido a que los motores paso a paso son dispositivos mecánicos y como tales deben vencer ciertas inercias, el tiempo de duración y la frecuencia de los pulsos aplicados es un punto muy importante a tener en cuenta. Si la frecuencia de pulsos es muy elevada, el motor puede reaccionar en alguna de las siguientes formas: • • • •
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. Para conocer un método en el cual se puede determinar la distribución de los cables a los bobinados y el cable común en un motor paso a paso unipolar o bipolar sin contar con la hoja de especificaciones del mismo, referirse al Apéndice A.2 del presente documento. También se incluye en el Apéndice A.3 un método práctico para determinar el consumode corriente de las bobinas de un motor de paso.
Servo Un Servo es un dispositivo pequeño que tiene un eje de rendimiento controlado. Este puede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Con tal de que una señal codificada exista en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje. Cuando la señala codificada cambia, la posición angular de los piñones cambia.
Componentes de un servo Los servos están compuestos por un amplificador, el servo motor, piñonería de reducción y un potenciómetro de realimentación; todo incorporado en el mismo conjunto.
Figura 11: Un servo desmontado.
En la figura 11 puede apreciarse un servo de posición (lo cual significa que uno le indica a qué posición debe ir) desmontado, con un rango de aproximadamente 180 grados. Ellos tienen tres cables de conexión eléctrica; Vcc, GND, y entrada de control. Página 19 de 32
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Modo de trabajo de un servo El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro (una resistencia variable) esta es conectado al eje central del servo motor. En la figura 11 se puede observar al lado derecho del circuito. Este potenciómetro permite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual del servo motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuito chequea que el ángulo no es el correcto, el motor girará en la dirección adecuada hasta llegar al ángulo correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero varía según el fabricante. Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180 grados. La cantidad de voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que éste necesita viajar. Así, si el eje necesita regresar una distancia grande, el motor regresará a toda velocidad. Si este necesita regresar sólo una pequeña cantidad, el motor correrá a una velocidad más lenta. A esto se le llama control proporcional.
Cómo se debe comunicar el ángulo a cual el servo debe posicionarse El cable de control se usa para comunicar el ángulo. El ángulo está determinado por la duración de un pulso que se aplica al alambre de control. A esto se le llama PCM Modulación codificada de Pulsos. El servo espera ver un pulso cada 20 milisegundos (.02 segundos). La longitud del pulso determinará los giros de motor.
Figura 12: Duración del pulso y ángulo del eje
Como se observa en la figura 12, la duración del pulso indica o dictamina el ángulo del eje (mostrado como un círculo verde con flecha). Nótese que las ilustraciones y los tiempos reales dependen del fabricante de motor. El principio, sin embargo, es el mismo. Por ejemplo para los servo Hitec: 0.50 ms = 0 grados, 1.50 ms = 90 grados y 2.5 ms = 180 grados. Página 20 de 32
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Ejemplo de un circuito Driver del Servo
Figura 13: Circuito Driver del Servo.
Este usa un IC TIMER "Timer" 555. El nombre usual es NE555 o LM555, pero casi todos los fabricantes de IC´s lo han hecho. El circuito esquemático lo encuentra en las hojas de datos de los manuales ECG, National, Motorola u otros, con los valores de resistor / capacitor calculados de las fórmulas. La única diferencia es la presencia del potenciómetro P1, el cual cambia el tiempo constantemente según su posición. La señal de salida del IC (pin3) tiene mala polaridad. Para Invertir esta, es necesario el transistor. El transistor se conecta en configuración "colector común" y se usa en modo de saturación (esto significa APAGADO ó ENCENDIDO), así podría usar cualquier transistor NPN para trabajar sin problemas (en este caso se usa un C1959Y). En caso de que los valores no sean legibles, se presenta una lista de las partes: R1: 220K R2: 15K R3: 10K R4: 10K P1: 10K C1: 100nF C2: 100nF V1: 4~6V Pilas o baterías 4 AA ó usar una fuente de voltaje a 5 Voltios. Cualquier transistor NPN de baja señal.
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Sensores en Robótica Introducción: Una parte importante a la hora de construir un robot es la incorporación de sensores. Los sensores trasladan la información desde el mundo real al mundo abstracto de los microcontroladores.
Valores de salida de los sensores: Los sensores ayudan a trasladar los atributos del mundo físico en valores que la controladora de un robot puede usar. En general, la mayoría de los sensores pueden ser divididos en dos grandes grupos: • •
Sensores analógicos Sensores Digitales
Un sensor analógico es aquel que puede entregar una salida variable dentro de un determinado rango. Un Sensor analógico, como por ejemplo una Fotorresistencia (estos componentes miden intensidad de luz), puede ser cableado en un circuito que pueda interpretar sus variaciones y entregar una salida variable con valores entre 0 y 5 volts. Un sensor digital es aquel que entrega una salida del tipo discreta. Es decir, que el sensor posee una salida que varía dentro de un determinado rango de valores, pero a diferencia de los sensores analógicos, esta señal varía de a pequeños pasos pre-establecidos.
Conversión Analógica / Digital: Una parte importante a la hora de trabajar con señales analógicas es la posibilidad de transformar las mismas en señales digitales mediante el uso de un conversor A/D (analógico / digital) y entregar su salida sobre un bus de 8 bits (1 Byte). Esto permitirá al microcontrolador poder tomar decisiones en base a la lectura obtenida. Cabe destacar que en la actualidad existen microcontroladores que ya poseen este conversor integrado en si mismos, lo que permite ahorrar espacio y simplificar el diseño. En la siguiente tabla es posible apreciar un ejemplo de cómo se comportaría un conversor A/D. Voltaje entre (v) 0.0000 0.0195 0.0195 0.0391 0.0391 0.0586 0.0586 0.0781 0.0781 0.0977
Valor de Salida (binario) 00000000 00000001 00000010 00000011 00000100
Valor de salida (decimal) 0 1 2 3 4
Tabla 07: Tabla de conversor A/D.
Existe una gran variedad de conversores A/D. Los de 8 bits se usan comúnmente con microcontroladores, pero también existen de 10 bits, capaces de tomar hasta 1024 muestras. Y de 12 bits, capaces de tomar hasta 65356 muestras. A mayor cantidad de muestras mayor será la precisión obtenida, por lo que la elección del conversor A/D adecuado dependerá de que tan exacta deberá ser nuestra lectura del sensor. Página 22 de 32
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Sensores Analógicos mas frecuentes Todos los circuitos que se presentan en esta sección están pensados para ser utilizados junto con un conversor A/D.
Fotorresistencia: Estos fotorresistores (también llamados LDR) poseen la capacidad de variar su valor acorde a la cantidad de luz que incide sobre ellos.
Figura 14: Fotorresistencia.
Debido a que el valor resistivo del LDR decrece a medida que la luz aumenta, en consecuencia la tensión en el punto medio disminuirá también a medida que la luz aumente y viceversa. A modo de ejemplo supongamos que hay suficiente iluminación para llevar el valor del LDR a 2K. En este caso la tensión medida en el punto medio (considerando VCC=5v) sería: V= P1*(VCC/(P1+R1)) Entonces V=2K*(5/(2K+10K))= 0.83v
Potenciómetros: Los potenciómetros son muy útiles para medir movimientos y determinar la posición de un mecanismo determinado como por ejemplos el eje de una articulación de un brazo mecánico.
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Figura 15: Potenciómetro.
Existen dos tipos de potenciómetros: Lineares y Logarítmicos (estos últimos usados normalmente en audio). Los del tipo linear varían su valor en forma constante (linealmente), los del tipo logarítmicos poseen una curva de variación del tipo logarítmica, esto es decir que su valor aumenta lentamente en los extremos y luego los valores cambian cada vez mas rápidamente.
Sensores Digitales de uso general Switch o llaves: Uno de los sensores mas básicos son los switch (llaves o pulsadores).
Figura 16: Switch.
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Para evitar pulsos de rebote al accionar el switch se puede usar un capacitor de bajo valor (0.1uF a 1uF) en paralelo con los bornes del switch.
Microswitch: Un tipo de switch muy útil en robótica es el microswitch como el que se puede apreciar en la siguiente figura:
Figura 17: Microswitch.
Al presionar la lámina, el borne común C pasa a conectarse con el borne activado A. Si la lámina no está presionada, el borne C está unido con R (reposo). En la práctica el borne R viene identificado como NC (normal closed) y el borne A viene identificado como NO (normal open). Este tipo de sensor se lo utiliza para la detección de obstáculos en un pequeño robot.
Sensores infrarrojos optoacoplados: Existen dos tipos de sensores infrarrojos: reflectivo y de ranura. En ambos casos estos se basan en un conjunto formado por un fototransistor (transistor activado por luz) y un LED infrarrojo. Reflectivo: Este tipo de sensor presenta una cara frontal en la cual se encuentran tanto el LED como el Fototransistor. Debido que no están colocados en forma enfrentada, la única forma posible para que la luz generada por el LED active el Fototransistor es haciendo reflejar esta luz en una superficie reflectiva. Teniendo en cuenta esto, estos sensores son muy útiles para detectar por ejemplo una línea negra sobre una superficie blanca o viceversa.
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Figura 18: Infrarrojo optoacoplado reflectivo.
Debido a que el fototransistor es afectado no solo por la luz del diodo sino por la luz ambiental, se deben desarrollar circuitos de filtrado para evitar una falsa activación debido a la luz ambiente. De Ranura: En este tipo de sensor, ambos elementos (LED y Fototransistor) se encuentran alineados a la misma altura enfrentados a través de la ranura. El fototransistor se encontrará activado siempre que no se introduzca ningún elemento que obture la ranura. Un uso típico de este tipo de sensor es para detectar la cantidad de vueltas que gira un volante ranurado acoplado a un eje. Esto lo realiza al obturar y liberar el haz del luz entre el LED y el Fototransistor.
Figura 19: Infrarrojo optoacoplado de ranura.
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Sensor de Efecto Hall Se trata de un semiconductor que actúa como detector de proximidad al enfrentarse al polo sur de un imán. Utilizando el efecto may para proporcionar una conmutación sin rebotes.
Figura 20: Sensor de efecto Hall.
La distancia a la que produce la conmutación el campo magnético del imán es de alrededor de 2mm (dependiendo del modelo usado). Son muy usados en circuitos lógicos en donde se precisa conmutar sin que se produzcan rebotes, o en donde se quiera evitar el contacto mecánico. Como por ejemplo es posible realizar un circuito que mida las revoluciones a la que está girando una rueda.
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Bibliografía y Referencias [TutMP-P]
“Tutorial sobre Motores Paso a Paso www.todorobot.com.ar, 2000. Visitado: 08/05/2003
[ServoM]
“El Servo Motor”, www.todorobot.com.ar, 2000. Visitado: 20/04/2003
[MotorDC]
“Motores de corriente continua (DC)”, www.todorobot.com.ar, 2000. Visitado: 20/04/2003
[SensorAD]
“Sensores en Robótica”, www.todorobot.com.ar, 2000. Visitado: 20/04/2003
[ANG2000]
José M. Angulo Usategui, Susana Romero Yesa, Ignacio Angulo Martinez, Microbótica, 1a. Edición, Paraninfo 2000.
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(Stepper
motors)”,
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Apéndice A.1 – Glosario DC o CC: Direct Current o Corriente Continua. Fotorresistencia: Sensor que mide intensidad de luz. Ver “Sensores Analógicos más frecuentes”. Motor paso a paso: También conocido como servo motor. Su característica principal es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Ver “Servo Motor”. Potenciometro: Resistencia variable. Ver “Sensores Analógicos más frecuentes”. Servo de posición: Servo al que se le indica la posición que debe tomar.
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Apéndice A.2 – Cableado en Motores P – P Identificando los cables en Motores P – P Unipolares Cuando se trabaja con motores P-P usados o bien nuevos, pero de los cuales no se poseen las 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:
Figura 21: Motor P-P con 5 cables de salida.
Figura 22: Motor P-P con 6 cables de salida.
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 tester para chequear 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. 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. Nota: La nomenclatura de los cables (A, B, C, D) es totalmente arbitraria. El proceso se puede apreciar en el siguiente cuadro:
Seleccionar un cable y conectarlo a masa. Ese será llamado cable A.
Manteniendo el cable A conectado a masa, probar cuál de los tres cables restantes provoca un paso en sentido antihorario al ser conectado también a masa. Ese será el cable B.
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Manteniendo el cable A conectado a masa, probar cuál de los dos cables restantes provoca un paso en sentido horario al ser conectado a masa. Ese será el cable D. El último cable debería ser el cable C. Para comprobarlo, basta con conectarlo a masa, lo que no debería generar movimiento alguno debido a que es la bobina opuesta a la A. Tabla 08: Identificación de los cables de las bobinas (A, B, C y D).
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 tester en modo ohmetro (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.
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Apéndice A.3 – Consumo de Motores P - P Consumo de los Motores de Paso Cuando se presentan varios inconvenientes para obtener las hojas de datos de los motores de paso es posible recurrir a un método práctico, basado en la Ley de Ohmn [LIEC VI-DC], para calcular la corriente que consume cada bobina de un motor.
Método práctico para determinar el consumo de las bobinas Colocando los motores a un voltaje de 10 V, es posible calcular, en forma aproximada, el consumo de sus bobinas de la siguiente forma: 1. Se identifica el pin común del stepper P3 2. Se mide la resistencia de la bobina con un tester entre el pin P x y el pin común Pc Re 3. Se coloca una resistencia de 1 Ω entre la bobina Px y los 0 V. 4. Se energiza el pin común Pc a 10 V. 5. Se mide el voltaje con el tester colocando el testigo negativo en el extremo de la resistencia a 0 V y el positivo en el otro extremo de la resistencia. 6. Según la ley de Ohm: V=RxII=V/R [LIEC VI-DC] Midiendo el voltaje Ve Y conociendo la resistencia R = 1 Ω Se calcula directamente I Resistencia Voltaje de la bobina obtenido (Ve) Re (Ω) 11 0.87 18.2 0.52 39 0.09 40 0.25 58 0.072 122 0.08
Consumo (mA) 870 520 90 250 72 80
Tabla 09: Tabla de consumo de distintos motores de paso.
7. Una vez calculado el consumo de una de las bobinas del motor, se determina el consumo total del mismo, multiplicando dicho valor por la cantidad de bobinas activadas simultáneamente.
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Motores y Sensores en Robótica Motor Paso a Paso, Servo, Motores DC, Sensores analógicos, Sensores digitales.
Germán López y Santiago Margni http://www.fing.edu.uy/~pgconrob [email protected]
Tutores Ing. Gonzalo Tejera. Ing. Carlos Martinez.
Universidad de la República Oriental del Uruguay Facultad de Ingeniería Proyecto de Grado 2003
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Resumen El presente informe brinda una introducción a los temas motor de corriente continua, servo motor o motor paso a paso, sensores analógicos y sensores digitales, componentes relevantes a la hora de construir un robot móvil. El documento integra el estado del arte del proyecto de grado: Construcción de Robots a Bajo Costo.
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Tabla de Contenido INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES........................................... .................7 MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA (DC)................................................... ...............7 COMPONENTES DE UN MOTOR DC.............................................................................7 EJEMPLOS DE CIRCUITOS DRIVER PARA UN MOTOR DC.................................... ..............9 CONTROL MEDIANTE H-BRIDGE CON REGULADOR DE VELOCIDAD:.............................................9 CONTROL MEDIANTE MICRORELÉS:...........................................................................11 SERVO MOTOR................................................................... .........................13 COMPONENTES DE UN SERVO MOTOR.........................................................................13 TIPOS DE SERVO MOTOR.....................................................................................14 EJEMPLO DE UN CIRCUITO DRIVER PARA UN MOTOR P – P BIPOLAR.......................................15 EJEMPLO DE UN CIRCUITO DRIVER PARA UN MOTOR P – P UNIPOLAR......................................15 SECUENCIAS PARA MANEJAR MOTORES P – P BIPOLARES...................................................16 SECUENCIAS PARA MANEJAR MOTORES P – P UNIPOLAR....................................................16 RECOMENDACIONES..........................................................................................19 TAMBIÉN SE INCLUYE EN EL APÉNDICE A.3 UN MÉTODO PRÁCTICO PARA DETERMINAR EL CONSUMODE CORRIENTE DE LAS BOBINAS DE UN MOTOR DE PASO.........................................................19 SERVO ............................................................. .......................................19 COMPONENTES DE UN SERVO................................................................................19 MODO DE TRABAJO DE UN SERVO............................................................................20 CÓMO SE DEBE COMUNICAR EL ÁNGULO A CUAL EL SERVO DEBE POSICIONARSE..............................20 EJEMPLO DE UN CIRCUITO DRIVER DEL SERVO.........................................................21 SENSORES EN ROBÓTICA.................................................. ....................22 INTRODUCCIÓN:......................................................................... ..................22 VALORES DE SALIDA DE LOS SENSORES:............................................... ..................22 CONVERSIÓN ANALÓGICA / DIGITAL:....................................... ...........................22 SENSORES ANALÓGICOS MAS FRECUENTES....................................................... ........23 FOTORRESISTENCIA:.........................................................................................23 POTENCIÓMETROS:..........................................................................................23 SENSORES DIGITALES DE USO GENERAL....................................... ..........................24 SWITCH O LLAVES:..........................................................................................24 MICROSWITCH:..............................................................................................25 SENSORES INFRARROJOS OPTOACOPLADOS:..................................................................25 SENSOR DE EFECTO HALL...................................................................................27 BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS............................................................28
APÉNDICE A.1 – GLOSARIO............................................................ .......29
APÉNDICE A.2 – CABLEADO EN MOTORES P – P....................................30
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IDENTIFICANDO LOS CABLES EN MOTORES P – P UNIPOLARES......................................30 IDENTIFICANDO LOS CABLES DE LAS BOBINAS (A, B, C Y D)..............................................30 IDENTIFICANDO LOS CABLES EN MOTORES P – P BIPOLARES........................................31 APÉNDICE A.3 – CONSUMO DE MOTORES P - P......................................32 CONSUMO DE LOS MOTORES DE PASO ............................................................ ......32 MÉTODO PRÁCTICO PARA DETERMINAR EL CONSUMO DE LAS BOBINAS........................................32
Índice de Figuras FIGURA 01: FRENTE Y DORSO DE UN ROTOR...........................................7
FIGURA 02: ESTATOR................................................................... ...........8
FIGURA 03: CONTROL MEDIANTE H-BRIDGE CON REGULADOR DE VELOCIDAD....................................................................................... ......9
FIGURA 04: CONTROL MEDIANTE MICRORELÉS.....................................11
FIGURA 05: UN SERVO MOTOR................................................ ..............13
FIGURA 06: ROTOR.................................................... ...........................13
FIGURA 07: ESTATOR DE 4 BOBINAS....................................................14
FIGURA 08: MOTOR P -P BIPOLAR Y MOTOR P – P UNIPOLAR...............14
FIGURA 09: CONTROL DE UN MOTOR P – P BIPOLAR A TRAVÉS DE PUENTES H-BRIDGE...................................................... ........................15
FIGURA 10: CONTROL DE UN MOTOR P – P UNIPOLAR A TRAVÉS DE UN ULN2803.................................................................................. .............15 Página 4 de 32
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FIGURA 11: UN SERVO DESMONTADO...................................................19
FIGURA 12: DURACIÓN DEL PULSO Y ÁNGULO DEL EJE.........................20
FIGURA 13: CIRCUITO DRIVER DEL SERVO...........................................21
FIGURA 14: FOTORRESISTENCIA..........................................................23
FIGURA 15: POTENCIÓMETRO............................................... ................24
FIGURA 16: SWITCH............................................. ................................24
FIGURA 17: MICROSWITCH........................................................... ........25
FIGURA 18: INFRARROJO OPTOACOPLADO REFLECTIVO.......................26
FIGURA 19: INFRARROJO OPTOACOPLADO DE RANURA........................26
FIGURA 20: SENSOR DE EFECTO HALL......................................... ..........27
FIGURA 21: MOTOR P-P CON 5 CABLES DE SALIDA...............................30
FIGURA 22: MOTOR P-P CON 6 CABLES DE SALIDA...............................30
Índice de Tablas TABLA 01: TABLA DE CONTROL CON H-BRIDGE.....................................10
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TABLA 02: TABLA DE CONTROL CON RELÉ.............................................12
TABLA 03: SECUENCIA DE CONTROL DE MOTORES P – P BIPOLARES.....16
TABLA 04: SECUENCIA NORMAL PARA MOTORES P – P UNIPOLARES.. . .16
TABLA 05: SECUENCIA DEL TIPO WAVE DRIVE PARA MOTORES P – P UNIPOLARES.................................................................................. .......17
TABLA 06: SECUENCIA DEL TIPO MEDIO PASO PARA MOTORES P – P UNIPOLARES.................................................................................. .......18
TABLA 07: TABLA DE CONVERSOR A/D................................................ ..22
TABLA 08: IDENTIFICACIÓN DE LOS CABLES DE LAS BOBINAS (A, B, C Y D).............................................................................. ...........................31
TABLA 09: TABLA DE CONSUMO DE DISTINTOS MOTORES DE PASO......32
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Introducción a los motores Básicamente existen dos tipos de micromotores que se utilizan en robótica. Los motores de corriente continua o motores de corriente directa y los servo motores o motores paso a paso (stepper motors). En la secciones siguientes se detallan los componentes que integran cada uno de ellos, el uso típico que se les da a la hora de construir robots y ejemplos del circuito de control de los mismos.
Motor de corriente continua (DC) Los micromotores DC (Direct Current) o también llamados CC (Corriente Continua) son muy utilizados 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 bornes. Para invertir el sentido de giro basta con invertir la alimentación y el motor comenzará a girar en sentido opuesto. A diferencia de los motores paso a paso y los servomecanismos, los motores DC 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.
Componentes de un motor DC El motor de corriente continua está compuesto de 2 piezas fundamentales: • •
Rotor Estator
El Rotor Constituye la parte móvil del motor, proporciona el torque para mover a la carga.
Figura 01: Frente y dorso de un rotor.
Está formado por: •
Eje: Formado por una barra de acero fresada. Imparte la rotación al núcleo, devanado y al colector.
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•
•
•
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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. 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).
El 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.
Figura 02: Estator.
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 circuito magnético. Imán permanente: Compuesto de material ferromagnético 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. Escobillas: Las escobillas están fabricadas de 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.
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Ejemplos de circuitos Driver para un motor DC Control mediante H-Bridge con regulador de velocidad: En la siguiente figura puede apreciarse un circuito basado en el uso de dos H-Bridge BA6286 de Rohm para controlar dos motores DC.
Figura 03: Control mediante H-Bridge con regulador de velocidad.
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. 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.
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Por otro lado al variar 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 podría ser 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. En caso de que los valores no sean legibles, se presenta una lista de las partes: R1: 10ohms R2: 2K2 R3: 10ohms R4: 2K2 RV1: 10K Lineal RV2: 10K Lineal Q1: BC548 Q2: BC548 IC1: BA6286 IC2: BA6286 1N4148 C1: 1nF C2: 1nF VCC = 5V VM = 4.5V a 6V Las entradas Forward 1 y 2, y Reverse 1 y 2 deben ser operadas dentro de valores TTL válidos (5V)
Forward 1 0 1 0 1
Estado de Entradas Reverse 1 Forward 2 0 0 0 1 1 0 1 1
Reverse 2 0 0 1 1
Tabla 01: Tabla de control con H-Bridge.
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Acción de Motores Izquierdo Derecho Libre Libre Adelante Adelante Atrás Atrás Frenado Frenado
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Control mediante microrelés: En el siguiente circuito se puede apreciar otra alternativa de control para dos motores DC.
Figura 04: Control mediante microrelés.
En este caso el sentido de giro es controlado por dos microrelés del tipo doble inversor (RL2 y RL3). Y combinado a otro microrelé simple (RL1), se obtiene el control total de los motores. Los relés son accionados mediante un array 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 microrelés cuyas bobinas se activen con 5v, de esta manera pueden ser accionados directamente por VCC, evitando así trabajar con varias 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).
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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, Pulse Width Modulation). 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. En caso de que los valores no sean legibles, se presenta una lista de las partes: IC1B: 74HC32 IC1C: 74HC32 IC1A: 74HC32 ULN2003 RL1: RELE – 5V RL2: RELE – 5V RL3: RELE – 5V 1N4148 C1: 1nF C2: 1nF VCC = 5V VM = 1.5V a 3V Las entradas Forward 1 y 2, y Reverse 1 y 2 deben ser operadas dentro de valores TTL válidos (5V)
Forward 1 0 1 0 1
Estado de Entradas Reverse 1 Forward 2 0 0 0 1 1 0 1 1
Reverse 2 0 0 1 1
Tabla 02: Tabla de control con relé.
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Acción de Motores Izquierdo Derecho Libre Libre Adelante Adelante Atrás Atrás Atrás Atrás
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Servo Motor 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°. Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas está energizada, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.
Figura 05: Un servo motor
Componentes de un servo motor Básicamente esos 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.
Figura 06: Rotor.
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.
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Figura 07: Estator de 4 bobinas.
Tipos de servo motor Existen dos tipos de motores paso a paso de imán permanente: •
•
Bipolar: Estos tiene generalmente cuatro cables de salida (ver figura 08). Requieren del cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento. Unipolar: Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado interno (ver figura 08). Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar.
Figura 08: Motor P -P Bipolar y Motor P – P Unipolar
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Ejemplo de un circuito Driver para un Motor P – P Bipolar En figura 09 se puede apreciar un ejemplo de control de estos motores mediante el uso de un puente en H (H-Bridge), será necesario un H-Bridge por cada bobina del motor. En general es recomendable el uso de H-Bridge integrados como son los casos del L293.
Figura 09: Control de un Motor P – P Bipolar a través de puentes H-Bridge.
Ejemplo de un circuito Driver para un Motor P – P Unipolar En la figura 10 podemos apreciar un ejemplo de conexionado para controlar un motor paso a paso unipolar mediante el uso de un ULN2803, el cual es un 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 directamente activadas por un microcontrolador.
Figura 10: Control de un Motor P – P Unipolar a través de un ULN2803.
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Secuencias para manejar Motores P – P Bipolares 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 Bipolar: Paso
TERMINALES B C -V +V -V -V +V -V +V +V
A +V +V -V -V
1 2 3 4
D -V +V +V -V
Tabla 03: Secuencia de control de Motores P – P Bipolares.
Secuencias para manejar Motores P – P Unipolar Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores. 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. 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. Paso
Bobina A
Bobina B
Bobina C
Bobina D
1
ON
ON
OFF
OFF
2
OFF
ON
ON
OFF
3
OFF
OFF
ON
ON
4
ON
OFF
OFF
ON
Tabla 04: Secuencia Normal para Motores P – P Unipolares.
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•
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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. Paso
Bobina A
Bobina B
Bobina C
Bobina D
1
ON
OFF
OFF
OFF
2
OFF
ON
OFF
OFF
3
OFF
OFF
ON
OFF
4
OFF
OFF
OFF
ON
Tabla 05: Secuencia del tipo wave drive para Motores P – P Unipolares.
•
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 06 la secuencia completa consta de 8 movimientos en lugar de 4.
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Paso
Bobina A
Bobina B
Bobina C
Bobina D
1
ON
OFF
OFF
OFF
2
ON
ON
OFF
OFF
3
OFF
ON
OFF
OFF
4
OFF
ON
ON
OFF
5
OFF
OFF
ON
OFF
6
OFF
OFF
ON
ON
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Tabla 06: Secuencia del tipo medio paso para Motores P – P Unipolares.
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Recomendaciones Debido a que los motores paso a paso son dispositivos mecánicos y como tales deben vencer ciertas inercias, el tiempo de duración y la frecuencia de los pulsos aplicados es un punto muy importante a tener en cuenta. Si la frecuencia de pulsos es muy elevada, el motor puede reaccionar en alguna de las siguientes formas: • • • •
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. Para conocer un método en el cual se puede determinar la distribución de los cables a los bobinados y el cable común en un motor paso a paso unipolar o bipolar sin contar con la hoja de especificaciones del mismo, referirse al Apéndice A.2 del presente documento. También se incluye en el Apéndice A.3 un método práctico para determinar el consumode corriente de las bobinas de un motor de paso.
Servo Un Servo es un dispositivo pequeño que tiene un eje de rendimiento controlado. Este puede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Con tal de que una señal codificada exista en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje. Cuando la señala codificada cambia, la posición angular de los piñones cambia.
Componentes de un servo Los servos están compuestos por un amplificador, el servo motor, piñonería de reducción y un potenciómetro de realimentación; todo incorporado en el mismo conjunto.
Figura 11: Un servo desmontado.
En la figura 11 puede apreciarse un servo de posición (lo cual significa que uno le indica a qué posición debe ir) desmontado, con un rango de aproximadamente 180 grados. Ellos tienen tres cables de conexión eléctrica; Vcc, GND, y entrada de control. Página 19 de 32
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Modo de trabajo de un servo El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro (una resistencia variable) esta es conectado al eje central del servo motor. En la figura 11 se puede observar al lado derecho del circuito. Este potenciómetro permite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual del servo motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuito chequea que el ángulo no es el correcto, el motor girará en la dirección adecuada hasta llegar al ángulo correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero varía según el fabricante. Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180 grados. La cantidad de voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que éste necesita viajar. Así, si el eje necesita regresar una distancia grande, el motor regresará a toda velocidad. Si este necesita regresar sólo una pequeña cantidad, el motor correrá a una velocidad más lenta. A esto se le llama control proporcional.
Cómo se debe comunicar el ángulo a cual el servo debe posicionarse El cable de control se usa para comunicar el ángulo. El ángulo está determinado por la duración de un pulso que se aplica al alambre de control. A esto se le llama PCM Modulación codificada de Pulsos. El servo espera ver un pulso cada 20 milisegundos (.02 segundos). La longitud del pulso determinará los giros de motor.
Figura 12: Duración del pulso y ángulo del eje
Como se observa en la figura 12, la duración del pulso indica o dictamina el ángulo del eje (mostrado como un círculo verde con flecha). Nótese que las ilustraciones y los tiempos reales dependen del fabricante de motor. El principio, sin embargo, es el mismo. Por ejemplo para los servo Hitec: 0.50 ms = 0 grados, 1.50 ms = 90 grados y 2.5 ms = 180 grados. Página 20 de 32
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Ejemplo de un circuito Driver del Servo
Figura 13: Circuito Driver del Servo.
Este usa un IC TIMER "Timer" 555. El nombre usual es NE555 o LM555, pero casi todos los fabricantes de IC´s lo han hecho. El circuito esquemático lo encuentra en las hojas de datos de los manuales ECG, National, Motorola u otros, con los valores de resistor / capacitor calculados de las fórmulas. La única diferencia es la presencia del potenciómetro P1, el cual cambia el tiempo constantemente según su posición. La señal de salida del IC (pin3) tiene mala polaridad. Para Invertir esta, es necesario el transistor. El transistor se conecta en configuración "colector común" y se usa en modo de saturación (esto significa APAGADO ó ENCENDIDO), así podría usar cualquier transistor NPN para trabajar sin problemas (en este caso se usa un C1959Y). En caso de que los valores no sean legibles, se presenta una lista de las partes: R1: 220K R2: 15K R3: 10K R4: 10K P1: 10K C1: 100nF C2: 100nF V1: 4~6V Pilas o baterías 4 AA ó usar una fuente de voltaje a 5 Voltios. Cualquier transistor NPN de baja señal.
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Sensores en Robótica Introducción: Una parte importante a la hora de construir un robot es la incorporación de sensores. Los sensores trasladan la información desde el mundo real al mundo abstracto de los microcontroladores.
Valores de salida de los sensores: Los sensores ayudan a trasladar los atributos del mundo físico en valores que la controladora de un robot puede usar. En general, la mayoría de los sensores pueden ser divididos en dos grandes grupos: • •
Sensores analógicos Sensores Digitales
Un sensor analógico es aquel que puede entregar una salida variable dentro de un determinado rango. Un Sensor analógico, como por ejemplo una Fotorresistencia (estos componentes miden intensidad de luz), puede ser cableado en un circuito que pueda interpretar sus variaciones y entregar una salida variable con valores entre 0 y 5 volts. Un sensor digital es aquel que entrega una salida del tipo discreta. Es decir, que el sensor posee una salida que varía dentro de un determinado rango de valores, pero a diferencia de los sensores analógicos, esta señal varía de a pequeños pasos pre-establecidos.
Conversión Analógica / Digital: Una parte importante a la hora de trabajar con señales analógicas es la posibilidad de transformar las mismas en señales digitales mediante el uso de un conversor A/D (analógico / digital) y entregar su salida sobre un bus de 8 bits (1 Byte). Esto permitirá al microcontrolador poder tomar decisiones en base a la lectura obtenida. Cabe destacar que en la actualidad existen microcontroladores que ya poseen este conversor integrado en si mismos, lo que permite ahorrar espacio y simplificar el diseño. En la siguiente tabla es posible apreciar un ejemplo de cómo se comportaría un conversor A/D. Voltaje entre (v) 0.0000 0.0195 0.0195 0.0391 0.0391 0.0586 0.0586 0.0781 0.0781 0.0977
Valor de Salida (binario) 00000000 00000001 00000010 00000011 00000100
Valor de salida (decimal) 0 1 2 3 4
Tabla 07: Tabla de conversor A/D.
Existe una gran variedad de conversores A/D. Los de 8 bits se usan comúnmente con microcontroladores, pero también existen de 10 bits, capaces de tomar hasta 1024 muestras. Y de 12 bits, capaces de tomar hasta 65356 muestras. A mayor cantidad de muestras mayor será la precisión obtenida, por lo que la elección del conversor A/D adecuado dependerá de que tan exacta deberá ser nuestra lectura del sensor. Página 22 de 32
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Sensores Analógicos mas frecuentes Todos los circuitos que se presentan en esta sección están pensados para ser utilizados junto con un conversor A/D.
Fotorresistencia: Estos fotorresistores (también llamados LDR) poseen la capacidad de variar su valor acorde a la cantidad de luz que incide sobre ellos.
Figura 14: Fotorresistencia.
Debido a que el valor resistivo del LDR decrece a medida que la luz aumenta, en consecuencia la tensión en el punto medio disminuirá también a medida que la luz aumente y viceversa. A modo de ejemplo supongamos que hay suficiente iluminación para llevar el valor del LDR a 2K. En este caso la tensión medida en el punto medio (considerando VCC=5v) sería: V= P1*(VCC/(P1+R1)) Entonces V=2K*(5/(2K+10K))= 0.83v
Potenciómetros: Los potenciómetros son muy útiles para medir movimientos y determinar la posición de un mecanismo determinado como por ejemplos el eje de una articulación de un brazo mecánico.
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Figura 15: Potenciómetro.
Existen dos tipos de potenciómetros: Lineares y Logarítmicos (estos últimos usados normalmente en audio). Los del tipo linear varían su valor en forma constante (linealmente), los del tipo logarítmicos poseen una curva de variación del tipo logarítmica, esto es decir que su valor aumenta lentamente en los extremos y luego los valores cambian cada vez mas rápidamente.
Sensores Digitales de uso general Switch o llaves: Uno de los sensores mas básicos son los switch (llaves o pulsadores).
Figura 16: Switch.
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Para evitar pulsos de rebote al accionar el switch se puede usar un capacitor de bajo valor (0.1uF a 1uF) en paralelo con los bornes del switch.
Microswitch: Un tipo de switch muy útil en robótica es el microswitch como el que se puede apreciar en la siguiente figura:
Figura 17: Microswitch.
Al presionar la lámina, el borne común C pasa a conectarse con el borne activado A. Si la lámina no está presionada, el borne C está unido con R (reposo). En la práctica el borne R viene identificado como NC (normal closed) y el borne A viene identificado como NO (normal open). Este tipo de sensor se lo utiliza para la detección de obstáculos en un pequeño robot.
Sensores infrarrojos optoacoplados: Existen dos tipos de sensores infrarrojos: reflectivo y de ranura. En ambos casos estos se basan en un conjunto formado por un fototransistor (transistor activado por luz) y un LED infrarrojo. Reflectivo: Este tipo de sensor presenta una cara frontal en la cual se encuentran tanto el LED como el Fototransistor. Debido que no están colocados en forma enfrentada, la única forma posible para que la luz generada por el LED active el Fototransistor es haciendo reflejar esta luz en una superficie reflectiva. Teniendo en cuenta esto, estos sensores son muy útiles para detectar por ejemplo una línea negra sobre una superficie blanca o viceversa.
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Figura 18: Infrarrojo optoacoplado reflectivo.
Debido a que el fototransistor es afectado no solo por la luz del diodo sino por la luz ambiental, se deben desarrollar circuitos de filtrado para evitar una falsa activación debido a la luz ambiente. De Ranura: En este tipo de sensor, ambos elementos (LED y Fototransistor) se encuentran alineados a la misma altura enfrentados a través de la ranura. El fototransistor se encontrará activado siempre que no se introduzca ningún elemento que obture la ranura. Un uso típico de este tipo de sensor es para detectar la cantidad de vueltas que gira un volante ranurado acoplado a un eje. Esto lo realiza al obturar y liberar el haz del luz entre el LED y el Fototransistor.
Figura 19: Infrarrojo optoacoplado de ranura.
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Sensor de Efecto Hall Se trata de un semiconductor que actúa como detector de proximidad al enfrentarse al polo sur de un imán. Utilizando el efecto may para proporcionar una conmutación sin rebotes.
Figura 20: Sensor de efecto Hall.
La distancia a la que produce la conmutación el campo magnético del imán es de alrededor de 2mm (dependiendo del modelo usado). Son muy usados en circuitos lógicos en donde se precisa conmutar sin que se produzcan rebotes, o en donde se quiera evitar el contacto mecánico. Como por ejemplo es posible realizar un circuito que mida las revoluciones a la que está girando una rueda.
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Bibliografía y Referencias [TutMP-P]
“Tutorial sobre Motores Paso a Paso www.todorobot.com.ar, 2000. Visitado: 08/05/2003
[ServoM]
“El Servo Motor”, www.todorobot.com.ar, 2000. Visitado: 20/04/2003
[MotorDC]
“Motores de corriente continua (DC)”, www.todorobot.com.ar, 2000. Visitado: 20/04/2003
[SensorAD]
“Sensores en Robótica”, www.todorobot.com.ar, 2000. Visitado: 20/04/2003
[ANG2000]
José M. Angulo Usategui, Susana Romero Yesa, Ignacio Angulo Martinez, Microbótica, 1a. Edición, Paraninfo 2000.
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(Stepper
motors)”,
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Apéndice A.1 – Glosario DC o CC: Direct Current o Corriente Continua. Fotorresistencia: Sensor que mide intensidad de luz. Ver “Sensores Analógicos más frecuentes”. Motor paso a paso: También conocido como servo motor. Su característica principal es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Ver “Servo Motor”. Potenciometro: Resistencia variable. Ver “Sensores Analógicos más frecuentes”. Servo de posición: Servo al que se le indica la posición que debe tomar.
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Apéndice A.2 – Cableado en Motores P – P Identificando los cables en Motores P – P Unipolares Cuando se trabaja con motores P-P usados o bien nuevos, pero de los cuales no se poseen las 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:
Figura 21: Motor P-P con 5 cables de salida.
Figura 22: Motor P-P con 6 cables de salida.
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 tester para chequear 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. 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. Nota: La nomenclatura de los cables (A, B, C, D) es totalmente arbitraria. El proceso se puede apreciar en el siguiente cuadro:
Seleccionar un cable y conectarlo a masa. Ese será llamado cable A.
Manteniendo el cable A conectado a masa, probar cuál de los tres cables restantes provoca un paso en sentido antihorario al ser conectado también a masa. Ese será el cable B.
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Manteniendo el cable A conectado a masa, probar cuál de los dos cables restantes provoca un paso en sentido horario al ser conectado a masa. Ese será el cable D. El último cable debería ser el cable C. Para comprobarlo, basta con conectarlo a masa, lo que no debería generar movimiento alguno debido a que es la bobina opuesta a la A. Tabla 08: Identificación de los cables de las bobinas (A, B, C y D).
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 tester en modo ohmetro (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.
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Apéndice A.3 – Consumo de Motores P - P Consumo de los Motores de Paso Cuando se presentan varios inconvenientes para obtener las hojas de datos de los motores de paso es posible recurrir a un método práctico, basado en la Ley de Ohmn [LIEC VI-DC], para calcular la corriente que consume cada bobina de un motor.
Método práctico para determinar el consumo de las bobinas Colocando los motores a un voltaje de 10 V, es posible calcular, en forma aproximada, el consumo de sus bobinas de la siguiente forma: 1. Se identifica el pin común del stepper P3 2. Se mide la resistencia de la bobina con un tester entre el pin P x y el pin común Pc Re 3. Se coloca una resistencia de 1 Ω entre la bobina Px y los 0 V. 4. Se energiza el pin común Pc a 10 V. 5. Se mide el voltaje con el tester colocando el testigo negativo en el extremo de la resistencia a 0 V y el positivo en el otro extremo de la resistencia. 6. Según la ley de Ohm: V=RxII=V/R [LIEC VI-DC] Midiendo el voltaje Ve Y conociendo la resistencia R = 1 Ω Se calcula directamente I Resistencia Voltaje de la bobina obtenido (Ve) Re (Ω) 11 0.87 18.2 0.52 39 0.09 40 0.25 58 0.072 122 0.08
Consumo (mA) 870 520 90 250 72 80
Tabla 09: Tabla de consumo de distintos motores de paso.
7. Una vez calculado el consumo de una de las bobinas del motor, se determina el consumo total del mismo, multiplicando dicho valor por la cantidad de bobinas activadas simultáneamente.
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