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MOTORES PASO A PASO. PRÁCTICA Nº 3 ACCIONAMIENTO BÁSICO DE UN MOTOR PASO A PASO CON GENERACIÓN SOFTWARE DE LAS FASES CON PLD/MICROCONTROLADOR + CIRCUITO DE CONTROL (L65067) + DRIVER DE POTENCIA (L298N). CONTROL DE VELOCIDAD Y DE POSICIÓN EN LAZO ABIERTO

En esta práctica se persiguen los siguientes objetivos: Que el alumno conozca las principales técnicas de excitación de este tipo de motores. - Que se familiarice con el uso de los circuitos electrónicos empleados comúnmente en el accionamiento de motores paso a paso - Que el alumno accione un motor paso a paso, con conexión bipolar paralelo, en diferentes modos de funcionamiento: medio paso y paso completo completo con excitación excitación de las dos fases y de una sola fase, mediante mediante la utilizació utilizaciónn de dispositivos dispositivos digitales digitales programables, programables, que se encargarán encargarán de la gener generac ació iónn de la secue secuenci nciaa de fases fases neces necesari ariaa para para la corre correct ctaa excitación del motor. realice, de forma básica, básica, y en lazo abierto, el control de - Que el alumno realice, velocidad y de posición de este tipo de motores. -

MPAP. PRÁCTICA 3.- PALCE22V10/PALCE16V8 (uCONTROLADOR)+L6506+L289N

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INTRODUCCIÓN En esta práctica se pretende desarrollar el accionamiento a alto nivel de un motor paso a paso, basado en el circuito de control L6506, que realiza la función de chopeado de la corriente de los devanados, así como en el driver de potencia L298N y en los circuitos generadores de fases: un PLD (PALCE22V10 o PALCE16V8) o un microcontrolador, el AVR AT90S8515 o el AVR AT90S8535, ambos de la firma Atmel. Las hojas de características de los dos primeros dispositivos se adjuntan en el Anexo-II. Así mismo, se recomienda la lectura de las siguientes notas de aplicación de la firma SGS (fabricante del L6506 y del L298N): AN235.- “Stepper Motor Driving” AN460.- “Stepper motor driver considerations, common problems and solutions” AN469.- “Using the L6506 for current control of stepping motors” Que se encuentran en el anexo III.

IMPORTANTE: Ha de tenerse en cuenta que

VREF= VSENSEmáx = ISENSE·R SENSE < Imáx·R SENSE

Siendo Imáx la indicada en las especificaciones del motor que estamos utilizando. Para que el motor no resulte dañado, en cualquier caso, se tendrá que cumplir que: R SENSE > (VREFmáx/Imáx)

El esquema del montaje que se propone para la realización de la práctica, así como la serigrafía de su circuito impreso, se representa en las figuras adjuntas. Dicho esquema, como se puede comprobar fácilmente, se ha obtenido a partir de las notas de aplicación del fabricante anteriormente reseñadas.


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1.- GENERACIÓN SOFTWARE DE LAS FASES CON UN PLD. En esta primera parte de la práctica, se propone el accionamiento básico del motor mediante un sencillo generador de fases construido con un PLD (PALCE22V10 o PALCE16V8), con la posibilidad de accionamiento en modo medio paso o paso completo con accionamiento de una de las fases o de las dos fases. Se recomienda seguir el siguiente procedimiento: 1. Familiarizarse con el entorno de programación de los PLDs (programa Orcad PLD, ficheros generados, manejo del programador de PLDs). Para ello dispones de la documentación necesaria en el segundo tomo de la documentación que se os facilita en el laboratorio. 2. Comprobación del correcto funcionamiento del la tarjeta de circuito impreso que contiene los circuitos L6506 y L298N. Para realizar esta comprobación basta con que introduzcas manualmente las señales adecuadas en las entradas de habilitación (PEN) y de las fases. Recuerda que previamente has debido de ajustar la tensión de referencia VREF=1.4V, y la frecuencia de chopeado a 20KHz. 3. Diseño e implementación del generador de fases (autómata) para la excitación del motor en el modo paso completo con una sola fase excitada. Una vez realizado el diseño, y antes de conectarlo al L6506, comprueba, de forma independiente su correcto funcionamiento sobre la placa de inserción introduciéndole pulsos de reloj utilizando para ello el mismo circuito de generación de pulsos de la práctica 2, y que se repite a continuación. Comprueba la correcta generación de las fases en este modo de funcionamiento. Una vez realizada esta comprobación previa, conecta el PLD a la tarjeta de circuito impreso e introduce pulsos de reloj manualmente y comprueba el correcto funcionamiento del sistema completo. Haz lo mismo introduciendo una señal de reloj 100Hz al generador de fases (PLD).


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4. Diseño e implementación del generador de fases (autómata) para la excitación del motor en el modo paso completo con dos fases excitadas. Una vez realizado el diseño, y antes de conectarlo al L6506, comprueba, de forma independiente su correcto funcionamiento sobre la placa de inserción introduciéndole pulsos de reloj utilizando para ello el mismo circuito de generación de pulsos de la práctica 2. Comprueba la correcta generación de las fases en este modo de funcionamiento. Una vez realizada esta comprobación previa, conecta el PLD a la tarjeta de circuito impreso e introduce pulsos de reloj manualmente y comprueba el correcto funcionamiento del sistema completo. Haz lo mismo introduciendo una señal de reloj 100Hz al generador de fases (PLD). 5. Diseño e implementación del generador de fases (autómata) para la excitación del motor en el modo medio paso. Una vez realizado el diseño, y antes de conectarlo al L6506, comprueba, de forma independiente su correcto funcionamiento sobre la placa de inserción introduciéndole pulsos de reloj utilizando para ello el mismo circuito de generación de pulsos de la práctica 2. Comprueba la correcta generación de las fases en este modo de funcionamiento. Una vez realizada esta comprobación previa, conecta el PLD a la tarjeta de circuito impreso e introduce pulsos de reloj manualmente y comprueba el correcto funcionamiento del sistema completo. Haz lo mismo introduciendo una señal de reloj 100Hz al generador de fases (PLD).


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6. Incluye las implementaciones anteriores (puntos 3, 4 y 5) en un solo diseño y añade a dichas implementaciones anteriores el control del sentido de giro y la selección del modo de funcionamiento. Comprueba la correcta generación de las fases en los diferentes modos de funcionamiento. Una vez realizada esta comprobación previa, conecta el PLD a la tarjeta de circuito impreso e introduce pulsos de reloj manualmente y comprueba el correcto funcionamiento del sistema completo. Haz lo mismo introduciendo una señal de reloj 100Hz al generador de fases (PLD). Contesta en este último caso a las siguientes cuestiones (Recuerda que previamente has debido de ajustar la tensión de referencia VREF=1.4V, y la frecuencia de chopeado a 20KHz): 6.1. Justifica el valor utilizado para los resistores R SENSE


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6.2.Comprueba las formas de onda de las señales A, B, C y D a la salida del PLD y a la salida del L6506 para los modos de funcionamiento: medio paso y paso completo con excitación de una y de dos fases. Explica las diferencias entre ambos puntos de test. Se deberá de visualizar un ciclo completo de cada modo de funcionamiento, es decir, cuatro estados para el modo de paso completo (tanto para el caso de dos devanados excitados como para el caso de un solo devanado excitado) y ocho para el caso de medio paso. Para visualizar fácilmente cada estado, se introducirán los pulsos de reloj necesarios manualmente mediante el montaje anteriormente referido.


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6.3.Mide la frecuencia de oscilación de chopeado del L6506. Comprueba y justifica el efecto de variar la frecuencia del oscilador de chopeado.

6.4.Comprueba y justifica el efecto de variar la tensión de referencia (siempre por debajo de 1.4V) en relación con la frecuencia máxima de giro del eje del motor, frecuencias de resonancia, etc.


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2.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD Y DE POSICIÓN. La velocidad angular del eje de un motor paso a paso depende de la frecuencia que tengan las señales de fase que excitan a los devanados. En nuestro caso en concreto, estas fases son generadas por un dispositivo PLD, y por tanto la velocidad de cambio de los estados del autómata, nos define la velocidad angular del eje del motor. Como se comentó en la Práctica 2, un motor paso a paso gira un paso en cada período de las señales de fase, por lo que si la frecuencia de estas fases es f , el motor girará a una velocidad de f pasos/segundo, bien entendido que el paso en grados depende del modo de funcionamiento (medio paso o paso completo) y del número de pasos por vuelta que tenga el motor (200 pasos en nuestro caso en concreto). Si llamamos n al número de pasos por vuelta, cada paso corresponde a 360/n grados (en nuestro caso 360/200= 1.8º). Si el modo de funcionamiento es paso completo, con uno o los dos devanados excitados, cada paso corresponde a 360/n grados. En el modo de funcionamiento a medio paso, el giro del eje corresponderá a 360/(2·n) grados (en nuestro caso 360/(2·200)= 0.9º). Si el modo de funcionamiento fuese micropaso, con m micropasos por paso, cada micropaso correspondería a 360/(n·m) grados. Si se desea que el motor gire a una velocidad de ω r.p.m., la frecuencia de las señales de fase, o lo que es lo mismo, el número de saltos por segundo, será: ω

(vueltas/seg.) = 360 ×ω (° /seg.) =

360 ×ω ×m ×n (saltos/seg.) = m ×n ×ω (saltos/seg.) 360

Con m= 1 en los modos de funcionamiento a paso completo, m= 2 en el modo a medio paso, e igual al número de micropasos/paso si el funcionamiento es en modo micropaso.


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2.1.- CONTROL DE VELOCIAD Como anteriormente se indicó, la gran ventaja de los motores paso a paso, reside en que el control puede realizarse en lazo abierto con la suficiente precisión, lo cual implica que los sistemas de control sean sencillos y económicamente interesantes por no necesitar sensores de movimiento (por ejemplo encóders ópticos). En esta práctica se desea controlar un motor paso a paso para que gire a una velocidad de entre 20 y 60 r.p.m. (esta está en función del número del grupo de trabajo del que se forme parte en el laboratorio), de tal forma que las señales de consigna se le proporcionen al dispositivo PLD (PALCE22V10 o PALCE16V8) mediante las entradas habilitadas para tal fin, tal y como se definió en el apartado 1, punto 6, de esta práctica. A partir de estas señales de consigna, el dispositivo PLD ha de generar la secuencia de fases necesaria para realizar el control de velocidad en lazo abierto del motor paso a paso. Antes de comenzar con el control de velocidad en lazo abierto propiamente dicho, ha de tenerse en cuenta que la velocidad angular del eje de un motor paso a paso depende de la frecuencia que tengan las señales de las fases que excitan los devanados como anteriormente se ha mencionado. En nuestro caso en concreto, de la frecuencia de las fases generadas por el PLD. Consideremos, a modo de ejemplo, el caso en el que la frecuencia de giro del motor deba de ser de 60 r.p.m., y que el modo de funcionamiento es el de medio paso, es decir:

ω REF

=

60r. p.m. =

60 ×360 = 360° / seg . 60

Como el motor que se utiliza en la práctica tiene 200 pasos por vuelta, o lo que es lo mismo, 400 medios pasos por vuelta, la consigna de velocidad angular debe de ser:

ω REF

=

60r. p.m. =

60 ×360 = 360° / seg . = 400medios pasos / seg . 60

Que corresponde a 400Hz.

MPAP. PRÁCTICA 3.- PALCE22V10/PALCE16V8 (uCONTROLADOR)+L6506+L289N 10

Teniendo en cuenta lo anteriormente comentado, contesta razonadamente a los siguientes apartados: 1.- Calcula la señal de consigna para conseguir la velocidad asignada a tu grupo (te la debe de asignar el profesor).

2.- Introduce la señal de consigna obtenida en el apartado anterior y comprueba que realmente genera en el motor la velocidad asignada mediante un tacómetro que te proporcionará el profesor.


2.2.- CONTROL DE POSICIÓN EN LAZO ABIERTO

Esta práctica se realizará introduciendo manualmente pulsos al circuito PLD, según se comentó anteriormente. En esta práctica se deberá de hacer girar motor paso a paso 90º a partir de una posición inicial determinada en modo de funcionamiento a medio paso y paso completo (con una y con dos fases excitadas). El control se realizará en lazo abierto. En el control de posición, lo que hay que determinar (señal de consigna) es el número de saltos que ha de realizar el eje del motor para alcanzar la posición deseada. Supóngase que se desea alcanzar la posición de g grados. La consigna tendría que fijarse en el valor: g ×n

360

pasos

Teniendo en cuenta que cada paso puede estar dividido en m micropasos, el número de saltos N que debería dar el eje del motor para alcanzar la posición deseada sería de:

N

=

g ×n ×m

360

saltos

Debido a que la posición del eje efectúa saltos discretos, la resolución R que podría alcanzarse en la posición es:

R =

360 n ×m

°

/ saltos

Es decir, que el error máximo que podría cometerse por paso, en el caso peor, sería de:

= ε MÁX

360 n ×m

grados

Para poder visualizar fácilmente el ángulo que gira el eje del motor, se recomienda poner algún índice o fijar una marca de cualquier tipo en el eje.


Obtengamos a continuación, a modo de ejemplo, la señal de consigna (el número de saltos) para el supuesto en el que se desee que el motor gire tres vueltas y media en un determinado sentido de giro y en el modo de funcionamiento en medio paso. Como el motor con el que estamos trabajando es de 200 pasos por vuelta, el número de medios pasos que corresponden a 3.5 vueltas es de: 200( pasos / vuelta) ×3.5vueltas = 700 pasos = 1400medios pasos La resolución en grados del motor, depende del modo de funcionamiento (medio paso o paso completo). En el caso de funcionamiento en modo paso completo sería de: R =

360 n ×m

°

/ saltos =

360° = 1.8 grados / paso 200 ×1

El error máximo de posición que podría cometerse sería entonces de 1.8 grados. En el caso de funcionamiento en modo a medio paso, la resolución sería de 0.9 grados y el error máximo de 0.9 grados/paso. Supongamos además que se desea también que la velocidad sea de 30 r.p.m., con lo que la frecuencia de reloj sería de:

30r . p.m. =

30vueltas / min uto 60

=

0.5vueltas / seg. = 0.5 ×400(medios pasos / vuelta) = 200 Hz


CUESTIONES 1.- Calcula la señal de consigna, para los diferentes modos de funcionamiento (medio paso y paso completo) para que el eje del motor gire 90º y comprueba que el motor gira realmente estos 90 grados en el sentido adecuado en el los diferentes modos de funcionamiento. Calcula además la resolución y el error máximo posible por paso. IMPORTANTE: debe fijarse la tensión de referencia VREF=1.4V y la frecuencia de chopeado de la corriente a 20KHz.


Adjunta los listados de los programas que hayas implementado en el PLD.


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