MOTORES PASO A PASO. PRÁCTICA Nº 2

ACCIONAMIENTO BÁSICO DE UN MOTOR PASO A PASO CON CIRCUITO GENERADOR DE FASES (L297) + 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 con excitación de las dos fases y de una sola fase. Que el alumno realice, de forma básica, y en lazo abierto, el control de velocidad y de posición de este tipo de motores.

Se pretende por tanto, desarrollar el accionamiento de un motor paso a paso a alto nivel, basado en el circuito de control L297, que realiza las funciones de generador de fases y chopeado de la corriente que circula por los devanados, y en el driver de potencia L298N. Las hojas de características de ambos dispositivos se adjuntan en el Anexo II. Así mismo se recomienda la lectura de las siguientes notas de aplicación:

AN280.- “Controlling Voltage transient in full bridge drives applications” AN468.- “ Constant-current chopper driver ups stepper motor performance” (existe versión traducida al castellano) AN470.- “The L297 stepper motor controller” Que se encuentran en el anexo III. El montaje que se propone para la realización de la práctica se representa en la figura adjunta, que como se puede comprobar fácilmente se ha obtenido a partir de las notas de aplicación del fabricante anteriormente reseñadas.

MOTORES PASO A PASO. PRÁCTICA 2.- L297+L289N

1

A

B

C

D

ALIMENTACIÓN

JP4

VCC_+5V

CONTROL

2 1

2 1

RESET PASO SENTIDO CONTROL ENABLE

3 2 1

11K

R11

VCC_+5V

10 9 8 7 6

5

3 2 1

SW DIP-5

JP3

1 2 3 4 5

SW2

VCC_+5V

5

POT1

C4 5n6

CLOCK VREF

LED

R6 10K

R12 220K

470R

R10

R5 10K

2

3

R8 10K

R9 10K

HOME

4

VCC_MOTOR

VCC_+5V

OSC

LED

D9

R7 10K

4

2

16

15

18

1 3

20 19 17 11 10

L297

GND

OSC

VREF

CLOCK

SYNC HOME

INH1 INH2

A B C D

12

13

14

C1 100nF

S1 S2

R3 22K

3

R1 1R/2W

R4 22K

IM_2

IM_1

L298N

ISENB

ISENA

ENA ENB

IN1 IN2 IN3 IN4

U12

OUT_1 OUT_2 OUT_3 OUT_4 INH1 INH2 IM_1 IM_2 OSC HOME

R2 1R/2W

15

1

6 11

5 8

INH1 INH2

INH11 INH21

4 6 7 9 1 JP1 2 1 2 JP2

5 7 10 12

OUT_1 OUT_2 OUT_3 OUT_4

VCC_+5V

VS

SENSE2

SENSE1

RESET HALF/FULL CW/CCW CONTROL EN

U14

3

C2 470uF

VCC_+5V

D5 1N4007

D1 1N4007

Date:

Size A4

D6 1N4007

D2 1N4007

D7 1N4007

D3 1N4007

2

Saturday, September 02, 2000



Document Number Sheet

MOTORES PASO A PASO. PRÁCTICA 2

PUNTOS DE MEDIDA

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

JP5

8

9

4

2 3 13 14

Title

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

GND

VSS

VS

OUT1 OUT2 OUT3 OUT4

C3 100nF

2

1 1

of

D8 1N4007

FASE_A1 FASE_A2 FASE_B1 FASE_B2

D4 1N4007

1

JP6 MOTOR_FASE A

VCC_MOTOR

1 2 1 2 2 1 1

R ev

JP7 MOTOR_FASE B

2 1

A

B

C

D

RESET PASO SENTIDO CONTROL ENABLE

Pin 1: VRef

Pin 2: CLOCK

Pin 11: GND Pin 10 HOME Pin 9: OSC Pin 8: IM_2 Pin 7: IM_1 Pin 6: INH2 Pin 5: INH1 Pin 4: OUT_4 Pin 3: OUT_3 Pin 2: OUT_2 Pin 1: OUT_1

Pin 1: GND Pin 2: VCC_MOTOR Pin 3: VCC_+5V Pin 2: FASE_A2

Pin 1: FASE_B1

Pin 1: FASE_A1

Pin 2: FASE_B2

Para la realización de la práctica, inicialmente no se utilizará un microcontrolador, sino que se deberá de comprobar el correcto funcionamiento del sistema de forma “manual”, siguiendo el procedimiento que a continuación se detalla: -

la frecuencia inicial de test de la entrada de reloj del L297 (pasos/seg) será de 100Hz. Si el montaje no funcionase correctamente, se podrá depurar más fácilmente si los impulsos de la señal de reloj se introducen manualmente mediante un mecanismo antirrebotes como el que se adjunta en la siguiente figura.

-

Las señales de control de sentido de giro CW/CCW y de selección de modo de paso HALF/FULL se han de seleccionar manualmente.

-

VREF inicial para el control del chopeado de 1.4V

IMPORTANTE: Ha de tenerse en cuenta que VREF= VSENSEmáx= ISENSE·RSENSE < Imáx·RSENSE

MOTORES PASO A PASO. PRÁCTICA 2.- L297+L289N

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

Por otra parte, el L297 permite la generación automática de fases a partir de cuatro señales de control: CLOCK, HALF/FULL STEP (medio paso a nivel alto y paso completo a nivel bajo), CW/CCW (sentido de giro, sentido horario a nivel alto y sentido antihorario a nivel bajo) y RESET, que es activa a nivel bajo y que asíncronamente con la señal de reloj lleva las salidas del L297 al estado inicial (0101). El L297 puede generar la sucesión de fases correspondientes al modo medio paso y al modo paso completo con dos fases excitadas o con una sola fase excitada. Para que el L297 genere las fases correspondientes al modo paso completo con una sola fase excitada se debe de asegurar que el sistema evolucione de un estado par a otro también par, lo cual se consigue si partiendo del reset, estado 1 (0101), se aplica un medio paso para alcanzar un estado par. A partir de este estado par, se fija la entrada HALF/FULL STEP a nivel bajo para mantener la secuencia de estados pares con la cadencia marcada por la señal de reloj (CLOCK). Para comprobar este modo de funcionamiento, se pueden introducir los impulsos de reloj manualmente, tal y como se indicó anteriormente. El L298N integra un doble puente en H. Este circuito de tecnología bipolar es capaz de suministrar una corriente de hasta 2 A con disipador externo, aunque para las corrientes que se van a manejar en nuestro montaje, inferiores a 1.41 A, no será necesario su utilización. Los diodos 1N4007 establecen los caminos de recirculación de corriente indispensables en los modos de chopeado de corriente que realiza el L297 para el control del puente en H. Las redes snnuber asociadas a cada devanado del motor están constituidas por R9-C3 y R8-C4. Los resistores R6 y R7 realizan la función de sensores de las corrientes de cada uno de los devanados del motor paso a paso.

1.- Antes de comenzar con el desarrollo en sí de la parte práctica, explica con claridad los diferentes modos de control del puente en H (L298N) que permite el L297: -

Control del chopeado de la corriente mediante la actuación sobre las líneas de fase A, B, C y D (phase chopping).

-

Control del chopeado de la corriente mediante la actuación sobre las líneas de habilitación del puente en H (enable chopping).

MOTORES PASO A PASO. PRÁCTICA 2.- L297+L289N

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Para ello, contesta razonadamente, para cada enable chopping), a las siguientes preguntas: • • • • • • •

uno de los casos (phase chopping y

¿Con qué señal de entrada al L297 se controla el modo de control del chopeado de la corriente? Transistores/diodos que entran en conducción o en corte en cada caso. Forma de onda de las corrientes. Forma de onda de las fases A, B, C y D. Forma de onda de señales de habilitación INH1 e INH2. Cómo es el rizado de la corriente, la disipación en el motor y la disipación del en cada uno de los casos. ¿Por qué se ofrecen estas dos posibilidades de control del puente en H para la excitación de los motores paso a paso?

MOTORES PASO A PASO. PRÁCTICA 2.- L297+L289N

4

MOTORES PASO A PASO. PRÁCTICA 2.- L297+L289N

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MOTORES PASO A PASO. PRÁCTICA 2.- L297+L289N

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Contesta razonadamente a los siguientes apartados, en el supuesto de modo de control del chopeado de la corriente actuando sobre las fases A, B, C y D (phase chopping): 2.- Justifica el valor utilizado para los resistores RSENSE y el valor seleccionado de la VREF.

3.- Comprobar las formas de onda de las señales A, B C y D (salidas del L297) para los modos de funcionamiento: medio paso y paso completo con excitación de dos devanados (normal drive) y paso completo con excitación de una sola fase (wawe drive) (IMPORTANTE: VREF= 1.4V y frecuencia de chopeado de 20KHz).

MOTORES PASO A PASO. PRÁCTICA 2.- L297+L289N

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4.- Comprobar y justificar el efecto de variar la frecuencia del oscilador de chopeado (la frecuencia de chopeado se varía actuando sobre el potenciómetro de 220K). Finalmente, fijar el valor de la frecuencia de chopeado en 20KHz. (IMPORTANTE: VREF= 1.4V).

5.- Comprobar y justificar el efecto de variar la tensión VREF (siempre por debajo de 1.41V). Determinar el valor umbral de la tensión de referencia para el cual el motor comienza a moverse. Varía la tensión de referencia desde el valor umbral al valor de 1.41V en intervalos de 0.2 voltios. (IMPORTANTE: frecuencia de chopeado de 20KHz). Anota en una tabla los valores máximos de frecuencia de paso que se obtienen en cada caso.

MOTORES PASO A PASO. PRÁCTICA 2.- L297+L289N

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MOTORES PASO A PASO. PRÁCTICA 2.- L297+L289N

9

6.- Contrastar la no necesidad de conectar las salidas INH1 e INH2. (Se pueden habilitar o no actuando sobre los puentes JP1 y JP2 de la placa de circuito impreso)¿Qué precauciones han de tomarse al habilitar independientemente los circuitos L297 y L298N?

MOTORES PASO A PASO. PRÁCTICA 2.- L297+L289N 10

7.- Varía la tensión de alimentación del puente en H (L298N) desde 10V a 20V en intervalos de 2 voltios y con las condiciones de la frecuencia de chopeado en 20KHz. y de VREF= 1.4V, construye una tabla en la que anotes para cada caso las frecuencias a las que se producen resonancias y las frecuencias máximas de paso posibles.

MOTORES PASO A PASO. PRÁCTICA 2.- L297+L289N 11

Contesta razonadamente a los siguientes apartados, en el supuesto de modo de control del chopeado de la corriente actuando sobre las señales de habilitación INH1 e INH2 (enable chopping): 8.- Justifica el valor utilizado para los resistores RSENSE y el valor seleccionado de la VREF.

9.- Comprobar las formas de onda de las señales A, B C y D (salidas del L297) para los modos de funcionamiento: medio paso y paso completo con excitación de dos devanados (normal drive) y paso completo con excitación de una sola fase (wawe drive) (IMPORTANTE: VREF= 1.4V y frecuencia de chopeado de 20KHz).

MOTORES PASO A PASO. PRÁCTICA 2.- L297+L289N 12

10.- Comprobar y justificar el efecto de variar la frecuencia del oscilador de chopeado (la frecuencia de chopeado se varía actuando sobre el potenciómetro de 220K). Finalmente, fijar el valor de la frecuencia de chopeado en 20KHz. (IMPORTANTE: VREF= 1.4V).

11.- Comprobar y justificar el efecto de variar la tensión VREF (siempre por debajo de 1.41V). Determinar el valor umbral de la tensión de referencia para el cual el motor comienza a moverse. Varía la tensión de referencia desde el valor umbral al valor de 1.41V en intervalos de 0.2 voltios. (IMPORTANTE: frecuencia de chopeado de 20KHz). Anota en una tabla como los valores máximos de frecuencia de paso que se obtienen en cada caso.

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12.- Varía la tensión de alimentación del puente en H (L298N) desde 10V a 20V en intervalos de 2 voltios y con las condiciones de la frecuencia de chopeado en 20KHz. y de VREF= 1.4V, construye una tabla en la que anotes para cada caso las frecuencias a las que se producen resonancias y las frecuencias máximas de paso posibles.

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13.- Una vez que se conoce el funcionamiento del circuito generador de fases y del driver de potencia, conviene realizar una serie de experiencias para entender mejor el comportamiento de los motores paso a paso, para lo cual conviene situarse sobre una superficie plana, que permita realizar marcas de posicionado, así como acoplar al eje del motor algún apéndice que nos sirva de referencia. (IMPORTANTE: VREF= 1.4V y frecuencia de chopeado de 20KHz). -

A.- EFICACIA DE LA CANCELACIÓN DEL MOVIMIENTO: Esta comprobación consiste en la realización consecutiva de dos órdenes inversas, comprobándose que la posición final de la última coincide con la inicial. El experimento deberá de realizarse para el modo de funcionamiento medio paso y paso completo con las dos fases excitadas.

-

B.- REPETIBILIDAD Consiste en realizar repetidas veces un movimiento de gran longitud (gran número de pasos) desde una misma posición inicial y comprobar que se alcanza siempre la misma posición final, por ejemplo 40 pasos (para este experimento se aconseja utilizar un PLD o un microcontrolador para generar la señal de consigna, si bien se puede realizar introduciendo las señales de control manualmente). Deberá de realzarse el experimento para el modo de medio paso y de paso completo con excitación de una y de las dos fases.

-

C.- FRECUENCIA MÁXIMA DE TRABAJO La velocidad de giro de un motor paso a paso viene dada por la frecuencia de las señales de fase, que a su vez es función de la frecuencia de la señal de reloj aplicada a la entrada CLOCK del L297. La velocidad máxima de giro está limitada por las características electromecánicas del motor. Los fenómenos de resonancia dependen del modo de funcionamiento. c.1.- Mediante el uso del generador de funciones (salida TTL), ir aumentando la velocidad de giro del motor hasta que se produzcan pérdidas de pasos y vibraciones mecánicas (fenómenos de resonancia mecánica) que indiquen el mal funcionamiento (comprueba este fenómeno con los distintos modos de funcionamiento del motor: medio paso y paso completo). c.2.- Anota la velocidad aproximada a la que se producen estos fenómenos. c.3.- Encuentra la velocidad máxima de giro cuando la tensión de referencia es de 0.8V y para diferentes modos de funcionamiento.

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-

D.- DETERMINACIÓN DE LA CARGA ÚTIL La carga útil a desplazar se determina aumentando progresivamente un lastre (par exterior) hasta que se pierda la repetibilidad. El experimento se deberá de realizar para varias frecuencias de paso y en modo paso completo con dos fases excitadas.

7.- CONTROL DE VELOCIDAD 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 encoders ópticos). En esta práctica se desea controlar un motor paso a paso para que gire a una velocidad de entre 20 y 60 rpm (está en función del grupo de trabajo en el laboratorio), con las señales de consigna generadas manualmente (las del modo de funcionamiento en medio paso o en paso completo con una o dos fases excitadas, se fijará el modo de funcionamiento en modo medio paso, así como las del sentido de giro) y con un generador de funciones (salida TTL) para la señal de entrada de reloj CLOCK. Antes de comenzar con el control de velocidad en lazo abierto 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 fase que excitan a los devanados. En nuestro caso en concreto, como se utiliza el c.i. L297 como generador de fases, las frecuencias de las señales de fase son generadas a partir de la frecuencia de la señal de reloj aplicada a su entrada CLOCK. Un motor paso a paso gira un paso en cada período de las señales de fase, por lo que si la frecuencia de estas señales es f, el motor gira 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 en nuestro caso). Si llamamos n al número de pasos por vuelta, cada paso corresponde a 360/n grados si el modo de funcionamiento es de paso completo (en nuestro caso 360/200= 1.8º). En el modo de funcionamiento en medio paso, el salto corresponderá a 360/(2n) grados, en nuestro caso a 360/400= 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 rpm, 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 (º/seg)= 360·ω·m·n/360 (saltos/seg)= m·n·ω (saltos/seg) MOTORES PASO A PASO. PRÁCTICA 2.- L297+L289N 16

con m= 1 en los modos de paso completo, m= 2 en el modo de medio paso, e igual al número de micropasos/paso si el funcionamiento es en modo micropaso. Consideremos el caso de que la frecuencia de giro del motor deba de ser de 60 rpm, y que el modo de funcionamiento es de medio paso, es decir: ωREF= 60 rpm= (60·360)/60 = 360º/seg Como el motor que se utiliza en la práctica tiene 200 pasos por vuelta, o lo que es lo mismo 400 medios pasos/360º, tendremos que la consigna de velocidad angular deberá de ser: ωREF= 60 rpm= (60·360)/60 = 360º/seg= 400 medios pasos/seg Que corresponde a 400Hz

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Contesta razonadamente a los siguientes apartados: 1.- Calcula la señal de consigna para conseguir la velocidad asignada a tu grupo

2.- Justifica el valor utilizado para los resistores RSENSE y el valor seleccionado de la VREF (VREF= 1.4V)

3.- Comprobar las formas de onda de las señales A,B C y D (salidas del L297) para los modos de funcionamiento: medio paso y paso completo con excitación de dos devanados (normal drive) y paso completo con excitación de una sola fase (wawe drive). (IMPORTANTE: VREF= 1.4V y frecuencia de chopeado de 20KHz)

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4.- Comprobar y justificar el efecto de variar la frecuencia del oscilador de chopeado (la frecuencia de chopeado se varía actuando sobre el potenciómetro de 220K). (IMPORTANTE: VREF= 1.4V).

5.- Comprobar y justificar el efecto de variar la tensión VREF (siempre por debajo de 1.5V). (IMPORTANTE: frecuencia de chopeado de 20KHz).

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8.- CONTROL DE POSICIÓN EN LAZO ABIERTO Para poder abordar esta práctica se deberá de utilizar un microcontrolador (se sugiere el AVR AT90S8515 de Atmel, que están a disposición de los alumnos en el laboratorio) En esta práctica se deberá de hacer girar el eje del motor paso a paso cuatro vueltas y media hacia la derecha, a partir de una posición inicial determinada y a una velocidad de 20 rpm para los diferentes modos de funcionamiento: medio paso, paso completo con una o dos fases excitadas (estas opciones serán seleccionables mediante dos microinterruptores de entrada al microcontrolador). El control se realizará en lazo abierto. Como se determinó en el apartado 7 dedicado al control de velocidad, la velocidad angular del eje de un motor paso a paso, depende de la frecuencia de las señales de fase que excitan a los devanados. Esta frecuencia se deducía de la expresión: F= m·n·ω (saltos/seg) Siendo m el número de micropasos que se realizan por paso, n el número de pasos por vuelta y ω la velocidad angular en revoluciones por segundo. En el control de posición lo que hay que determinar, es decir, la 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 una 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 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) º/salto Es decir, el error máximo que podría cometerse en el caso peor sería de: εmáx= 360/(n·m) º

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. MOTORES PASO A PASO. PRÁCTICA 2.- L297+L289N 20

Obtengamos la señal de consigna (el número de saltos) para el supuesto de 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/vuelta, el número de medios pasos que corresponden a 3.5 vueltas es de: 200 (pasos/vuelta)·3.5 vueltas= 700 pasos= 1400 medios pasos La resolución en grados del motor depende del modo de funcionamiento. En el caso de funcionamiento en paso completo sería de R= 360º/200= 1.8º/paso El error máximo de posición que podría cometerse sería entonces de 1.8º En el caso de funcionamiento en modo medio paso, la resolución sería de 0.9º y el error máximo de 0.9º/paso. Supongamos además que se desea también que la velocidad sea de 20 rpm, con lo que la frecuencia de reloj sería de: 30 rpm= 30 (vueltas/minuto)·(1/60)= 0.5 vueltas/seg = 0.5· 400 (medios pasos/vuelta)= 200 Hz IMPORTANTE: VREF= 1.4V y frecuencia de chopeado de 20KHz

Comprueba que el motor gira 4.5 vueltas en el sentido adecuado en los diferentes modos de funcionamiento.

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