SERVOS MOTORES CC MOTORES AC MOTORES PaP

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Para que nuestro robot pueda moverse necesitamos poder controlar motores o servos con precisión para así hacer que nuestro robot pueda moverse con total libertad y seguir un camino marcado o cualquier otra cosa...


 

SERVOS

TEORIA

Descripción: El servo es un pequeño pero potente dispositivo que dispone en su interior de un pequeño motor con un reductor de velocidad y multiplicador de fuerza, también dispone de un pequeño circuito que gobierna el sistema. El recorrido del eje de salida es de 180º en la mayoría de ellos, pero puede ser fácilmente modificado para tener un recorrido libre de 360º y actuar así como un motor.

Funcionamiento: El control de posición lo efectúa el servo internamente mediante un potenciómetro que va conectado mecánicamente al eje de salida y controla un pwm (modulador de anchura de pulsos) interno para así compararlo con la entrada pwm externa del servo, mediante un sistema diferencial, y asi modificar la posición del eje de salida hasta que los valores se igualen y el servo pare en la posición indicada, en esta posición el motor del servo deja de consumir corriente y tan solo circula una pequeña corriente hasta el circuito interno, si forzamos el servo (moviendo el eje de salida con la mano) en este momento el control diferencial interno lo detecta y envía la corriente necesaria al motor para corregir la posición.

Para controlar un servo tendremos que aplicar un pulso de duración y frecuencia específicos. todos los servos disponen de tres cables dos para alimentación Vcc y Gnd y otro cable para aplicar el tren de pulsos de control que harán que el circuito de control diferencial interno ponga el servo en la posición indicada por la anchura del pulso.  

En la siguiente tabla están indicados los valores de control y disposición de cables de varias marcas que comercializan servos.

Duración pulso (ms) disposición de cables
Fabricante min. neutral. máx..

Hz

+ batt -batt pwm.
Futaba 0.9 1.5 2.1 50 rojo negro blanco
Hitech 0.9 1.5 2.1 50 rojo negro amarillo
Graupner/Jr 0.8 1.5 2.2 50 rojo marrón naranja
Multiplex 1.05 1.6 2.15 40 rojo negro amarillo
Robbe 0.65 1.3 1.95 50 rojo negro blanco
Simprop 1.2 1.7 2.2 50 rojo azul negro

 

 

PRACTICA

Para hacer funcionar un servo por primera vez y ver su recorrido me tuve que idear una simple rutina con la que pude experimentar sin problemas con distintas duraciones de pulsos y así poder comprobar el recorrido del servo standard FutabaS3003 que compré por un precio de 3900 Pts.

Mediante un interruptor introduciremos dos ordenes básicas al pic que serán pon el servo en posición de 0º y pon el servo en posición de 180º con estas dos posiciones tendremos un circuito practico de comprobación del recorrido de cualquier servo. 

El esquema de conexionado es el siguiente.:

La rutina se basa en un bucle continuo de comprobación de la línea RA0 a la que le he conectado un interruptor de palanca, si el interruptor esta abierto entonces llega un 0 lógico a RA0 y el servo gira hasta la posición  0º y si el interruptor esta cerrado por tanto llega un 1 a RA0 y el servo gira a la posición máxima de 180º. El tren de impulsos saldrá por la patita RB0 del PIC y conectará directamente con la entrada de pulsos del servo.

La anchura del pulso viene definida por el retardo creado por software y que mantendrá a nivel lógico 1 la salida durante la duración de este. Una vez pase a nivel lógico 0 entrará en funcionamiento otra rutina de retardo con el tiempo suficiente para completar los 20 ms para obtener la frecuencia de 50 Hz necesaria, y se repetirá el proceso indefinidamente.

Los retardos han sido calculados con el programa CalDelay

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servocrt.asm

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MOTORES CC

TEORIA

Descripción: El motor eléctrico es un dispositivo electromotriz, esto quiere decir que convierte la energía eléctrica en energía motriz. Todos los motores disponen de un eje de salida para acoplar un engranaje, polea o mecanismo capaz de transmitir el movimiento creado por el motor.

Funcionamiento: El funcionamiento de un motor se basa en la acción de campos magnéticos opuestos que hacen girar el rotor (eje interno) en dirección opuesta al estator (imán externo o bobina), con lo que si sujetamos por medio de soportes o bridas la carcasa del motor el rotor con el eje de salida será lo único que gire. 

Para cambiar la dirección de giro en un motor de Corriente Continua tan solo tenemos que invertir la polaridad de la alimentación del motor.

Para modificar su velocidad podemos  variar su tensión de alimentación con lo que el motor perderá velocidad, pero también perderá par de giro (fuerza) o para no perder par en el eje de salida podemos hacer un circuito modulador de anchura de pulsos (pwm) con una salida a transistor de mas o menos potencia según el motor utilizado.

 

PRACTICA

Control de dirección por medio del Circuito Integrado L293B


Descripción: Control basado en el driver l293b de 4 canales capaz de proporcionar en cada una de sus salidas hasta 1A y dispone de entrada de alimentación separada para los drivers.

Funcionamiento: Cada canal o driver es controlado por medio de una señal de control compatible TTL (no superior a 7V) y los canales se habilitan de dos en dos por medio de las señales de control EN1 (canal 1 y 2) y EN2 (canal 3 y 4), en la siguiente tabla vemos el funcionamiento de las entradas y como responden las salidas.

ENn INn OUTn
H H H
H L L
L H Z
L L Z

H=Nivel Alto "1"   --   L=Nivel Bajo "0"  --  Z = Alta Impedancia

Así pues, vemos que poniendo a nivel alto la entrada de habilitación "EN" del driver, la salida de este "OUT" pasa de alta impedancia al mismo nivel que se encuentre la entrada del driver "IN" pero amplificado en tensión y en corriente, siendo esta de 1A máximo. La tensión de alimentación del circuito integrado no es la misma que se aplica a las carga conectada a las salidas de los drivers, y para estas salidas se a de alimentar el driver por su patita número 8 (Vs), la tensión máxima aplicable a estas patitas es de 36V

Como este integrado no dispone de disipador, se recomienda hacer pasar una pista ancha de circuito impreso por las patitas de masa que junten todas estas y al mismo tiempo haga de pequeño disipador térmico, aunque para grandes cargas lo mejor es usar un disipador como el mostrado en la pagina 9 del datasheet

Aplicación práctica: Con un L293B podemos tener control bidireccional con 2 motores o control unidireccional con 4 motores, a continuación vamos a ver como se han de conectar los motores.

Control Unidireccional: En la siguiente figura vemos las dos formas de conectar un motor para control unidireccional, M1 se activa al poner la entrada del driver conectado a este, a nivel bajo "0", mientras que M2 se activa al poner la entrada del driver a nivel alto "1" y se para al ponerla a nivel bajo "0".

La entrada enable es como un interruptor general y deberá ponerse a nivel alto "1" para poder operar con los drivers que controla, o a nivel bajo "0" si se quiere desconectar el control de estos.

"Vs" será la tensión de alimentación necesaria para los motores.

Los diodos modelo 1N4007 son para proteger el circuito de los picos de arranque y parada de los motores debido a la corriente inversa inducida por estos.

Control Bidireccional: En el siguiente circuito vemos el modo de conectar un motor para permitir controlarlo tanto hacia delante como hacia atrás.

Para tener el control de dos direcciones o bidireccional se usan dos de drivers del l293b conectando sus salidas a los polos del motor, entonces podremos cambiar la polaridad de alimentación del motor con tan solo cambiar de estado las entradas de los drivers.

Por ejemplo, para que el motor gire hacia la derecha pondremos la entrada "A" a nivel alto "1" y "B" a nivel bajo "0" y para hacer girar el motor a la izquierda tendremos que invertir las señales de entrada de tal menera, la entrada "A" a nivel bajo "0" y "B" a nivel alto "1". Los diodos son como en el caso anterior para proteger el integrado de corrientes inversas.

 

 

MOTORES AC

 

 

MOTORES PaP

TEORIA

Descripción: Un motor Paso a Paso (PaP en adelante) se diferencia de un motor convencional en que en este se puede posicionar su eje en posiciones fijas o pasos, pudiendo mantener la posición. Esta peculiaridad es debida a la construcción del motor en si, teniendo por un lado el rotor constituido por un imán permanente y por el otro el stator construido por bobinas, al alimentar estas bobinas se atraerá el polo del magnético puesto rotor con respecto al polo generado por la bobina y este permanecerá es esta posición atraído por el campo magnético de la bobina hasta que esta deje de generar el campo magnético y se active otra bobina haciendo avanzar o retroceder el rotor variando los campos magnéticos en torno al eje del motor y haciendo que este gire.

 

Funcionamiento: Los motores PaP pueden ser de dos tipos, según se muestra en la siguiente imagen:

 

 

Bipolar: Este tipo de motor lleva dos bobinados independientes el uno del otro, para controlar este motor se necesita invertir la polaridad de cada una de las bobinas en la secuencia adecuada, para esto necesitaremos usar un puente en "H" o driver tipo L293b para cada bobina y de este modo tendremos una tabla de secuencias como la siguiente:

 
Paso A B C D
1 +Vcc Gnd +Vcc Gnd
2 +Vcc Gnd Gnd +Vcc
3 Gnd +Vcc Gnd +Vcc
4 Gnd +Vcc +Vcc Gnd

 

Cada inversión en la polaridad provoca el movimiento del eje, avanzando este un paso, la dirección de giro se corresponde con la dirección de la secuencia de pasos, por ejemplo para avanzar el sentido horario la secencia seria 1-2-3-4,1-2-3-4.... y para sentido anti-horario seria; 4-3-2-1,-4-3-2-1...

 

Unipolar: El motor unipolar normalmente dispone de 5 o 6 cables dependiendo si el común esta unido internamente o no, para controlar este tipo de motores existen tres métodos con sus correspondientes secuencias de encendido de bobinas, el común irá conectado a +Vcc o masa según el circuito de control usado y luego tan solo tendremos que alimentar la bobina correcta para que avance o retroceda el motor según avancemos o retrocedamos en la secuencia.

 

Las secuencias son las siguientes:

 

Paso simple:

 

Esta secuencia de pasos es la mas simple de todas y consiste en activar cada bobina una a una y por separado, con esta secuencia de encendido de bobinas no se obtiene mucha fuerza ya que solo es una bobina cada vez la que arrastra y sujeta el rotor del eje del motor

 

 

Paso A B C D  
1 1 0 0 0
2 0 1 0 0
3 0 0 1 0
4 0 0 0 1

 


 

Paso doble:

 

Con el paso doble activamos las bobinas de dos en dos con lo que hacemos un campo magnético mas potente que atraerá con mas fuera y retendrá el rotor del motor en el sitio. Los pasos también serán algo mas bruscos debidos a que la acción del campo magnético es mas poderosa que en la secuencia anterior, pero

 

Paso A B C D  
1 1 1 0 0
2 0 1 1 0
3 0 0 1 1
4 1 0 0 1

 


 

Medio Paso:

 

Combinando los dos tipos de secuencias anteriores podemos hacer moverse al motor en pasos mas pequeños y precisos y así pues tenemos el doble de pasos de movimiento para el recorrido total de 360º del motor.

 

Paso A B C D  
1 1 0 0 0
2 1 1 0 0
3 0 1 0 0
4 0 1 1 0
5 0 0 1 0
6 0 0 1 1
7 0 0 0 1
8 1 0 0 1

 

 

 

PRACTICA

Unipolar: Para controlar un motor paso a paso unipolar deberemos alimentar el común del motor con Vcc y conmutaremos con masa en los cables del devanado correspondiente con lo que haremos pasar la corriente por la bobina del motor adecuada y esta generará un campo electromagnético que atraerá el polo magnetizado del rotor y el eje del mismo girará.

Para hacer esto podemos usar transistores montados en configuración Darlington o usar un circuito integrado como el ULN2003 que ya los lleva integrados en su interior aunque la corriente que aguanta este integrado es baja y si queremos controlar motores mas potentes deberemos montar nosotros mismos el circuito de control a base de transistores de potencia.

El esquema de uso del ULN2003 para un motor unipolar es el siguiente:

Las entradas son TTL y se activan a nivel alto, también disponen de resistencias de polarización internas con lo que no deberemos de preocuparnos de esto y podremos dejar "al aire" las entradas no utilizadas. Las salidas son en colector abierto.

Bipolar: Para el control de motor bipolar usaremos un puente en H para invertir la polaridad de los devanados, también podemos usar un circuito integrado tipo L293b que contiene un puente en H integrado.

El esquema será similar al siguiente:

 

 


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 Daniel C. Martin "ionitron" ··· Barcelona (Spain) ··· 2001-2008