Universidad Nacional de Lojarea de la Energa, las Industrias y los Recursos Naturales No Renovables CARRERA DE INGENIERA EN ELECTRNICA Y TELECOMUNICACIONES

PRACTICAS DE ELECTRNICA DIGITAL1.- DATOS GENERALES Integrantes: Manuel Tuza Xavier Gualn Practica No: Fecha: Docente: 2.- DATOS DE LA PRCTICA NOMBRE: OBJETIVOS: CONTROL DE MOTORES A PASO UNIPOLARES Y BIPOLARES CON FLIP FLOPS. 5 13 de junio de 2012 Ing. Diego Orellana

Disear un controlador para un motor de paso bipolar y un motor de paso unipolar con flip-Flops y compuertas. Utilizar los conocimientos adquiridos para formular un diseo sistemtico combinatorio. Disear y usar amplificadores de corriente utilizando nicamente transistores para controlar los motores. Para el motor bipolar disear un amplificador de corriente H-

Bridge.

3.- MARCO TEORICOMOTORES PASO A PASO (STEPPER MOTORS)

Los motores paso a paso son ideales para la construccin de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos. La caracterstica 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 pequeos movimientos de tan solo 1.8, es decir, que se necesitarn 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 posicin o bien totalmente libres. Si una o ms de sus bobinas est energizada, el motor estar enclavado en la posicin correspondiente y por el contrario quedar completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.

Principio de funcionamientoBsicamente estos motores estn constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nmero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator. Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imn permanente. Toda la conmutacin (o excitacin de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador.

Fig 1.

Imagen del rotor

Fig 2. Imagen de un estator de 4 bobinas

MOTORES PASO A PASO BIPOLARES

Figura 3. Esquema de un motor de paso biplar Estos tiene generalmente cuatro cables de salida (ver figura 3). Necesitan ciertos trucos para ser controlados, debido a que requieren del cambio de direccin del flujo de corriente a travs de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento. En figura 4 podemos apreciar un ejemplo de control de estos motores mediante el uso de un puente en

H (H-Bridge). Como se aprecia, ser necesario un H-Bridge por cada bobina del motor, es decir que para controlar un motor Paso a Paso de 4 cables (dos bobinas), necesitaremos usar dos H-Bridges iguales al de la figura 3. El circuito de la figura 3 es a modo ilustrativo y no corresponde con exactitud a un H-Bridge.

SECUENCIAS PARA MANEJAR MOTORES PASO A PASO BIPOLARES Como se dijo anteriormente, estos motores necesitan la inversin de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada. Cada inversin de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso, cuyo sentido de giro est determinado por la secuencia seguida. A continuacin se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares: PASO 1 2 3 4 TERMINALES A B C +V -V +V +V -V -V -V +V -V -V +V +V

D -V +V +V -V

MOTORES PASO A PASO UNIPOLARES Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado interno (ver figura 2). Este tipo se caracteriza por ser ms simple de controlar. En la figura 4 podemos apreciar un ejemplo de conexionado para controlar un motor paso a paso unipolar mediante el uso de un ULN2803, el cual es una array de 8 transistores tipo Darlington capaces de manejar cargas de hasta 500mA. Las entradas de activacin (Activa A, B , C y D) pueden ser directamente activadas por un microcontrolador.

SECUENCIAS PARA MANEJAR MOTORES PASO A PASO UNIPOLARES Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores, las cuales se detallan a continuacin. 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 ms usada y la que generalmente recomienda el fabricante. Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas, se obtiene un alto torque de paso y de retencin. PASO 1 2 3 4 Bobina A ON OFF OFF ON Bobina B ON ON OFF OFF Bobina C OFF ON ON OFF Bobina D OFF OFF ON ON

Secuencia del tipo wave drive: En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez. En algunos motores esto brinda un funcionamiento ms suave. La contrapartida es que al estar solo una bobina activada, el torque de paso y retencin es menor.

PASO Bobina A 1 2 3 4 ON OFF OFF OFF

Bobina B OFF ON OFF OFF

Bobina C OFF OFF ON OFF

Bobina D OFF OFF OFF ON

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 as sucesivamente. Como vemos en la tabla la secuencia completa consta de 8 movimientos en lugar de 4. PASO 1 2 3 4 5 6 7 8 Bobina A ON ON OFF OFF OFF OFF OFF ON Bobina B OFF ON ON ON OFF OFF OFF OFF Bobina C OFF OFF OFF ON ON ON OFF OFF Bobina D OFF OFF OFF OFF OFF ON ON ON

Como comentario final, cabe destacar que debido a que los motores paso a paso son dispositivos mecnicos y como tal deben vencer ciertas inercias, el tiempo de duracin y la frecuencia de los pulsos aplicados es un punto muy importante a tener en cuenta. En tal sentido el motor debe alcanzar el paso antes que la prxima secuencia de pulsos comience. Si la frecuencia de pulsos es muy elevada, el motor puede reaccionar en alguna de las siguientes formas:

Puede que no realice ningn movimiento en absoluto. Puede comenzar a vibrar pero sin llegar a girar. Puede girar errticamente. 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 aumentndola hasta la velocidad deseada sin superar la mxima tolerada. El giro en reversa debera tambin ser realizado previamente bajando la velocidad de giro y luego cambiar el sentido de rotacin.

4.- SIMULACION a. Diseo del controlador para un motor de paso bipolar. Para diseo se sigue la sguete secuencia.

PASO 1 2 3 4D= entrada de control B= Flip Flop B A=Flip -Flop A

A +V +V -V -V

TERMINALES A B B -V +V -V -V -V +V +V -V +V +V +V -V

Cuando D=0, Para el giro en sentido horario BA, tiene que seguir la siguiente secuencia

11-10 - 00 01Cuando D=1, Para el giro en sentido anti horario BA, tiene que seguir la siguiente secuencia

0100 - 10 11 Tabla de verdad para los estados presentes y siguientesCONTROL D 0 0 1 0 2 0 3 0 4 1 5 1 6 1 7 1 PRESENTE B A 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 SIGUIENTE B A 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 CONTROL DE FLIP -FLOPS JB KB JA 0 X 1 1 X X X 1 0 X 0 X 1 X 0 0 X X X 0 1 X 1 X

KA x 0 x 1 x 1 x 0

Reduciendo las ecuaciones para cada entrada: JB=DA+DA JB=D A

KB=DA+DA KB=(D+A) JA=DB+DB JA=(D B) KA=DB+DB KA=(D B) SIMULACION DEL CIRCUITOVCC 5V

R1 15% 2k Key=A U3A C1 7414N 100F4 1J 1CLK 1K

2 ~1PR 1Q

U1A15

U6A U4A9 6 12 2J 2CLK 2K

7 ~2PR 2Q

U2B U5B11

U6B 7404N R2 220 VCC 5V R3 1k

1 16

~1Q ~1CLR 3

14

~2Q ~2CLR

10

7476N

8

7476N

LED1

R4 220

R6 220

R5 220

R7 220

LED2

LED4

LED3

LED5

Para que el motor funcione, se requiere amplificar la corriente las salidas del flipflop para lo cual los acoplamos un puente H.

Los transistores ponemos el TIP120 Caractersticas: Imax=5A V=3-50V A las entradas de cada transistor colocamos resistencias de 2.2K. Los diodos sirven para la proteccin del circuito, en este caso se puso 1N1007, estos soportan intensidades de hasta 5. SIMULACIN DEL CIRCUITO ACOPLADO EL PUENTE H.

b. DISEO DE UN MOTOR A PASOS UNIPOLAR Para este diseo se escogi la siguiente secuencia para el giro normal .

PASO Bobina A 1 2 3 4 ON OFF OFF OFF

Bobina B OFF ON OFF OFF

Bobina C OFF OFF ON OFF

Bobina D OFF OFF OFF ON

Para el sentido anti horario la secuencia va a ser al contrario.Se requieren de 5 FLIP-FLOS, 1 para cada bobina y un 5to para el control del motor. TABLA DE ESTADO PRESENTE Y SIGUIENTE PRESENTE SIGUIENTE CONTROL DE FLIP -FLOPS D C B A D C B A JD KD JC KC JB KB JA0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 x x x x x x x x 0 1 0 0 0 0 0 0 x x x x x x x X x x x x x x x x 1 1 1 1 1 1 1 1 x x x x x x x x 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 X X X X 0 0 0 0 X X X X 0 0 0 0 X X X X 1 0 0 0 X X X X X X X X 1 1 1 1 X X X X 1 1 1 1 X X X X 1 1 1 1 X X X X 1 1 1 1 0 1 X X 0 0 X X 0 0 X X 0 0 X X 0 0 X X 1 0 X X 0 0 x X 0 0 X X X X 1 1 X X 1 1 X X 1 1 X X 1 1 X X 1 1 X X 1 1 X X 1 1 X X 1 1 0 X 0 X 0 X 0 X 1 X 0 X 0 X 0 X 0 X 1 X 0 X 0 X 0 X 0 X 0 X 0 X

CONTROL E0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

KAx 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1

Ecuaciones: Par los estados K todos ban a estar en alto. KD=1 KC=1 KB=1 KA=1 SIMULACIN DEL CIRCUITO JD=DCBA+DCBA JC=ECBA+ECBA JB=EDBA+EDBA JA=EDCA+EDCA

R1 100% 2k Key=A U6A U7A C1 7414N 100F 5V VCC R3 1k R8 2204 1 16 1J 1CLK 1K ~1Q ~1CLR 3 14 2 ~1PR 1Q 15 4 1 16 1J 1CLK 1K ~1Q ~1CLR 14

U10A VCC 5V

U4A

U5A2 ~1PR

U3A

2 ~1PR 1Q

7

DA15 9 6 12 2J

U1B2Q 11 4 1 1J 1CLK 1K

U2A1Q 15 9 6 2J 2CLK 2K

7 ~2PR 2Q

U2B11

~2PR

2CLK 2K ~2Q ~2CLR 10

16

LED6

~1Q ~1CLR

14

12

~2Q ~2CLR

10

7476N

3

7476N 5V

8

7476N

3

7476N

8

7476N

VCC

R7 220 R2 220 R4 220

R5 220

R6 220

LED1

LED2

LED4

LED3

LED5

Para amplificar la corriente para el motor unipolar se requiere de un amplificador independiente para cada bobina.

5.- MATERIALES

CANTIDAD 5 1 1 2 1 1 1 8 4 12 12 1 1 16.- CONCLUSIONES

DESCRIPCION C.I 7476 C.I 7420 C.I 7474 C.I 7447 C.I 7486 Motor de paso bipolar Motor de paso unipolar Transistores TIP 120 Transistores TIP 147 Resistencias 2.2K Diodos 1N4007 Protoboard Multmetro Fuente de alimentacin de 5,12V

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Se Diseo un controlador para motor de paso bipolar y motor de paso unipolar con flip-Flops y compuertas.

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Se diseo y se aplic los amplificadores de corriente utilizando con transistores ara alimentar y controlar los motores de paso. Para el motor bipolar se dise un amplificador de corriente H-Bridge.Se observ el funcionamiento de un motor de pasos y su comportamiento con el controlador en el sentido de giro (Horario y anti horario).

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7. RECOMENDACIONES

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Tener siempre en cuenta el diagrama de conexin de cada CI, observar si el dispositivo trabaja con lgica activa alta o baja, ya que del conocimiento del CI dependen los correctos resultados a la salida. Tomar las debidas precauciones en el manejo de los equipos a utilizar, para evitar daos o accidentes.

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Tener todos los materiales y equipos disponibles para lograr los resultados es perados, tanto simulados y prcticos.

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Utilizar la hoja de datos (datasheets) de los circuitos integrados para una correcta conexin.

8.- BIBLIOGRAFIA

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Sistemas Digitales principios y aplicaciones. Ronald Tocci.http://www.forosdeelectronica.com/about537.html

Datasheets de las compuertas: 7404 7476, 7474, 7420,