Motores Paso a paso (steppers)

¿Qué son los motores paso a paso?

Complementando nuestro proyecto Wirelearn Robot Shield (WRS) explicamos en detalle el funcionamiento de los motores paso a paso, y qué circuitería es necesaria para ponerlos en marcha. Esperamos que os ayude!

Los motores paso a paso (E.A. steppers) son motores de corriente contínua (DC) que requieren de cierto grado de lógica digital para funcionar, debido a que son accionados por varias bobinas. De este hecho se derivan dos consecuencias:

• Los steppers son considerablemente más complejos de utilizar que un motor contínuo común y generalmente son capaces de girar a menos revoluciones por minuto. Además, son mucho más caros debido a los costes de construcción, y a la electrónica externa necesaria.

• Pueden moverse en fracciones de revolución, lo cual los hace muy precisos y a su vez abre la posibilidad de controlar de forma muy exacta la velocidad a la que giran. Además, es posible forzar una posición magnética, de forma que el motor quede "frenado".

Como podemos observar, los steppers tienen argumentos a su favor, y en su contra. Basándonos en lo visto hasta ahora, no debería ser muy difícil discernir en qué aplicaciones debemos utilizar cada tipo de motor.

Accionamiento

Para ésta explicación utilizaremos nuestro motor unipolar UHD23N01RAZ25 que consta de seis cables. Los cables verdes son comunes. Es decir, que pueden estar conectados a +5 o GND dependiendo del circuito que los acciona. Los demás cables activan cada una de las "4 bobinas" del motor respectivamente. Resumiendo, si conectamos los cables verdes a +V, conectando cada uno de los restantes a masa estaremos cerrando el circuito de su respectiva bobina y con ello orientando el eje del motor en consecuencia. Lo único que hay que hacer para hacerlo girar es activar las bobinas sucesivamente en el orden correcto.

Llegados a este punto, debemos saber que existen diferentes modos de hacer girar un motor paso a paso, dependiendo de la secuencia de activación de las bobinas. Llamemos a los cables por la inicial de su color para simplificar (R)ojo,(N)egro,(A)marillo,(V)ioleta:

• Modo "Wave Drive": (R, A, N, V) El motor gira en cada paso los grados marcados por el datasheet,  7,5º por paso para el motor citado. Por otra parte, al tener una sola bobina activa en cada momento, el par motor (la fuerza que hace) es más débil de lo que debería. Yo solo lo uso para probar circuitos porque es el más simple.

• Modo "Full Step": (RA, AN, NV, VA) El par motor es máximo, aproximadamente el doble que en modo el modo anterior. La resolución o angulo de giro sigue siendo la misma.

• Modo "Half Step" (R, RA, A, AN, N, NV, V, VR) El par motor es aproximadamente el 70% del máximo, pero se multiplica por dos la resolución de giro. Ésto equivale a unos 3,75º por paso.

Evidentemente, nuestro motor rodará en modo half step. He aquí unas imágenes explicativas de ésta secuencia:

Paso 1: R activado, el eje se orienta frente a R

Paso 2: RA activados, el eje se orienta en el punto medio entre las bobinas R y A

Paso 3: A activado, el eje se orienta frente a A

Y así sucesivamente hasta completar la secuencia. :)

Nota: A pesar de que en éste post hablamos de "cuatro bobinas", ésto es solo una simplificación del motor real, que en realidad tiene muchas más. De hecho, nuestro UHD tiene 48. (360º / 7,5º). Lo que sucede es que cuando activamos una de las líneas del motor, en realidad estamos alimentando 12 bobinas distribuidas uniformemente alrededor del eje, pero solo una de ellas está lo suficientemente cerca como para orientarlo. Ésto es una simple aclaración, que no afecta en absoluto la explicación previa ni posterior.

Circuito

Según la hoja de datos, cada bobina presenta una resistencia 30 Ohm. En principio vamos a alimentarlo con 5V, por lo que haciendo un cálculo rápido por la ley de ohm, cada rama del motor llevará una intensidad de 170 mA. Éste cálculo NO es preciso, porque es un motor y no una resistencia. Lo correcto aquí es hablar de impedancia inductiva. Así que podríamos decir que lo calculado se trata de una "media" de la intensidad real.

Como deberíamos saber, Arduino UNO solo puede suministrar 40 mA, con lo cual, estamos ante el problema más común de la electrónica digital aplicada: ¿Cómo puedo mover intensidades grandes, con circuitos que soportan intensidades pequeñas?

Si estás pensando en un relé, no vas mal encaminado, pero te falta mucho camino por andar. Lo correcto aquí es utilizar un transistor. Y la principal ventaja del transistor en éste campo es la velocidad de conmutación. La naturaleza mecánica del relé lo hace miles, o incluso cientos de miles de veces mas lento que un transistor de uso común. Y en nuestro circuito, deberemos alcanzar velocidades de conmutación en torno a los 20 ms.

Como podemos observar en la imagen, de él salen 6 cables. Dos son iguales (verdes), lo cual nos suscita que serán el común, al que aplicaremos GND o +V dependiendo del circuito.

Para evitar combustiones espontáneas pensando cómo accionar 4 líneas de corriente con un sólo transistor y nada más, os adelanto que no es posible. Pero ésto no quiere decir que tengamos que comprarnos 4 transistores y montar 4 circuitos. La solución óptima es hacerse con un array darlington TD62064AP como éste:

Olvidémonos de momento de la circuitería que suele rodear a los transistores, y de bases, colectores y emisores, ya que toda la teoría daría para varias entradas en el blog. De momento nos sirve con saber que éste componente viene en un encapsulado DIP16. En su interior alberga 4 transistores de conmutación, capaces de soportar corrientes de salida de 1,5A y tensiones de hasta 50V. Las patas 4,5,12 y 13 están conectadas entre sí internamente como muestra la imagen anterior, deben conectarse a masa. Por otra parte hay 4 terminales de entrada (I1,I2,I3,I4) y 4 de salida (O1,O2,O3,O4). Olvidémonos de las patas COM.

El funcionamiento es tan simple como, un nivel alto (5V) en I1, conecta O1 con masa. De aquí se deduce, que éste integrado es un sumidero de corriente, lo que quiere decir, que por cada salida del integrado, entrará una corriente que será derivada a masa, cuando la entrada asociada reciba un nivel alto.

Con lo cual, ya sabemos que el común de nuestros motores (recordemos cables verdes) deberán estar conectados al polo positivo de la fuente de tal manera que la corriente salga de dicho polo, atraviese la bobina del motor, entre en nuestro integrado y ahí "se vaya por el sumidero" a masa. Para que ésto sea posible debemos conectar los cables de cada bobina del motor a cada una de las salidas del integrado.

Respecto a los pines de entrada, requieren una I máxima de 20 mA, suficientemente pequeña para poder conectarlos a cuatro pines digitales de nuestro Arduino sin riesgo, y ponernos a mandar secuencias a lo loco.

El circuito completo es éste:

Programa de prueba

Una vez tengas preparado el circuito anterior, puedes flashear éste sketch en tu Arduino UNO:

/* WIRELEARN 2013 - STEPPER TEST4

  This sketch is designed to be flashed to an Arduino UNO board,
  Digital pins 4,5,6 and 7 of arduino board should be connected
  to I1, I2, I3 and I4 pins of TD62064AP DIP16 IC respectively.
  
  See the whole stepper tutorial > wirelearn.blogspot.com
 
  Bugs and suggestions > adm.wirelearn@gmail.com 
  
  #MRGZ#
*/

// DIGITAL PINS
int coil_A = 4;
int coil_B = 5;
int coil_C = 6;
int coil_D = 7;

// MASK FOR EACH PIN
int mask_A = B1000;
int mask_B = B0100;
int mask_C = B0010;
int mask_D = B0001;

// SEQUENCE, TRANSFORM IT TO BINARY NUMBERS MAY MAKE IT EASIER TO UNDESTAND
int sequence[8] = { 8, 12, 4, 6, 2, 3, 1, 9};

int pos;

void setup(){
    pinMode(coil_A, OUTPUT);
    pinMode(coil_B, OUTPUT);
    pinMode(coil_C, OUTPUT);
    pinMode(coil_D, OUTPUT);

    pos = 0;
}

void loop(){
  /*We need 4 bits, one bit per TD62064 input
   first word in sequence is 8, which equates 1000B
   coil_A = 1000 && 1000 >> 3 = 1
   coil_B = 1000 && 0100 >> 2 = 0
   coil_C = 1000 && 0010 >> 2 = 0
   coil_B = 1000 && 0001 = 0
   We just split a four bit number, into single parallel bits :)
   */

  // Finally, let's output our bits
  digitalWrite(coil_A, sequence[pos] && mask_A >> 3);
  digitalWrite(coil_B, sequence[pos] && mask_B >> 2);
  digitalWrite(coil_C, sequence[pos] && mask_C >> 1);
  digitalWrite(coil_D, sequence[pos] && mask_D);
  pos = pos > 7 ? 0 : pos+1;
  delay(100);
  
}

El circuito debería ser similar para cualquier tipo de Stepper unipolar. Muchos de ellos llevan un cableado diferente, con solo dos bobinas y dos cables aparte de los comunes. Ésto solo influiría en la secuencia de activación de los devanados. Pero el principio de funcionamiento y el circuito con array de transistores debería funcionar exactamente igual.

Por último, cada motor es diferente, por lo que algunos permitirán velocidades muy altas, y otros no tanto. Deberéis jugar con el "delay" al final del código para conocer los límites de vuestro motor.

Pronto veremos cómo utilizar un registro de desplazamiento para multiplexar las salidas digitales de Arduino y controlar dos steppers con sólo tres IO Pins. :)

Saludos!

#MRGZ#