Funcionamiento del driver CNC DIY para motores paso a paso (Marco teórico)

De Casiopea







Caso de Estudio
NombreJuan José Peters
AutorJuan José Peters
PeríodoNoviembre
«Noviembre» no es un número.
-Diciembre
«Diciembre» no es un número.
RelacionadoCNC_DIY, Desarrollo Electrónica DIYLILCNC, Introducción al control numérico computarizado (CNC)


Esquema general

A continuación se explicará de manera general el funcionamiento del driver de control de motores paso a paso a implementar.

Funcionamiento

El driver diseñado utiliza dos circuitos integrados, uno para el manejo de la corriente (L298) y el otro para el control de la secuencia de conmutación y el control de la corriente de bobinado para el motor paso a paso (L297).

Figura 1: Controlado por el paso, la dirección y entradas de selección de modo de funcionamiento, el chip controlador de motores paso a paso L297 realiza algunas de las funciones de un microordenador de control.

A continuación se explicará en detalle el funcionamiento de cada uno de estos dispositivos:

El controlador de motores paso a paso L297

El L297 integra toda la circuiteria de control necesaria para controlar motores paso a paso bipolares y unipolares. Usado con un driver de puente H doble como el L298N forma una completa interfaz entre un microprocesador y un motor paso a paso bipolar.

El controlador de motores paso a paso L297 está principalmente destinado para ser utilizado con un puente L298N o L293E en aplicaciones de accionamiento de motor paso a paso.

Se reciben señales de control desde el controlador del sistema, normalmente un chip de microordenador, y proporciona todas las señales de accionamiento necesarias para la etapa de potencia. Además, incluye dos circuitos de choppeo PWM para regular la corriente en los devanados del motor.

Con un actuador de potencia adecuado el L297 controla las dos fases en motores bipolares de imanes permanentes, cuatro fases en motores unipolares de imanes permanentes y cuatro fases en motores de reluctancia variable. Además, maneja modos de funcionamiento normal, onda media y medio paso. (Esto está explicado en la sección “Fundamentos del motor paso a paso”).

Dos versiones de este dispositivo están disponibles: el L297 regular y una versión especial llamada L297A. El L297A incorpora un doblador de pulso de paso y está diseñado específicamente para aplicaciones de posicionamiento en cabezales de disqueteras.

VENTAJAS

La combinación L297 + combinaciones de drivers tiene muchas ventajas: muy pocos componentes son necesarios (así, los costes de montaje son bajos, posee alta fiabilidad y requiere de poco espacio), el desarrollo de software se simplifica y la carga sobre el microcontrolador se reduce. Además, la elección de dos chips da un alto grado de flexibilidad. El L298N se puede utilizar para motores de corriente continua y los L297 se puede utilizar con cualquier etapa de potencia, incluyendo dispositivos de potencia discretos (que proporciona 20mA de conducción para este propósito).

Para los motores bipolares con corrientes de devanado de hasta 2ª el L297 se debe utilizar con el L298N; para corrientes de bobinado de hasta 1A se recomienda el L293E (el L293 también será útil si no es necesario chopeo).

Aplicaciones para el L297 se pueden encontrar casi en todas partes: impresoras (posición del carro, la posición de margarita, alimentación de papel, alimentación de la cinta), máquinas de escribir, plotters, máquinas de control numérico, robots, unidades de discos flexibles, máquinas de coser electrónica, cajas registradoras, fotocopiadoras, máquinas de télex, telescopios, equipos fotográficos, lectores de cinta de papel, reconocedores ópticos de caracteres, válvulas eléctricas, etc.

GENERACIÓN DE LAS SECUENCIAS DE FASE

El corazón del diagrama de bloques del L297 (figura 2.a) es un bloque llamado el traductor que genera las secuencias de fase adecuadas para los modos half-step (medio paso), one-phase on (una fase encendida) de paso completo y two-phase-on (dos fases activadas) de paso completo. Esta bloque es controlado por dos entradas para modo de operación (dirección (CW / CCW) y half / full) y un reloj de paso que avanza el traductor de un paso al siguiente paso.

Cuatro salidas son proporcionadas por el traductor para su posterior procesamiento por el bloque de salidas lógicas que implementa las funciones Inhibir (inhibit) y chopeo (chopper).

Internamente el traductor consta de un contador de 3-bit más algo de lógica combinatoria que genera una secuencia básica de código Gray de ocho pasos como se muestra en la figura 2.b. Las tres secuencias de accionamiento se pueden generar fácilmente a partir de esta secuencia principal. Esta secuencia de estados corresponde directamente al modo half-step, seleccionado por un nivel alto en la entrada HALF / FULL. Las formas de onda de salida para esta secuencia se muestran en la figura 2.c.

Hay que tener en cuenta que las otras 2 señales, INH1 y INH2 se generan en esta secuencia. El propósito de estas señales se explicará un poco más adelante.

Los modos de paso completo son obtenidos por omisión de los estados alternos en la secuencia de ocho pasos. Lo que ocurre es que el reloj de paso omite la primera etapa del contador de 3 bits en el traductor. El menor bit significativo en este contador no se ve afectada por lo tanto la secuencia generada depende del estado del traductor cuando el modo de paso completo está activado (la entrada HALF/FULL se encuentra en nivel bajo).

Si el modo de paso completo se selecciona cuando el traductor se encuentra en cualquier estado de número impar se obtiene la secuencia de paso completo two-phase-on como se muestra en la figura 2.d.

Por el contrario, el modo de paso completo one-phase-on se obtiene seleccionando el modo de paso completo cuando el traductor se encuentra en un estado de número par (figura 2.e).

Figura 2.a: El L297 incluye un traductor (generador de secuencia de fases), un chopper de PWM doble y salidas de control lógico.
Figura 2.b: La ocho secuencias principales de pasos del traductor. Esto corresponde al modo de medio paso. Se indica su rotación en sentido de reloj.
Figura 2.c: Las formas de onda de salida corresponden a la secuencia de medio paso. La acción de chopeo no se muestra.
Figura 2.d: Secuencias de Estado y formas de onda de salida para las dos fases en secuencia. INH1 y INH2 permanecen en nivel alto en todo momento.
Figura 2.e: Secuencia de Estado y formas de onda de salida para conducción de ondas Motor de Ondas (modo one-phase-on).


A continuación, se presentará una tabla con el uso de cada uno de los terminales de este circuito integrado:


Pines de conexión L297
Numero Nombre Funciones
1 SYNC Salida del oscilador de choppeo en el chip. Las conexiones SYNC de todos los L297 a sincronizar son conectados entre sí y los componentes del oscilador se han omitido en todos menos uno. Si un fuente de reloj externa se utiliza se inyecta en este terminal.
2 GND Conexión a tierra.
3 HOME Salida de colector abierto que indica cuando el L297 se encuentra en su estado inicial (ABCD=0101). El transistor está abierto cuando esta señal está activa.
4 A Señal de activación de la fase A del motor para la etapa de potencia.
5 INH1 En nivel bajo, Inhibe las fases A y B.Cuando un puente H para controlar un motor bipolar, esta señal se puede utilizar para asegurar el decaimiento rápido de la corriente en la carga cuando un bobinado es des energizado. También se utiliza en chopeo para regular la corriente de carga si Entrada CONTROL está en nivel bajo.
6 B Señal de activación de la fase B del motor para la etapa de potencia.
7 C Señal de activación de la fase C del motor para la etapa de potencia.
8 INH2 En nivel bajo inhibe las etapas de accionamiento de las fases C y D. Las mismas funciones que INH1.
9 D Señal de activación de la fase C del motor para la etapa de potencia.
10 ENABLE Entrada de habilitación del chip. Cuando esta entrada está en nivel bajo (inactivo) INH1, INH2, A, B, C y D estarán en nivel bajo.
11 CONTROL Entrada de control que define la acción de chopeo. Cuando está en nivel bajo el chopeo actúa en INH1 y INH2, cuando está en nivel alto el chopeo actúa sobre líneas de fase ABCD.
12 Vs 5V entrada de alimentación.
13 SENS2 Entrada para el sensado de tensión para medir la corriente de carga de la etapa de potencia de las fases C y D.
14 SENS1 Entrada para el sensado de tensión para medir la corriente de carga de la etapa de potencia de las fases A y B.
15 Vref Tensión de referencia para el circuito de chopeo. Un voltaje aplicado a este terminal determina el pico de corriente en la carga.
16 OSC Una red RC (R a VCC, C conectado a tierra) conectado a este terminal determina la tasa de chopeo. Este terminal está conectado a tierra en todos menos en un dispositivo sincronizado.
17 CW/CCW Entrada de control de sentido de giro (Reloj/contrareloj). La dirección física de rotación del motor también depende de la conexión de los devanados. Está sincronizado internamente por lo tanto dirección se puede cambiar en cualquier momento.
18 CLOCK Reloj de paso.Un nivel bajo en esta entrada incrementa la secuencia del motor en una unidad. El paso se produce en el borde ascendente de esta señal.
19 HALF/FULL Entrada de selección para paso/medio paso. Cuando se selecciona un nivel alto funciona en medio paso, cuando se selecciona un nivel bajo funciona en paso completo.
20 RESET Entrada de reset. Un pulso en nivel bajo en esta entrada restaura el traductor a la posición inicial (estado 1, ABCD = 0101).

El puente H doble L298

El L298 es un circuito integrado monolítico en un empaquetado Multiwatt 15 y PowerSO20. Se trata de un doble puente completo para controlar alto voltaje y alta corriente diseñado para aceptar estándares niveles lógicos TTL y manejar cargas inductivas tales como relés, solenoides, motores paso a paso y de corriente continua. Dos entradas de habilitación se proporcionan para activar o desactivar el dispositivo de forma independiente de las señales de entrada. Los emisores de los transistores inferiores de cada puente están conectados entre sí y el terminal externo correspondiente se puede utilizar para la conexión de una resistencia externa de detección (sensor de corriente). Una entrada de alimentación adicional se proporciona para que la lógica trabaje a un voltaje menor.

Figura 3.a: Diagrama de bloques

INFORMACIÓN PARA APLICACIÓN (Consulte el diagrama de bloques)

ETAPA DE POTENCIA DE SALIDA

El L298 incluye dos etapas de potencia de salida (A, B). La etapa de salida de potencia es una configuración de puente H y sus salidas pueden controlar una carga inductiva en modo común o diferencial, dependiendo del estado de las entradas. La corriente que fluye a través de la carga que sale desde el puente a la salida de sensado; una resistencia externa ( RSA; RSB), permite detectar la intensidad de esta corriente.

ETAPA DE ENTRADA

Cada puente es accionado por medio de cuatro puertas de entrada que son In1; In2; EnA e IN3; In4; ENB. La entrada In selecciona el estado de puente cuando la entrada EN está en alto, un estado bajo de la entrada En inhibe el puente. Todas las entradas son compatibles con TTL.

SUGERENCIAS

Un capacitor no inductivo, por lo general de 100 nF, se debe colocar entre Vs y tierra y entre Vss y tierra, lo más cerca posible a la patilla GND. Cuando el capacitor de la fuente de alimentación se encuentra demasiado lejos del circuito integrado, un segundo más pequeño, debe ser colocado cerca del L298.

La resistencia de sensado, no de tipo “alambre enrollado”, debe estar conectado a tierra cerca del polo negativo de Vs que debe estar cerca del pin GND del circuito integrado. Cada entrada debe estar conectada a la fuente de las señales de control por medio de pistas muy cortas.

Encendido y de apagado: Antes de encender la fuente de alimentación y antes de apagarla, la entrada de habilitación (ENABLE) debe estar en estado bajo.

Control de corriente

La forma más eficaz y potente para accionar un motor paso a paso es usar un circuito de accionamiento por chopeo.

Esta nota explica algo de teoría básica y luego presenta circuitos prácticos basados en circuitos integrados de potencia.”

EL DRIVER PARA MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO MEJORA EL PAR MOTOR Y LA VELOCIDAD SIN AGREGAR COMPLEJIDAD AL CIRCUITO

Los diseñadores optan por utilizar una potencia fraccionaria motor paso a paso en aplicaciones tales como impresoras puede mejorar la eficiencia del motor y su características de par y velocidad mediante el uso de un circuito trozador (Chopper) para mantener corriente constante por Modulación de ancho de Pulso(PWM). Es más, para drivers de alta potencia, chips de control dedicados y drivers de troceo para corriente constante puede ser simple de usar directamente en un solo driver.

Un problema básico para un controlador directo de motor paso a paso es que la constante de tiempo de los bobinados del motor (L / R) hace que el actual para aumentar lentamente en el devanado durante cada entrada de pulso. fuere, por lo tanto, nunca llegar a un valor nominal completo, especialmente a alta velocidad, o altas tasas de pulso, a menos que el voltaje (VS) a través de los terminales esté en nivel alto. En el más simple stepperdrive (ver Fig. 3.a), interruptores o transistores Darlington activan secuencialmente las bobinas para accionar el motor (véase el recuadro de "paso a paso motor básico ").Este tipo de unidad funciona mal debido a que la tensión de alimentación debe ser baja para que la corriente de estado estacionario no sea excesiva. Como resultado de ello, el promedio corriente del devanado - y por lo tanto el par - es muy bajo a alta velocidad de accionamiento del motor.

Un problema básico para un accionamiento directo paso a paso es que la constante de tiempo del devanado del motor (L / R) hace que la corriente aumente lentamente en la bobina durante cada pulso de entrada. Puede, por tanto, nunca llegar a un valor nominal completamente, especialmente a altas velocidades, o a altas tasas de pulsación, a menos que el voltaje (VS) a través de los terminales sea elevado. En un controlador de motor paso a paso simple (ver Fig. 3.a), transistores o conmutadores Darlington activan secuencialmente las bobinas para controlar el motor (ver cuadro, "básico del motor paso a paso").

Este tipo de accionamiento posee un mal desempeño debido a que la tensión de alimentación debe ser baja para que la corriente de estado estacionario no sea excesiva. Como resultado de ello, el promedio de corriente del devanado (y por lo tanto el par) es muy bajo para una alta velocidad en el driver del motor.

A menudo, este problema se supera mediante la introducción de una resistencia en serie, aumentando el valor general por un factor de cuatro (dando una relación de L/4R) y también mediante el aumento de la tensión de alimentación (véase fig. 3.b). Esta disposición reduce la constante de tiempo del motor, lo que mejora el par a altas tasas de pulso. Sin embargo, tal enfoque es ineficiente, ya que la resistencia en serie constituye una pérdida sustancial de energía.

Figura 3.b: Comando común de motores paso a paso unipolares (a) produce un par de salida insuficiente, ya que su tensión de alimentación debe mantenerse baja para limitar la corriente. Adición de resistencia en serie a una relación de L/4R (b) y el aumento de la tensión de alimentación proporcionalmente mejora la salida de par de torsión, especialmente a altas velocidades de pulso.
Figura 3.c: una anchura de impulso modulada, o chopper, permite superar la mayor parte de los problemas de la unidad más simple directa o incluso unidades lineales de corriente constante.

LA CORRIENTE CONSTANTE ES MEJOR

La introducción de un bucle de realimentación para controlar la corriente de devanado es una mejor solución. El control lineal de corriente constante es posible, pero se utiliza raramente debido a las pérdidas de alta potencia en la etapa de potencia. Sin embargo, un esquema de modulación por ancho de pulso (un circuito de chopper) no sólo resuelve el problema de tiempo L/R constante, además la disipación de energía también (véase la fig. 3.c).

Un motor paso a paso unipolar bifilar/híbrido de 4 fases podría utilizar un arreglo de cuatro transistores en Darlington como el circuito integrado ULN2075B como driver chopper y un chip como el L6506 como un controlador de corriente (véase fig. 3.d).

El L6506, que contiene toda la circuitería Chopper, es fácil de usar. Una red RC externo establece la frecuencia del oscilador, y un divisor de tensión (o potenciómetro) establece las tensiones de referencia, y por lo tanto las corrientes de fase. Normalmente, se elige la frecuencia del oscilador de más de 20 KHz para evitar el ruido del motor. La máxima frecuencia utilizable depende del tiempo de la constante L/R del motor. Las señales de control para las cuatro entradas de fase puede ser entregadas por un chip de micro controlador o una secuencia repetitiva simple de un circuito lógico. Tenga en cuenta que el L6506 contiene sólo dos bucles de control de chopper independiente suficiente para un motor paso a paso unipolar de 4 fases porque nunca los bobinados opuestos se energizan juntos.

Figura 3.e: Un controlador de chopper simple para un motor paso a paso unipolar, puede ser ensamblada con sólo dos chips: un circuito integrado de cuatro salidas Darlington y de un IC controlador con retroalimentación para corriente constante.

CONTROLANDO MOTORES BIPOLARES

Los motores paso a paso bipolares, se prefieren por su mejor relación par/peso, sin embargo, son normalmente impulsado por las etapas de salida de un puente H. Ellos permiten un suministro de polaridad única para conducir cada extremo del devanado del motor secuencialmente para conseguir un efecto de polaridad inversa en los arrollamientos.

Conceptos Básicos de un Motor paso a paso

En periféricos de ordenador y aplicaciones de equipos de oficina, los motores paso a paso más populares utilizados son los de tipos de imanes permanentes con dos embobinados bipolares o motores unipolares bobinados de forma bifilar. Refiriéndose a lo esencial, ambos tipos constan de un rotor de imán permanente rodeado de polos en el estator formados por bobinados.

Un motor de dos polos tiene un ángulo de paso de 90 °. Sin embargo, la mayoría de los motores tienen múltiples polos para reducir el ángulo de paso a unos pocos grados.

Un motor paso a paso bipolar de imanes permanentes tiene un solo bobinado de cada fase y la corriente debe ser invertida para invertir el campo del estator. Los motores unipolares bifilar/híbrido, sin embargo, tiene dos devanados enrolladas en direcciones opuestas para cada fase, de manera que el campo se puede revertir con una unidad de polaridad única. Los motores unipolares antiguamente fueron más populares porque el control era más simple. Sin embargo, con los circuitos integrados doble puente de hoy (puente H), es igual de fácil conducir un motor bipolar. En la técnica más popular de control (dos fases encendidas) ambas fases están siempre energizadas . En otro método (llamado controlador de onda) una fase es energizada a la vez.

Una tercera técnica combina las dos secuencias y acciona el motor medio paso a la vez (Half-Stepping). Controlar medios pasos es muy útil porque los motores mecánicamente diseñados para ángulos de pasos muy pequeños son mucho más complejos (y costosos) de construir. Es más económico utilizar un motor paso a paso de 100 pasos en configuración de medios pasos en lugar de un motor paso a paso de 200 pasos utilizando paso completo (Full-stepping). Recientemente diseñadores han comenzado a generar mayores micro pasos (microstepping), o accionar el motor a un cuarto de paso o menos. Este tipo de operación pueda obtener finos pasos sin usar motores mecánicamente complejos con ángulos pequeños de paso.

Un motor bipolar de 2 fases que necesite hasta 2ª por fase puede ser accionado por un único circuito integrado con doble puente H L298N (ver fig. 3.f). Este C.I. contiene dos puentes H con todas las combinaciones de alimentación de bobinas y las entradas de control necesarias para interactuar directamente bajo nivel de señales lógicas de entrada. Como se explicó anteriormente, un completo driver de chopeo se puede construir mediante la adición de un chip controlador de corriente y los diodos de protección necesarios, una red RC para definir la frecuencia del oscilador y un divisor de tensión de referencia (o potenciómetro) para seleccionar el nivel de corriente deseado. Cuatro señales de fase desde el controlador son proporcionadas por el control de un microcomputador o por otro chip de control dedicado: “el controlador de motor paso a paso L297”.

Figura 3.f: Un puente H doble proporciona una simple solución de diseño de etapa de potencia para un motor paso a paso bipolar.

El L297 contiene un circuito traductor interno controlado por entradas de paso y de dirección. El controlador de motor L297 ( Véase la figura 3.g) permite el funcionamiento en tres modos: dos fases encendidas (two-fase-on), medio paso (Half-Step) y control de onda (wave-drive).

El modo normal “two-fase-on” es seleccionado con un nivel bajo en la entrada half/full del chip cuando el dispositivo se ha reinicializado para partir.

El control por medio paso (half-step) es seleccionado con un nivel alto en la entrada half/full del chip . Para inicializar el modo de control de onda (wave-drive), el usuario debe desactivar la etapa de salida (traer ENABLE a bajo), resetear el dispositivo, avanzar el traductor un paso, trae half/full a nivel bajo, y luego volver a habilitar las salidas.

El L297 también le permite al diseñador seleccionar cualquiera de las fases o inhibir el Chopeo. El chopeo de las fases proporciona un menor ripple (ondulación) y es adecuado para motores unipolares, mientras que la inhibición por chopeo retorna energía a la fuente y es mejor para los motores bipolares.

En aplicaciones tales como la alimentación de papel de una impresora, el motor está a menudo en reposo. Puesto que el par total usualmente no es necesario para mantener el motor en posición, los diseñadores pueden ahorrar energía seleccionando la corriente a nivel bajo entre carreras. Con un chip de control L297 o L6506, esta tarea se puede hacer simplemente cambiando la entrada de referencia entre dos niveles. Cuando varios drivers de choppeo se utilizan en un mismo sistema, deben estar sincronizados para prevenir efectos de intermodulación. Esto se realiza mediante la conexión de los terminales de sincronización entre sí (sync pin outputs) y omitiendo el oscilador RC en todos los dispositivos menos en uno solo.

Figura 3.g: Controlado por el paso, la dirección y entradas de selección de modo de funcionamiento, el chip controlador de motores paso a paso L297 realiza algunas de las funciones de un microordenador de control.

MANEJO DE CORRIENTES ALTAS

Para el control de corrientes superiores a 2A por fase, los dos puentes H en el circuito integrado L298N se puede conectar en paralelo las entradas y las salidas correspondientes. Sin embargo, para una distribución más equitativa de la carga y de la temperatura en el chip, el controlador de la bobina 1 deberá conectarse en paralelo con el controlador de la bobina 4, y el controlador de la bobina 2 con el controlador de la bobina 3. Además, la corriente total del driver debe ser reducida en 0.5A para permitir el desequilibrio máximo posible de la corriente en cada puente H. Así, dos circuitos integrados L298 pueden manejar motores de hasta 3.5A nominal por fase.

Una configuración diferente para micropasos en motores paso a paso se emplea en el circuito de control PBL3717A. Contiene toda la circuitería de control y de potencia para una fase de un motor. Una etapa de salida de puente H puede controlar motores de hasta 1A nominal por fase. Dos de estos dispositivos son necesarios para controlar las dos fases de un motor bipolar. El nivel de corriente de salida de los PBL3717A se establece para ambas fases por una entrada de referencia analógica y dos entradas lógicas (I1 e I0), que seleccionan uno de tres niveles de corriente( la cuarta combinación desactiva la etapa de salida). Esta función implementa los micropasos, en el que varios niveles de corriente se utilizan para obtener ángulos de paso muy pequeño para un control aún más preciso(pero a expensas de un par menos regular). A diferencia del L297 y L6506, la PBL3717A tiene una constante de tiempo de controlador de chopper que es ideal para generar micro pasos.

Enlaces Técnicos

Para mayor información visite las hojas de datos y las notas de aplicación de estos componentes proporcionados por el fabricante:

StLogo.png L297 Stepper Motor Controller

StLogo.png Application Note AN470 THE L297 STEPPER MOTOR CONTROLLER

StLogo.png L298 Dual Full Bridge Driver

StLogo.png Application Note AN468 STEPPER MOTOR PERFORMANCE