MANEJADOR MOTOR PASO A PASO
Este circuito consiste en dotar de la potencia necesaria a las señales recibidas desde el microcontrolador para excitar de forma apropiada los devanados del motor paso a paso responsable del movimiento del carro portador del péndulo. El motor paso a paso utilizado es del tipo bipolar ya que contiene dos devanados que deberán ser alimentados siguiendo una secuencia predefinida para conseguir un giro en sentido horario. Por otro lado si la secuencia de alimentación sigue la secuencia inversa, el giro se producirá en el sentido antihorario tal como se detalla en la siguiente tabla.
| 1 | + | - | + | - | 1 | + | - | + | - |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2 | + | - | - | + | 4 | - | + | + | - |
| 3 | - | + | - | + | 3 | - | + | - | + |
| 4 | - | + | + | - | 2 | + | - | - | + |
| Horario | Antihorario | ||||||||
| Devanado 1 | Devanado 2 | Devanado 1 | Devanado 2 | ||||||
| Secuencia | A | B | C | D | Secuencia | A | B | C | D |
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El motor avanza por cada secuencia o paso 3.75º, o lo que es lo mismo, se necesitan 96 pasos para completar una circunferencia. Luego cada paso se traduce en un desplazamiento longitudinal del carro mediante la correa dentada de transmisión.
DESCRIPCION DEL CIRCUITO
La alimentación del motor según la hoja de datos es de 24V, pero para este desarrollo donde no se persigue un alto torque se ha escogido como tensión de alimentación 12V para prevenir un excesivo calentamiento del motor durante un funcionamiento prolongado. La intensidad de corriente medida en cada devanado cuando se lo alimenta con 12V es de aproximadamente 850mA. Para manejar estos niveles de corriente fue necesario diseñar e implementar un circuito de alimentación para dotar de la potencia requerida (12V/850mA) a cada salida del microcontrolador (5V/25mA).
Para la excitar los devanados se escogió el par de transistores darlington complementarios formado por el TIP120 (NPN) y TIP125 (PNP). Estos transistores están especialmente preparados para conmutar cargas inductivas de potencia ya que disponen de un diodo dumper entre C y E para contrarrestar los efectos nocivos de la fuerza contra-electromotriz, además de poseer una baja tensión de saturación (VCE(sat) = +0.5V) y una alta ganancia de corriente (HFE(mín) = 1000).
En la siguiente figura se visualiza el método empleado para conmutar la polaridad sobre un devanado y a la vez proveer de la corriente necesaria. Nótese que la conducción de los transistores de potencia se realiza de a pares de modo que saturando Q3 y Q6 y manteniendo cortados a Q5 y Q4 circula por el devanado la corriente I36 polarizándolo en un sentido (+ -). Por otro lado saturando Q5 y Q6 y cortando Q3 y Q4 se consigue la circulación de la corriente I54 que polariza el devanado en el sentido contrario (- +).
Para lograr la conmutación de los transistores de potencia sin drenar demasiada corriente del microcontrolador, se ha diseñado el circuito de excitación para cada par darlington que se analiza a continuación.
Cuando la salida del microcontrolador está en nivel alto (+5V) los transistores de la etapa se polarizan tal como se observa en la figura siguiente. De este modo se consigue la saturación de ambos BC547 drenando sólo 1.8mA de la salida del microcontrolador.
Luego para saturar el TIP125 se hace circular por su base una corriente de 9.25mA lo que garantiza la saturación del mismo mediante la fórmula que se detalla a continuación. Nótese que el cálculo realizado arroja un coeficiente de 91 el cual es mucho menor que 1000, lo que garantiza la condición de saturación del transistor.
$$\frac{I_{c}}{I_{b}} \ll h_{FE} \qquad \frac{850mA}{9.25mA} = 91 \ll 1000$$El otro darlington (TIP120) al ser del tipo NPN y tener un potencial cercano a 0V en su base (BC547 saturado) permanece cortado, por lo que la corriente que circula por el mismo es despreciable.
Para que circule corriente por el devanado, el circuito se cierra mediante la etapa complementaria la cual estará polarizada con 0V en su entrada tal como se analiza en la figura siguiente.
En este caso al encontrarse ambos BC547 cortados no circula por los mismos ninguna corriente reseñable, sin embargo ahora en cada base de los TIPs hay un potencial alto que provoca el corte del PNP y la saturación del NPN. Nótese que ahora la circulación de la corriente por el devanado se deriva a masa a través de transistor TIP120.
La condición de saturación también se cumple en este caso siendo 100 el resultado del cociente que sigue siendo mucho menor que 1000. La pequeña diferencia en cuanto a corrientes se debe a la necesidad de escoger valores comerciales para las resistencias en vez de los obtenidos a través del cálculo teórico.
Nótese que los valores de tensiones y corrientes en las figuras son aproximados y que dependen de la tolerancia de los componentes empleados, pero de todas formas las condiciones de corte y saturación se encuentran garantizadas.
PLACA DE CIRCUITO IMPRESO
El circuito al completo se puede consultar en el fichero del esquemático al pie de este página, así como los ficheros Gerber para la construcción del circuito impreso. Con fines ilustrativos se presenta en las siguientes figuras una captura del diseño de la placa y una foto del montaje realizado.
