San Cristóbal, Rep. Dom.
Microprocesadores.
Motores Paso a Paso
Convertidores ADC
Sensores.
Luis Alexander Cunillera Sánchez.(05-075)
Joan Reynaldo Bautista Delgado.(05-034)
Alberto Figallo Fernandez.(05-123)
2do ED/A
Prof.: Jorge Luis Maldonado.
Motores pasó a paso
El motor de paso a paso es un dispositivo electromecánico, es decir que convierte la energía eléctrica en mecánica, que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares, lo que significa es que es capaz de avanzar una serie de grados, o sea un paso, dependiendo de sus entradas de control.
Los motores de pasos son utilizados en muchos dispositivos y aplicaciones que son partes de nuestra vida diaria. También conocidos como “Steppers” o “Paso a Paso”, esos motores fueron usados a inicios de los años 1920. Sus usos se han elevado rápidamente con la popularidad de los sistemas integrados, incluyendo impresoras, unidades de disco, juguetes, limpia parabrisas, buscapersonas, brazos robóticas y video cámaras.
Tipos
Los motores de pasos vienen en muchas formas y tamaños, pero la mayoría caen dentro de una o dos categorías: Los paso a paso de reluctancia variable o los paso a paso de magneto permanente.
* Motor paso a paso de reluctancia variable:
Estos motores no contienen imanes permanentes. El estator es similar a un motor de c.c. de escobillas, sin embargo, el rotor sólo consta de hierro laminado. El par se produce como resultado de la atracción entre las bobinas y el rotor férrico. El rotor forma un circuito magnético con el polo del estator. La reluctancia de un circuito magnético es el equivalente magnético a la resistencia de un circuito eléctrico.
Cuando el rotor está alineado con el estator el hueco entre ambos es muy pequeño y en este momento la reluctancia está al mínimo. La inductancia del bobinado también varía cuando el rotor gira. Cuando el rotor está fuera de la alineación, la inductancia es muy baja, y la corriente aumentará rápidamente. Cuando el rotor se alinea con el estator, la inductancia será muy grande. Esta es una de las dificultades de manejar un motor de esta clase
*Motor paso a paso con magneto permanente
Son los más usados en robótica. Básicamente, están constituidos por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes, y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en su estator. Así, las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) debe ser externamente manejada por un controlador.
Existen 2 tipos de motores paso a paso de magneto permanente que son:
1. Unipolares
Estos motores suelen tener 8, 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado interno. Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar. Un motor unipolar es en el que cada bobina tiene un terminal central común que es accesible desde el exterior del motor.
2. Bipolares
Motor bipolar, seis polos.
Estos tienen generalmente cuatro cables de salida. Necesitan ciertos trucos para ser controlados, debido a que requieren del cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento. Esto hace que la controladora se vuelva más compleja y costosa. Su uso no es tan común como en el caso de los de tipo unipolar.
*Motor paso a paso híbrido de paso:
Se caracteriza por tener varios dientes en el estator y en el rotor, el rotor con un imán concéntrico magnetizado axialmente alrededor de su eje. Se puede ver que esta configuración es una mezcla de los tipos de reluctancia variable e imán permanente. Este tipo de motor tiene una alta precisión y alto par y se puede configurar para suministrar un paso angular tan pequeño como 1.8°.
Partes e identificación de terminales.
Un motor paso a paso está constituido por dos partes: una fija, llamada estator; y una móvil, llamada rotor.
El estator está construido en base de una serie de cavidades en las que se ubican las bobinas. Cuando una corriente eléctrica atraviesa una de estas bobinas, se forman los polos norte-sur necesarios para impulsar el motor.
El rotor puede basarse en un imán permanente o un inducido ferromagnético, siempre con el mismo número de pares de polos que el contenido en una sección de la bobina del estator. Todo esto se monta sobre un eje que a su vez se apoya en dos cojinetes que le permiten girar libremente.
Dependiendo de qué tipo de motor paso a paso es, tienen diferentes configuraciones en sus bobinas por tanto diferentes formas de saber a que pertenecen sus terminales.
*Motor unipolar
Hay varias formas de saber cuales son sus terminasles. Una de ellas es midiendo la resistencia entre sus terminales. Si el motor unipolar tiene 5 serminales es que el cable central(en la imagen el cable c) de ambas bobinas están unidos. Si la lectura marca infinito es que son dos terminales de bobinas distintas. Cuando la lectura marque una cantidad de ohmios hay que comprobar con otros terminales. Al medir entre los cables B-C y A-C la resistencia es la misma y cuando se mide A-B la resistencia es el doble que en las lecturas previas.
Otra forma es tomando los cables centrales de las bobinas y otro cable cualquiera y lo pegamos a un terminal positivo.Este cable elegido lo tomaremos como A, y probaremos los otros cable pulsandolos con el terminal negativo.Si el motor se mueve a la izquierda, ese es el cable B, si se mueve hacia la derecha es el cable D, si no se mueve es sencillamente el C.
*Motor Bipolar
Este motos posee 4 cables, las bobinas no tienen toma central. Para identificar sus terminales simplemente se encuentran las dos bobinas midiendo su ohmiaje, y después los terminales de la primera bobina encontrada son A y B, y los de la segunda C y D.
Descripción del modo de funcionamiento.
Estos motores están constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en su estator.
Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador.
El movimiento de un motor de pasos se hace posible gracias a los cables que son enrollados alrededor de los dientes de un estator, la parte no movible o estacionaria del motor. En general, el cable es enrollado en forma de bobina y es llamado solenoide.
En un motor, el cable que es enrollado alrededor de un diente se denomina bobina, arrollado, devanado o fase. Si la corriente está fluyendo en la dirección mostrada en la figura, vemos el motor desde arriba mirando hacia abajo en el tope del diente, la corriente realiza un movimiento en contra de las agujas del reloj, alrededor de cada uno de los dos dientes. Este movimiento de corriente induce un campo magnético con el polo norte del campo apuntando hacia arriba.
Los motores paso a paso normalmente tienen 4 de estos dientes, uno para cada terminal de la bobina, y en el caso de los unipolares 6 (2 para las tomas centrales). Dependiendo de cómo se energicen las bobinas la corriente tomará una dirección que atraerá al rotor a un cierto lugar específico.
Elaboración de un circuito de control
En los motores unipolares hay tres de elaborar un circuito de control:
*Wave drive. Es en el que se energiza una bobina a la vez de forma ordenada de tal forma que el motor se mueva en una dirección uniforme.
*Medio Paso. Consiste en partir a la mitad el paso que da normalmente el motor, siento la mitad el ángulo de desplazamiento. Este es posible cuando polarizamos las bobinas de la siguiente manera:
| Bobina A | Bobina B | Bobina C | Bobina D |
| Polarizada | | | |
| Polarizada | Polarizada | | |
| | Polarizada | | |
| | Polarizada | Polarizada | |
| | | Polarizada | |
| | | Polarizada | Polarizada |
| | | | Polarizada |
| Polarizada | | | Polarizada |
Así, polarizando una bobina y después 2 en un orden específico, se consiguen dar medio paso al motor.
*Normal o paso completo. Consiste en siempre energizar 2 bobinas de tal manera que el rotor se mantenga entre el punto de descanso del las 2 bobinas. Aunque parezca casi lo mismo que la configuración wave drive esta difiere en que la inercia que tiene el wave drive es mayor ya que este se mantiene en reposo un momento del movimiento mientras que en el de paso completo ya que siempre está siendo atraída por una bobina, no es necesario romper la inercia de arranque.
Parámetros
*Par dinámico de trabajo (Working Torque): Depende de sus características dinámicas y es el momento máximo que el motor es capaz de desarrollar sin perder paso, es decir, sin dejar de responder a algún impulso de excitación del estator y dependiendo, evidentemente, de la carga.
Generalmente se ofrecen, por parte del fabrican, curvas denominadas de arranque sin error (pull-in) y que relaciona el par en función el número de pasos.
Hay que tener en cuenta que, cuando la velocidad de giro del motor aumenta, se produce un aumento de la f.c.e.m. en él generada y, por tanto, una disminución de la corriente absorbida por los bobinados del estator, como consecuencia de todo ello, disminuye el par motor.
*Par de mantenimiento (Holding Torque): Es el par requerido para desviar, en régimen de excitación, un paso el rotor cuando la posición anterior es estable; es mayor que el par dinámico y actúa como freno para mantener el rotor en una posición estable dada
*Para de detención (Detention Torque): Es una par de freno que siendo propio de los motores de imán permanente, es debida a la acción del rotor cuando los devanados del estator están desactivados.
* Angulo de paso (Step angle ): Se define como el avance angular que se produce en el motor por cada impulso de excitación. Se mide en grados, siendo los pasos estándar más importantes los siguientes:
| Grados por impulso de excitación | Nº de pasos por vuelta |
| 0,72º | 500 |
| 1,8º | 200 |
| 3,75º | 96 |
| 7,5º | 48 |
| 15º | 24 |
* Número de pasos por vuelta: Es la cantidad de pasos que ha de efectuar el rotor para realizar una revolución completa
*Frecuencia de paso máximo (Maximum pull-in/out): Se define como el máximo número de pasos por segundo que puede recibir el motor funcionando adecuadamente.
* Momento de inercia del rotor: Es su momento de inercia asociado que se expresa en gramos por centímetro cuadrado.
* Par de mantenimiento, de detención y dinámico: Definidos anteriormente y expresados en miliNewton por metro.
Comparación entre motores
*Imán permanente
Sus características constructivas son las siguientes:
1. El rotor posee un imán permanente que en la superficie poseen una x cantidad de dientes mecanizados.
2. El estator, que generalmente es de forma cilíndrica, posee cierta cantidad de bobinados que son los que se polarizan en una secuencia para provocar el movimiento deseado.
3. El movimiento es controlado por las fuerzas de atracció y repulsión que ofrecen las bobinas de forma controlada.
4. El orden en que se polarizan las bobinas y la misma alimentación de estas son controladas por ciertos circuitos de control.
*Reluctancia variable
1.El estator es parecido al de él motor de imán permanente.
2. La única diferencia que poseen en el rotor es que el de reluctancia variable no es un imán sino un núcleo de hierro dulce, aunque también posee dientes adheridos a éste.
3.Al alimentar una de las bobinas del estator, se crea un campo magnético. El rotor se orienta hacia aquella posición en la que la reluctancia que presenta el circuito es mínima. Esta posición será aquella en la que el entre hierro sea el más pequeño posible. Al cambiar la alimentación a otra de las bobinas, el punto de mínima reluctancia también cambia, con lo cual el rotor gira de nuevo.
4.Su problema principal es que no se sabe con exactitud donde es que va a parar el motor después de ser desenergizado.
Conversación de análoga a digital:
2.1 Razones por las cuales usar convertidores:
Ventajas de la señal digital:
*Cuando una señal digital es atenuada o experimenta perturbaciones leves, puede ser reconstruida y amplificada mediante sistemas de regeneración de señales.
*Cuenta con sistemas de detección y corrección de errores, que se utilizan cuando la señal llega al receptor; entonces comprueban (uso de redundancia) la señal, primero para detectar algún error, y, algunos sistemas, pueden luego corregir alguno o todos los errores detectados previamente.
*Facilidad para el procesamiento de la señal. Cualquier operación es fácilmente realizable a través de cualquier software de edición o procesamiento de señal.
*La señal digital permite la multigeneración infinita sin pérdidas de calidad. Esta ventaja sólo es aplicable a los formatos de disco óptico; la cinta magnética digital, aunque en menor medida que la analógica (que sólo soporta como mucho 4 o 5 generaciones), también va perdiendo información con la multigeneración.
2.2Tipos de convertidores analogos y digitales:
De aproximaciones sucesivas: Es el empleado más comúnmente, apto para aplicaciones que no necesitan grandes resoluciones ni velocidades. Debido a su bajo coste se suele integrar en la mayoría de microcontroladores permitiendo una solución de bajo coste en un único chip para numerosas aplicaciones de control. El conversor realiza una búsqueda dicotómica del valor presente en la entrada. Su principal carencia es el elevado tiempo de conversión necesario.
Flash: este conversor destaca por su elevada velocidad de funcionamiento. Está formado por una cadena de divisores de tensión y comparadores, realizando la conversión de manera inmediata en una única operación. Su principal desventaja es el elevado costo.
Sigma-delta: Tienen una velocidad máxima de conversión baja pero a cambio poseen una relación señal a ruido muy elevada, la mayor de todos.
Convertidor con comparadores.
Nos encontramos ante el único caso en que los procesos de cuantificación y descodificación aparecen claramente separados. El primer caso se lleva a cabo mediante comparadores que discriminan entre un numero finito de niveles de tensión. Estos comparadores reciben en sus entradas la señal analógica de entrada, junto con una tensión de referencia distinta para cada una de ellos. Al estar las tensiones de referencia escalonadas, es posible conocer si la señal de entrada se halla por encima o por debajo de cada una de ellas, lo cual permitirá saber el estado que le corresponde como resultado de la cuantificación. A continuación, necesitaremos un codificador que nos entregue la señal digital.
Asimismo, cabe señalar que se trata de un convertidor de alta velocidad, ya que el proceso de conversión es directo. Sin embargo su utilidad queda reducida en los casos de baja resolución, pues se necesitan bastantes comparadores, lo que lleva a encarecer el circuito si se desea obtener una resolución alta.
Convertidor a anchura de impulso.
Este convertidor transforma la tensión desconocida en un intervalo de tiempo que es medido mediante un reloj y un contador. Al recibir por la entrada de control la orden de iniciar la conversión, el circuito comienza la generación de una rampa y pone a 1 la salida del biestable. Este nivel se mantiene hasta que la rampa supere el valor en la entrada analógica, instante en que la salida del biestable volverá a 0 y el contador dejara de contar los impulsos de frecuencia fija del reloj. De manera que, al ser la duración del impulso en la salida del biestable función de la tensión de entrada, las salidas del contador serán una representación digital de la misma.
Las limitaciones de este convertidor son varias:
Falta de linealidad del generador de rampa, lo cual hace que la duración del impulso no sea la adecuada.
El tiempo de conversión no es fijo sino que esta en función de la entrada analógica.
Convertidor de doble rampa.
Algunas limitaciones mencionadas anteriormente se pueden evitar con este convertidor. Es uno de los mas utilizados en la practica, especialmente en el caso de aplicaciones que requieran gran precisión.
La base de funcionamiento de este circuito es también un integrador. El proceso de conversión se inicia conectando la tensión de entrada al integrador durante un tiempo fijo, en el cual la salida del integrador se va haciendo negativa hasta alcanzar un valor mínimo en el instante en que termina ese tiempo fijo; momento en que la información de desbordamiento ( overflow), aplicada al circuito de exitacion del conmutador, provoca la aplicación de una tensión de referencia a la entrada dl integrador, lo que hace que la salida de este tienda a 0 voltios.
2.3 Que es muestreo y voltaje de referencia:
El voltaje de referencia es el encargado de proporcionar el tiempo de conducción de voltaje sobre la carga por medio de la comparación con una señal rampa utilizando un amplificador operacional.
El Muestreo Digital es una de las partes que intervienen en la digitalización de las señales. Consiste en tomar muestras periódicas de la amplitud de una señal analógica, siendo el intervalo entre las muestras constante. El ritmo de este muestreo, se denomina frecuencia o tasa de muestreo y determina el número de muestras que se toman en un intervalo de tiempo.
La resolución viene determinada por la longitud de la palabra digital (número de bits), es decir por las agrupación de ceros y unos con que se va componiendo (codificada) la señal.
Es importante ya que debido a esta se define la velocidad de transferencia de datos de los distintos sistemas.
2.5 Mencione algunos tipos de convertidores , monopastillas:
*ADS1282
*ADS1281
*ADS1675
*ADS1672
*ADS1278-HT
Sensores:
Los sensores se definen como un dispositivo que detecta una determinada acción externa, ya sea como la temperatura, presión, etc.… y lo hace en forma de magnitudes electricas. A este también se le conoce como elemento primario.
Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable a medir o a controlar. Hay sensores que no solo sirven para medir la variable, sino también para convertirla mediante circuitos electrónicos en una señal estándar (
TIPOS:
Posición lineal o angular *Potenciómetro Analógica
de variación lineal Analógica
*Galga extensiométrica Analógica
*Magnetoestrictivos A/D
Desplazamiento y deformación *Magnetorresistivos Analógica
*LVDT Analógica
*Dinamo tacométrica Analógica
*Encoder Digital
*Detector inductivo Digital
Velocidad lineal y angular *Servo-inclinómetros A/D
*RVDT Analógica
*Acelerómetro Analógico
Aceleración *Servo-accelerómetros
*Galga extensiométrica Analógico
Fuerza y par (deformación) *Triaxiales A/D
* Membranas Analógica
Presión *Piezoeléctricos Analógica
*Manómetros Digitales Digital
*Turbina Analógica
Caudal * Magnético Analógica
*Termopar Analógica
*RTD Analógica
Temperatura *Termistor PTC Analógica
*Bimetal I/0
* Inductivos I/0
Sensores de presencia * Capacitivos I/0
* Ópticos I/0 y Analógica
* Matriz de contactos I/0
Sensores táctiles * Piel artificial Analógica
Visión artificial * Cámaras de video Procesamiento digital
Sensor de luz *fotodiodo
Sensores captura de movimiento * Sensores inerciales
Sensor acústico (presión sonora) *micrófono
Sensor de proximidad *Sensor inductivo
DESCRIPCION DE 4 CIRCUITOS QUE UTILICEN SENSORES:
*SISTEMAS DE SEGURIDAD(ALARMAS):
1- ) La alarma de un sistema de seguridad pueden ser utilizados varios tipos de sensores como son: los de movimiento (sensores inerciales), sensores táctiles (Matriz de contactos, piel artificial), visión artificial (Cámaras de videos), etc. Estos se utilizan para mandar un pulso a nuestro programa que nos indique la acción que queremos llevar a nuestra bocina, desde un Micro o algún sistema que utilicemos para este y podemos ponerles bocinas u mandar una señal de llamada a donde nos plazca.
2- ) Podemos utilizar sensores de luz (fotoresistores, fototransistores, etc.…) para hacer alguna alarma por medio de un circuito hecho a base de transistores, pues estos nos detectan cuando la luz que emiten es interrumpida.
3- ) También otro hecho con una bombilla y que sea utilizado un fotoresistor para detectar cuando se haya apagado la luz y esta bombilla se encienda.
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