CONTROLADOR DE MOTOR PASO A PASO
SIN NECESIDAD DE COMPUTADORA

En muchas aplicaciones de autómatas y robots, es necesario el accionamiento de válvulas o sistemas de engranes con una exactitud y precisión muy alta. Para conseguirlo se emplean motores paso a paso cuyo funcionamiento se consigue mediante placas de control por computadora o por medios manuales. En este artículo les mostramos un esquema que permite el movimiento de un motor "por pasos" cada vez que aplica un pulso en un terminal determinado. El puso puede ser producido por un oscilador o por otro elemento que sea parte integrante del sistema automático.

DESARROLLO

En robótica, son indispensables “los movimientos precisos”, donde los brazos mecánicos deben ejecutar movimientos de gran precisión. Lo mismo ocurre en sistemas autómatas o de control.

Como podemos observar en el artículo de tapa de esta edición, un motor paso a paso resuelve en gran medida este problema, ya que su principio de funcionamiento le permite realizar pequeños movimientos en pasos, con gran exactitud.

Estos motores son dispositivos especiales que permiten el avance de su eje en ángulos muy precisos y por pasos en las 2 direcciones de movimiento, izquierda o derecha.

Para permitir este movimiento se debe dar una determinada secuencia de señales digitales, para poder avanzar por pasos hacia un lado u otro y se detienen exactamente en una determinada posición, que es función de ese “juego de señales” aplicadas.

Cada paso tiene un ángulo muy preciso, determinado por la construcción del motor, lo que permite realizar movimientos exactos sin necesidad de un sistema de control por lazo cerrado.

Los motores paso a paso presentan grandes ventajas con respecto a la utilización de servomotores debido a que se pueden manejar digitalmente sin realimentación, su velocidad se puede controlar fácilmente, tiene una larga vida, son pequeños, robustos y poseen un elevado torque en bajas revoluciones, lo que permite un bajo consumo tanto en vacío como en plena carga, su mantenimiento es mínimo, debido a que no tienen escobillas.

El funcionamiento de los motores paso a paso se basa en el simple principio de atracción y repulsión que ocurre entre los polos magnéticos. El principio básico del magnetismo establece que polos iguales se repelen y polos diferentes se atraen. En la figura 1 se muestra un motor paso a paso imaginario con cuatro bobinas y un rotor formado por un imán.

Si aplicamos corriente a la bobina A y D, de tal manera que se formen electroimanes con las polaridades vistas en la figura 1, el rotor gira hasta alcanzar la posición de reposo. La aproximación realizada corresponde entonces a un motor real que utiliza cuatro bobinas mediante las cuales podemos hacer girar el rotor en ángulos de 90º.

Al cambiar la polaridad de las bobinas del estator, se presenta el efecto de repulsión y atracción por parejas de polos, con los polos del imán, que produce el giro por pasos.

Los motores paso a paso se fabrican aumentando el número de polos del estator con el objeto de conseguir pasos o giros más pequeños y se les practican una serie de ranuras, tanto en el rotor como en el estator. Así se logran movimientos de hasta 1.8º por paso. Los grados de avance por paso son una de las características más importantes en este tipo de motores y generalmente están indicados en su carcaza o cuerpo.

Según la construcción de su rotor, existen tres tipos de motores paso a paso:

DE IMAN PERMANENTE
En este tipo de motor, su rotor es un imán permanente que posee una ranura en toda su longitud y el estator está formado por una serie de bobinas enrolladas alrededor de un núcleo o polo. Su funcionamiento se basa en el principio explicado anteriormente de atracción y repulsión de polos magnéticos.

DE RELUCTANCIA VARIABLE
En estos motores el rotor está fabricado por un cilindro de hierro dentado y el estator está formado por bobinas que crean los polos magnéticos. Como este tipo de motor no tiene un imán permanente, su rotor gira libremente cuando las bobinas no tienen corriente, lo que puede ser inconveniente en un momento dado si hay una carga que presione el eje. Este tipo puede trabajar a mayor velocidad que el anterior.
Híbridos:
Estos motores combinan las dos características anteriores, así logran un alto rendimiento a buena velocidad.

En cuanto a la forma de conexión y excitación de las bobinas del estator, los motores paso a paso se dividen en 2 tipos.

En los motores paso a paso debemos diferenciar los motores unipolares de los bipolares.

En los motores unipolares la corriente que circula por los diferentes bobinados siempre circula en el mismo sentido. En los motores la corriente que circula por los bobinados cambia de sentido en función de la tensión que se aplica, por lo que un mismo bobinado puede tener en uno de sus extremos distinta polaridad (bipolar).

Algunos motores comerciales tienen los bobinados de tal manera que en función de puentes pueden convertirse en unipolares o bipolares.

Lo más importante es saber el tipo de motor que es, la potencia, el número de pasos, el par de fuerza, la tensión de alimentación y poco mas si son motores sencillos.

En los motores bipolares la dificultad radica en controlar la alimentación y cambiar la polaridad y el ritmo de los bobinados para conseguir la secuencia necesaria para permitir que el motor funcione correctamente.

El circuito que proponemos permite el control “manual” de motores unipolares, pudiéndose emplear cualquier dispositivo que no tenga corrientes de bobina superiores a 3A y se alimenten con tensiones de hasta 15V.

Las señales digitales que permiten el giro por pasos, son generadas por compuertas lógicas y flipflops.

Estas señales se amplifican por transistores del tipo TIP31 antes de ser aplicadas a las bobinas, con esto logramos el control de motores de hasta 3A, lo suficientemente poderosos como para realizar tareas de gran torque.

Si va a emplear motores de 12V, la tensión de alimentación del circuito puede ser de 12V, si el motor es de 5V, entonces puede alimentar al circuito con esta tensión. En definitiva, puede emplear motores con tensiones de entre 5V y 15V y en todos los casos la tensión de alimentación del controlador se adaptará a la del motor.

Los pulsos que permiten el giro se aplican entre el borne marcado como step1 en el circuito de la figura 2 y masa. La placa sugerida se muestra en la figura 3.

Sobre esta placa debemos aclarar que el positivo de la tensión de alimentación (12V en este caso) debe aplicarse a dos puntos de la placa y que se debe realizar una conexión por medio de un cable entre las patas 16 de IC1 y 9 de IC2.

 
UTILIZANDO PLACAS FOTOSENSIBLES

Para el armado del circuito se puede emplear una placa de pertinax presensibilizada, cuya presentación se realizó en Saber 201. A modo de ejemplo, recordemos que el material fotosensible es un material negativo, o sea que los caminos que deseamos que permanezcan en el impreso, deben ser transparentes en el negativo.

Hay que tener en cuenta que en el Mercado se consigue la lámina fotosensible sola o la placa ya presensibilizada, es decir, que ya tiene pegada la lámina de material fotosensible. Si Ud. adquiere la lámina fotosensible sola, para aplicarla por su cuenta sobre una placa de circuito impreso, primero deberá limpiar la base.

Los que adquieren el circuito impreso ya emulsionado no precisarán realizar la limpieza.

Para pegar la emulsion, la limpieza de la superficie de cobre es fundamental, se puede hacer en forma artesanal con un trozo de viruta de acero o virulana fina, se pasa hasta que la superficie de cobre quede brillante. Luego debe limpiarse con trozos de papel higiénico o de rollos de cocina o servilletas de papel, que deben ser humedecidos con alcohol fino, esto último deberá repetirse tres ó cuatro veces hasta que el papel salga limpio. Debe tener mucho cuidado con no dejar las huellas de los dedos, ya que “la grasa de ellas” podrá perjudicar este proceso.

Como la emulsión viene protegida por ambos lados con una lámina de polietileno muy fina, es necesario retirar una de ellas para poder adherirla sobre la superficie de cobre (figura 4). Para despegar el polietileno se puede usar un trocito de cinta scotch sobre una esquina de la lámina, si no lo hace con facilidad, se raspa la lámina fotosensible en una punta con un cutter, de este modo se rompe el polietileno y es más fácil despegarlo.

La emulsion se fija sobre la placa de circuito impreso como si fuera “una figurita o un tatuaje”, es decir, una vez retirada una de las capitas de polietileno, la fijamos sobre el cobre con cuidado, presionándola con un paño. Debe elegirse un lugar por donde no pasen caminos, ya que es posible que también se levante la emulsión; en ese caso se la aprieta con cuidado con el dedo tratando de ubicarla en su lugar primitivo, antes de aplicar la cinta scoth puede pasarse el filo de un cutre para ayudar a la separación del polietileno de la emulsión.

No hay problemas en que trabaje con una luz normal, ya que la emulsion se “sensibiliza” con luz ultravioleta (luego explicaremos el proceso).

Si ya tiene la placa presensibilizada (el comerciante ha hecho el trabajo de fijado de la emulsión por Ud.) entonces podemos empezar a trabajar para realizar el trazado del PCB sobre la placa. Para hacerlo debemos tener una copia del circuito impreso que deseamos grabar preferentemente en papel transparente en negativo (papel de calcar o papel manteca o papel de plano). Este papel se consigue realizando una fotocopia del diseño sobre el papel de calcar (se lo hacen en cualquier librería que tenga fotocopia y debe ser en negativo). Una vez que tiene el diseño sobre el papel transparente lo debe colocar sobre la placa presensibilizada y fijarlo con una cinta scotch con mucho cuidado. Ahora ya se puede exponer el diseño (placa presensibilizada con el papel de calcar que tiene el negativo del diseño) a la luz para que se fije la emulsion sobre el cobre en los lugares donde tienen que estar las pistas de circuito impreso.

La exposición puede hacerse con una lámpara ultravioleta o con una reflectora común. Con una UV de 300W a 34 cm de distancia de la placa necesitamos un tiempo de 3 a 4 minutos. Más práctico y económico es el empleo de una lámpara tipo SPOT o reflectora. Realizamos experiencias con una lámpara marca Osram tipo SPOT R95 E27/ES de 100W. Es muy posible que otras marcas y tipos de reflectoras den un resultado similar. A 14 cm de distancia de la placa a exponer, el tiempo osciló entre 7 y 10 minutos. Es conveniente que la placa con el negativo esté con un vidrio encima de mayor tamaño, con cosas pesadas en sus bordes, de modo de apretar al negativo contra el material emulsionado (figura 5).

Si bien el tiempo de exposición no es crítico, su exceso tiende a cerrar los agujeritos que luego deben ser perforados y se dificulta el centrado de la mecha, además los caminos que estaban muy próximos se unen formando cortos, que a veces no son visibles.


Si la exposición ha sido la correcta, después de expuesta aparece el dibujo en un color azul oscuro, tanto más oscuro cuanto mayor ha sido la exposición. Terminada la exposición debe quitar el papel de calcar y la capita de polietileno que cubre la emulsión. La apariencia de la placa será de un color celeste con caminos azules intensos.

Ahora debemos “revelar” la placa y para ello primero quitamos la película de polietileno que protegía la emulsión (figura 6).

Una vez retirada la película de protección de la placa, se la sumerge en el revelador que consiste en una solución al 2% de carbonato de sodio, también conocido como soda solvay y que consigue en la farmacia (seguramente tendrá que diluirla en función de la concentración que consiga). Para más datos contactenos en ateclien@webelectronica.com.ar

Después de algunos minutos de estar la placa en la solución de carbonato de sodio, se verá que las partes que no están polimerizadas (que han sido expuestas a la luz) toman un color celeste similar al de la emulsión, en este momento se la saca del revelador y bajo un chorro de agua se la frota con un cepillo (un viejo cepillo de dientes por ejemplo, figura 7), observarán que se desprende la parte celeste, se repite el proceso hasta que el cobre del fondo se vea brillante. Luego, el revelador debe guardarse en botella cerrada, ya que se puede usar varias veces.

Ahora la placa está lista para que procedamos a “quitar el cobre innecesario que dejará nuestro circuito impreso listo con los caminos del proyecto elegido”. Esto se hace sumergiendo la plaqueta ya revelada y seca en una solución de percloruro de hierro (figura 8). Es conveniente adquirirlo en droguerías, ya que así resulta más económico, tal como viene es un poco concentrado, por lo que conviene agregarle un poco de agua, digamos un 20%.

Este proceso puede acelerarse de dos maneras, juntas o combinadas. Una es calentando la solución hasta los 50 o 60 grados, y la otra es mediante la agitación, de hecho siempre debe agitarse, si se la deja reposando en el fondo de un recipiente de vidrio o de plástico y no se la agita, el proceso se hace más lento e irregular porque se deposita cloruro de cobre muy fino sobre la plaqueta.

Por favor, tenga mucho cuidado con esta sustancia, “se devora” prácticamente todos los metales y además mancha la ropa de modo tal que no se puede desmanchar aunque trate de hacerlo en forma inmediata. Si no quiere mancharse los dedos, use dedales de goma o guantes tipo cirujano que se consiguen en las farmacias.

Hay que revisar la plaqueta cada tanto y una vez que está limpia (que haya desaparecido por completo el cobre que había quedado luego del revelado) el proceso ha terminado. Posteriormente guarde al percloruro ya que se puede usar muchas veces.

Cuando el proceso de “comido del cobre” haya finalizado, retiramos la placa del percloruro con una pinza.

Ahora nos queda remover la emulsión polimerizada, para ello la sumergimos en una solución al 10% de soda cáustica o hidróxido de sodio que también compra en la farmacia o en una droguería (También se conserva mucho tiempo).

Terminado este proceso, enjuague bien la placa con agua corriente y listo… ¡ya tenemos nuestro impreso! (figura 9).

Todos estos pasos, especialmente la exposición y el revelado, deberán ser experimentados de acuerdo a los elementos con los que se trabaje, emulsión, lámpara, drogas, etc.

Por más que a priori parezca complicado, el proceso es sencillo y económico. Le recomendamos que compre los tres productos químicos en una droguería ya que le será más barato y le durarán mucho tiempo. En casas de electrónica se venden los kits completos que poseen algunas placas con su emulsión, la soda solvay, la soda cáustica y el percloruro férrico que no suelen ser costosos y le permitirá experimentar para que pierda “el miedo” a la construcción de sus impresos.

Por último, en la figura 10 se grafica el diagrama de circuito impreso “negativo” de nuestro controlador de motores paso a paso para que saque fotocopia sobre papel transparente y pueda realizar Ud. mismo el impreso.

¡Suerte y hasta la próxima!

 
Por: Ing. Horacio D. Vallejo
 
FIGURA 1
 
FIGURA 2
 
FIGURA 3
 
FIGURA 4 - 5 - 6
 
FIGURA 7 - 8
 
FIGURA 9
 
FIGURA 10
 
MATERIALES