Como proyectar una plataforma móvil con un motor paso a paso (Primer parte)

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1. Introducción

Este artículo describe como usar un motor paso a paso para mover una plataforma a lo largo de una guía. Se describirán problemas y soluciones de un sistema concreto de movimiento, analizando los distintos aspectos relativos. No obstante la extensión del artículo, el mismo es de carácter introductorio. Probablemente en futuro escribiré otros artículos que explicaran en modo mas detallado los argumentos tratados aquí.

2. Descripción del sistema

En la figura inicial se puede observar el sistema que propongo como ejemplo. La parte mecánica está constituida por una base y una guía por la cual se desplaza una plataforma móvil. Esta se mueve gracias a una correa dentada y un motor paso a paso.

En el ejemplo descripto no se usa una caja de desmultiplicación del motor. Por lo tanto La relación entre giros de motor y desplazamiento de la plataforma depende del diámetro de la polea del motor. Con una polea de 2 cm. de diámetro y usando un motor de 200 pasos por giro, el desplazamiento de la plataforma será de 6,28 cm. por cada giro del motor, es decir que la resolución teórica del sistema es de 0,3 mm. Mas adelante se verá que, controlando el motor en modalidad medio paso o micropaso, la resolución del sistema puede ser mucho mayor.

Dos sensores ubicados en proximidad de los extremos de la guía sirven para determinar la posición absoluta de la plataforma y como dispositivos de seguridad.

La electrónica está constituida por dos módulos: la unidad de potencia del motor y la unidad de control principal. Esta última recibe los comandos de posicionamiento desde un ordenador a través de un puerto serial RS232 o USB.

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La fotografía muestra un robot de 3 ejes para archivar casetes DV que he desarrollado algunos años atrás para aplicaciones televisivas. En primer plano se ve la plataforma móvil con la pinza que coge un casete del archivo. Para dar mayor solidez a la mecánica, las guías de movimiento horizontal son dos.

En la plataforma móvil se puede observar otra sistema de guía y motor que permite de acercar la pinza al archivo. Para el movimiento de la pinza (abrir y cerrar) se optó por usar un electroimán (en la parte alta de la fotografía).

3. Contar pasos

Con los motores step, contar los pasos del motor para determinar la posición es algo relativamente simple porque el mismo microprocesador que genera los impulsos eléctricos para mover el motor puede al mismo tiempo contarlos. Por lo tanto el uso de este tipo de motores elimina la exigencia de instalar particulares dispositivos que miden los giros del motor (conocidos con el nombre de "encoder").

4. Posicionamiento relativo

Para determinar la posición de la plataforma móvil, generalmente se usa un método llamado "posicionamiento relativo" que consiste en sumar o restar (según el sentido de marcha) el número de pasos efectuados por el motor a un contador o registro de posición. Esta técnica, económica y fácil de implementar necesita un procedimiento de inicialización del sistema que sirve para determinar la posición absoluta de la plataforma y que será usada como referencia para todos los movimientos sucesivos.

5. Inicialización con sensor de cero

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El procedimiento de inicialización consiste en determinar la posición absoluta de la plataforma. Para ello se es necesario llevar la plataforma a una posición conocida donde se encuentra un sensor llamado "de cero". Cuando la plataforma llega a dicho punto, el contador de posición se pone a 0 y se detiene el movimiento. A partir de ese momento el sistema sabe donde se encuentra la plataforma y por lo tanto para los movimientos sucesivos se usa la técnica del "posicionamiento relativo" descripta en el párrafo anterior.

Para el sensor de cero se puede usar una dispositivo infrarrojo (IR), un sensor electromagnético, capacitivo o un micronterruptor (microswitch). Este último es menos preciso respecto a los anteriores.

6. Sensor de tope

En la figura anterior se puede observar otro sensor, similar al sensor de cero pero que se encuentra en el otro extremo de la guía. Este sensor, llamado "de tope" sirve solamente como protección en el caso que el motor siga girando mas allá del rango previsto.

En condiciones normales de funcionamiento, este sensor nunca se activa pero en ciertas circunstancias esto puede suceder. El caso mas común es cuando el motor "pierde" pasos, o sea, cuando por diversos motivos (generalmente mecánicos), el motor no logra girar mientras el sistema de control piensa que el movimiento está sucediendo (recordemos que el sistema descripto no tiene un feedback continuo del movimiento del motor, solo en el momento de inicialización). Por lo tanto, el registro de posición tendrá un valor erróneo respecto a la ubicación real de la plataforma. Si el error es grande, puede suceder que, en un posicionamiento sucesivo, la plataforma exceda el rango de movimiento de la guía activando el sensor de tope.

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El sensor de tope, mas allá de proteger el sistema mecánico permite de advertir al sistema de control que el registro de posición contiene un valor erróneo. Después de la activación del sensor de tope, el sistema de control tendría que activar inmediatamente el procedimiento de inicialización para alinear correctamente el registro de posición del motor.

Como en el caso del sensor de cero, para el sensor de tope se puede usar una dispositivo infrarrojo (IR) come se observa en la figura, un sensor electromagnético, capacitivo o un microswitch.

7. El sensor de cero como tope

Como descripto en el caso del sensor de tope, también el sensor de cero podría servir para evitar que la plataforma vaya fuera del rango del otro lado de la guía. La única diferencia es que el procedimiento de inicialización sucesivo podría ser mas breve porque la plataforma se encuentra ya en la posición justa. Por lo tanto, en el caso que el sensor de cero detecte la plataforma en fase de un normal movimiento, la unidad de control tendrá que activar el procedimiento de inicialización como descripto en el respectivo párrafo.

8. Conexión de los sensores de cero y de tope

La figura muestra la conexión de dos tipos de sensores IR simples (uno a horquilla y el otro de reflexión). La resistencia de 1K sirve para encender el led emisor. La salida de este tipo de sensor es un fototransistor. Naturalmente existen sensores de este tipo mas sofisticados con circuitos lógicos y modulación de la luz infrarroja para eliminar los disturbios. No obstante esto, generalmente los sensores ilustrados en la figura funcionan perfectamente.

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9. Rampas de aceleración y desaceleración

Para disminuir la solicitaciones mecánicas de cualquier sistema de movimiento motorizado, es necesario introducir rampas de aceleración y desaceleración del movimiento. En el caso de un sistema con motor paso a paso esto es imprescindible porque un arranque veloz de este tipo de motor provoca inevitablemente la pérdida de pasos.

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Las rampas pueden ser generadas directamente por el microprocesador de la unidad de control introduciendo retardos variables en los impulsos del motor en las fases de arranque y detención. La duración de la rampa aconsejada depende de muchos factores como por ejemplo la velocidad deseada de la plataforma y el esfuerzo (par) que el motor debe hacer para moverla. Un sistema sofisticado varía la duración de la rampa en base a la magnitud del movimiento.

10. Rampa en fase de inicialización del sistema

Cuando el sistema se proyecta para su funcionamiento con rampas, el procedimiento de inicialización (o de cero) necesita una secuencia de acción mas elaborada respecto a la descripta anteriormente. Esto es debido a que la unidad de control no sabe cuando se activará el sensor de cero, por lo tanto no puede anticipar la respectiva rampa de desaceleración. La solución mas simple consiste en generar la rampa ni bien el sensor de cero se activa como se observa en la figura siguiente.

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El hecho está en que al final de la rampa el motor se detendrá en una posición negativa respecto al sensor de cero. Por lo tanto, inmediatamente después, es necesario mover lentamente el motor en el otro sentido hasta que la plataforma supere nuevamente el sensor de cero deteniendo el movimiento en ese punto y memorizando en el registro de posición el valor "cero". A partir de este momento el sistema estará listo para funcionar.

En la segunda parte de este artículo hablaré sobre las características de la unidad de potencia, de la unidad de control principal, del modo de conectarlas entre si y del protocolo de comunicación del ordenador. Hasta la próxima.

 

Segunda Parte

 

2 pensamientos en “Como proyectar una plataforma móvil con un motor paso a paso (Primer parte)”

  1. estimado
    llegue a su pagina, atravez de un articulo de motores paso a paso ya que busco automatizar una fresadora me llamo la atencion su proyecto de la guardadora de cintas
    podria usted orientarme o ayudarme en mi proyecto de la fresadora pues me custa mucho la parte del control con el pc

    saludos

    Anibal, el proyecto que usted desea hacer es bastante complejo y no dispongo del tiempo necesario para poder ayudarlo con seriedad. De cualquier manera, en internet se encuentran muchos proyectos de este tipo. Espero que logré hacer su proyecto. Buena suerte.

  2. Estimado.
    quiero automatizar una maquina con motores paso a paso quisiera por favor que me pueda dar nombres de software para poder hacer funcionar 3 motores al mismo tiempo, y quisiera saber tambien como puedo hacerlo funcionar desde una pc.
    gracias… quiza tenga algun circuito (tablero) para poder montarlo.

    Hola Max, lamentablemente no conozco ningún software para hacer lo que me dice. En mis trabajos de control de movimientos industriales, los programas los he siempre desarrollado yo. Lamento no poder ser de utilidad.
    Hasta pronto.

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