PaperStepper(L293D): Driver de potencia para motor paso a paso bipolar

Descripción

PaperStepper(L293D) es un driver de potencia para motores paso a paso bipolares utilizando el chip L293D o el SN754410. 

Entradas de control: 2 TTL (D1 y D2, NO PASO y DIR)
Salidas de potencia 4 (L1,L2,L3 y L4) 
Tensión alimentación: 5v
Tensión máxima salida:  36v 
Corriente máxima salida: L293D=> 600mA por salida (picos de 1200mA)
                                          SN754410 => 1000mA por salida (picos de 2000mA) 

Identificación del tipo de motor

El primer problema con el que nos encontramos al realizar proyectos con motores paso a paso, es identificar el tipo de motor que tenemos (sobre todo si utilizamos motores de desguace).

Para saber si un  motor es "paso a paso", realizaremos la comprobación siguiente:  Giraremos con la mano el eje del motor y deberemos notar que éste ejerce una resistencia al giro a golpes (o pasos).

Existen dos tipos de motores paso a paso: unipolares y bipolares. En los primeros la corriente circula siempre en el mismo sentido por cada bobina, y en el segundo se alterna cambia el sentido de la intensidad.
Un modo de identificarlos es contando el número de cables que tiene el motor:

4 cables (bipolar)

Necesariamente será bipolar. Para identificar los terminales, cojemos uno y con un tester medimos el resto de terminales, si es infinito, pertenece a la otra bobina, y si nó es el otro terminal de la bobina.

6 cables (unipolar-bipolar)

Es probable que sea unipolar.
Para identificar los terminales, cojemos uno y con un tester medimos el resto de terminales, si es infinito, pertenece a la otra bobina, si con dos cables nos da R es terminal central (5 ó 6). Si con los dos cables restantes nos da R y 2R, puede ser el borne 1 o 2. Con las otras bobinas haremos lo mismo. De esta forma tendremos identificados los terminales centrales de cada bobina y sus extremos, pero no podemos distinguir los extremos. lo que haremos será utilizar el método de ensayo-error.

5 cables (unipolar-bipolar)

En este caso se han unido los terminales intermedios de las dos bobinas. El borne 5 es el único que mide R con el resto de los cables, el resto de cables (con los que mide 2R) deberemos intercambiarlos en la placa haste que el motor gire.
Para conectarlo deberemos unir los terminales 5 y 6 y si al conectarlo en la placa el motor no gira, deberemos alternar los terminales 3 y 4.

NOTA: Una página muy buena sobre motores paso a paso es la siguiente: Tutorial sobre motores paso a paso

Otra página muy interesante, con un simulación de funcionamiento de diferentes motores paso a paso y con diferentes tipos de paso (una forma muy fácil de entender los micropasos) y control nos la ofrece nanotec, una empresa alemana: http://en.nanotec.com/support/tutorials/stepper-motor-and-bldc-motors-animation/
Aunque la página está en alemán, puedes ver una traducción en la imagen inferior. Elige el tipo de motor, y elige una velocidad de demo.

Descripción

Para la realización de este proyecto nos basaremos en el circuito siguiente:

NOTA

Aunque en el esquema está representado el chip L239B, puedes utilizar el chip SN754410, más potente y económico.

En este circuito vemos que con sólo 2 pines de control (D1 y D2) controlamos las 4 bobinas del motor paso a paso (L1,L2,L3 y L4). Esto lo podemos hacer ya que para mover un motor paso a paso debemos alimentar las bobinas en el orden siguiente:

En esta tabla vemos que los valores del devanado 2 es el invertido del 1 y que los del devanado 4 son los invertidos del 3, por lo que si invertimos la señal del L1 obtenemos la señal de control necesaria para L2 y de la misma manera si invertimos la señal de L3 obtendremos la señal de control de L4, con lo que la tabla para poder mover el motor quedaría de la forma siguiente:

Esta inversión de señal la realizamos en el circuito utilizando 2 transistores Q1 y Q2, que cuando estan activos (señal IN1 o IN4) derivan a masa las entradas  IN2 o IN3 que están a positivo con las resistencia Pull-Up R1 y R3.

Si utilizas Arduino, no es necesario que envies manualmente los pulsos a cada bobina del motor, tienes la vida un poco más fácil, ya que dispone de la librería Stepper, que simplifica este proceso. (Tienes más información en la sección de enlaces).

NOTA: Ten en cuenta que este este circuito necesita dos señales D1 y D2, que deben activarse según la tabla anterior (o la librería Stepper en Arduino).

ESTE CIRCUITO NO FUNCIONA CON SEÑALES PASO y DIRECCIÓN.

Componentes

2 resistencias de 1K (~0,02x2=0,04€)
2 resistencias de 10K (~0,02x2=0,04€)
1 Zócalo de 16 patillas (0,3€)
2 Transistores BC547-B (~0,2€)
1 CI L293D (2,7€) ó SN754410 (1,66€)
un trozo de placa de 11 filas por 14 agujeros. (0,8€)
Cables de colores (0,5€)
3 regletas CI de paso 2,54 (0,4x3=1,2€)
(En la entrada puedes soldar directamente los cables, y en la salida utilizar una regleta típica de electricista)

El coste total aproximado es de unos 5,5€ (con el L293D) ó 4,5€ (con el SN754410)

NOTA

Precios orientativos y aproximados para que sepas si hablamos de millones de dolares o de céntimos de euro, sin IVA y suministrados por Biltron - 2011

(No tengo nada que ver con Biltron, pero como son muy majos, les hago publicidad). 

Realización
 
El método Paper consiste en ayudarnos en unas pegatinas para facilitarnos el proceso de montaje y soldadura.

Primero imprimiremos el documento PaperStepper(L293D) (disponible en la parte inferior de esta página en el apartado de descargas):

Una vez impreso el documento, comprobaremos que la impresión se ha realizado a la escala correcta con la ayuda de la regla impresa situada en el lateral izquierdo de la hoja. Al colocar a su lado un regla en centímetros deberán coincidir las marcas.

Si quieres puedes proteger la paperetiqueta con un plástico transparente autoadhesivo:

  
Después recortamos la Paperetiqueta:

Necesitaremos cortar un trozo de placa de stripboard de 11 filas por 14 agujeros, lo podemos hacer con un cutter.
Primero marcamos la zona a cortar

 Con un cutter cortamos por la línea de agujeros

por ambos lados

NOTA

Si en vez de cortar una línea recta quieres cortar una esquina (como ves en la parte superior derecha de la imagen anterior), deberás marcar con el cutter bastante por los dos lados. 

Alineamos la línea a cortar con el canto de una superficie dura (borde de mesa)

y apretamos suvemente.

Y con una lija conseguimos unos cantos lisos:

Con lo que obtenemos la placa para montar.

NOTA

en la foto ves que he cortado la paperetiqueta un poco más grande que lo indicado para poder ajustarla a la placa una vez encolada y  corregir el descentramiento de los agujeros de la placa.

Ahora aplicaremos adhesivo a la paperetiqueta (suelo utilizar cinta de doble cara)

deberemos colocar la etiqueta sobre la placa. Para que coincidan los agujeros dibujados en la etiqueta con los agujeros de la placa, utilizo una aguja como guía.

Con una aguja gruesa taladramos todos los agujeros de la paperetiqueta

Podemos comprobar al transluz que hemos taladrado todos los agujeros.

Soldamos los pines, zócalos, puentes y resistencias.
Deberemos prestar atención a los puentes (sobre todo a los que están debajo del zócalo).


El único componente con polaridad es el circuito integrado y los transistores, así que comprobaremos que el zócalo tiene la zona con marca en la parte superior (como lo indica la paper-etiqueta).

Si no quieres utilizar bornas para soldar en circuito impreso, puedes utilizar una clema de electricista (más baratas y fáciles de conseguir). 

Una vez soldados todos los componentes, y fijándote en la imagen del documento impreso (lado pistas) puedes cortar con un taladrín y una fresa fina las pistas indicadas (yo hago este paso una vez soldados todos los elementos para poder tomar como referencia las patillas soldadas):

 Y el resultado es ...

Funcionamiento

Si no has descargado y descomprimido el archivo PaperStepperXX.zip, ha llegado el momento de hacerlo. Lo tienes disponible en el enlace inferior.

Deberás compilar e instalar en el Arduino (o Paperduino) el programa de ejemplo realizado por Tom Igoe que tienes disponible en el archivo de descargas (/Sketches/PaperStepper2w.pde).

Deberás realizar el siguiente montaje:

NOTA
En mi caso como el motor es de 12v, utilizo una vieja fuente de alimentación de un PC para el motor y el Arduino se alimenta a través de USB. 

Otra posibilidad es alimentar el Arduino y el motor paso a paso con la fuente de Alimentación.

Dependiendo de tu motor, quizás puedas utilizar este circuito con un motor unipolar, como ves en la imagen, los terminales intermedios de las bobinas (cables blanco y negro) están al aire.

El programa simplemente da un número de vueltas en un sentido, y en otro indefinidamente.
Debes modificar el valor de la linea:
#define motorSteps PASOSVUELTA, donde PASOSVUELTA indica el número de pasos que hay que suministrar al motor para que el eje de una vuelta completa.
En mi caso al utilizar un motor de paso 3,75grados => 360/3,75=96.

También puede ser necesario que reduzcas la velocidad del motor si éste tiene mucha inercia, reduciendo el valor de VELOCIDAD de la linea: myStepper.setSpeed(VELOCIDAD)

/*
 Stepper Motor Controller
 language: Wiring/Arduino

 This program drives a unipolar or bipolar stepper motor.
 The motor is attached to digital pins 8 and 9 of the Arduino.

 The motor moves 100 steps in one direction, then 100 in the other.

 Created 11 Mar. 2007
 Modified 7 Apr. 2007
 by Tom Igoe

 */

// define the pins that the motor is attached to. You can use
// any digital I/O pins.

#include <Stepper.h>

#define motorSteps 96     // (360/3,75)change this depending on the number of steps
                           // per revolution of your motor
#define motorPin1 8
#define motorPin2 9
#define ledPin 13

// initialize of the Stepper library:
Stepper myStepper(motorSteps, motorPin1,motorPin2);

void setup() {
  // set the motor speed at 60 RPMS:
  myStepper.setSpeed(50);

  // Initialize the Serial port:
  Serial.begin(9600);

  // set up the LED pin:
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  // blink the LED:
  blink(3);
}

void loop() {
  // Step forward 100 steps:
  Serial.println("Forward");
  myStepper.step(96);
  delay(500);

  // Step backward 100 steps:
  Serial.println("Backward");
  myStepper.step(-96);
  delay(500);

}

// Blink the reset LED:
void blink(int howManyTimes) {
  int i;
  for (i=0; i< howManyTimes; i++) {
    digitalWrite(ledPin, HIGH);
    delay(200);
    digitalWrite(ledPin, LOW);
    delay(200);
  }
} 

Y el resultado con un motor bipolar es el siguiente:



El mismo programa y circuito con un motor unipolar (al no conectar los cables comunes lo convertimos en motor bipolar):






Si quieres, dispones de más ejemplos que funcionan con este circuito, desde el propio entorno Arduino:

NOTA:

Estos ejemplos están pensados para utilizar 4 pines de Arduino, para poder usarlos, simplemente modifica la linea siguiente, utilizando sólo los pines 8 y 9.:

// initialize the stepper library on pins 8 through 11:
Stepper myStepper(stepsPerRevolution, 8,9,10,11);

// initialize the stepper library on pins 8 and 9:
Stepper myStepper(stepsPerRevolution, 8,9);

Enlaces de Interés

• PaperStepperUnipolar
• PaperStepperChino: Adaptador para usar un driver Standar (chino) en TxapuCNC. 
  
• http://www.todorobot.com.ar/informacion/tutorial%20stepper/stepper-tutorial.htm
• http://arduino.cc/en/Reference/Stepper?from=Tutorial.Steppe
• http://arduino.cc/en/Reference/StepperBipolarCircuit
• http://www.tigoe.net/pcomp/code/circuits/motors/stepper-motors
• http://www.x-robotics.com/motorizacion.htm#MOTORES%20PaP

Galería

Mauricio nos muestra estas fotos:

 

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Descargas

El esquema, descripción e imágenes están disponibles en el siguiente enlace:

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Notas
Para la realización de este proyecto se han utilizado los programas: Arduino, Inkscape, Openoffice, Gimp, Picasa, Fritzing
Si encuentras algún fallo, se te ocurre alguna mejora, o simplemente quieres hacer algún comentario, te lo agradeceré: Gracias.  :-)