MOTORES CC & ARDUINO

Los motores eléctricos son dispositivos que convierten la energía eléctrica en energía mecánica.

El motor de corriente continua, denominado también motor de corriente directa, es una máquina que convierte energía eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio, debido a la acción de un campo magnético.

Parte fija: Compuesto por un electroimán producido por el campo magnético que induce la fuerza sobre la parte móvil.

Parte móvil: Compuesto por varios espirales o bobinas. Se llama rotor.

Los motores CC están constituidos por dos imanes permanentes fijados en la carcaza y una serie de bobinados de cobre ubicados en el eje del motor, que habitualmente suelen ser tres.

El funcionamiento se basa en la interacción entre el campo magnético del imán permanente y el generado por las bobinas, ya sea una atracción o una repulsión hacen que el eje del motor comience su movimiento.

Cuando una bobina es recorrida por la corriente eléctrica, está genera un campo magnético (se convierte en un ELECTROIMÁN) y éste campo tiene una orientación, es decir dos polos: NORTE y SUR. Estos polos pueden ser invertidos con sólo cambiar la polaridad de la bobina.

Estos polos pueden ser invertidos con sólo cambiar la polaridad de la bobina, recordando la ley electrostática de cargas opuestas (polos opuestos) se atraen y cargas del mismo signo (polos del mismo signo) se repelen, esto hace que el eje del motor gire produciendo un determinado torque.

TORQUE: Es la fuerza de giro (potencia del motor) que depende de: cantidad de corriente, el diámetro (espesor) del alambre de cobre, la cantidad de vueltas del bobinado, el voltaje, etc. Viene determinado por el fabricante.

CONTROL DE MOTOR CC o DC

El motor DC es una máquina capaz de convertir la energía eléctrica en mecánica provocando un movimiento rotatorio.

Si se alimenta el motor DC con la tensión nominal (corriente continua) el motor empieza a girar. Si se baja la tensión de alimentación el motor girará más despacio y si se intercambia la polaridad girará en sentido contrario.

Se requiere una fuente de alimentación externa (9V). El diodo sirve de protección para el Arduino que se alimenta con 5 Voltios, dejando que los 9 Voltios solo circulen para alimentar al motor.

La tierra debe estar conectada a la tierra del Arduino, pues si no el circuito se desestabiliza (las tierras o masas deben estar siempre conectadas).

El transistor funciona como interruptor. Tiene una resistencia para protegerlo.

Para controlar un pequeño motor CC usando un bajo voltaje de control, se utiliza un transistor conmutador, pero añadiendo un supresor, diodo supresor (1N4001) o circuito de ayuda a la conmutación de transistores (snubbing diode). Para corrientes superiores, se usará un MOSFET de potencia.

El diodo D1 evita que el transistor se dañe. Un diodo supresor como este debería usarse siempre para proteger un transistor conmutador del excesivo voltaje inverso, que ocurre cuando la carga inductiva del motor libera energía almacenada como un pulso de voltaje en la polaridad opuesta a la que estaba siendo usada para su control. Este voltaje inverso se conoce como fuerza contraelectromotriz o back-emf.

Es adecuado utilizar una alimentación externa de 9V porque los motores, por lo general, requieren un elevado consumo de corriente y los 40 mA y 5 Voltios que ofrecen los pines de Arduino no es suficiente.

La señal de PWM (Modulación por ancho de pulso) llega a la base del transistor. Si está es 0, el transistor mantendrá abierto el circuito del motor y éste no girará. A medida que vaya aumentando el valor del de voltaje PWM enviado a la base del transistor, entonces circulará más corriente.

Si en vez de una señal PWM hubiésemos utilizado una señal digital, el transistor actuaría como un interruptor, deteniendo o moviendo el motor según recibe una señal de LOW o HIGH.

Se utiliza un transistor NPN de tipo Darlington modelo TIP120 (BD645), que soporta hasta 60V entre colector y emisor, y admite una corriente hasta de 5A. La resistencia en serie a la base del transistor, que actúa como divisor de tensión, con un valor entre 1KΩ y 2KΩ.

En algunos se reemplaza el TIP 120 por un transistor tipo MOSFET (RFP30N06LE), en este caso se sustituye la resistencia en serie por una resistencia “pull-up” de 10KΩ, situada entre el pin de salida PWM del Arduino y tierra.

La Modulación por Ancho de Pulso (PWM) es una forma de cambiar una salida analógica por la salida pulsante. Esto se puede aplicar (entre otros) en:

ATENUAR LA ILUMINACIÓN EN UN LED

CONTROLAR UN MOTOR

Para el envío de un pulso al Motor se utiliza la instrucción analogWrite(pin, pulso).

Los valores serán de 0 a 255, ya que PWM es una “simulación” de analógico, en la que 0 es 0 Voltios y 255 es 5 Voltios. Va de velocidad 0 a las máximas revoluciones.

Configura el motor 5 velocidades distintas, desde el teclado del PC

Motores gearhead o gearmotors

Es un dispositivo electromecánico que permite reducir la velocidad a un alto par. Están disponibles con una caja reductora de 48:1 y 120:1.

Cuando se conecta el motorreductor directamente a la tarjeta de Arduino puede suceder lo siguiente:

El motorreductor esté inactivo

Se recalienta la tarjeta o el microcontrolador, hasta quemarse.

Por lo anterior se sugiere incorporarle:

Puente H (L293, SN754410)

Shield para motores: ULN2003, L298N o TB6612

CONTROL DE GIRO DEL MOTOR

Existen varias formas de cambiar el giro de un motor:

Con una fuente simétrica o dos fuentes de alimentación con un interruptor simple de dos contactos

Con una fuente común con un interruptor doble, es decir de cuatro contactos.

Reemplazando los interruptores por los relés correspondientes.

Con una fuente simétrica, utilizando dos transistores complementarios, uno PNP y otro NPN.

Y finalmente, con un PUENTE en H o H-Bridge, que son la base del funcionamiento de los DRIVERS para motores: UCN5804, BA6286, L293B, L297, L298, entre otros.

Este chip permite controlar motores DC (cuatro de forma unidireccional o dos de forma bidireccional).

La diferencia entre los modelos L293D y L293B es que el primero viene con diodos de protección que evita los daños producidos por los picos de voltaje que puede producir el motor.

L293D:

4 pines digitales (2,7,10,15) para controlar la dirección de los motores.

Los pines “enable” (1,9) admiten como entrada una señal PWM y se utiliza para controlar la velocidad de los motores con la técnica de modulación de ancho de pulso.

Los motores van conectados entre uno de los pines 3-6 o 11-14.

La tensión Vss es la que alimentará o dará potencia al motor.

Pin 1: activa o desactiva un motor (HIGH o LOW). También sirve para especificar la velocidad de giro si recibe una señal PWM.

Pin 2: envía la señal de giro (HIGH o LOW) en un sentido para un motor

Pin 3: donde se conecta uno de los terminales del motor

Pin 4 y 5: GND

Pin 6: donde se conecta el otro terminal de un motor

Pin 7: envía la señal de giro (HIGH o LOW) en el otro sentido para un motor

Pin 8: alimentación del motor

Pin 9-11: si no se usa un segundo motor, pueden estar desconectados

Pin 16: alimentación del propio integrado (5V)

Controlar el sentido giro de un motor CC

CONTROL DE DOS MOTORES

PUENTE H - L298N

Conocidos como STEPPERS

Se diferencian del resto de motores en que no giran continuamente, sino que lo hacen un número de “pasos” muy concretos.

Los dos tipos de motores paso a paso, son: MOTOR BIPOLAR y MOTOR UNIPOLAR.

MOTORES PASO A PASO BIPOLAR:

La corriente sigue una secuencia alterna que cambia de sentido de la intensidad. Para hacer girar un motor paso a paso bipolar, se aplican impulsos en secuencia los devanados, la secuencia de estos impulsos, se aplican externamente con un controlador electrónico.

Dichos controladores, se diseñan de manera que el motor se pueda mantener en una posición fija y también para que se le pueda hacer girar en ambos sentidos. Los motores bipolares, se pueden hacer avanzar a frecuencias de audio, lo que les permite girar muy velozmente.

MOTORES PASO A PASO UNIPOLAR:

La corriente circula siempre en el mismo sentido en cada bobina.

Los servomotores son denominados servos. Son motores gearhead que limitan la velocidad, pero aumentan el torque; incorporan un potenciómetro y cierta circuitería de control para poder establecer la posición del eje del motor de forma precisa.

Un servomotor se clasifica en la robótica como un actuador, utilizado regularmente en brazos robóticos, automatizar ventanas, puertas y garajes.

Un servomotor está compuesto por un motor, un reductor de velocidad y un multiplicador de fuerza. Permite realizar giros de rotación a diferentes grados, entre estos a 180° y 360°.

(Si se tiene un servomotor de 180°, se puede convertir en uno de 360°. Para ello, se abre la tapa de chasis, desmontarlo y retirar o romper un trozo de plástico que sirve de tope durante la rotación de éste).

Para programar un servomotor se utiliza en Arduino la librería Servo.h

Las instrucciones más usuales son:

Attach ( ): asocia la variable servo a un pin de Arduino.

servo.attach (pin)

Deattach ( ) realiza la función de desactivar o desasociar el servomotor con el pin asociado en la instrucción attach ( ).

servo.deattach (pin)

Write ( ): escribe un valor para el servo, controlando así su eje. Si el servo es de rotación continua, ajustará la velocidad del servo, donde 0 será la velocidad máxima en una dirección, 180 la velocidad máxima en la otra dirección y 90 servirá para detener el servo.

servo.write (90)

Read ( ): leerá el ángulo actual del servomotor, que es pasado por la función write ( ).

servo.read ( )

Generalmente, los servomotores usan una fuente de alimentación separada, ya que la gran corriente de carga en el arranque del motor podría hacer caer el voltaje de alimentación lo bastante para reiniciar el dispositivo de control. Sin embargo, si la corriente de carga es pequeña, entonces serviría un pequeño servomotor, y se podría usar la misma fuente con los dos dispositivos.

La resistencia R1 está ahí para proteger el pin del Arduino, pero no es estrictamente necesaria porque la mayoría de los servomotores toman muy poca corriente del pin de control. No obstante, es por precaución.

La señal de control funciona normalmente con lógica de 3,3 V, pero si la hoja de especificaciones del servomotor indica que esta debe ser mayor, debemos usar un conversor de niveles.