Repositorio Institucional de Documentos

U UU Universidad de Zaragoza niversidad de Zaragozaniversidad de Zaragoza niversidad de Zaragoza PROYECTO FIN DE CARRERA Autor: Laura Malo Yagüe Director: Juan Luis Villa Gazulla Ingeniería Técnica Industrial Especialidad en Electrónica Marzo 2011 CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Me gustaría agradecer muy sinceramente Me gustaría agradecer muy sinceramente Me gustaría agradecer muy sinceramente Me gustaría agradecer muy sinceramente el apoyo y la el apoyo y la el apoyo y la el apoyo y la confianza de todos aquellos que de alguna manera h confianza de todos aquellos que de alguna manera hconfianza de todos aquellos que de alguna manera h confianza de todos aquellos que de alguna manera habéis abéis abéis abéis formado parte de mi vida y habéis formado parte de mi vida y habéis formado parte de mi vida y habéis formado parte de mi vida y habéis estado a mi lado estado a mi ladoestado a mi lado estado a mi lado, a todos , a todos , a todos , a todos los los los los que siempre creyeron en mí que siempre creyeron en míque siempre creyeron en mí que siempre creyeron en mí, por darle sentido , por darle sentido, por darle sentido , por darle sentido y acompañarme en y acompañarme en y acompañarme en y acompañarme en esta andadura, esta andadura, esta andadura, esta andadura, porque porqueporque porque sin vosotros nada de esto habría sido sin vosotros nada de esto habría sido sin vosotros nada de esto habría sido sin vosotros nada de esto habría sido posible, y dedicar especialmente este proyecto a posible, y dedicar especialmente este proyecto a posible, y dedicar especialmente este proyecto a posible, y dedicar especialmente este proyecto a mi gran amiga mi gran amiga mi gran amiga mi gran amiga Peñi, estés donde estés esto es para ti. Peñi, estés donde estés esto es para ti.Peñi, estés donde estés esto es para ti. Peñi, estés donde estés esto es para ti. Gracias a todos Gracias a todosGracias a todos Gracias a todos CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 1 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 8 1.1 ALCANCE DEL PROYECTO 8 1.1.1 O BTENCIÓN DEL SENTIDO DE GIRO Y DE LA VELOCIDAD DEL MOTOR DESEADA 9 1.1.2 C ONVERSIÓN ANALÓGICA - DIGITAL 9 1.1.3 P ROCESAMIENTO DE LOS DATOS 10 1.1.4 O BTENCIÓN DE LAS SALIDAS DEL SISTEMA 10 1.2 OBJETIVOS DEL PROYECTO 11 2. BASE TEÓRICA DE LOS MOTORES PASO A PASO 12 2.1 INTRODUCCIÓN 12 2.1.1 L OS TIPOS DE MOTORES 14 2.1.2 E L P AR Y LA V ELOCIDAD 16 2.1.3 L A ELECTRÓNICA 18 2.2 DESCRIPCIÓN DEL MOTOR 25 3. MEMORIA DESCRIPTIVA DEL PROYECTO 29 3.1 INTERFAZ DE POTENCIA 29 3.1.1 I NTERFASE 82C55 PPI 30 3.2 HARDWARE 31 3.2.1 D ESARROLLO DE LA PLACA CMD11A8 31 3.2.2 E L MAPEO DE LA TARJETA 36 3.2.3 PPI (I NTERFAZ PERIFÉRICO PROGRAMABLE ) 8255 37 3.2.4 E TAPA AMPLIFICADORA P USH /P ULL ( MONTAJE Y FUNCIONAMIENTO ) 47 3.2.5 D IODOS LED ( MONTAJE Y FUNCIONAMIENTO ) 49 3.2.6 I NTERRUPTOR “ SLIDE ” ( MONTAJE Y FUNCIONAMIENTO ) 51 3.2.7 C ONVERTIDOR ANALÓGICO / DIGITAL 54 3.2.8 P OTENCIÓMETRO 22K (M ONTAJE Y FUNCIONAMIENTO ) 60 3.2.9 D ISPLAY SIETE SEGMENTOS 63 3.2.10 D ISEÑO GLOBAL DEL H ARDWARE 68 3.3 SOFTWARE 69 3.3.1 M ICROPROCESADOR Y MICROCONTROLADOR 69 3.3.2 L OS PERIFÉRICOS Y LA INTERFAZ DEL HC11 71 3.3.3 M APEO DE MEMORIA Y REGISTROS INTERNOS 73 3.3.4 U TILIZACIÓN DEL COMPILADOR EN LENGUAJE C I MAGECRAFT 81 CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 2 4. LISTADO DE PROGRAMAS 98 5. PRESUPUESTO 109 5.1 COMPONENTES DEL CIRCUITO DE MONTAJE 109 5.2 D ESARROLLO DE LA PLACA CMD11A8 (M ICROCONTROLADOR 68HC11) 111 6. CONCLUSIONES 112 6.1 CONCLUSIONES 112 6.2 APLICACIONES 114 7. BIBLIOGRAFÍA Y LINKOGRAFÍA 115 7.1 BIBLIOGRAFÍA 115 7.2 LINKOGRAFÍA 116 8. ANEXO A (LISTADO DE COMPONENTES) 117 9. ANEXO B (PLANOS) 119 10. ANEXO C (DATASHEETS) 126 CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 3 LISTA DE FIGURAS Figura 1-1 Esquema de bloques del proyecto .................................................................. 9 Figura 2-1 Motor paso a paso ......................................................................................... 12 Figura 2-2 Devanado de un Motor paso a paso ............................................................. 13 Figura 2-3 Modelo conceptual del Motor paso a paso Unipolar ................................... 14 Figura 2-4 Modelo conceptual del Motor paso a paso Bipolar ...................................... 15 Figura 2-5 Tipos de tecnologías de motores .................................................................. 16 Figura 2-6 Par máximo en función de la frecuencia de paso ......................................... 17 Figura 2-7 Ángulo del paso en función del tiempo ........................................................ 17 Figura 2-8 Corriente por las bobinas .............................................................................. 18 Figura 2-9 Esquema de principio de funcionamiento del motor unipolar ..................... 19 Figura 2-10 Esquema de principio de funcionamiento del motor Bipolar ..................... 19 Figura 2-11 Curva de la intensidad de campo magnético .............................................. 20 Figura 2-12 Forma de la corriente .................................................................................. 21 Figura 2-13 Cronología de los impulsos.......................................................................... 22 Figura 2-14 Esquema del secuenciador .......................................................................... 22 Figura 2-15 Señal de la etapa de control ........................................................................ 23 Figura 2-16 Esquema del Reloj ....................................................................................... 24 Figura 3-1 Configuración interna de las bobinas del motor ........................................... 29 Figura 3-2 Interfase 82C55 ............................................................................................. 30 Figura 3-3 Implantación CMD11A8 vista lateral de (componentes principales)............ 31 Figura 3-4 Implantación CMD11A8 vista lateral de componentes (conexiones serie) .. 32 Figura 3-5 Implantación CMD11A8 vista lateral de componentes (conexiones paralelo) ........................................................................................................................................ 33 Figura 3-6 Implantación CMD11A8 vista lateral de componentes (otros conectores) .. 34 Figura 3-7 Implantación CMD11A8 vista lateral de componentes (jumpers) ................ 36 Figura 3-8 Modelo a bloques del PPI 8255 ..................................................................... 38 Figura 3-9 Distribución de terminales del 8255 ............................................................. 39 CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 4 Figura 3-10 PIN OUT 82C55 PPI ...................................................................................... 40 Figura 3-11 Diagrama funcional ..................................................................................... 42 Figura 3-12 Formato de la definición del Modo ............................................................. 44 Figura 3-13 Programación de la inicialización del 82C55 PPI ......................................... 45 Figura 3-14 MODO DE OPERACIÓN ( 1 ) StrobedInput .................................................. 45 Figura 3-15 MODO DE OPERACIÓN ( 1 ) StrobedInput (II) ............................................. 46 Figura 3-16 MODO DE OPERACIÓN ( 2) Bi-directionalOperation .................................. 46 Figura 3-17 Amplificador con transistores para una bobina del motor ......................... 48 Figura 3-18 Patillaje del Inversor 74LS04 ....................................................................... 49 Figura 3-19 Ejemplos de leds (tamaño y coleres) ........................................................... 50 Figura 3-20 Símbolo de un Inversor ............................................................................... 52 Figura 3-21 Montaje e implementación del interruptor 'slide' ...................................... 52 Figura 3-22 Sinóptico del CAD ........................................................................................ 54 Figura 3-23 Etapas para determinar los bits resultado (CAD) ........................................ 55 Figura 3-24 Organigrama del Poolling del bit CCF .......................................................... 59 Figura 3-25 Terminales y partes del potenciómetro ...................................................... 60 Figura 3-26 Montaje e implementación del potenciómetro .......................................... 61 Figura 3-27 Display 7 segmentos .................................................................................... 63 Figura 3-28 Numeración de segmentos en el Display .................................................... 64 Figura 3-29 Conexiones internas del Display ................................................................. 64 Figura 3-30 Conexiones entre pines y LEDs en el Display .............................................. 65 Figura 3-31 Diseño del Hardware del proyecto .............................................................. 68 Figura 3-32 Esquema de bloques del Microcontrolador ................................................ 69 Figura 3-33 Configuración de memoria en función del modo de trabajo ...................... 73 Figura 3-34 Conexiones entradas/salidas y puertos del HC11 ....................................... 80 Figura 3-35 Ventana de comandos del ICC11................................................................. 82 Figura 3-36 Ventana crear nuevo documento para introducir el programa .................. 83 Figura 3-37 Ventana introducir un nuevo programa en IC11 ........................................ 84 Figura 3-38 Ventana para crear un nuevo proyecto ..................................................... 85 Figura 3-39 Ventana Crear un nuevo proyecto .............................................................. 86 Figura 3-40 Ventana después de fijar el nombre al proyecto ........................................ 86 CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 5 Figura 3-41 Ventana después de añadir add.c en el proyecto add.ipj ........................... 87 Figura 3-42 Ventana para elegir opciones en el IC11 ..................................................... 88 Figura 3-43 Ventana para elegir las opciones del proceso de compilación ................... 89 Figura 3-44 Ventana para las opciones de compilación ................................................. 90 Figura 3-45 Ventana opciones 'Linker' para CMD11A8 demo board ............................. 91 Figura 3-46 Ventana para elegir 'Terminal Options' ...................................................... 92 Figura 3-47 Ventana para elegir opciones de fuente ..................................................... 92 Figura 3-48 Ventana de estado tras completar un proyecto satisfactoriamente add.ipj ........................................................................................................................................ 93 Figura 3-49 Ventana 'Terminal' del ICC11 ...................................................................... 94 Figura 3-50 Ventana para seleccionar un documento para descargar .......................... 95 Figura 3-51 Ventana del proceso de descarga .............................................................. 95 Figura 3-52 Ventana después de una compilación satisfactoria .................................... 96 Figura 3-53 Ventana después de ejecutar el programa add.c ....................................... 97 Figura 5-1 Tarjeta CMD11A .......................................................................................... 111 CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 6 LISTA DE TABLAS Tabla 2-a Rotación a izquierdas ...................................................................................... 26 Tabla 2-b Rotación a derechas ....................................................................................... 26 Tabla 3-a Rango de direcciones y contenido de memoria en la tarjeta CMD11A8 ....... 37 Tabla 3-b Patillaje del 8255 ............................................................................................ 39 Tabla 3-c Tabla de verdad de la operación del PPI 8255 ................................................ 40 Tabla 3-d Asignación de puertos I/O .............................................................................. 41 Tabla 3-e Tabla de Verdad de lectura y escritura ........................................................... 42 Tabla 3-f Tabla de registros del CAD .............................................................................. 57 Tabla 3-gTabla de velocidades del motor paso a paso ................................................... 62 Tabla 3-h Conexiones de los pines del display al exterior (AUX_PORT B)...................... 66 Tabla 3-i Segmentos a visualizar para iluminar los leds que corresponden a cada número ........................................................................................................................... 67 Tabla 3-j Modos de funcionamiento .............................................................................. 71 Tabla 3-k Tabla de los Registros Internos del HC11 ....................................................... 75 Tabla 5-a Componentes del circuito de montaje ......................................................... 110 Tabla 8-a ANEXO A - Listado de componentes ............................................................. 118 CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 7 RESUMEN DEL PROYECTO Es casi imposible pensar en aplicaciones de control o de robótica en las que no estén presentes los motores paso a paso, los cuales son ideales para la construcción de mecanismos que requieren movimientos muy precisos. El objetivo de este proyecto es el diseño y montaje de un sistema de control de un motor paso a paso híbrido, para lo cual se utiliza principalmente el microcontrolador MC68HC11E9. El motor tendrá ocho velocidades, que se pueden modificar mediante la utilización de un potenciómetro para regular la tensión aplicada a la entrada del sistema, y se visualizan en un display siete segmentos para conocer la velocidad a la que gira el motor en cada momento. Además, mediante un interruptor se da la posibilidad de variar el sentido de giro del motor. La señal de entrada al sistema, de naturaleza analógica, será convertida en una señal digital para ser procesada en la MCU de manera que se pueda determinar la velocidad a la que girará el motor. Por otro lado, la señal de control del motor será amplificada mediante una etapa push/pull. El sistema dispone de diodos led para conocer el sentido de giro del motor y la manera en que se alimentan los devanados del mismo. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 14 2.1.1 Los tipos de motores 2.1.1.1 La alimentación de los devanados 2.1.1.1.1 El motor unipolar Estos motores suelen tener 5 ó 6 cables de salida dependiendo de su conexionado interno. Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar. Los devanados de un motor unipolar son alimentados siempre en el mismo sentido por una tensión única de nombre unipolar. Figura 2-3 Modelo conceptual del Motor paso a paso Unipolar Las fases corresponden a diferentes fuentes de energía que alimentan los arrollamientos del bobinado. 2.1.1.1.2 El motor bipolar Estos tienen generalmente 4 cables de salida. Necesitan ciertos trucos para ser controlados debido a que requieren del cambio de dirección de flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento. En un sentido crea un polo norte, y en el otro un polo sur, de ahí su nombre de bipolar. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 15 Figura 2-4 Modelo conceptual del Motor paso a paso Bipolar Generalmente un motor bipolar es un motor de dos fases, un motor unipolar es un motor de 4 fases. Nota: Se habla de funcionamiento bifase cuando dos bobinas son alimentadas al mismo tiempo. 2.1.1.2 La concepción de los motores Existes tres tipos de tecnologías:  Motor de imanes permanentes  Motor de reluctancia variable  Motor híbrido combinando el imán y la reluctancia variable 2.1.1.2.1 Principio de un motor de imanes permanentes Un imán permanente está unido al eje del motor (rotor). Las bobinas de excitación se colocan en la pared del motor (estator) y son alimentadas por orden cronológico. El rotor se orienta siguiendo el campo magnético creado por las bobinas. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 16 2.1.1.2.2 Principio de un motor de reluctancia variable Tiene un rotor multipolar de hierro y un estator devanado laminado, y rota cuando los dientes del rotor son atraídos por los dientes del estator electromagnéticamente cargados. La inercia del rotor de un motor de paso de reluctancia variable es pequeña y la respuesta es muy rápida, igualmente la inercia permitida por la carga es pequeña. Cuando los devanados no están alimentados, el par estático de este tipo de motor es cero. Generalmente, el paso angular de este motor de paso de reluctancia variable es de 15°. Figura 2-5 Tipos de tecnologías de motores 2.1.2 El Par y la Velocidad El par de un motor depende  de la intensidad que atraviesa las bobinas  de la posición angular en un instante dado cuando pasa de una bobina a la otra en el control de velocidad CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 17 Se define una velocidad límite de arranque y una velocidad límite de funcionamiento, velocidades a las cuales el motor se desconecta. Esta limitación de velocidad es debida sobre todo al efecto de la fuerza electromagnética (fem) de sus bobinas. Figura 2-6 Par máximo en función de la frecuencia de paso El valor del par está dado generalmente para cinco pasos por segundo. El par de detención, es el par cuando las bobinas no están alimentadas. El par de mantenimiento es el par medido en reposo cuando las bobinas están alimentadas. El par depende también del modo de funcionamiento. En modo de dos fases, el campo creado en las bobinas es 1,4 veces más grande que el modo monofase, y por tanto, el par resultante es mayor. La posición angular presenta una oscilación en cada paso. El rotor excede la posición deseada y después regresa oscilando hacia la otra posición. Este defecto es importuno a determinadas velocidades. Figura 2-7 Ángulo del paso en función del tiempo CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 18 2.1.3 La electrónica La electrónica de conducción de un motor paso a paso se puede dividir en tres partes:  La electrónica de potencia: la alimentación de un motor con sus limitaciones de tensión, corriente y potencia a disipar.  El secuenciador que gestiona la sincronización de los pulsos.  El oscilador. 2.1.3.1 La electrónica de Potencia La electrónica de potencia se alimenta de las bobinas de tensión de funcionamiento. El consumo de corriente es a menudo del orden de 1 A. La disipación de energía requiere el establecimiento de un radiador. La corriente en las bobinas tiene la siguiente forma: Figura 2-8 Corriente por las bobinas CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 19 Esquema de principio: Figura 2-9 Esquema de principio de funcionamiento del motor unipolar Figura 2-10 Esquema de principio de funcionamiento del motor Bipolar Los interruptores son en realidad transistores. Estos transistores son integrados generalmente en un chip con una parte del comando. 2.1.3.1.1 Los efectos de la autoinductancia Los devanados presentan un efecto de autoinductancia, que se opone a la variación de corriente que la atraviesa. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 20 La intensidad crece exponencialmente con el cierre de los interruptores: i = U/R(1-e – tR/L ) (Ecuación.2.1) En la apertura de los interruptores, la inducción se comporta como un generador de tensión: e =-L di/dt (Ecuación 2.2) Si el componente que abre el circuito (interruptor, transistor) es de buena calidad, la tensión que se genera es elevada. Esta tensión se utiliza para crear chispas en los motores de combustión interna o alambradas eléctricas, pero por otro lado es nefasto para el circuito. Por lo general, se protege el transistor a través de los diodos conectados correctamente. A veces usamos ésta fuerza electromotriz, llamada efecto de rueda libre, para volver a alimentar a los otros devanados. Figura 2-11 Curva de la intensidad de campo magnético El campo magnético creado es proporcional a la corriente que atraviesa la bobina: B=4 x10 -7 NI/l (Ecuación 2.3) Este campo crece exponencialmente con la corriente. La intensidad nominal se alcanza solo al inicio de cada cierto tiempo. Al principio del tiempo (T =L/R), la intensidad es igual a 2/3 de la intensidad nominal. Para limitar este retraso se debe incrementar R mediante la adición de una resistencia en serie con la bobina manteniendo la corriente nominal, hay que aumentar también la tensión de alimentación. Habrá pérdida de energía en las resistencias adicionales. A veces se mejora el aumento de la corriente con la descarga de un condensador a través de la bobina. Otra solución consiste en aumentar la tensión y CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 21 controlar electrónicamente la corriente. Este control de I, puede obtener el par necesario, sin pérdidas innecesarias de energía. Figura 2-12 Forma de la corriente Independientemente del circuito de control, el devanado está continuamente alimentado de manera aislada por un circuito oscilador interno al circuito integrado. La corriente que atraviesa la bobina se mide y reacciona sobre el circuito oscilador. 2.1.3.1.2 Funcionamiento en micropaso Para este funcionamiento, el circuito de potencia genera corrientes variables en las bobinas durante cada secuencia. El campo resultante es la composición vectorial de los campos creados por dos bobinas respectivamente. Haciendo variar la corriente en las bobinas en forma de escalón, se crea un campo resultante que parece arrastrarse de una etapa a otra. La magnitud de los pasos se reduce. Los circuitos para micropaso dividen los pasos del motor hasta 500 veces. Las corrientes en las dos bobinas se aproximan a dos corrientes alternativas desfasadas 90°. 2.1.3.2 El secuenciador El secuenciador gestiona la cronología de la secuencia de pulsos. Las señales de control son de tipo lógico, es decir tensión, paso de tensión. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 22 La cronología de los impulsos depende:  Del sentido de rotación deseado del motor  Del funcionamiento en monofase (de onda completa o baja potencia) o de operación bifase.  Del funcionamiento en paso o medio paso (half-step) Figura 2-13 Cronología de los impulsos El '1' corresponde generalmente al positivo de la alimentación. Figura 2-14 Esquema del secuenciador La creación de estas señales se obtiene por circuitos lógicos. Estos circuitos son integrados en un chip por lo general. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 23 En ciertos montajes más raros, los circuitos lógicos se reemplazan por una memoria que da para cada instante, el estado de cada señal de control. La memoria es leída cronológicamente y cíclicamente. Al no tener más memoria para un solo paso del motor, el sistema puede modificar el campo resultante de dos bobinas y avanzar hacia una operación de micropaso. Otra posibilidad para la creación de señales de control son el microprocesador o el ordenador. Se utilizan para controlar las diferentes funciones (rápido, medio paso, hacia adelante / atrás), pero sobre todo para la operación micropaso comparando cada vez, el valor de corriente en las bobinas con una corriente de valor predeterminado cuyo valor calcula el microprocesador. 2.1.3.3 El reloj La etapa de control debe ser pilotada por una señal que se comporte de la siguiente manera: Figura 2-15 Señal de la etapa de control Esta señal se obtiene por el paso del reloj. El término ‘t’, llamado período, es una característica de este reloj. La precisión de la velocidad del motor depende de la precisión y la durabilidad de la expresión ‘t’. La frecuencia del reloj es igual a (1/t). El reloj consta de un circuito oscilador a veces seguido de divisores lógicos que dividen la frecuencia. Los osciladores donde la frecuencia depende del valor de las resistencias y de los condensadores, son poco precisos y sensibles a las variaciones de alimentación. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 30 3.1.1 Interfaz 82C55 PPI El 8255 es un dispositivo de entrada/salida de propósito general. Consiste en tres puertos paralelos de 8 bits configurables de varias maneras para transmitir o recibir datos a través de ellos, usando un cierto protocolo. El concepto de puerto aquí es el de un lugar a través del cual el procesador transmite o recibe datos. Una vez configurado el chip, el procesador puede enviarle un dato al PPI, para hacérselo llegar a un dispositivo conectado a él. El PPI mantiene el dato disponible todo el tiempo que el dispositivo necesite para leerlo y luego puede avisar al procesador para que le envíe el siguiente. Figura 3-2 Interfase 82C55 CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 31 3.2 HARDWARE En esta sección de la memoria del proyecto se van a describir los diferentes montajes, dispositivos y componentes que forman el conjunto del sistema para controlar el motor, así como el funcionamiento de cada uno. 3.2.1 Desarrollo de la placa CMD11A8 3.2.1.1 Presentación del material de la placa CMD11A8. Principales componentes. Figura 3-3 Implantación CMD11A8 vista lateral de (componentes principales) Esta figura no requiere un comentario especial, salvo que el centro de esta placa es el 68HC11A1 , referencia U1. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 32 Encontramos dos dispositivos programables:  U9: Un PPI 8255 que genera el conector referenciado como AUX_PORT sobre la placa.  U11: Un ACIA R65C51 que gestiona la comunicación en serie con la tarjeta a través de COM2. U2 es un GAL: Es un componente programable, formado por una red de puertas lógicas y que asegura aquí la decodificación de direcciones. 3.2.1.2 Principales enlaces con el exterior 3.2.1.2.1 Las conexiones serie Figura 3-4 Implantación CMD11A8 vista lateral de componentes (conexiones serie)  COM1: es una unión serie de las más clásicas para conectar el PC y cargarlo. Gestiona el protocolo hardware CTS/DTR. Está relacionada con la unión SCI del HC11 (vía PD0 y PD1) y posee un convertidor de nivel TTL/RS232 : U12 CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 33  COM2: Es una segunda conexión serie, pilotada por el ACIA R65C51. Puede estar configurada en recepción como una RS232 clásica a través del jumper RX_SEL o como una conexión RS485 (2 cables) / RS422 (bucle de corriente de 4 cables) a través del jumper 2W/4W(“wires”). Esta segunda unión podría servir para la creación de una red de múltiples tarjetas en una aplicación informática deslocalizada. En la práctica, no suelen ser utilizadas. 3.2.1.2.2 Las conexiones paralelas Figura 3-5 Implantación CMD11A8 vista lateral de componentes (conexiones paralelo)  AUX_PORT: es un conector de 2x13 pines que representan la salida del PPI 8255. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 34 Hay 8 líneas de cada uno de los tres puertos de este componente, la masa y 5V. Si se utiliza, debe hacerse referencia al significado de cada uno de estos puntos en el manual técnico de la tarjeta.  KEYPAD: Es un conector de 1x8 pines, que representa una parte de los pines precedentes (4 MSB de los puertos PORTA y PORTC del 8255 ) utilizados para conectar un teclado matricial de 16 que necesitan un barrido/exploración de líneas y columnas. Al igual que el AUX_PORT si se utiliza, debe hacerse referencia al significado de cada uno de estos puntos en el manual técnico de la tarjeta.  MCU_PORT: Sobre el conector de 2x17 pines destacan algunas conexiones del HC11 como PORTA, PORTD, PORTE, la referencia de CAD y la de 5V. Recordemos que sobre esta tarjeta el HC11 funciona en modo extendido, de este modo tanto PORTB como PORTC son utilizados para las direcciones y los datos multiplexados. Si es utilizado, deberá hacerse referencia al significado de cada uno de estos puntos en el manual técnico de la tarjeta, como ocurría para los anteriores. Los otros conectores: Figura 3-6 Implantación CMD11A8 vista lateral de componentes (otros conectores)  PWR: Es el conector de alimentación de la tarjeta que se une al bloque de alimentación abasteciendo 9V. Esta tensión se regula enseguida a 5V por medio de un regulador de tensión LM340 y finalmente se filtra a través de un conjunto CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 35 de condensadores que se encuentran sobre la tarjeta al lado del regulador de tensión.  BUS_PORT: Es un bus de extensión de los más clásicos, (bus de direcciones, bus de datos y bus de control) que permite si se desea conectar otras memorias u otros circuitos periféricos programables directamente sobre este mismo bus (y no en ENTRADA/SALIDA sobre un Puerto). Si se utiliza, será necesario hacer referencia al significado de cada uno de estos puntos en el manual técnico de la tarjeta, como ocurría para los anteriores.  SS:KEYBOARD: Permite conectar un teclado en serie, como los de los PC, por ejemplo.  LCD: Permite conectar una pantalla de cristal líquido LCD sobre el bus de datos, direccionable directamente en el “mapping” del sistema. Si es utilizado, deberá hacerse referencia al significado de cada uno de estos puntos en el manual técnico de la tarjeta, como ocurría para los anteriores. 3.2.1.3 Los jumpers de configuración y el reset  RESET: El botón de reset manual. Activa el modo extendido para arrancar en el monitor de la tarjeta (ver explicación detallada en la parte de aspectos del software) y muestra en la pantalla el mensaje del sistema « > » BUFFALO.  JP1-JP2: Permiten elegir el modo de funcionamiento del HC11: Bootstrap, Single Chip, Extendido o Test Especial (unidos a las patillas MODA y MODB del HC11)  JP3: Tamaño y direcciones físicas de la RAM U5.  JP4-JP5-JP6-JP7: Tamaño (8 Koctetos o 32 Koctetos) y tipo (RAM, EEPROM o EPROM) de U6  JP8-JP9-JP10: Tamaño (8 Koctetos o 32 Koctetos) y tipo (EEPROM o EPROM) de U7. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 36  JP11-JP12: Utilizados cuando la tarjeta funciona con una batería.  JP13: Validación del modo paso a paso (TRACING) de los programas cargados en el monitor BUFFALO cuando está presente. Figura 3-7 Implantación CMD11A8 vista lateral de componentes (jumpers) 3.2.2 El mapeo de la tarjeta La Cartografía de memoria es la localización del conjunto de componentes direccionables, (diferentes circuitos de memoria, componentes periféricos programables…) en el espacio de memoria total del sistema (aquí 64 Ko en total accesibles al HC11). La tabla a continuación resume lo esencial, mostrando el rango de direcciones (columna de la izquierda en hexadecimal), el tipo de cada uno de los componentes direccionables presentes en la tarjeta CMD11A8 (columna descriptiva central) y el tamaño de cada zona (columna de la derecha). CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 37 Tabla 3-a Rango de direcciones y contenido de memoria en la tarjeta CMD11A8 3.2.3 PPI (Interfaz periférico programable) 8255 El circuito PPI (INTERFAZ PERIFÉRICO PROGRAMABLE) 8255 Intel, es un dispositivo programable entrada/salida, desarrollado para utilizarse con microprocesadores INTEL.  El PPI es un circuito integrado, de 40 pines, de los cuales 24 pueden ser programados individualmente en dos grupos de 12, pudiendo trabajar en tres modos de operación diferentes. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 38  Contiene tres Puertos programables paralelos de 8 bits. Cada puerto tiene un registro. Tiene también un registro de control de todos los puertos. Figura 3-8 Modelo a bloques del PPI 8255 En este proyecto se trabaja con un tipo específico de PPI, se trata del PPI 82C55. El 82C55 es un elemento que permite conectar cualquier dispositivo TTL/S compatible al microprocesador.  Se utiliza para la interfaz del teclado y un puerto de impresión paralelo en los PC. (Generalmente en el contexto de un chipset integrado).  En el PC, un 82C55 o su equivalente es descodificado al E/S puertos 60H-63H. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 39 Figura 3-9 Distribución de terminales del 8255 Tabla 3-b Patillaje del 8255 CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 46 Figura 3-15 MODO DE OPERACIÓN ( 1 ) StrobedInput (II) Figura 3-16 MODO DE OPERACIÓN ( 2) Bi-directionalOperation CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 47 3.2.4 Etapa amplificadora Push/Pull (montaje y funcionamiento) 3.2.4.1 Introducción La etapa PUSH-PULL es un tipo de circuito electrónico que puede impulsar una corriente eléctrica positiva o negativa en una carga. Las salidas push-pull están presentes en circuitos lógicos digitales TTL y CMOS y en algunos tipos de amplificadores. Se implementan usualmente como un par complementario de transistores, uno en modo sumidero (sink), es decir disipando o drenando corriente desde la carga hacia tierra o una fuente de alimentación negativa, y el otro en modo fuente (source), es decir alimentando o suministrando corriente hacia la carga desde una fuente de alimentación positiva. En circuitos digitales con salida push-pull, cada transistor se conmuta al estado de conducción (on) cuando su complemento se conmuta al estado de bloqueo (off). Una configuración especial son las salidas TTL y de familias lógicas relacionadas. En este caso, el transistor superior funciona como un pull-up activo, en modo lineal, mientras que el transistor inferior lo hace como un interruptor, en modo digital. Por esta razón, este tipo de salidas no son capaces de suministrar en el modo ‘source’ tanta corriente como la que drenan en el modo sink (típicamente 20 veces menos). Debido a la forma en que estos circuitos se dibujan de forma esquemática, con dos transistores apilados verticalmente, por lo general con un diodo de protección entre los dos, se les llama salidas "tótem". Otra configuración especial de estas salidas push-pull análogas son las que utilizan válvulas o tubos de vacío, los cuales no están disponibles en pares complementarios. En este caso se utilizan dos tubos, o grupos de tubos, idénticos con sus rejillas de control gobernadas en contrafase. Estos tubos manejan la corriente a través de las dos mitades del devanado primario de un transformador con derivación central de salida, de modo que las corrientes de señal se suman, mientras que las señales de distorsión debidas a las curvas características no lineales del tubo se cancelan. Los amplificadores con salidas push-pull de tubos fueron diseñados mucho antes del desarrollo de los dispositivos electrónicos de estado sólido y son todavía utilizados por algunos audiófilos y músicos puristas, quienes consideran que suenan mejor. 3.2.4.2 Etapas amplificadoras para alimentar el motor paso a paso Vamos a utilizar componentes discretos para formar un amplificador push-pull. Cada amplificador cuenta con un transistor NPN y un transistor PNP. El amplificador está configurado para generar una salida de 12 voltios para una entrada del motor en CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 48 respuesta a una señal de +5V que proviene del AUX_PORTC del MCU. La figura muestra la configuración del amplificador para una bobina del motor. Figura 3-17 Amplificador con transistores para una bobina del motor En nuestro proyecto se ha realizado un montaje con 8 transistores bipolares repartidos en 4 etapas amplificadoras diferentes, una para alimentar a cada cable del motor paso a paso. Cada etapa está formada por un transistor bipolar NPN BD 237, y otro transistor bipolar PNP BD 238, y dos resistencias de polarización de 1KΩ. Las etapas de amplificación se alimentan por el emisor del transistor PNP con una tensión de 12V que se abastece con una fuente. El emisor del NPN se conecta a tierra. Las bases del transistor PNP y NPN se unen a dos resistencias de polarización y las resistencias se conectan a su vez entre ellas. El MCU alimenta la etapa de amplificación a través de las dos resistencias, mientras que estas se unen a un pin del AUX_PORTC por medio de un inversor. Las conexiones entre los pines del AUX_PORTC y las etapas de amplificación que alimentan los cables del motor a través de los colectores de los transistores son los siguientes.  PIN 0 del AUX_PORTC CABLE ROJO del motor (por inversor)  PIN 1 del AUX_PORTC CABLE NEGRO del motor (por inversor)  PIN 2 del AUX_PORTC CABLE AMARILLO del motor (por inversor)  PIN 3 del AUX_PORTC CABLE NARANJA del motor (por inversor) Las etapas de amplificación push/pull son etapas inversoras, entonces para conseguir que cuando enviemos un “1” con el MCU sobre un cable del motor, el motor gire, será necesario colocar un inversor entre los pines del AUX_PORTC y cada etapa de CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 49 amplificación. El encapsulado 74LS04 tiene seis inversores, y será suficiente para que alimentemos las 4 etapas amplificadoras. Figura 3-18 Patillaje del Inversor 74LS04 En resumen, con la conexión que hemos explicado, a partir de los 5V que alimentan la etapa de amplificación, obtendremos 12V a la salida de la etapa, para alimentar cada cable del motor, cuando el pin del AUX_PORTC correspondiente, envíe un “1”. 3.2.5 Diodos led (montaje y funcionamiento) 3.2.5.1 Introducción Un diodo electroluminiscente, abreviado con las siglas DEL o LED (del inglés light-emitting diode), es un componente electrónico capaz de emitir luz mientras es recorrido por una corriente eléctrica. Un diodo electroluminiscente no deja pasar la corriente eléctrica más que en un solo sentido, y produce una radiación monocromática incoherente a partir de una transformación de energía. Forma parte de la familia de los componentes optoelectrónicos, y cuenta con muchos derivados, principalmente, el OLED, el AMOLED o FOLED (para flexibles OLED). Los leds son considerados por muchos como tecnología del futuro. En efecto, se estima, que de aquí hasta el 2020, los led representaran un 75% del mercado de la iluminación. Son utilizados también en la producción de pantallas en las televisiones LCD-LED que utilizan este tipo de dispositivo para la iluminación de las pantallas LCD. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 50 Figura 3-19 Ejemplos de leds (tamaño y coleres) 3.2.5.2 Mecanismos de emisión La emisión de un fotón se produce durante la recombinación de un electrón y un hueco en un semiconductor. En efecto, la transición de un electrón de onda . Es radiactiva (por emisiones) y se acompaña de la emisión de un fotón. En la transición emisiva, la energía creada por el fotón es dada por la diferencia en los niveles de energía antes (E> i) y después (FE) de transición: hν = E i − E f (eV) (Ecuación 2.6) Un diodo electroluminiscente es una unión P-N que debe ser polarizada en sentido directo cuando queremos que emita luz. La mayoría de las recombinaciones son radiactivas. La cara que emite la luz en el LED es la zona P que es la más radiactiva. 3.2.5.3 Conexión de los leds para mostrar la secuencia de las revoluciones del motor En nuestro proyecto tenemos cuatro leds conectados a los mismos pines del AUX_PORTC que los cables del motor, pero estos sin pasar por el inversor y la etapa de amplificación. Sus colores (rojo, verde, amarillo y naranja), se alimentan con 5 V suministrados por el MCU cuando envía un ’1’ a través del pin correspondiente del AUX_PORTC, y para evitar toda posible disfunción del diodo, tenemos conectado cada uno en serie con una resistencia de polarización de valor 470Ω. El objetivo de esta etapa de Leds es mostrar una secuencia de colores que nos dirá si el motor gira a derechas o a izquierdas, según el orden de la secuencia de colores sea hecha hacia un lado o hacia otro. Por otro lado la rapidez del parpadeo e CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 51 intermitencia de la secuencia nos indicará si la velocidad a la que gira el motor, es superior o inferior. Según el diodo que este iluminado, podremos saber también el cable del motor que está siendo alimentado por la relación entre los leds y el cable del motor. La unión entre los Leds y los pines del AUX_PORTC, sin pasar por el inversor ni la etapa de amplificación es la siguiente:  PIN 0 del AUX_PORTC LED ROJO (Por resistencia)  PIN 1 del AUX_PORTC LED VERDE (Por resistencia)  PIN 2 del AUX_PORTC LED AMARILLO (Por resistencia)  PIN 3 del AUX_PORTC LED NARANJA (Por resistencia) Para conseguir que el giro del motor sea eficaz, será necesario que la velocidad sea elevada, sino no habrá suficiente potencia para utilizarlo en aplicaciones tales como la nuestra (optoacoplador). Aquí es donde se plantea el problema, si el motor gira a gran velocidad, el parpadeo de la secuencia de LED no será perceptible por los ojos, parecerá que todos están iluminados al mismo tiempo, y no podremos saber cuál es la dirección en la que el motor rota. Para resolver este problema, conectaremos dos nuevos LEDs (rojo y naranja) con sus respectivas resistencias de polarización, las cuales se expresarán como ramas de la parte del interruptor ‘slide’. 3.2.6 Interruptor “slide” (montaje y funcionamiento) 3.2.6.1 Introducción Un interruptor (derivado de la ruptura) es un dispositivo u órgano, físico o virtual, que permite interrumpir o autorizar el paso de un flujo. No se debe confundir el interruptor que hace apagar o encender un aparato y el conmutador que nos permite elegir entre varios estados activos de un dispositivo. Por extensión, todo el sistema destinado a interrumpir algo puede denominarse interruptor. El interruptor ‘slide‘ que vamos a utilizar en nuestro caso es como el siguiente, pero un terminal se queda al aire sin conectar a nada. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 52 Figura 3-20 Símbolo de un Inversor 3.2.6.2 Montaje del interruptor para controlar el sentido de rotación Para controlar el sentido de la rotación del motor paso a paso, hemos conectado un interruptor ‘slide’ con dos posiciones, una posición para girar a la derecha y otra para girar a la izquierda. El terminal del interruptor que selecciona las dos posiciones está conectado a masa (terminal 2). De los terminales a seleccionar por el terminal 2, uno de ellos no está unido a nada (el terminal 3), y el otro está conectado al pin ‘0’ del AUX_PORTA y a una fuente de 5V por una resistencia de polarización de 470Ω (terminal 1). Figura 3-21 Montaje e implementación del interruptor 'slide' Debemos configurar el AUX_PORTA como entrada programándolo, al menos el pin ‘0’ del AUX_PORTA debe ser una entrada para leer siempre el estado del interruptor, y cambiar el sentido de rotación si la posición del interruptor cambia. Por lo que las dos posiciones son las siguientes:  Terminal 2 conectado al terminal 3  AUX_PORTA_0 = 1 (5V)  Terminal 2 conectado al terminal 1  AUX_PORTA_0 = 0 (masa) CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 53 Para saber el sentido de giro como habíamos dicho anteriormente, conectaremos dos LEDS al interruptor, un LED rojo y un LED naranja. Los LEDS se unirán con el terminal 1 del interruptor. El LED rojo esta unido por una resistencia de polarización y el LED naranja se conecta con un inversor y una resistencia de polarización.  Terminal 2 conectado al terminal 3  LED ROJO encendido ; LED NARANJA apagado  Terminal 2 conectado al terminal 1  LED ROJO apagado ; LED NARANJA encendido Según la configuración que nosotros decidamos para nuestro programa, el cual aparece en la parte de anexos, la correspondencia entre el sentido de rotación y el LED encendido es la siguiente:  ROTACIÓN A DERECHAS LED ROJO  ROTATION A IZQUIERDAS LED NARANJA CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 54 3.2.7 Convertidor analógico/digital 3.2.7.1 Introducción y funcionamiento 3.2.7.1.1 Principio general El principio general consistirá en pasar del dominio analógico (variables continuas) al dominio numérico o digital (muestreo). Su sinóptico general está representado en la siguiente figura: Figura 3-22 Sinóptico del CAD Este convertidor (8 bits, precisión de ± 1/2 LSB sobre toda la zona de temperatura) está precedida por un multiplexor interno de 8 entradas conectadas al CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 55 puerto E (PE0 a PE7). Esta estructura permite realizar por menos coste, adquisiciones de ocho tensiones analógicas diferentes e independientes, comprendidas cada una entre ‘0’ y ‘5’ V máximo, por barrido temporal y sucesivo sobre cada una de estas ocho vías. Habrá entonces un total para cada vía de 2 8 =256 valores numéricos diferentes en salida (de $00 à $FF), cada uno de estos valores correspondientes a una zona analógica de voltaje 19,5mV a 20mV que es valor del paso de cuantificación ‘q’ de un convertidor de 8 bits. Existen diferentes procedimientos de conversión analógico/digital, desde los más rápidos y con ello más caros, como los convertidores “flash”, a los más lentos como aquí (utilizando la técnica de aproximaciones sucesivas). Su principio de funcionamiento es el siguiente: La tensión analógica VIN (t) a convertir se compara en primera instancia con VR/2 (‘VR’ es una tensión de referencia, conectada entre VRL y VRH, en general 5V para beneficiar la excursión máxima de un convertidor en entrada: zona de conversión máxima de 5V). Esta primera comparación permite posicionar el bit de mayor peso D7 del resultado y dar una primera aproximación a APP1 en numérico. Después, APP1, es sustraído de VIN, y el resultado se compara con VR/4 para posicionar el bit siguiente D6 etc. Y así sucesivamente por dicotomía hasta el LSB D0. Vemos sobre la figura a continuación las ocho etapas que son necesarias para determinar los 8bits del resultado (MSB hasta LSB), siendo un total de 32 ciclos de reloj E (2 MHz) para realizar una conversión (conversión canal i). Lo que corresponderá a 32*0,5μs = 16 μs. Figura 3-23 Etapas para determinar los bits resultado (CAD) CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 62 Podemos observar las diferentes velocidades en la tabla que se muestra a continuación: VELOCIDAD VALOR BINARIO VALOR HEXADECIMAL VALOR ANALÓGICO RETRASO ENTRE 2 POSICIONES 1 0 – 31 0x00 0x1F 0V – 0.64 V 50 mseg 2 32 - 63 0x200x3F 0.64 – 1.28 V 30 mseg 3 64 – 95 0x400x5F 1.28V – 1.92V 20 mseg 4 96 – 127 0x600x7F 1.92V - 2.56V 15 mseg 5 128 – 159 0x800x9F 2.56V - 3.2V 10 mseg 6 160 – 191 0xA00xBF 3.2V - 3.84V 6 mseg 7 192 – 223 0xC00xDf 3.84V – 4.48V 3 mseg 8 224 – 255 0xE00xFF 4.48V – 5V 1 mseg Tabla 3-gTabla de velocidades del motor paso a paso CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 63 Según movamos el terminal variable del potenciómetro, tendremos una velocidad u otra. 3.2.9 Display siete segmentos 3.2.9.1 Introducción Para representar los valores numéricos, los diodos se reagrupan en siete segmentos LED. Estos diodos se conectan los unos a los otros con sus ánodos. Un marcador de este tipo se compone de siete u ocho LEDS bajo diferentes formatos especiales y dispuestos sobre una base a fin de que estos puedan representar todos los símbolos numéricos y letras. Los siete primeros segmentos son encargados de formar el símbolo mientras que el octavo puede iluminar y apagar la una coma. Figura 3-27 Display 7 segmentos CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 64 Figura 3-28 Numeración de segmentos en el Display Esquema eléctrico de la pantalla: El estudio incluye un resumen de tres de los siete segmentos que componen el display, ya que el resto son idénticos. En este proyecto se ha optado por una configuración en cátodo común. La decisión fue completamente aleatoria, por lo que se podría optar también por una configuración de cátodo común. Como puede deducirse de este régimen, el número de cables entre la tarjeta controladora y la pantalla digital es de ocho (siete segmentos y otro para la alimentación negativa). Figura 3-29 Conexiones internas del Display CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 65 3.2.9.2 Esquema de pines del display siete segmentos Se ha dicho ya que el display a estudiar es de cátodo común, lo que significa que todos los cátodos de los diodos están conectados, alimentando cada uno separadamente por el ánodo correspondiente. Hay también pantallas de ánodo común, son parecidas a las que hemos utilizado salvo que las conexiones a tierra serían invertidas. Figura 3-30 Conexiones entre pines y LEDs en el Display Los pines ‘3’ y ‘8’ corresponden al cátodo del LED (se ubican en el centro de dos filas de pines), para el resto se sigue el planteamiento de la tabla. Por ejemplo si alimentamos la pantalla por el pin ‘2’ (utilizando una resistencia) y unimos los tres u ocho pines a la tierra girará el más bajo (etiquetado en la figura). 3.2.9.3 Montaje del display para mostrar la velocidad Nosotros tenemos un display de 7 segmentos en nuestro proyecto para mostrar a que velocidad gira el motor durante todo el tiempo. Hay ocho velocidades en nuestro motor, entonces el display mostrará los números del ‘1’ al ‘8’. El display se conecta al AUX_PORTB, entonces debemos hacer las siguientes uniones con los pines del display de 7 segmentos, y recordaremos que es un display de cátodo común, entonces los pines con conexión a los cátodos se conectan a la masa. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 66 PINES DEL DISPLAY SEGMENTO ENLACES EXTERIORES 1 E PIN 7 DEL AUX_PORT B 2 D PIN 6 DEL AUX_PORT B 3 CÁTODO COMÚN MASA 4 C PIN 5 DEL AUX_PORT B 5 DP PIN 4 DEL AUX_PORT B 6 B PIN 3 DEL AUX_PORT B 7 A PIN 2 DEL AUX_PORT B 8 CÁTODO COMÚN MASA 9 F PIN 0 DEL AUX_PORT B 10 G PIN 1 DEL AUX_PORT B Tabla 3-h Conexiones de los pines del display al exterior (AUX_PORT B) En el caso del AUX_PORTB se configura en nuestro programa como salida. Como es un display de cátodo común, cada vez que enviemos un ‘1’ por uno de los pines del AUX-PORTB, uno de los segmentos del display se ilumina. Es muy importante conectar los pines del AUX_PORTB y los LEDS del display de 7 segmentos y las resistencias de polarización para un correcto funcionamiento. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 67 En la siguiente tabla, se representan los segmentos a visualizar para iluminar los leds que corresponden a cada número: NÚMERO SEGMENTOS ENCENDIDOS PINS ACTIVOS EN EL AUX_PORT B VALOR HEXADECIMAL PARA ACTIVAR EL AUX_PORT B 1 B,C 2,5 0x14 2 A,B,D,E,G 1,2,3,6,7 0xCE 3 A,B,C,D,G 1,2,3,5,6 0x6E 4 B,C,F,G 0,1,2,5 0x27 5 A,C,D,F,G 0,1,3,5,6 0x6B 6 A,C,D,E,F,G 0,1,3,5,6,7 0xEB 7 A,B,C 2,3,5 0x2C 8 A,B,C,D,E,F,G 0,1,2,3,5,6,7 0xEF Tabla 3-i Segmentos a visualizar para iluminar los leds que corresponden a cada número CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 68 3.2.10 Diseño global del Hardware Figura 3-31 Diseño del Hardware del proyecto CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 69 3.3 SOFTWARE 3.3.1 Microprocesador y microcontrolador Los microprocesadores han invadido por completo nuestras vidas cotidianas. Las versiones 32, (incluso la 64) bits han reemplazado a las 16 bits antiguas de los años 80 y más aún a las de 8 bits de los años 70. Sin embargo, algunas aplicaciones no administran entornos complejos y por lo tanto no necesitan toda la potencia de cálculo o el tamaño de la gigantesca memoria de los microprocesadores específicos y de los potentes sistemas operativos. Es en este espíritu que se han desarrollado los microcontroladores. Utilizando soluciones que se han hecho posibles por los costos y tiempos de desarrollo inmejorables. Para disminuir el tamaño de los sistemas realizados, la mayoría de las funciones periféricas señaladas con la abreviatura E/S en la figura 3-32. a continuación y que, en principio, son trasladadas fuera de sistemas de microprocesadores (arquitectura en torno a un microprocesador), se encuentran integradas en el mismo recinto del microcontrolador dando así un conjunto, integral, flexible y relativamente fácil de usar. Figura 3-32 Esquema de bloques del Microcontrolador CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 70 Encontraremos principalmente sin que sea una lista exhaustiva:  Entradas/salidas paralelas, para la gestión de sensores o de accionadores lógicos  Entradas/salidas serie síncronas o asíncronas para las comunicaciones con el exterior  Contadores (o timers) para la gestión del tiempo (o de eventos exteriores)  Convertidores analógicos/numéricos o numéricos/analógicos para la interfaz con el mundo físico (sensores o accionadores analógicos)  Controladores de interrupciones (gestión de interrupciones, diferenciación, autorización, interdicción por enmascaramiento)… Estas diferentes funciones se reúnen en el corazón del microcontrolador, constituido de una unidad central (CPU) de las más clásicas y a los diferentes tipos de memoria (RAM, ROM, EPROM o EEPROM) que se encuentran igualmente en la misma caja. Obtenemos así un componente que combina la puesta en marcha y simplicidad de implementación y uso (donde el desarrollo de un microprocesador tendría que utilizar un número de componentes mucho más importante) y esto por un costo relativamente barato. De hecho, el precio real es una disminución del rendimiento en comparación con el valor intrínseco que se pueden encontrar con los últimos microprocesadores. Pero para aplicaciones tales como:  Los pequeños automatismos industriales  La electrónica aplicada (automóviles, pequeña robótica, terminales de pago…)  Los teléfonos móviles ( y otras aplicaciones móviles)  Los electrodomésticos  Los juguetes  Las aplicaciones específicas y /o reubicadas  La seguridad, la señalización y la protección  Y otras muchas aplicaciones … La utilización de los microcontroladores se está imponiendo poco a poco y ha encontrado su lugar en el sector del desarrollo y la producción de las tarjetas electrónicas. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 71 El microcontrolador también es una excelente herramienta pedagógica para la comprensión, en una arquitectura relativamente simple, de los principios aplicados en los casos más complejos, con especial énfasis en el vínculo entre lo puramente físico (hardware) y los programas (software), los dos pilares básicos de la gran mayoría de los sistemas programables. 3.3.2 Los periféricos y la interfaz del HC11 En este punto se presentan los principales bloques funcionales que encontramos en el HC11, a excepción del la UNIDAD CENTRAL (o CPU) que ha sido ya tratada en puntos precedentes. MODA MODB MODO DE FUNCIONAMIENTO 0 1 NORMAL : CIRCUITO SOLO 1 1 NORMAL : EXTENDIDO 0 0 1 0 Tabla 3-j Modos de funcionamiento Tiene sentido en primer lugar, dar cierta información sobre los distintos modos de operación previstos por MOTOROLA para este microcontrolador. En efecto, la gestión y utilización de algunos de los recursos internos como la memoria por ejemplo, dependerán de los modos de funcionamiento. 3.3.2.1 Descripción de los modos de funcionamiento Estos modos, dependen del valor leído en el momento del reset (en la puesta bajo tensión o después de un reset manual) sobre los pines MODA y MODB del microcontrolador. NOTA : sobre la tarjeta que se utiliza en las pruebas prácticas de este proyecto, son los « jumpers » JP1 y JP2 los que configuran el modo. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 78 CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 79 CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 80 3.3.3.3 Las entradas y salidas lógicas El HC11 posee un máximo de 37 líneas de entradas/salidas lógicas (y también como se ha dicho entradas/salidas Total (5V) o nada (0V) o TOR en abreviación) repartidos en 5 puertos de 8 bits cada uno: PUERTO A, PUERTO B, PUERTO C, PUERTO D y PUERTO E Como se puede observar en la siguiente figura: Figura 3-34 Conexiones entradas/salidas y puertos del HC11 Nótese en primer lugar que algunas filas de los puertos son compartidos con otras funciones, en cuyo caso, si la función correspondiente está activa, el puerto de línea (como entrada / salida lógica) no lo será más. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 81 3.3.4 Utilización del compilador en lenguaje C Imagecraft  Un software de desarrollo integrado (IDS) puede consistir en un editor de texto, un compilador, un editor de links, una biblioteca, un ensamblador, un simulador y un “debugger” etc.  Un proyecto de IDS se utiliza como una unidad para controlar el desarrollo de software.  Un utilizador crea las funciones en C en uno o varios ficheros utilizando el editor proporcionado por el software de integración.  El compilador se invoca para compilar cada fichero individual. En la mayoría de los casos, se deberán eliminar los errores de sintaxis en esta etapa.  Crear un nuevo proyecto y adjuntar los ficheros que se han creado en ese proyecto.  Genere un nuevo proyecto. El IDS combinara todos los módulos objeto en un módulo ejecutable y puede traducirlo en el formato apropiado adaptado para descargarse en una tarjeta de demostración para su ejecución.  Descargue el módulo en un tablero de demostración para la ejecución.  En lo que sigue, vamos a utilizar un proyecto que consiste en un único archivo para ilustrar el proceso de usar las Imágenes compilador de C para el desarrollo del programa. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 82 ETAPA 1. Llamar al ICC11 haciendo clic sobre el icono del programa ICC1. Aparecerá una ventana como la siguiente: Figura 3-35 Ventana de comandos del ICC11 CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 83 ETAPA 2. Hacer clic sobre el menú FILE y seleccionar New, para crear un nuevo fichero y crear un nuevo programa. Como muestra la siguiente pantalla: Figura 3-36 Ventana crear nuevo documento para introducir el programa CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 84 ETAPA 3. Escribir el nuevo programa y guardarlo en un repertorio apropiado. Un ejemplo es el que se muestra en la figura 3-37. Figura 3-37 Ventana introducir un nuevo programa en IC11 CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 85 ETAPA 4. Crear un nuevo proyecto haciendo clic sobre el menú PROJECT y seleccionar NEW. La pantalla se muestra en la Figura 3-38. Después de seleccionar a los nuevos, la pantalla cambia a la Figura 3-39. Después de eso, tenemos que introducir el nombre del proyecto y el resultado se muestra en la Figura 3-40. Figura 3-38 Ventana para crear un nuevo proyecto CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 86 Figura 3-39 Ventana Crear un nuevo proyecto Figura 3-40 Ventana después de fijar el nombre al proyecto CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 87 ETAPA 5. Añadir el programa al proyecto que se ha creado nuevamente. Pulse el botón Agregar en la Figura 3-40. Una lista de archivos aparece y se pueden seleccionar los archivos que desea incluir en este proyecto. Haga clic en el archivo add.c y el resultado se muestra en la Figura 3-41. Figura 3-41 Ventana después de añadir add.c en el proyecto add.ipj CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 94 ETAPA 12. Cargar el programa en la tarjeta de demostración para su ejecución. Haz clic sobre el menú y seleccionar Terminal y esto hará aparecer la ventana del terminal, como se indica en la figura 3-49. Escribe ‘Load t’ seguido de la tecla Intro, a continuación, haga clic en el botón Examinar. Esto daría lugar a una ventana (ver Figura 3-50) que le permite seleccionar un archivo para descargar. Seleccione add.s19 Haga clic en el botón y haga clic en Aceptar. Haga clic en el botón cargar para iniciar la descarga ASCII. El proceso de descarga es similar a la de la figura 3-51. Conseguir cargar el programa con éxito nos debería mostrar una pantalla similar a la de la figura 3-52. Figura 3-49 Ventana 'Terminal' del ICC11 CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 95 Figura 3-50 Ventana para seleccionar un documento para descargar Figura 3-51 Ventana del proceso de descarga CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 96 Figura 3-52 Ventana después de una compilación satisfactoria CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 97 ETAPA 13. Ejecución del programa y de la depuración. El ICC11 programa de terminal, permite utilizar todos los comandos de BUFFALO para depurar el programa así como utilizar un EVB y CMD11A8 demo de administración. El tipo G 2000 lo usaremos para ejecutar este programa sobre la tarjeta de demostración CMD11A8 y el resultado será parecido al que aparece en la Figura 3-53. (C000 Tipo G sobre la tarjeta EVB). Figura 3-53 Ventana después de ejecutar el programa add.c CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 98 4. LISTADO DE PROGRAMAS A continuación presentamos el listado de programas en Lenguaje C, inicialización de puertos, funciones y variables implementado para el control del motor paso a paso. El código en su totalidad ha sido documentado y ejecutado utilizando la herramienta Imagecraft. // la lista de direcciones de los registros internos del HC11 // reconocido por su nombre genérico de la doc Motorola Ej : PORTA, DDRD ... #include <hc11_bt.h> // las direcciones del ppi8255 #include <ppi8255.h> //librerías del teclado matricial y de la pantalla LCD #include <stdio.h> #include <stdlib.h> // máscara para alimentar los cables del PORTC #define AUX_PC0 0x01 /* Alimenta el cable rojo e ilumina el LED rojo*/ #define AUX_PC1 0x02 /*Alimenta el cable negro e ilumina el LED verde*/ #define AUX_PC2 0x04 /*Alimenta el cable amarillo e ilumina el LED naranja*/ #define AUX_PC3 0x08 /*Alimenta el cable naranja e ilumina el LED amarillo*/ //máscaras para los números de la pantalla 7 segmentos #define NOM_1 0X14 /*Define los segmentos a iluminar para dibujar un 1*/ #define NOM_2 0XCE /*Define los segmentos a iluminar para dibujar un 2*/ #define NOM_3 0X6E /*Define los segmentos a iluminar para dibujar un 3*/ #define NOM_4 0X27 /*Define los segmentos a iluminar para dibujar un 4*/ #define NOM_5 0X6B /*Define los segmentos a iluminar para dibujar un 5*/ #define NOM_6 0XEB /*Define los segmentos a iluminar para dibujar un 6*/ #define NOM_7 0X2C /*Define los segmentos a iluminar para dibujar un 7*/ #define NOM_8 0XEF /*Define los segmentos a iluminar para dibujar un 8*/ // máscara para configurar el PPI8255 #define AUX_PC 0x90 /*Pines 0 a 7 del AUX_PORTC y pines 0 a 7 del AUX_PORTB son salida, y AUX_PORTA son entrada*/ //máscara para apagar los LEDS y parar el motor #define OFF 0x00 //73 bucles de ‘i’ para tener 1ms #define DELAY1MS 73 // funciones propias del HC11 char peekb(unsigned char volatile *adresse); //la función lee una dirección de memoria void pokeb(unsigned char volatile *adresse, char valeur); //la CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 99 función escribe un valor en una dirección de memoria void bit_set(unsigned char volatile *aderesse, char mask ) ; // los bits puestos a ‘1’ son puestos a ‘1’ a la dirección // función de retardo para controlar la velocidad void delayms(unsigned int); //función para el retardo de la visualización del LCD y para el teclado void delaymilis( unsigned int milis); // función para elegir el sentido de giro del motor con el interruptor unsigned char interrupteur_rot(void); // función para elegir el control sobre el motor con el interruptor unsigned char interrupteur_control(void); // para poner en marcha e inicializar el CAD void init_can(void); // la función de adquisición: devuelve el valor analógico convertido sobre 1 octeto de memoria unsigned char acquisition(void); // la función transformación da un número para la velocidad según el valor binario proporcionado por el CAD unsigned char transformation_vitesse (unsigned char) ; // la función velocidad de rotación da un retardo diferente entre dos posiciones del motor, por cada velocidad del motor unsigned int vitesse_rotation( unsigned char) ; // la función visualitation permite ver por pantalla el número de la velocidad de rotación del motor void visualitation(unsigned char ) ; // función para rotar hasta la posición elegida en el teclado matricial en un control de posición void commande_position( unsigned char compteur) ; // función para detener el motor si el motor llega a la posición elegida en el teclado matricial void comparaison( unsigned char compteur, position) ; // función para hacer la conversión del número de posición por grados unsigned double conversion_degres( unsigned char position) ; //función principal del programa void main(void) { unsigned char type_control; /*Variable para elegir si hacer un control de velocidad o de posición*/ unsigned char rotation; /*Variable para elegir el sentido de giro del motor*/ unsigned char vitessebin; /*Variable para ordenar el valor binario del potenciómetro*/ unsigned char vitesse /*Variable para elegir la velocidad de giro del motor*/ unsigned char compteur ; /*Variable para comparar con la posición marcada en el CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 100 teclado matricial*/ unsigned char position ; /*Variable guardar la posición marcada en el teclado matricial*/ unsigned double degres ; /*Variable para guardar el valor de los grados a los que gira el motor*/ pokeb(AUX_CONTROLE,AUX_PC); /*Define los puertos del PPI8255*/ pokeb(AUX_PORTA, OFF); /*Poner a ‘0’ todos los bits del AUX_PORTA*/ pokeb(AUX_PORTC, OFF); /*apagar todos los LEDS y detener el motor*/ pokeb(AUX_PORTB, OFF); /*apagar todos los LEDS de la pantalla 7 segmentos*/ init_can(); /* inicialización del CAD*/ // bucle infinito para hacer girar el motor sin interrupción } while (1) // adquisición permanente { //elegir el sentido de rotación con el interruptor con la función interrupteur_rot rotation= interrupteur_rot(); //elegir el tipo de control, control de velocidad o control de posición y velocidad, con la función interrupteur_control type_control= interrupteur_control(); // obtenemos el valor binario que el CAD convierte del potenciómetro para controlar la velocidad vitessebin= acquisition(); // obtenemos una velocidad de ‘1’a ‘8’ según el valor binario que el CAD convierte del pontenciómetro vitesse= transformation_vitesse( vitessebin) ; // visualización de la velocidad de rotación del motor para la pantalla de 7 segmentos visualitation( vitesse) ; switch(type_control) //selección del tipo de control del motor paso a paso {case 0: //control de posición y velocidad pokeb(AUX_PORTC, OFF); /*para el motor para comenzar a medir la posición*/ compteur=0 ; /*poner a ‘0’ la variable compteur para comparar con position*/ //visualización de la cadena de caracteres en la pantalla LCD printf (‘Choisissez une position de 1-200’ ) ; //escribir en el teclado matricial de un número de 1- 200 para elegir el número de grados que va a girar scanf ( ‘%d ‘ , position) ; /* %d sirve para poner en la variable position un valor*/ // guarda el número de grados que gira el motor en un control de posición para registrar los grados en la pantalla LCD degres = conversion_degres( position) ; //visualización de la cadena de caracteres en la pantalla para ver el número de grados que gira el motor CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 101 printf (‘Le moteur a tourné %f degres’ , degres) ; /* %f sirve para introducir el valor de la variable degres*/ // bucle infinito para hacer girar el motor sin interrupciñon hasa que la posición sea igual a la posición marcada en el teclado while (1) // adquisición permanente { commande_position(compteur) ; /*el motor gira hasta la posición elegida*/ } break; case 1: //control de velocidad solamente switch(rotation) //selección del sentido de giro en un control solamente de velocidad {case 0: //rotación a izquierdas pokeb(AUX_PORTC, AUX_PC0); /*position1: alimenta el cable rojo e ilumina el LED rojo*/ delayms(); pokeb(AUX_PORTC, AUX_PC0+AUX_PC1); /*position2: alimenta los cables rojo y negro y enciende los LEDS rojo y verde*/ delayms(); pokeb(AUX_PORTC, AUX_PC1); /*position3: alimenta el cable negro e ilumina el LED verde*/ delayms(); pokeb(AUX_PORTC, AUX_PC1+AUX_PC2); /*position4: alimenta los cables negro y amarillo e ilumina los LEDS verde y naranja*/ delayms(); pokeb(AUX_PORTC, AUX_PC2); /*position5: alimenta el cable amarillo e ilumina el LED naranja*/ delayms(); pokeb(AUX_PORTC, AUX_PC2+AUX_PC3); /*position6: alimenta los cables naranja y amarillo e ilumina los LEDS naranja y amarillo*/ delayms(); pokeb(AUX_PORTC, AUX_PC3); /*position7: alimenta el cable naranja e ilumina el LED amarillo*/ delayms(); pokeb(AUX_PORTC, AUX_PC3+AUX_PC0); /*position8: alimenta los cables naranja y rojo e ilumina el LED amarillo y rojo*/ delayms(); break; case 1: //rotación a derechas pokeb(AUX_PORTC, AUX_PC0); /*position1: alimenta el cable rojo y enciende el LED rojo*/ delayms(); pokeb(AUX_PORTC, AUX_PC0+AUX_PC3); /*position8: alimenta el cable naranja y rojo e ilumina el LED amarillo y rojo*/ delayms(); CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 102 pokeb(AUX_PORTC, AUX_PC3); /*position7: alimenta el cable naranja e ilumina el LED amarillo*/ delayms(); pokeb(AUX_PORTC, AUX_PC3+AUX_PC2); /*position6: alimenta los cables naranja y amarillo e ilumina el LED naranja y amarillo*/ delayms(); pokeb(AUX_PORTC, AUX_PC2); /*position5: alimenta el cable amarillo e ilumina el LED naranja*/ delayms(); pokeb(AUX_PORTC, AUX_PC2+AUX_PC1); /*position4: alimenta el cable negro y amarillo e ilumina los LEDS verde y naranja*/ delayms(); pokeb(AUX_PORTC, AUX_PC1); /*position3: alimenta el cable negro e ilumina el LED verde*/ delayms(); pokeb(AUX_PORTC, AUX_PC1+AUX_PC0); /*position2: alimenta el cable rojo y negro e ilumina los LEDS rojo y verde*/ delayms(); break; default //el motor se detiene pokeb(AUX_PORTC, OFF); /*apaga todos los LEDS y detiene el motor*/ break; } break; default //el motor se detiene pokeb(AUX_PORTC, OFF); /*apagar todos los LEDS y detener el motor*/ break; } } } // la función interrupteur_rot da a la variable rotation un valor para elegir el sentido de giro unsigned char interrupteur_rot (void) { unsigned char sens; if ((peekb(AUX_PORTA)& 0x01) == 0x00){ /* si el pin ‘0’ de AUX_PORTA está conectado a masa, el motor gira a izquierdas*/ sens=0; } if else ((peekb(AUX_PORTA)& 0x01) ==0x01){ /* si el pin ‘0’ de AUX_PORTA está conectado a 5 V, el motor gira a derechas*/ sens=1; } else{ /* caso imposible*/ sens=2; } return sens; } CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 103 // la función interrupteur_control da a la variable type_control un valor para elegir el tipo de control unsigned char interrupteur_control (void) { unsigned char tipo; if ((peekb(AUX_PORTA)& 0x02) == 0x00){ /* pin ‘1’ de AUX_PORTA conectado a masa, control de posición y velocidad*/ tipo=0; } if else ((peekb(AUX_PORTA)& 0x02) ==0x01){ /* pin ‘1’ de AUX_PORTA conectado a 5 V, control solamente de velocidad*/ tipo=1; } else{ /*caso imposible*/ tipo=2; } return tipo; } // para inicializar y poner en marcha el CAD void init_can(void) { pokeb(OPTION, 0x90); //configuración del registro OPTION pokeb(ADCTL, 0xA0); //configuración del registro ADCTL } // la función de la adquisición: devuelve el valor analógico convierte sobre 1 octeto de la memoria unsigned char acquisition(void) { unsigned char valeurbin; /*Variable para dar un número a vitessebin*/ valeurbin= peekb(ADR1); /*leemos el valor binario transformado por el CAD*/ return valeurbin; } // función que da los 8 intervalos de velocidad, según la posición del potenciómetro unsigned char transformation_vitesse (unsigned char vitessebin) { unsigned char nombre ; /*Variable para dar un número a la velocidad*/ if ((vitessebin>= 0x00) & (vitessebin <= 0x1F)) /*Intervalo ‘1’ de la velocidad*/ { nombre = 1 ; } if ((vitessebin>= 0x20) & (vitessebin <= 0x3F)) /*Intervalo ‘2’ de la velocidad*/ { nombre = 2 ; } if ((vitessebin>= 0x40) & (vitessebin <= 0x5F)) /*Intervalo ‘3’ de la velocidad*/ { nombre = 3 ; CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 110 COMPONENTE/ DESCRIPCIÓN CANTIDAD BRUTO €ht NETO €ht S/t €ht TVA Inversor 74LS04 1 0,54 0,49 0,49 19,6 Led 5 mm UDV=1 (rojo) 1 0,30 0,30 0,30 19,6 Led 5 mm UDV=1 (verde) 1 0,30 0,30 0,30 19,6 Led 5 mm UDV=1 (naranja) 2 0,30 0,30 0,60 19,6 Led 5 mm UDV=1 (amarillo) 2 0,30 0,30 0,60 19,6 Resistencia (220 Ohm) 8 0,05 0,05 0,40 19,6 Resistencia ( 470 Ohm) 7 0,05 0,05 0,35 19,6 Resistencia ( 1 K Ohm) 8 0,05 0,05 0,40 19,6 22 k Ohm, potent.mono, lineal, Radiohm 1 1,75 1,75 1,75 19,6 CONMUTADOR.GLIS.INV.UNIP 1 0,70 0,70 0,70 19,6 Tabla 5-a Componentes del circuito de montaje TOTAL material Euro HT = 75,54 € TOTAL TVA 19,6 = 14,80 € NETO A PAGAR=90,34 € ttc CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 111 5.2 Desarrollo de la placa CMD11A8 (Microcontrolador 68HC11) Figura 5-1 Tarjeta CMD11A El precio de la tarjeta CMD11A es de 190 €. Por tanto, el precio total de nuestro proyecto asciende a: PRECIO TOTAL DE LOS COMPONENTES DEL CIRCUITO DE MONTAJE + PRECIO DE CMD11A8 = 90,34 € + 190 € = 280,34 € TOTAL = 280,34 € CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 112 6. CONCLUSIONES En este capítulo nos vamos a ocupar de las conclusiones extraídas tras la realización del proyecto, así como de sus posibles aplicaciones. 6.1 CONCLUSIONES La finalidad de este proyecto consistía en el diseño y montaje de un sistema de control para un motor paso a paso híbrido. Inicialmente, una vez estudiados los objetivos, se decidió que la herramienta más adecuada para desarrollar este tipo de sistema sería un microcontrolador MC68HC11E9, de la familia M68HC11E de Motorola. En el apartado software, se utilizó inicialmente el Lenguaje Ensamblador para la realización de los programas, pero presento diversos problemas como el tiempo de programación, ya que al ser de bajo nivel, este lenguaje requiere más instrucciones para realizar el mismo proceso, en comparación con un lenguaje de alto nivel, y a su vez, requiere también de más cuidado por parte del programador. Otros problemas que se encontraron con el Ensamblador fueron los programas de fuentes grandes, ya que por las mismas razones que aumenta el tiempo, crecen los programas fuentes y la falta de portabilidad. Por todo ello el código se ha realizado en su totalidad en Lenguaje C, y se han creado nuevas funciones específicas para el control de nuestro sistema que quedan definidas a lo largo del proyecto. Los programas se han compilado con el programa Imagecraft, ejecutándose y visualizando sus resultados en nuestra placa de montaje. Encontramos complicaciones a la hora de compilar programas demasiado largos, ya que la tarjeta CMD11A8 daba problemas de respuesta y había que resetearla con frecuencia. El problema de estas tarjetas es que son utilizadas para numerosas prácticas y proyectos por diferentes alumnos, y acaban deteriorándose por mal uso. El montaje del motor, y las diferentes etapas y dispositivos, se realizó en el laboratorio utilizando soldadura blanda por estaño, y no presento excesiva dificultad si no por ser un trabajo meticuloso y de elevada precisión. Tras dos pruebas, se consiguió una soldadura limpia y sin problemas en las conexiones. Una de las ventajas de nuestro montaje, es que la necesidad de un convertidor de digital a analógico se elimina al usar motores paso a paso en comparación con los motores de corriente continua o alterna. Los motores paso a paso producen incrementos de rotación en medidas concretas (en grados) como resultado de los CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 113 pulsos binarios aplicados. Esto puede ser en forma de pasos completos (sensibilidad paso angular) en función de la secuencia de activación de la bobina. Después de realizar diversos ensayos, se concluyó utilizando un taquímetro para la medición, que la velocidad de rotación del motor tiene un margen de error del 11% respecto a la velocidad seleccionada por el usuario. Otro problema que se presento en los ensayos iniciales, fue que en ocasiones el motor giraba erráticamente, o simplemente vibraba pero sin llegar a girar, esto era debido a que la frecuencia de pulsos era muy elevada, y se alcanzaba el paso antes de que la siguiente secuencia de pulsos comenzara. Las posibles desventajas encontradas en la utilización de este tipo de motor son la necesidad de emplear un encoder para situar el motor en la posición inicial antes de arrancar el motor, ya que nunca se puede saber hacia dónde se encuentra orientado el eje al inicio y, segundo, si se quiere mover el motor un número de grados determinado, es necesario hacer pasar al motor por todos los pasos anteriores a esa posición, lo que podría resolverse con la utilización de un servo. Con la utilización en este proyecto de la MCU M68HC11, obtenemos una gran fiabilidad y garantía en el uso del montaje, ya que este tipo de MCU puede funcionar sin problemas en aplicaciones de motor paso a paso durante años si se utiliza dentro de sus límites especificados. Otro aspecto importante de este trabajo es que me ha servido para familiarizarme con el entorno del laboratorio y la microelectrónica, así como con los lenguajes de programación Ensamblador y C. A lo largo de la realización de este proyecto se han ido planeando y resolviendo diversos problemas de programación, de modo que he aprendido a trabajar con accesos a bases de datos y a ficheros y con control de puertos serie. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 114 6.2 APLICACIONES Los motores paso a paso pueden ser usados en sistemas simples de control en lazo abierto. Estos son adecuados generalmente en sistemas que operan a bajas aceleraciones con cargas estáticas; el lazo cerrado puede ser esencial para aceleraciones elevadas, particularmente si involucran cargas variables. También son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos. La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso por cada pulso que se le aplique. Los motores paso a paso controlados por ordenador son una de las formas más versátiles de los sistemas de posicionamiento, sobre todo cuando es controlado digitalmente como parte de un sistema de servo. Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición, o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas están alimentadas, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y, por el contrario, quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas. Hay numerosas aplicaciones de motores paso a paso que pueden tomar ventaja de la potencia, características y flexibilidad de la MCU M68HC11 de un solo chip. Las aplicaciones incluyen los controladores de robots, herramientas de torneado de máquinas y otros entornos precisos de posicionamiento del eje de control. Podría ser utilizado también en las unidades de disquete, escáneres planos, impresoras, plotters y muchos más dispositivos. Una posible futura línea de trabajo, sería continuar con la programación del sistema, para realizar un control de posición del motor además del control de velocidad. CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 115 7. BIBLIOGRAFÍA Y LINKOGRAFÍA 7.1 BIBLIOGRAFÍA  Mecanismos eléctricos y de Telecomunicaciones de interior ( Toledano, Jose Carlos)  THOMSON PARANINFO 1ª Edición  Principios de electricidad y electrónica V (Hermosa, Antonio)  S.A. MARCOMBO 1ª Edición  Circuitos Electrónicos y sus aplicaciones 1983 (Grob, Bernard)  EDITORIAL MC GRAW-HILL  Circuitos Eléctricos 1994 (A. Administer, Joseph)  EDITORIAL MC GRAW-HILL 2ª Edición  Traité de l’électronique analogique et numérique Vol ume 1. ( Paul Horowitz)  WINFIELD HILL  Génie électrique : Electronique du signal - Electronique puissance et électronique – Automatique (Christophe François)  MOTOROLA SEMICONDUCTOR APPLICATION NOTE  The 8086 IBM PC and Compatible computers.  Muhammad Ali Mazidi, Janice Gillispie Mazidi Prentice Hall 1998  Libro de componentes periféricos de Intel  inf 681.31 PER per CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 116 7.2 LINKOGRAFÍA  http://es.wikipedia.org/wiki/Wikipedia (la enciclopedia libre)  http://es.farnell.com/_  http://www.hc11.demon.nl/thrsim11/-68hc11/_  http://es.wikipedia.org/wiki/Wikipédia (l’encyclopedie libre)  http://www.dil.univ-mrs.fr/garreta/generique (Marseille Université)  http://www.siteduzero.com/tutoriel 3-14189 (Tutorial para aprende a programar en C)  http://www.ramonmedian.rame/files universidad /ac 000pdF  http://nicolas.mrchildon.net/electro/pal codex html  http://ifent.org_  http://todorobot.com.ar/informacion/tutorial stepper CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 117 8. ANEXO A (LISTADO DE COMPONENTES) A continuación se muestra el listado de los componentes y dispositivos de los diferentes montajes que forman el conjunto del sistema para controlar el motor, y que se han descrito en el proyecto: COMPONENTES/ DESCRIPCIÓN CANTIDAD MY4001 MOTOR PASO A PASO 14 34 mm 1 Placa de prueba baquelita -160x100 mm 1 HE10 CONECTOR MACHO DERECHO 2x17 BAS PROF 1 HE10 CONECTOR MACHO DERECHO T 2X13 BAS PROF 1 HE10 CONECTOR HEMBRA 2x17 A SERTIR 2 HE10 CONECTOR HEMBRA 2x13 A SERTIR 2 CABLE PLANO PARALELO 34 cds de 1,27-UDV=1 –gris 2 CABLE PLANO PARALELO 26 cds de 1,27-UDV=1 -gris 2 Conector para la alimentación 3 Transistor bipolar BD 237 4 Transistor bipolar BD 238 4 CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 118 COMPONENTES/ DESCRIPCIÓN CANTIDAD LED Display:7-Segment: Dígito Simple:LTS-546AY 1 Inversor 74LS04 1 Led 5 mm UDV=1 (rojo) 1 Led 5 mm UDV=1 (verde) 1 Led 5 mm UDV=1 (naranja) 2 Led 5 mm UDV=1 (amarillo) 2 Resistencia ( 470 Ohm) 7 Resistencia ( 1 K Ohm) 8 Resistencia (220 Ohm) 8 22 k Ohm, potent. mono, lineal, Radiohm 1 CONMUTADOR .GLIS.INV.UNIP 1 Tabla 8-a ANEXO A - Listado de componentes CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 119 9. ANEXO B (PLANOS) En este apéndice se van a presentar todos los planos de la tarjeta CMD-11A8-E1 referentes al proyecto y sus esquemáticos correspondientes:  - PLANO CMD 11mch  -PLANO CMDSCH 1  -PLANO CMDSCH 2  -PLANO CMD-SCH 3  -PLANO CMDSCH 4 También se adjunta el plano de la placa del circuito de montaje CONTROL DE UN MOTOR PASO A PASO Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Laura Malo Yagüe 126 10. ANEXO C (DATASHEETS) En este anexo se incluyen los datasheets con las especificaciones de todos los dispositivos electrónicos utilizados en el montaje de este proyecto, así como toda la información y contenidos referentes a la descripción y desarrollo de la tarjeta CMD11A8 indispensable en la implementación del software. 1 2 34 5 6 7 8 2 8 1 CLR ENT 7 3 9 4 5 0 6 2 8 1 7 3 B C D E F A 9 4 5 0 6 4+4 MATRIX KEYPAD WITH INSERT POCKETS STANDARD 16 KEYPAD POLYMER TACTILE DOME AND UPPER CIRCUIT LOWER CIRCUIT OVERALL THICKNESS 1.50 mm EMBOSSING 0.25 mm 4 INSERTS WITH BLACK GRAPHICS ON A SILVER BACKGROUND SUPPLIED WITH THIS KEYPAD. FOR OTHER VARIANTS OF INSERTS PLEASE CALL APEM 95.00 mm R10 mm X4 SILVER UNEMBOSSED BORDER ON A BLACK BACKGROUND 16, 12.60 mm DIA. CLEAR WINDOWS WITH SILVER PERIMETER EMBOSSING SEE DETAIL OF KEY CONSTRUCTION BELLOW FEMALE 2.54 mm PITCH 8 WAY CONNECTOR 95.00 mm 10.00 mm 49.50 mm 3.50 mm 100.00 mm 47.50 mm PIN 1 TWO 4.00 x 35.50 mm INSET OPENINGS 5.00 mm 89.50 mm R. 1.50mm ON 2 CORNERS 33.00 mm EMBOSSING 1.20 mm Telephone: (44) 01844 202400 Fax: (44) 01844 202500 email: [email protected] www.apem.co.uk 3441-020-0D 22.86 mm 2.50 mm MECHANICAL SPECIFICATIONS: CONTACT FORCE 400 grams. TRAVEL 0.80 TO 0.90 mm. ELECTRICAL SPECIFICATIONS: CONTACT VOLTAGE RATING 30V (dc). CONTACT CURRENT RATING 100mA. INSULATION RESISTANCE AT 100 V >100 Mohms. DIELECTRIC STRENGTH 250 V rms. CAPACITANCE 10 pF typ. CONTACT BOUNCE BELOW 10 msec. typ. ENVIRONMENTAL SPECIFICATIONS: OPERATING TEMPERATURE -30 TO +55 C. STORAGE TEMPERATURE -40 TO +60 C. RoHS COMPLIANT Purdy Electronics Corporation • 720 Palomar Avenue • Sunnyvale, CA 94085 1 Tel: 408.523.8200 • Fax: 408.733.1287 • [email protected] • www.purdyelectronics.com 7/20/07 AND491GST 2 lines x 16 Characters Intelligent Character Display The AND491GST devices are compact, LCD modules that have an on-board LCD controller and driver circuit. These devices can display 160 characters (numerals, letters, symbols and Kana letters), as well as eight custom characters. Features • AND491GST: Super Twist Technologyt • 5 x 7 Dots with cursor • Built-in controller (KS0066 or equivalent) • 5 V Power supply • RoHS compliant • 4.2V LED Forward voltage Dot Matrix Dimensions Mechanical Characteristics Item Specification Unit Outline Dimensions 80 (W) x 36 (H) x 8.8(D) (12.7 LED) mm Character size 2.96 (W) x 5.56 (H) mm Viewing Area 65 (W) x 16(H) mm Character Pitch 3.55 (W) x 5.94(H) mm Dot Size 0.55 (W) x 0.66 (H) mm Dot Pitch 0.60 (W) x 0.70 (H) mm Absolute Maximum Ratings Item Symbol Rating Unit Supply Voltage V DD 7.0 V Input Voltage V IN 0 ≤ V IN ≤ V DD V Operating Temperature T op 0 to +50 °C Storage Temperature T stg –20 to +60 ˚C Electrical Characteristics (TA = 25°C) Item Symbol Min. Typ. Max. Unit LCD Operating Voltage (T= 0 ºC) V DD -V O – 4.8 – V LCD Operating Voltage (T= 25 ºC) – 4.5 – LCD Operating Voltage (T= 50 ºC) – 4.2 – Supply Voltage V DD - V SS 4.7 5 5.3 V Supply Current I DD –24mA Input Voltage High Level V IH 2.2 – V DD V Input Voltage Low Level V IL 0 – 0.6 Output Voltage High Level V OH 2.4 – – V Output Voltage Low Level V OL – – 0.4 Optical Characteristics (TA 5 = 25˚C, φ = 0°, θ = 0°) Item Symbol Min. Typ. Max. Unit Viewing Angle φ – 50 – degree Contrast K – 6.0 – – Turn On T on – 200 400 ms Turn Off T off – 250 400 ms • RoHS Compliant Intelligent Character Display AND491GST Purdy Electronics Corporation • 720 Palomar Avenue • Sunnyvale, CA 94085 7/20/07 Tel: 408.523.8200 • Fax: 408.733.1287 • [email protected] • www.purdyelectronics.com 2 Power Supply The LCD panel is driven by the voltage V DD –V O , so you need an adjustable V O for contrast control and temperature compensation. Power Supply Block Diagram Block Diagram Dimensional Outline Connector Pin Assignment Pin No. Signal Function 1V SS 0V 2V DD 5V 3V O Contrast Adj. 4 RS Register Select 5 R/W Read/Write 6 E Enable 7 DBO Data Bit 0 8 DB1 Data Bit 1 9 DB2 Data Bit 2 10 DB3 Data Bit 3 11 DB4 Data Bit 4 12 DB5 Data Bit 5 13 DB6 Data Bit 6 14 DB7 Data Bit 7 15 A LED Power 16 K Led Power Temperature Variations Temperature V DD –V O 0°C 4.80 +25°C 4.50 +50°C 4.20 VDD VO GND VDD – VO VDD – VO = LCD Drive Voltage VR10 to 20 kΩ VR VDD (+5V) 1 Motorola Bipolar Power Transistor Device Data       . . . designed for use in 5.0 to 10 Watt audio amplifiers and drivers utilizing complementary or quasi complementary circuits. •DC Current Gain — hFE = 40 (Min) @ IC = 0.15 Adc ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ MAXIMUM RATINGS ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ Rating ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ Symbol ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ Value ÎÎÎ ÎÎÎ ÎÎÎ ÎÎÎ Unit ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ Collector–Emitter Voltage ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ VCEO ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ 80 ÎÎÎ ÎÎÎ ÎÎÎ ÎÎÎ Vdc ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ Collector–Base Voltage ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ VCBO ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ 100 ÎÎÎ ÎÎÎ ÎÎÎ ÎÎÎ Vdc ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ Emitter–Base Voltage ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ VEBO ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ 5.0 ÎÎÎ ÎÎÎ ÎÎÎ ÎÎÎ Vdc ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ Collector Current ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ IC ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ 2.0 ÎÎÎ ÎÎÎ ÎÎÎ ÎÎÎ Adc ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ Base Current ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ IB ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ 1.0 ÎÎÎ ÎÎÎ ÎÎÎ ÎÎÎ Adc ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ Total Device Dissipation @ TC = 25 _ C ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ PD ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ 25 ÎÎÎ ÎÎÎ ÎÎÎ ÎÎÎ Watts ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ Operating and Storage Junction Temperature Range ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ TJ, Tstg ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ –55 to +150 ÎÎÎ ÎÎÎ ÎÎÎ ÎÎÎ _ C ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ THERMAL CHARACTERISTICS ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ Characteristic ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ Symbol ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ Max ÎÎÎ ÎÎÎ ÎÎÎ ÎÎÎ Unit ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ Thermal Resistance, Junction to Case ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ θJC ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ 5.0 ÎÎÎ ÎÎÎ ÎÎÎ ÎÎÎ _ C/W ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ELECTRICAL CHARACTERISTICS (TC = 25 _ C unless otherwise noted) ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ Characteristic ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ Symbol ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ Min ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ Max ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ Unit ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ Collector–Emitter Sustaining Voltage* (IC = 0.1 Adc, IB = 0) ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ V(BR)CEO ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ 80 ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ — ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ Vdc ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ Collector Cutoff Current (VCB = 100 Vdc, IE = 0) ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ICBO ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ — ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ 0.1 ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ mAdc ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ Emitter Cutoff Current (VBE = 5.0 Vdc, IC = 0) ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ IEBO ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ — ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ 1.0 ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ mAdc ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ DC Current Gain (IC = 0.15 A, VCE = 2.0 V) (IC = 1.0 A, VCE = 2.0 V) ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ hFE1 hFE2 ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ 40 25 ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ — — ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ Collector–Emitter Saturation Voltage* (IC = 1.0 Adc, IB = 0.1 Adc) ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ VCE(sat) ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ — ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ 0.6 ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ Vdc ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ Base–Emitter On Voltage* (IC = 1.0 Adc, VCE = 2.0 Vdc) ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ VBE(on) ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ — ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ 1.3 ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ Vdc ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ Current–Gain — Bandwidth Product (IC = 250 mAdc, VCE = 10 Vdc, f = 1.0 MHz) ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎÎ fT ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ 3.0 ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ ÎÎÎÎÎ — ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ MHz *Pulse Test: Pulse Width x 300 µs, Duty Cycle x 2.0%.  SEMICONDUCTOR TECHNICAL DATA Order this document by BD237/D  Motorola, Inc. 1995  2.0 AMPERES POWER TRANSISTORS NPN SILICON 80 VOLTS 25 WATTS CASE 77–08 TO–225AA TYPE REV 7 BD237 2 Motorola Bipolar Power Transistor Device Data Figure 1. Active Region Safe Operating Area 10 VCE, COLLECTOR–EMITTER VOLTAGE (VOLTS) 3 1 0.1 3 10 30 100 0.3 IC, COLLECTOR CURRENT (AMP) TJ = 150 ° Cdc 5 ms 1 100 µ s 1 ms BD237 BD236 The Safe Operating Area Curves indicate IC – VCE limits below which the device will not enter secondary breakdown. Collector load lines for specific circuits must fall within the applicable Safe Area to avoid causing a catastrophic failure. To insure operation below the maximum TJ, power–temperature derating must be observed for both steady state and pulse power conditions. VCE, COLLECTOR–EMITTER VOLTAGE (VOLTS) Figure 2. Collector Saturation Region IB, BASE CURRENT (mA) 1.0 00.2 0.8 0.6 0.4 0.2 1.0 2.0 10 30 50 200 IC = 0.1 A 0.25 A 1.0 A0.5 A 0.3 0.5 100203.0 5.0 TJ = 25 ° C 1000 Figure 3. Current Gain IC, COLLECTOR CURRENT (mA) 10 100 TJ = + 150 ° C TJ = + 55 ° C VCE = 2.0 V hFE, DC CURRENT GAIN (NORMALIZED) 700 500 300 200 70 50 30 20 TJ = + 25 ° C 3.0 5.0 10 20 30 50 20002.0 100 200 1000300 500 Figure 4. “On” Voltages 0 1.5 3.0 5.0 10 20 30 50 20002.0 100 200 1000300 500 1.2 0.9 0.6 0.3 IC, COLLECTOR CURRENT (mA) TJ = 25 ° C VBE(sat) @ IC/IB = 10 VCE(sat) @ IC/IB = 10 VOLTAGE (VOLTS) VBE @ VCE = 2.0 V Figure 5. Thermal Response t, TIME or PULSE WIDTH (ms) 1.0 0.01 0.01 0.7 0.5 0.3 0.2 0.1 0.07 0.05 0.03 0.02 0.02 0.03 r(t), NORMALIZED EFFECTIVE TRANSIENT THERMAL RESISTANCE 0.05 0.1 0.2 0.3 0.5 1.0 2.0 3.0 5.0 10 20 30 50 100 200 300 1000500 θ JC(t) = r(t) θ JC θ JC = 4.16 ° C/W MAX θ JC = 3.5 ° C/W TYP D CURVES APPLY FOR POWER PULSE TRAIN SHOWN READ TIME AT t1 TJ(pk) – TC = P(pk) θ JC(t) P(pk) t1t2 DUTY CYCLE, D = t1/t2 D = 0.5 SINGLE PULSE D = 0.2 D = 0.1 D = 0.05 D = 0.01 BD237 3 Motorola Bipolar Power Transistor Device Data PACKAGE DIMENSIONS CASE 77–08 TO–225AA TYPE ISSUE V STYLE 1: PIN 1. EMITTER 2. COLLECTOR 3. BASE NOTES: 1. DIMENSIONING AND TOLERANCING PER ANSI Y14.5M, 1982. 2. CONTROLLING DIMENSION: INCH. –B– –A– M K FC Q H V G S D J R U 1 32 2 PL M A M 0.25 (0.010) B M M A M 0.25 (0.010) B M DIM MIN MAX MIN MAX MILLIMETERSINCHES A0.425 0.435 10.80 11.04 B0.295 0.305 7.50 7.74 C0.095 0.105 2.42 2.66 D0.020 0.026 0.51 0.66 F0.115 0.130 2.93 3.30 G0.094 BSC 2.39 BSC H0.050 0.095 1.27 2.41 J0.015 0.025 0.39 0.63 K0.575 0.655 14.61 16.63 M5 TYP 5 TYP Q0.148 0.158 3.76 4.01 R0.045 0.055 1.15 1.39 S0.025 0.035 0.64 0.88 U0.145 0.155 3.69 3.93 V0.040 ––– 1.02 ––– _ _ BD237 4 Motorola Bipolar Power Transistor Device Data How to reach us: USA/EUROPE: Motorola Literature Distribution; JAPAN: Nippon Motorola Ltd.; Tatsumi–SPD–JLDC, Toshikatsu Otsuki, P.O. Box 20912; Phoenix, Arizona 85036. 1–800–441–2447 6F Seibu–Butsuryu–Center, 3–14–2 Tatsumi Koto–Ku, Tokyo 135, Japan. 03–3521–8315 MFAX: RMF[email protected] – TOUCHTONE (602) 244–6609 HONG KONG: Motorola Semiconductors H.K. Ltd.; 8B Tai Ping Industrial Park, INTERNET: http://Design–NET.com 51 Ting Kok Road, Tai Po, N.T., Hong Kong. 852–26629298 Motorola reserves the right to make changes without further notice to any products herein. Motorola makes no warranty, representation or guarantee regarding the suitability of its products for any particular purpose, nor does Motorola assume any liability arising out of the application or use of any product or circuit, and specifically disclaims any and all liability, including without limitation consequential or incidental damages. “Typical” parameters can and do vary in different applications. All operating parameters, including “Typicals” must be validated for each customer application by customer’s technical experts. Motorola does not convey any license under its patent rights nor the rights of others. Motorola products are not designed, intended, or authorized for use as components in systems intended for surgical implant into the body, or other applications intended to support or sustain life, or for any other application in which the failure of the Motorola product could create a situation where personal injury or death may occur. Should Buyer purchase or use Motorola products for any such unintended or unauthorized application, Buyer shall indemnify and hold Motorola and its officers, employees, subsidiaries, affiliates, and distributors harmless against all claims, costs, damages, and expenses, and reasonable attorney fees arising out of, directly or indirectly, any claim of personal injury or death associated with such unintended or unauthorized use, even if such claim alleges that Motorola was negligent regarding the design or manufacture of the part. Motorola and are registered trademarks of Motorola, Inc. Motorola, Inc. is an Equal Opportunity/Affirmative Action Employer. BD237/D *BD237/D* ◊ ©2000 Fairchild Semiconductor International Rev. A, February 2000 BD234/236/238 PNP Epitaxial Silicon Transistor Absolute Maximum Ratings TC=25°C unless otherwise noted Electrical Characteristics TC=25°C unless otherwise noted * Pulse Test: PW=300µs, duty Cycle=1.5% Pulsed Symbol Parameter Value Units VCBO Collector-Base Voltage : BD234 : BD236 : BD238 - 45 - 60 - 100 V V V VCEO Collector-Emitter Voltage: BD234 : BD236 : BD238 - 45 - 60 - 80 V V V VCER Collector-Emitter Voltage: BD234 : BD236 : BD238 - 45 - 60 - 100 V V V VEBO Emitter-Base Voltage - 5 V IC Collector Current (DC) - 2 A ICP *Collector Current (Pulse) - 6 A PC Collector Dissipation (TC=25°C) 25 W TJ Junction Temperature 150 °C TSTG Storage Temperature - 65 ~ 150 °C Symbol Parameter Test Condition Min. Typ. Max. Units VCEO(sus) * Collector-Emitter Sustaining Voltage : BD234 : BD236 : BD238 IC = - 100mA, IB = 0 - 45 - 60 - 80 V V V ICBO Collector Cut-off Current : BD234 : BD236 : BD238 VCB = - 45V, IE = 0 VCB = - 60V, IE = 0 VCB = - 100V, IE = 0 - 100 - 100 - 100 µA µA µA IEBO Emitter Cut-off Current VEB = - 5V, IC = 0 - 1 mA hFE * DC Current Gain VCE = - 2V, IC = - 150mA VCE = - 2V, IC = - 1A 40 25 VCE(sat) * Collector-Emitter Saturation Voltage IC = - 1A , IB = - 0.1A - 0.6 V VBE(on) * Base-Emitter ON Voltage VCE = - 2V, IC = - 1A - 1.3 V fT Current Gain Bandwidth Product VCE = - 10V, IC = -250mA 3 MHz BD234/236/238 Medium Power Linear and Switching Applications • Complement to BD 233/235/237 respectively 1TO-126 1. Emitter 2.Collector 3.Base ©2000 Fairchild Semiconductor International BD234/236/238 Rev. A, February 2000 Typical Characteristics Figure 1. DC current Gain Figure 2. Base-Emitter Saturation Voltage Collector-Emitter Saturation Voltage Figure 3. Safe Operating Area Figure 4. Power Derating -0.01 -0.1 -1 -10 -1 -10 -100 -1000 VCE = -2V hFE, DC CURRENT GAIN IC[A], COLLECTOR CURRENT -0.1 -1 -10 -0.01 -0.1 -1 -10 VCE(sat) VBE(sat) IC = 10 IB VBE(sat), VCE(sat)[V], SATURATION VOLTAGE IC[A], COLLECTOR CURRENT -1 -10 -100 -0.1 -1 -10 IC MAX. (Continuous) BD238 BD236 BD234 10µs 100 µ s 1ms DC IC MAX. (Pulsed) IC[A], COLLECTOR CURRENT VCE[V], COLLECTOR-EMITTER VOLTAGE 0 25 50 75 100 125 150 175 0 5 10 15 20 25 30 35 40 PC[W], POWER DISSIPATION TC[oC], CASE TEMPERATURE SPEC NO: KDA0327 REV NO: V.1 DATE: SEP/15/2001 PAGE: 3 OF 5 APPROVED:J.LU CHECKED: DRAWN:X.Q.ZHENG Absolute Maximum Ratings at T)=25°° °° °C Notes: 1. 1/10 Duty Cycle, 0.1ms Pulse Width. 2. 4mm below package base. High Efficiency Red retemaraPretemaraP retemaraP retemaraPretemaraP ycneiciffEhgiHycneiciffEhgiH ycneiciffEhgiH ycneiciffEhgiHycneiciffEhgiH deR neerGneerG neerG neerGneerGwolleYwolleY wolleY wolleYwolleY thgirBrepuSthgirBrepuS thgirBrepuS thgirBrepuSthgirBrepuS deR stinUstinU stinU stinUstinU noitapissidrewoP501501501001Wm tnerruCdrawroFCD03520303Am ]1[tnerruCdrawroFkaeP061041041551Am egatloVesreveR 5555V erutarepmeTegarotS/gnitarepO 04- °58+oTC °C ]2[erutarepmeTredloSdaeL 062 °sdnoceS5roFC SPEC NO: KDA0327 REV NO: V.1 DATE: SEP/15/2001 PAGE: 4 OF 5 APPROVED:J.LU CHECKED: DRAWN:X.Q.ZHENG Green Yellow SPEC NO: KDA0327 REV NO: V.1 DATE: SEP/15/2001 PAGE: 5 OF 5 APPROVED:J.LU CHECKED: DRAWN:X.Q.ZHENG Super Bright Red