Controlador de giro para motor paso a paso unipolar mediante 555, contador y lógica combinacional
Controlador de giro para motor paso a paso unipolar mediante 555, contador y lógica combinacional
Introducción
Los motores paso a paso permiten controlar el movimiento angular de un eje mediante una secuencia ordenada de señales eléctricas aplicadas a sus bobinas. A diferencia de un motor de corriente continua convencional, el sentido de giro no depende simplemente de invertir la polaridad de alimentación, sino de cambiar el orden en que se energizan las bobinas.
En esta práctica se desarrolla un controlador de giro para un motor paso a paso unipolar utilizando exclusivamente circuitos integrados digitales y componentes discretos. El sistema está compuesto por tres bloques principales:
- Un temporizador 555, encargado de generar la señal de reloj.
- Dos flip-flops tipo D 7474, configurados para formar un contador binario de 2 bits.
- Una sección de lógica combinacional, construida mediante cuatro compuertas AND, encargada de transformar los estados del contador en la secuencia necesaria para excitar las bobinas del motor.
Además, mediante un interruptor denominado SENTIDO DE GIRO, es posible modificar la secuencia de conteo para obtener el giro del motor en uno u otro sentido.
1. Arquitectura general del controlador
El circuito puede entenderse como una cadena de procesamiento:
555 → contador de 2 bits → lógica combinacional → etapas de potencia → motor paso a paso
El primer bloque genera una sucesión periódica de pulsos. Cada pulso provoca un cambio de estado en los flip-flops, generando las cuatro combinaciones posibles de dos bits:
00,01,10,11Estas combinaciones son posteriormente procesadas por la lógica combinacional para obtener cuatro señales de salida, correspondientes a las cuatro fases del motor.
La figura permite observar cómo se encuentran interconectados el 555, los flip-flops, las compuertas AND y la etapa de potencia que finalmente conecta las señales con el motor.
2. Generación de la señal de reloj mediante el 555
El circuito utiliza un temporizador 555 configurado en modo astable para generar una señal periódica de onda cuadrada. Esta señal constituye el clock (CLK) que alimenta a los flip-flops tipo D.
En esta aplicación, el 555 no realiza modulación de ancho de pulso (PWM). Su función es generar pulsos sucesivos que hacen avanzar el contador una posición en cada transición activa del reloj.
La frecuencia de oscilación depende de los valores de las resistencias y del capacitor utilizados en el circuito. Para un 555 en configuración astable, la frecuencia puede aproximarse mediante:
Por tanto, modificando los valores de estos componentes se puede establecer la frecuencia de los pulsos y, consecuentemente, la velocidad con la que se ejecutará la secuencia que controla el motor.
Rango aproximado de frecuencia
Considerando como aproximación el funcionamiento del astable con una resistencia fija de 1kΩ, un potenciómetro de 1MΩ y un capacitor de 1μF, el período puede estimarse mediante:
Cuando el potenciómetro se encuentra aproximadamente en su valor mínimo:
Por tanto:
Para el máximo valor del potenciómetro:
y:
Por tanto, el oscilador puede generar aproximadamente un rango de:
1,31Hz≤f≤1.44kHzEsta característica será aprovechada posteriormente para controlar la velocidad del motor, ya que variar la frecuencia de los pulsos significa variar la velocidad de avance de los pasos.
Estos valores son teóricos y aproximados, ya que en el circuito real influyen las características del 555, la caída de tensión de los diodos, la tolerancia del potenciómetro y del capacitor, entre otros factores.
3. Contador binario mediante flip-flops tipo D
La señal generada por el 555 se conecta a los flip-flops tipo D 7474.
Los dos flip-flops se encuentran configurados para trabajar como un contador binario de dos bits. Por lo tanto, cada pulso del reloj produce el avance del estado lógico.
En una dirección de conteo se obtiene:
| Pulso | Q1 | Q0 | Estado |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 00 |
| 1 | 0 | 1 | 01 |
| 2 | 1 | 0 | 10 |
| 3 | 1 | 1 | 11 |
| 4 | 0 | 0 | 00 |
Después de cuatro estados, el contador vuelve a comenzar.
Sin embargo, en este controlador los flip-flops no solamente sirven para contar. El circuito incorpora el interruptor SENTIDO DE GIRO, que permite modificar la relación entre las salidas de los flip-flops y conseguir que la secuencia utilizada por la lógica avance en un sentido u otro.
Así, el mismo circuito puede generar:
o la secuencia inversa:
La inversión del orden de estos estados es la que finalmente permitirá invertir el sentido de giro del motor.
5. Generación de la secuencia mediante lógica combinacional
Los cuatro estados del contador son procesados mediante cuatro compuertas AND.
La finalidad de esta etapa no es simplemente realizar operaciones lógicas, sino decodificar cada estado del contador y convertirlo en una señal de excitación para una de las cuatro fases del motor.
Para el modo de funcionamiento utilizado en esta práctica se emplea una secuencia de tipo onda (wave drive), en la cual solamente una de las cuatro bobinas se encuentra energizada en cada instante.
Una secuencia posible es:
| Estado | A | B | C | D |
|---|---|---|---|---|
| 00 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 01 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 10 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 11 | 0 | 0 | 0 | 1 |
Al regresar al estado 00, vuelve a activarse la primera salida y el ciclo comienza nuevamente.
La secuencia inversa sería:
| Estado | A | B | C | D |
|---|---|---|---|---|
| 00 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 01 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 10 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 11 | 0 | 1 | 0 | 0 |
De esta forma, no es necesario cambiar físicamente las conexiones del motor. Basta con cambiar el orden de activación de sus bobinas.
6. Análisis mediante tablas de verdad y álgebra de Boole
Una parte fundamental de esta práctica consiste en que el estudiante no se limite a montar el circuito, sino que comprenda cómo se obtiene la secuencia.
A partir de las salidas del contador:
Q1,Q0se construye la tabla de verdad correspondiente.
Cada una de las cuatro salidas debe activarse únicamente para uno de los cuatro estados posibles.
Por ejemplo, una de las funciones puede expresarse mediante:
Otra salida:
y así sucesivamente.
Este procedimiento permite pasar de:
tabla de verdad → expresión booleana → simplificación → circuito lógico
Esta metodología constituye una aplicación directa de los fundamentos de Sistemas Lógicos Programables, porque permite comprobar cómo una función lógica puede transformar un conjunto de estados binarios en una secuencia útil para controlar un sistema físico.
7. Secuencia de excitación y sentido de giro
El motor paso a paso no gira simplemente porque aparezca una tensión en sus terminales. Su movimiento se produce porque las bobinas son energizadas en un orden determinado.
Si la secuencia es:
el campo magnético resultante se desplaza progresivamente en una dirección.
Si se invierte:
el campo magnético se desplaza en la dirección contraria.
Por ello:
Secuencia directa⇒giro en un sentidoSecuencia inversa⇒giro en el sentido contrarioEste es precisamente el principio utilizado por el interruptor SENTIDO DE GIRO.
En el diagrama de tiempos puede observarse claramente que las cuatro señales presentan un desplazamiento temporal entre sí. En cada instante solamente una salida alcanza el nivel lógico alto, produciendo el recorrido del nivel alto entre las cuatro fases.
8. Aplicación al motor 28BYJ-48
El circuito fue planteado para controlar un motor paso a paso unipolar 28BYJ-48.
Este motor incorpora cuatro fases y un sistema de engranajes reductores. Para el funcionamiento de onda utilizado en esta práctica se considera el modo de paso completo con una sola bobina energizada, conocido como wave drive.
De manera nominal, el 28BYJ-48 se considera de aproximadamente:
2048 pasos/revolucioˊnen modo de paso completo. En medio paso serían aproximadamente 4096 pasos por revolución.
En el modo utilizado aquí existen cuatro estados de control:
Por lo tanto, para completar una revolución del eje de salida se requieren aproximadamente:
ciclos completos de la secuencia.
Esto permite relacionar directamente la frecuencia del 555 con la velocidad de giro.
9. Relación entre frecuencia de reloj y velocidad del motor
Si cada pulso del 555 produce un nuevo paso, la velocidad aproximada del motor puede calcularse mediante:
donde:
- fCLK = frecuencia de los pulsos del 555.
- N = número de pasos necesarios para una revolución.
Para el 28BYJ-48 en paso completo:
Por tanto, utilizando el rango teórico obtenido anteriormente:
A frecuencia mínima
RPMmin≈3.84 rpmA frecuencia máxima
RPMmax≈42.3 rpmPor lo tanto, teóricamente, el circuito podría proporcionar un rango aproximado de:
3.8 rpm≤RPM≤42.3 rpmSin embargo, este valor no debe interpretarse como el rango real garantizado de funcionamiento. Un motor paso a paso tiene límites de aceleración, par disponible y frecuencia de arranque. A frecuencias demasiado elevadas puede perder pasos o incluso dejar de girar. En el 28BYJ-48, además, existen variaciones entre motores y relaciones de engranajes reales ligeramente diferentes de la relación nominal 64:1.
10. Implementación práctica
La práctica propuesta consiste en que el estudiante construya el controlador por bloques, verificando progresivamente el funcionamiento de cada etapa.
Etapa 1: Generador de reloj
Construir el 555 en configuración astable y comprobar mediante un LED, osciloscopio o analizador lógico que la frecuencia cambia al mover el potenciómetro.
Etapa 2: Contador
Conectar la señal de reloj a los flip-flops 7474 y verificar las cuatro combinaciones:
y su funcionamiento en sentido inverso.
Etapa 3: Lógica combinacional
Construir las cuatro funciones lógicas mediante compuertas AND y comprobar que solamente una salida permanece en estado alto en cada posición del contador.
Etapa 4: Control del motor
Conectar las cuatro señales a la etapa de potencia correspondiente y posteriormente al motor 28BYJ-48.
Finalmente, accionar el interruptor SENTIDO DE GIRO y comprobar que el motor cambia de dirección.
11. Consideraciones importantes
El circuito permite comprender de manera práctica cómo una señal periódica relativamente sencilla puede transformarse progresivamente en un movimiento mecánico controlado.
El 555 establece cuándo debe producirse un nuevo paso, el contador determina en qué estado se encuentra la secuencia, y la lógica combinacional determina qué bobina debe activarse.
En consecuencia:
555→Contador→Loˊgica→Bobinas→MovimientoEl sentido de giro se obtiene modificando el orden temporal de activación de las bobinas, mientras que la velocidad depende principalmente de la frecuencia de los pulsos de reloj.
Esta práctica integra, por tanto, conceptos de temporización, flip-flops, contadores, tablas de verdad, álgebra de Boole, lógica combinacional y control de actuadores electromecánicos, permitiendo comprobar cómo los conceptos estudiados en Sistemas Lógicos Programables pueden aplicarse directamente al control de un dispositivo físico.
Nota técnica: para el 28BYJ-48, los valores de 2048 pasos/revolución corresponden al valor nominal habitual en paso completo; el número real puede variar ligeramente por la relación de engranajes. Para medio paso se utilizan aproximadamente 4096 pasos/revolución.
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