Módulo de Potencia

Introducción.

Una vez decidido el modelo de placa que queremos construir, pasamos a ajustar el diseño, módulo a módulo.

Empezamos por el módulo de potencia, porque es es la parte del diseño sobre la que he realizado menos pruebas, y ya le corresponde que le dedique la debida atención.

Se aprecia que el diseño de las pistas de potencia no es el convencional, basada en líneas rectas de un determinado espesor, sino que sigue un esquema de "placas" que conectan las patillas de los componentes.

Estas placas son siempre colindantes, no dejando espacio a huecos. Esta forma de diseñar es la adecuada cuando se trata de diseños de potencia en los que se prevé una gran circulación de corriente. Con este diseño, se reduce la densidad de corriente, con los múltiples beneficios que ello conlleva.

Proceso de Ajuste.

Ahora comienza el proceso de ajuste del módulo. Lo primero que hay que comprobar es si el diseño de pistas es correcto. Para ello, es suficiente con conectar un potor Paso a Paso y ver si gira, aunque sea mal y poco. El simple hecho de que gre nos indica que los puentes en H que componen la placa, funcionan correctamente, y también que el micro controlador especializado tiene todas sus patillas conectadas a los puntos correctos.

Ajuste del software.

Esto si que es un trabajo de semanas. Hay que decidir los valores de configuración de una gran cantidad de registros. si estos valores se dejan en sus valores por defecto, el motor ni siquiera arrancará.

En la imagen, se ve el entorno básico para probar la placa de potencia:

• Una placa de desarollo STM32F4 Discovery, usada como placa de mando.
• Un pequeño motor paso a paso.
• Un analizador de señales (no imprescindible).
• Conexión de alimentación de potencia a 24v-48v (cable rojo y negro).
• Un ordenador, con el compilador ejecutando el software de control, en modo depuración (debug).

Pasaron los tiempos en los que los entornos de test ocupaban mesas enteras. En la actualidad, la integración de funcionalidades en el hardware es tan alta, que evitamos muchas fases de desarrollo.

Si desconectáramos el analizador de señal, veremos con gran claridad que la placa de control (color verde) y la placa de pontencia (color rojo) solo se conectan entre sí por un cable plano. los hilos de este clable son básicamente los hilos del bus SPI que conecta a los dos micro-controladores: El ARM Cortex M3 de mando y el micro-controlador especializado que controla los dos puentes en H de potencia.

Meses de pruebas.

En un proyecto de tanta complejidad técnica, es recomendable comenzar a familiarizarse con el hardware, mediante placas de evaluación diseñadas por los fabricantes de los productos. En la imagen inferior vemos a la izquierda, una placa de control con un ARM Cortex M3 del fabricante ST Microelectronics. En concreto, es un modelo STM32F4.

A la derecha, se ve una placa de evaluación del chip-driver para motores paso a paso. Ambas placas están conectadas mediante un cable plano, que lleva las siguientes conexiones:

• Bus SPI (líneas MOSI, MISO, CK, CS).
• Línea de chip-driver ocupado BSY.
• Línea de Alerta/Alarma en el chip-driver.
• Línea de Reset hardware del chip driver.
• Línea de entrada de pulsos, para Mach3, etc. STP.
• Masa de referencia GND.

El conector de la parte inferior de la imagen, en la placa de evaluación del chip driver, es la alimentación de potencia (entre 15v y 75v) que se aplica al motor paso a paso PaP.

Como vemos, son dos módulos muy bien estructurados, y en ese sentido, el fabricante ha hecho un muy buen trabajo.

En la imagen inferior, se ve el entorno de pruebas, equivalente al ofrecido por el fabricante de los chips, el cual acaba de ser descrito.

En este caso, ya se ve conectado un motor Paso a Paso, que utilizaremos para realizar test. Es muy pequeño, lo que le hace adecuado para poder trabajar en cualquier lugar, sin necesitarse una mesa-taller específicamente dedicada a esta tarea.

El cable rojo/negro es el que da la alimentación de potencia. yo estoy usando 24v y a veces 48v. Esto es transparente al funcionamiento del sistema, y el cambio no requiere ningún tipo de configuración.

Las cosas comienzan a funcionar.

Lamentablemente, el manual de referencia del chip-driver para motores paso a paso, es muy optimista en la descripción de las capacidades del producto. La realidad es que este chip tiene muchas limitaciones de uso, sobre todo en cuanto se demanda de él más corriente para las múltiples tareas a las que tiene que atender: alimentar un regulador interno que ofrece 7,5v ó 15v como tensión de disparo de los Mosfet, aplicar la corriente de disparo a la puerts G de cada Mosfet, alimentar otro regulador interno que ofrece 3,3v para la lógica de control, etc.

Estas exigencias, hacen que el dispositivo no funcione bien en todas las configuraciones posibles, y lo que es peor, durante el proceso de ajuste ensayo-error es normal probar valores que lleven a la destrucción del chip.

Todos estos asuntos, y la absoluta falta de asesoramiento de ST en su web para desarrolladores, ha tenido como consecuencia la necesidad de invertir cientos de horas en poner en funcionamiento este módulo de potencia.

Test completo de funcionalidad.

Por fin ya tenemos un sistema completo de pruebas: He puesto a punto una aplicación para sistema operativo Android, y he ajustado su funcionamiento con el de la placa de control STM32 Discovery, que monta un ARM Cortex M3 de ST Microelectronics, como el que utilizamos en este proyecto. Esta placa de control está conectada al módulo de potencia a través de un bus SPI y alguna otra línea de control adicional. A su vez, el módulo de potencia recibe 24V para accionar el motor paso a paso.

En el vídeo que se muestra a continuación, vemos como el módulo de potencia mueve un motor paso a paso según las órdenes que le damos desde una App Android destinada al control de una mesa giratoria.

el siguiente paso en la App será convertila en un software capaz de gestionar cuatro ejes, y adaptalar a movimientos lineales (en vez de los circulares de la mesa giratoria). Sin embargo, creo que esta parte del proyecto será la menos dificultosa. Preveo muchas, muchas horas de trabajo, pero de un trabajo con pocas sorpresas.

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