Diseño y realización de un controlador de motores paso a paso aplicado a un microposicionador de tres ejes de alta precisión

Abstract

[ES] Los laboratorios del Centro de Tecnología Nanofotónica de Valencia disponen de múltiples herramientas para el posicionamiento de elementos, como por ejemplo microposicionadores o goniómetros. Estas herramientas son de gran utilidad en experimentos que requieren modificar la posición de una muestra o de un sensor para monitorizar cambios en las mediciones realizadas. La mayor parte de estos elementos cuentan con un sistema de posicionamiento manual, por lo que se dificulta la tarea de obtener movimientos precisos y repetibles. Para el caso específico de este proyecto, se propone implementar una solución de bajo coste para motorizar un microposionador manual de tres ejes. El presente proyecto aborda la creación de un controlador de motores paso a paso de tres canales, así como también la elección de los motores y el sistema que accionará los ejes del microposionador. El controlador de motores se ha diseñado específicamente para este proyecto, integrando todos los componentes necesarios en un circuito impreso para proporcionar una solución sencilla de utilizar. El diseño hardware incorpora las protecciones necesarias para dotar de robustez al circuito, por ejemplo: protección contra sobrevoltajes, polaridad inversa, señales de control aisladas por optoacoplador y referencias digital y analógica separadas. También se ha desarrollado el firmware que se carga en el controlador, así como una interfaz gráfica de usuario que permite el control de los motores desde el ordenador. Se trata, por lo tanto, de un diseño personalizado en todos sus niveles (software, firmware, hardware) que proporciona una solución compacta para el control de motores aplicado al posicionamiento de elementos en un laboratorio.

[EN] Valencia Nanophotonics Technology Center's labs have multiple tools for positioning elements, such as micro-positioners or goniometers. These tools are very useful in experiments that require changing the position of a sample or a sensor to check variations in the measurements. Most have a manual positioning system, making it difficult to obtain precise and repeatable movements. For the specific case of this project, it is proposed to implement a low-cost solution to motorize a manual three-axis micropositioner. This project addresses the creation of a three-channel stepper motor controller, as well as the possibility to choose the motors and the system that will drive the axes of the micropositioner. The motor controller has been specifically designed for this project, integrating all the necessary components on a printed circuit to provide an easy-to-use solution. The hardware design incorporates the necessary protections to provide robustness to the circuit, for example, protection against overvoltages, reverse polarity, control signals isolated by optocoupler and separate digital and analog references. It has been also developed the firmware that is loaded into the controller, as well as a graphical user interface that allows the control of the motors from the computer. It is, therefore, a personalized design at all levels (software, firmware, hardware) that provides a compact solution for motors control applied to the positioning of elements in a laboratory.

[CA] El present projecte aborda la creació d'un controlador de motors pas a pas de tres canals, així com l'elecció dels motors i el sistema que accionaran els eixos de l'microposionador. El controlador de motors s'ha dissenyat específicament per a aquest projecte, integrant tots els components necessaris en un circuit imprés per a proporcionar una solució senzilla d'utilitzar. El disseny maquinari incorpora les proteccions necessàries per a dotar de robustesa al circuit, per exemple: protecció contra sobrevoltatges, polaritat inversa, senyals de control aïllats per optoacoblador i referències digital i analògica separades. També s'ha desenvolupat el firmware que es carrega al controlador, així com una interfície gràfica d'usuari que permet el control dels motors des de l'ordinador. Es tracta, per tant, d'un disseny personalitzat en tots els seus nivells (programari, firmware, maquinari) que proporciona una solució compacta per al control de motors aplicat al posicionament d'elements en un laboratori.