Figueroa Aguayo Daniel Universidad de Guadalajara CUCEI Verano 2015

DS1104 R&D Controller Board

Guía de uso de tarjeta

dSpace 1104 para motor

Faulhaber 2342-012 CR Para DS1104 y CP1104/CLP1104 Connector Panels

Contenidos Especificaciones Connector Panel CP1104 .................................................................................. 1

Acerca de esta guia ..................................................................................................................... 3

Introducción a los Motores de C.D (corriente directa) con Encoder Incremental ..................... 4

Conexión del Encoder.................................................................................................................. 6

Conexión del Motor .................................................................................................................... 8

Configuración del programa dSpace ControlDesk .................................................................... 12

Adquisición de Datos y Control mediante el uso de dSpace ControlDesk ................................ 16

Anexo ......................................................................................................................................... 19

1

El panel CP1104 cuenta con diversos puertos tanto de entrada como de salida los cuales consisten en: Entradas Analógicas

4 entradas ADC de 12-bits paraleladas (𝑇𝑠 = 2 𝜇𝑠) ADCH5…ADCH8

Un ADC de 16-bits con 4 entradas ADC multiplexadas(𝑇𝑠 = 800 𝑛𝑠) ADCH1…ADCH4

±10V de rango de entrada

Salidas Analógicas

8 Canales de 16 bits DACH1…DACH8

±10V de rango de salida a ± 5mA Interfaz de Encoder Incremental

Dos entradas digitales, TTL o RS422

Max. 1.65 MHz de frecuencia de entrada 5 V/ 0.5 A de fuente de alimentación para el sensor

Digital I/O

20-bit digital I/O (Dirección seleccionable de cada bit) IO0…IO19

± 5mA corriente de salida

2

Interfaz Serial

Serial UART (RS232, RS485 y RS422)

Subsistema Slave DSP o Slave I/O PWM

Salida PWM trifásico y 4 salidas PWM simples. 14 bits de digital I/O (TTL) Frecuencia de PWM de 1.25 Hz a 5 MHz.

3

La finalidad de esta guía consiste en proporcionar la información necesaria de como conectar un motor Faulhaber 2342-012 CR o similar, a una tarjeta de adquisición de datos dSpace 1104 mediante un panel conector CP1104, para la implementación de un control PID así como también compensadores de adelanto y/o atraso con la posibilidad de monitorear la señal de control, señal de referencia y señal del encoder en tiempo real, con la posibilidad de poder guardar estos datos para un posterior análisis en algún software matemático Ej. MATLAB.

4

Para realizar este experimento se utilizará un motor de CD con un encoder óptico, pero antes de entrar en detalle con respecto a las conexiones que deben realizarse, se describirá de manera sucinta el principio de funcionamiento y partes que componen, tanto al motor como al encoder. Motores de C.D Los motores eléctricos de corriente directa operan bajo un principio de funcionamiento

electromagnético, el cual se basa en la repulsión que ejercen los polos magnéticos de un imán

permanente o estacionario, el cual al interactuar con los polos magnéticos de un electroimán

montado en un eje (este último comúnmente conocido como rotor) el cual le permite girar

libremente entre los polos magnéticos norte y sur del imán permanente situado dentro del motor.

Cuando se le suministra una corriente eléctrica a la bobina del electroimán giratoria, el campo

electromagnético que se genera interactúa con el campo magnético del imán permanente. Al

coincidir la polaridad de los polos tanto del imán giratorio como del estacionario, se produce un

rechazo y un torque magnético o par de fuerza que provoca que el rotor rompa la inercia y comience

a girar sobre su eje, ya sea en sentido de las manecillas del reloj o en sentido contrario dependiendo

de la forma a la polaridad a la que haya sido conectada la bobina a la fuente de voltaje.

A continuación se muestra una imagen para ilustrar esta última explicación:

Al girar la armadura el

conmutador también se moverá

y como puede observarse este

último tiene una ranura en la

parte central de manera que al

completar la media vuelta la

polaridad magnética siempre

este cambiando provocando

que la armadura permanezca

girando hasta que la energía de

la batería se agote.

Armadura

Escobilla Escobilla

Conmutador

5

Encoder Incremental Una vez que un motor esté en funcionamiento es muy común que se desee saber a qué velocidad este se encuentra girando a determinados voltajes, así como la posición en la que la flecha del eje está situada, de manera que mediante la utilización de software y hardware se pueda controlar la velocidad o la posición de este último. Para lograr obtener estos datos es común recurrir a la utilización de un Encoder, con el cual es posible determinar la velocidad y posición de la flecha de un motor.

Un encoder es un dispositivo electromecánico el cual convierte el desplazamiento lineal o rotatorio en una señal digital o en pulsos digitales. El tipo más popular de encoder es el encoder óptico, el cual consiste en un disco rotatorio, una fuente de luz y un fotodetector. El disco, el cual es montado en el eje rotatorio del motor, tiene patrones de sectores opacos y transparentes. Conforme el disco va girando, estos patrones interrumpen la luz emitida al fotodetector, generando un tren de pulsos digitales.

Un encoder óptico genera un pulso por cada paso incremental en su rotación. Aunque este tipo de encoder no provee una posición absoluta, provee una aproximación aceptable la cual es más alta si la resolución de este último es mayor. El tipo más común de encoder incremental utiliza dos canales de salida (A y B) para leer la posición, mediante el uso de dos líneas de patrones, con sectores desfasados por un ángulo de 90°, por lo tanto mediante el uso de estos dos canales se puede encontrar tanto la posición como la dirección de la rotación. Otras características importantes de los encoders incrementales son su resolución, la cual es el número de pulsos que el encoder proporciona por cada revolución del eje, la respuesta máxima en frecuencia la cual es la frecuencia máxima a la cual el encoder puede responder eléctricamente para garantizar su correcto funcionamiento, y la velocidad máxima de rotación que es el número máximo de revoluciones que el encoder puede soportar mecánicamente.

NOTA: Las datasheets tanto del encoder como del motor utilizados en esta guía pueden ser

encontrados en la sección de “ANEXO” de esta misma guía localizada en la parte final.

6

Primero se procederá a mostrar el cómo conectar el Encoder del motor Faulhaber (Figura 1) al panel conector CP1104, el cual es un modelo HEDS 5500 (Faulhaber), el cual posee una resolución de 500 líneas por revolución. En la figura 1.1 se muestra el PINOUT del Encoder.

El cual deberá ser conectado al conector CP19 (Inc 1) o bien el CP20 (Inc 2) del panel conector CP1104, pero antes de mostrar las conexiones al panel, se deben de colocar resistencias en pull-up en los conectores del Channel I, Channel A y Channel, tal cual se muestra en el diagrama de la Figura 1.1 y 1.2.

Figura 1.1 Figura 1

Figura 1.1

7

Finalmente se usara un cable con conector hembra D-Sub de 15 pines (Figura 1.2 y 1.3), el cual ira conectado al panel conector CP1104 (Figura 1.4), y este a su vez ira conectada al Encoder donde:

El pin PHI0(x) corresponde al Channel A El pin PHI90(x) corresponde al Channel B El pin IDX(x) corresponde al Channel I Los pines de VCC(+5V) y cualquier GND se

conectan al encoder del motor

*x corresponde a alguno de los 2 canales disponibles para encoders incrementales: El canal 1 corresponde al CP19 (x = 1) y el canal 2 corresponde al CP20 (x =2), en este caso se usara el canal 1.

Figura 1.2

Figura 1.3

Figura 1.4

8

Para la etapa de potencia del motor se empleó un módulo L298 Dual H-Bridge (Figura 2)

Pines:

Out 1: Motor A (Salida 1) Out 2: Motor A (Salida 2) Out 3: Motor B (Salida 1) Out 4: Motor B (Salida 2) GND: Tierra 5v: 5v input (No es necesario si la fuente de poder utilizada en el motor es de 7v-35v, en ese

caso puede actuar como salida de 5v) EnA: Señal de PWM para control del Motor A In1: Enable Motor A In2: Enable Motor A In3: Enable Motor B In4: Enable Motor B EnB: Señal de PWM para control del Motor A

Figura 2

9

Especificaciones: Double H bridge Drive Chip: L298N Voltaje lógico: 5V Voltaje del motor: 5V-35V Corriente lógica: 0-36mA Corriente del motor: 2A (MAX single bridge) Potencia Máxima: 25W

El motor será conectado a los pines OUT1 y OUT2 (Figura 2.1) Después el motor debe ser conectado a una fuente de alimentación de aprox. 13.9V en el conector marcado como “12v input from DC power source”, ya que existe una pérdida de voltaje en los semiconductores de 1.9V, suministrando 13.9V se asegura de que existe un máximo de 12V alimentando al motor (Figuras 2.2 y 2.3). Ya conectado el motor el motor, ahora se procederá a conectar los pines de “EnA”, “In1” y “In2” los cuales tienen como función controlar la velocidad del motor (EnA) y controlar el sentido de giro del motor (In1 y In2), para esto es recomendable usar jumper wires hembra-macho (Figura 2.4)

Figura 2.1

Figura 2.2

Figura 2.3 Figura 2.4 Figura 2.3

10

El jumper wire del pin “EnA” deberá ser conectado al cable con conector Sub-D hembra de 37 pines (Conectado en el Connector panel Cp1104 en el conector Slave I/O PWM) en el pin 7 (SPWM1) del conector Sub-D (Figura 2.5 y Figura 2.6)

Nota: Es importante no

olvidar conectar

cualquiera de los pines de

GND del conector sub-D al

GND de la fuente de

alimentación, los pines de

VCC (+5V), no se usaran

Figura 2.5ra

4

Figura 2.6

11

Finalmente se conectaran los jumper wires de los pines “In1” y “In2, usando un cable con conector

Sub-D macho de 37 pines (Conectado en el Connector panel Cp1104 en el conector Digital I/O), el pin

“In1” conectado al pin 21 (IO2) del conector Sub-D y el pin “In2” conectado al pin 24 (IO6) del

conector Sub-D. (Figuras 2.6 y 2.7)

Figura 2.6ra

4

Nota: Es importante no

olvidar conectar

cualquiera de los pines de

GND del conector sub-D al

GND de la fuente de

alimentación, los pines de

VCC (+5V), no se usaran

Figura 2.7

12

Este es el software que se utilizara para la adquisición de datos del encoder del motor así como para el control del mismo. Para abrir este programa se le da doble clic al icono de dSpace ControlDesk en el escritorio (Figura 3) Una vez que el software termine de cargar se mostrará la interfaz de dSpace ControlDesk la cual se ilustra en la figura 3.1

Como la finalidad de esta guía es la de explicar cómo utilizar un experimento ya desarrollado no se explicara a profundidad la utilización de este software más que lo relacionado al experimento. Ya abierta la interfaz de dSpace es importante asegurarse de que el Connector Panel CP1104 este correctamente conectado y que este tenga una conexión correcta con la tarjeta de adquisición de datos conectada al PCI de la computadora, para verificar esto basta con ir a la sección de “Log Viewer” en la cual debe aparecer el mensaje mostrado en la Figura 3.2.

Figura 3

Figura 3.1

Ventana de herramientas

Navegador

Barra de Herramientas

Figura 3.2

13

Ahora se procederá a cargar el experimento para la adquisición de datos del Motor Faulhaber 2342-012CR, para esto se debe ir a la parte de “File” localizada en la esquina superior izquierda, y al darle click se mostrará un menú (Figura 3.3) en el cual se deberá dar click en la parte de “Open experiment”, una ventana de exploración de archivos se abrirá, en la cual deberemos localizar el experimento “dataM” localizado en “C://Experiments” (Figura 3.4).

Una vez seleccionado el experimento se mostrará una advertencia (Figura 3.5), a la cual se le deberá decir que No, ya que para asegurarnos de que se cargue la aplicación correcta se seleccionara manualmente desde la interfaz.

Figura 3.2 Figura 3.4

Figura 3.5

Figura 3.3 Figura 3.3 Figura 3.4

14

Después se abrirá el experimento (Figura 3.6), ahora se debe cargar un archivo que contiene un código compilado en MATLAB el cual contiene toda la programación para la adquisición de datos así como para el control del motor, para hacer esto se debe ir a la sección de “Ventana de Herramientas” y deberá seleccionarse la pestaña llamada “File selector” localizada en la parte inferior, el cual es un explorador de archivos nuevamente deberemos ir a la carpeta de “Experiments” localizada en “C://Experiments” y en la parte derecha deberemos localizar el archivo “Datam.sdf” (Figura 3.7).

Ya localizado el archivo, en la zona denominada “Navegador” se deberá dar clic en la parte de “plataform” (icono de rectángulo verde), una vez hecho esto se nos mostrará un icono que muestra la tarjeta ds1104 conectada al ordenador (Figuras 3.8 y 3.9). Ahora se deberá arrastrar el archivo “Datam.sdf” hacia el icono “ds1104” en la sección de “Navegador”.

Figura 3.6

Figura 3.7

Figura 3.8

Figura 3.9 Figura 3.9

Figura 3.7

Layouts

15

Ahora se deberá comprobar si la aplicación ha sido correctamente, para esto se debe ir a la pestaña de “Log Viewer” localizada en la sección de “Ventana de herramientas” y se deberá mostrar el mensaje mostrado en la Figura 3.10 y también el icono de ds1104 localizado en la sección de “Navegador” deberá verse como en la Figura 3.11:

Con esto se ha finalizado la configuración del software y ahora se encuentra listo para comenzar el experimento.

Figura 3.10

Figura 3.11

16

Una vez lista la configuración del experimento ahora se procederá a realizar el experimento de control y adquisición de datos, para esto es importante conocer cada parte de cada una de las “layout” (Figuras 4 y 4.1)

Monitores Capturado de Datos

Ajuste PID Figura 4

Figura 4.1

17

A continuación se describen de manera sucinta cada una de las partes tanto de la figura 4 como la de la figura 4.1

Monitores En esta parte se muestran monitores que muestran la velocidad del motor en RPM, el Error, PWM aplicado así como las ganancias Proporcional, derivativa e integral del controlador PID en tiempo real.

Capturado de Datos Esta parte es la encargada de adquirir los datos del encoder, y la cual se usara para exportar los datos capturados en un determinado lapso de tiempo definido (Modificable) después de que se inicie el experimento ,lo cual se explicara más adelante.

Main Start/Stop Este es un selector de Inicio/Paro como su nombre lo indica, el cual inicia o para el experimento, es importante aclarar que solo lo detiene, es decir, si el motor está funcionando y se para el experimento este se quedara girando a la última acción de control aplicada antes de presionar el paro, si lo que se busca es detener completamente el motor se deberá dar stop y posteriormente inicio en la barra de herramientas del ControlDesk localizada en la parte superior (Figura 4.2).

Plotter Son dos y su función en es la de trazar una curva de RPM (eje y) vs tiempo (eje x) en tiempo real para el plotter superior (señal verde=Referencia y señal roja= RPM del motor), y el inferior se encarga de trazar la curva de control PWM (eje y) del 0 al 1 (siendo el 1=100%) vs tiempo (eje x).

Selector de Señal y Tipo de Controlador Estos bloques no necesitan mayor explicación, y como su nombre lo indica mediante el uso de estos se puede cambiar la señal de referencia así como el tipo de controlador empleado.

Ajuste PID Mediante el uso de sliders, se puede cambiar en tiempo real la ganancia Proporcional (P), Derivativa (D) e Integral (I) del controlador PID en tiempo real.

Perturbación Manual Como su nombre lo indica con este slider es posible simular una perturbación al sistema, esto es de utilidad si es que se desea saber que tan rápido corrige estas perturbaciones cierto controlador. Y en la pestaña de configuración se encuentran bloques que permiten modificar distintos valores de las señales de referencia (Valor máx., Valor min, Offset, Periodo, etc.) así como los polos y ceros de los compensadores de Adelanto/Atraso y Atraso-Adelanto, los coeficientes de una función de transferencia y un ajuste más preciso de las ganancias PID, para hacer esto basta con seleccionar el bloque cuyo valor se desee modificar, introducir un el valor numérico deseado y presionar la tecla ENTER. (ControlDesk debe estar en modo animación para poder editar estos valores)

18

Iniciando el Experimento El siguiente paso es poner en modo animación el software de ControlDesk con la finalidad que se habiliten todos los bloques en tanto el layout principal (“datam”) y el layout de configuración (“configuración”) , para hacer esto se debe ir a la barra de herramientas y seleccionar el botón de animación y posteriormente al botón de “play” (Figura 4.2).

Una vez puesto el software en modo animación se deben hacer las configuraciones deseadas en la parte de configuración tanto en la señal de referencia y el controlador que se empleara en el experimento. Después se debe configurar el bloque de Capturado de datos (Figura 4.3), para definir el límite de tiempo en segundos que se deseen capturar datos se debe configurar el valor en la casilla de “Lenght”, tambien se debe desmarcar la casilla de “Auto Repeat” esto para que el bloque pare de capturar datos una vez pasado el tiempo definido en la casilla “Length”, finalmente se debe presionar el botón de “Start” para que este quede listo para capturar los datos del encoder del motor,

El paso final será seleccionar el botón de “Start” del bloque “Main

Start/Stop” (Figura 4.4), con esto el motor encenderá y será posible

observar cómo se trazan las curvas en los plotters. Una vez que las

curvas se hayan terminado de trazar se debe seleccionar el botón de

“Stop”, y después parar e iniciar el experimento desde el software de

“ControlDesk” para que el motor se pare si es que el motor se quedo girando después de seleccionar

el botón de “Stop” del bloque “Main Start/Stop”

Si se desean guardar los datos capturados basta con dar clic en el botón “Save” del bloque de

Capturado de datos (Figura 4.3), y guardar el archivo generado.

Figura 4.2

Figura 4.3

Figura 4.3

19

20

21