Tacometro Digital

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TACOMETRO DIGITALOBJETIVO El presente trabajo tiene como objetivo describir el funcionamiento de un circuito implementado para el control posicin de un motor DC , utilizando la tcnica de PWM para el control de velocidad e IGBT para la etapa de potencia que en este caso es un puente con el cual se puede manejar corrientes y voltajes considerables mayor de las que podramos manejar con transistores bipolares o mosfet. Se enfatiz tambin en describir las caractersticas del IGBT como primera opcin de la realizacin de circuitos de potencia y su respectiva comparacin con otras tecnologas similares. MARCO TEORICO Para empezar describiremos los componentes mas importantes en el diseo del tacmetro digital que son el motor y el IGBT que se necesita saber para realizar un buen control de velocidad y giro. y y y y y y y Tacmetros accionados por el eje de la mquinas Tacmetros de mano Tacmetros porttiles Tacmetros teleindicadores Tacmetros de generador Tacmetros de arrastre magntico Tacmetros registradores de velocidad (tacgrafos)

MOTOR DC El motor de corriente continua es una mquina que convierte la energa elctrica en mecnica, principalmente mediante el movimiento rotatorio Esta mquina de corriente continua es una de las mas verstiles en la industria por los diferentes usos que se le puede dar. Su fcil control posicin, parada y velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en aplicaciones de control y automatizacin de procesos. Pero con la llegada de la electrnica su uso ha disminuido en gran medida. Pues los motores de corriente alterna (asncronos), pueden ser controlados de igual forma a precios ms accesibles para el consumidor, ya que requieren menos mantenimiento y el costo de un motor AC es menor que uno DC.A pesar de esto los motores de corriente continua se siguen

utilizando en muchas aplicaciones de potencia ( trenes y tranvas) o de precisin ( maquinas, micromotores,etc). La principal caracterstica del motor de corriente continua es la posibilidad de regular la velocidad desde vaco a plena carga. El motor de corriente continua se compone principalmente de 2 elementos : y y Estator Rotor

Dentro de los cuales se pueden distinguir otros componentes: ESTATOR ARMAZON IMAN PERMANENTE ESCOBILLAS Y PORTAESCOBILLAS TAPAS ROTOR EJE NUCLEO Y DEVANADO COLECTOR

ESTATOR O INDUCTOR Es un elemento inmvil del circuito magntico en el que se bobina un arrollamiento para producir un campo magntico. El electroimn as construido tiene una cavidad cilndrica entre sus polos. Este flujo magntico ser usado por el rotor para realizar el movimiento giratorio. ROTOR Es un clindro de chapas magnticas , aisladas entre si y perpendiculares al eje del cilindro. El inducido es mvil y gira alrededor de su eje separado del inductor por un entrehierro. Los conductores estn regularmente repartidos. Esta parte del motor es la que genera el torque para mover la carga. EJE Formado por una barra de acero fresada. Imparte la rotacin al ncleo, devanado y al colector. NUCLEO

Se localiza sobre el eje. Fabricado con lminas de acero, su funcin es proporcionar un trayecto magntico entre los polos para que el flujo magntico de, devanado circule. Las laminaciones tiene por objeto reducir las corrientes parasitas en el ncleo. El acero del ncleo debe ser capaz de mantener baja la perdida por histresis. Este ncleo laminado contiene ranuras a lo largo de su superficie para albergar al devanado de la armadura. DEVANADO Consta de bobinas aislada entre si y entre el ncleo de la armadura. Estas bobinas estn alojadas en las ranuras, y estn conectadas elctricamente con el colector, el cual debido a su movimiento rotatorio, proporciona un cambio de conduccin conmutado. COLECTOR Denominado tambin conmutador esta constituido de lminas de material conductor (delgas), separados entre si y del centro del eje por un material aislante, para evitar cortocircuitos con dichos elementos, de modo que gira con este y est en contacto con las escobillas. Su funcin es recoger la tensin producidas por el devanado inducido, transmitindola al circuito por medio de las escobillas. ARMAZON Denominado tambin yugo, tiene dos funciones: servir como soprte y proporcionar una trayectoria e retorno al flujo magntico del rotor y del iman permanente, para complementar el circuito magntico. IMAN PERMANENTE Compuesto de materila ferromagntico, se encuentra fijado al armazn o carcasa del estator. Su funcin es proporcionar un campo magntico uniforme al devanado del rotor o armadura, de modo que interactue con el campo formado por el bobinado, y se origine el movimiento del rotor como resultado de la interaccion de estos campos.

ENCODERS Los Encoders son sensores que generan seales digitales en respuesta al movimiento. Estn disponibles en dos tipos, uno que responde a la rotacin, y el otro al movimiento lineal. Cuando son usados en conjunto con dispositivos mecnicos tales como engranes, ruedas de medicin o flechas de motores, estos pueden ser utilizados para medir movimientos lineales, velocidad y posicin. Los encoders estn disponibles con diferentes tipos de salidas, uno de ellos son los ENCODER INCREMENTABLES, que generan pulsos mientras se mueven, se utilizan para medir la velocidad, o la trayectoria de posicin. El otro tipo son los ENCODERS ABSOLUTOS que generan multi-bits digitales, que indican directamente su posicin actual. Dispositivo de control de puertas y y y y y y y y y y y Robtica Maquinas de lente demoledor Plotter Soldadura ultrasnica Maquinaria convertidora Maquinas de ensamblaje Maquinas etiquetadoras Indicacin x/y Dispositivos de anlisis Maquinas taladradoras Maquinas mezcladoras

y

Equipo medico.

TECNOLOGA Los Encoders pueden utilizar tanto tecnologa ptica como magntica. El sensor ptico provee altas resoluciones, velocidades de operaciones altas, y con seguridad, operacin de larga vida en la mayora de los ambientes industriales. Los sensores magnticos, se utilizan frecuentemente en aplicaciones de trabajo pesado como en laminadoras de papel y acero, proveen buena resolucin, altas velocidades de operacin, y mxima resistencia al polvo, humedad, y golpe trmico y mecnico. Encoders pticos Los encoders pticos utilizan un disco de vidrio con un patrn de lneas depositadas en l, un disco metlico o plstico con ranuras (en un encoder rotatorio), o una tira de vidrio o metal (en un encoder lineal). La luz de un LED brilla a travs del disco o tira sobre uno o ms fotodetectores, que produce el suministrador del encoder. Un encoder de incremento tiene una o ms de estas pistas, mientras que un encoder absoluto tiene varias pistas como bits de salida.

Encoders Magnticos La tecnologa magntica es muy resistente al polvo, grasa, humedad, y a otros contaminantes comunes en los ambientes industriales, as como a los golpes y vibraciones. Existen varios tipos de sensores magnticos. Los sensores de reluctancia variable detectan cambios en el campo magntico causado por la presencia o movimiento de un objeto ferromagntico. El sensor rotatorio de reluctancia variable ms sencillo, comnmente llamado magneto recolector, consiste en un carrete enrollando un imn permanente. Este genera un pulso de voltaje cuando un diente de engrane se mueve ante este. Fuerte, seguro, barato, este sensor se utiliza en la mayora de las veces para medir la velocidad, ya que no trabaja a menos que el objeto se este moviendo ante la cara del sensor cerca de unas 180 pulgadas por segundo o ms rpido.

Codificacin Incremental Los encoders de incremento proveen un nmero especfico de pulsos equitativamente espaciados por revolucin (PPR) o por pulgada o milmetro de movimiento lineal. Se utiliza un solo canal de salida para aplicaciones donde el sentido de la direccin de movimiento no es importante (unidireccional). Donde se requiere el sentido de direccin, se utiliza la salida de cuadratura (bidireccional), con dos canales de 90 grados elctricos fuera de la fase; el circuito determina la direccin de movimiento basado en la fase de relacin entre ellos. Esto es til para procesos que se pueden revertir, o para mantener la posicin de red cuando se encuentra inmvil u oscilando mecnicamente. Por ejemplo, la vibracin de la maquina mientras este detenido podra ocasionar que un encoder unidireccional produzca una corriente de pulsos que seran contados errneamente como movimiento. El controlador no sera engaado cuando se utilice la cuadratura de conteo. Cuando se requiere ms resolucin, es posible para el contador computar los mrgenes de direccin y rastreo de la serie de pulsos de un canal, el cual duplica (x2) el nmero de pulsos contados para una rotacin o pulgada de movimiento. Al contar ambos mrgenes de direccin y de rastreo de ambos canales darn una resolucin x4

Una salida de un encoder incremental indica movimiento. Para determinar la posicin, sus pulsos deben ser acumulados por un contador. La cuenta esta sujeta a prdida durante una interrupcin de energa o corrupcin por transistores elctricos. Cuando comienza, el equipo debe ser dirigido a una referencia o posicin de origen para inicializar los contadores de posicin. Algunos encoders de incremento tambin producen otra seal conocida como el ndice, marcador, o canal Z, Esta seal, producida una vez por revolucin de un encoder de eje o a puntos precisamente conocidos sobre una escala lineal , Se utiliza frecuentemente para localizar una posicin especfica, especialmente durante una secuencia de mensajes. Codificacin Absoluta Un encoder absoluto genera mensajes digitales lo cual representa la posicin actual del encoder, as como su velocidad y direccin de movimiento. Si la energa se pierde, su salida ser corregida cada vez que la energa sea reestablecida. No es necesario ir a una posicin referencial como con los encoders de tipo incremental. Los transistores elctricos pueden producir nicamente errores de datos transitorios, usualmente muy breve como para afectar la dinmica de un control de sistema. La resolucin de un encoder absoluto es definida como el nmero de bits por mensaje de salida. Esta salida puede ser directamente en cdigo binario o Gray, el cual produce un cambio de un solo bit en cada paso para reducir errores. RESOLUCIN Y PRECISIN Resolucin es el nmero de segmentos de medicin o unidades en una revolucin de un eje de encoder o una pulgada o milmetro de una escala lineal. Los encoders de eje estn disponibles con resoluciones arriba de los 10,000 pulsos por revolucin (PPR) directamente, y 40,000 PPR por deteccin de margen de los

canales A y B, mientras que los encoders lineales estn disponibles con resoluciones medidos en microns. La lnea inferior es, el encoder selecto debe de tener resolucin igual a o mejor que la requerida por la aplicacin. Pero la resolucin no es toda la historia. Precisin y resolucin son diferentes, y es posible tener uno sin necesidad del otro. Esta figura muestra una distancia X dividida en 24 incrementos o bits. Si X representa 360 del eje de rotacin, entonces una revolucin ha sido resuelta a 24 partes. Mientras que haya 24 bits de resolucin, las 24 partes no son uniformes. Este transductor puede no ser usado para medir la posicin, velocidad o aceleracin con ms precisin.

Inexactamente Resuelta Por otra parte, en esta figura la distancia X es dividida en 24 partes iguales. Cada incremento representa exactamente 1/24 de una revolucin. Este transductor opera con exactitud as como la resolucin. La precisin, sin embargo, puede ser independiente de la resolucin. Un transductor puede tener una resolucin de solamente dos partes por revolucin, an as su precisin puede ser + 6 arco segundos.

Exactamente Resuelta Efectos de Sistema sobre la Precisin y la Repeticin Precisin del Sistema: La ejecucin del encoder es comnmente representado como resolucin, mejor que precisin de medicin. El encoder puede ser capaz de determinar movimiento en bits exactamente precisos, pero la precisin de cada bit es limitado por la calidad de movimiento de la mquina que est siendo monitoreada. Por ejemplo, si hay desviaciones de elementos de la maquina por debajo de la carga, o si hay un tornillo de manejo con 0.1 pulgadas de movimiento, usando un encoder de 1000 cuentas por vuelta

con un lector de desempeo a 0.001 pulgadas no podr mejorar la tolerancia de 0.1 sobre la medicin. El encoder solo reporta la posicin; no puede mejorar la precisin bsica del movimiento del eje desde la cual la posicin es detectada. Nota: Dado un diseo particular de maquina, algunos errores en la medicin de movimiento como contragolpe mecnicas y errores en tornillos de plomo o sistemas de engranaje, pueden ser electrnicamente compensados por algunos de los ms avanzados controles de movimiento. Repeticin del Sistema: La repeticin es la tolerancia a la que el elemento controlado de la maquina puede ser repetidamente posicionado al mismo punto en su recorrido. La repeticin es generalmente menor que resolucin de sistema, pero un tanto mejor que la precisin del sistema. 10,000 pulsos por vuelta pueden ser generados desde un encoder de 2500 ciclos, de dos canales. Tpicamente con un encoder Dynapar, esta seal de 4x ser exacta para mejorar ms que un estimado de + 1 conteo. COMUNICACION DE ENCODER La salida de un ENCODER INCREMANTABLE es un pulso de corriente sobre uno o dos canales, mientras que la salida de un ENCODER ABSOLUTO es un mensaje en multibits. Esto puede ser transmitido en cualquier en forma paralela o serial. Salida Paralela La salida paralela hace que todos los bits de salida estn simultneamente disponibles. Pueden ser suministrados en cdigo Binario o ser transformados a cdigo Gray. El cdigo Gray produce solamente un cambio de un solo bit en cada paso, lo cual puede reducir errores. La tabla que a continuacin se presenta muestra un ejemplo de conversin entre el cdigo Binario puro y el cdigo Gray. Algunos encoders de rendimiento paralelo tambin pueden aceptar informacin de afuera las salidas de comandos con marcador, por ejemplo, estableciendo el sentido y direccin. La ventaja de la salida paralela es que es rpida: toda la informacin esta disponible en tiempo real, en todo momento. Las desventajas incluyen cables voluminosos, caros y de duracin limitada. La mayora de los encoders vienen con cables de 1 o 2 metros de longitud, sin embargo una salida paralela usando una salida diferencial y cableado aislado puede ser usado hasta 100 metros usando un cable ms grueso, a una reduccin en la velocidad. Los rendimientos de un colector abierto (disminuyendo u originando) pueden ir aproximadamente a un tercio hasta ese punto. Salida Serial La alternativa a la salida paralela es codificarlo y enviarlo en forma serial. Hay varios transportes seriales disponibles, as como conductores industriales estndar. Los intercambios entre estas incluyen bandas anchas, proporciones actualizadas, requerimientos de hardware, los cuales son patente vs. no patente, y su disponibilidad.

APLICACIONES Medida Lineal/Recta con Encoders de Eje A travs de las medidas mecnicas, usualmente las rejillas, piones o tornillos de metal, los ENCODERS ROTATORIOS pueden medir el movimiento lineal o recto. Calibrando el nmero de pulsos por unidad de medida implica seleccionar el transductor correcto y puede incluir un paso de calibracin separada. Medicin de longitud con ruedas y rodillos Un encoder tambin puede medir la distancia lineal usando un rodillo o una rueda de medicin. La tabla de abajo muestra la calibracin constante, K, que debe ser establecida sobre el contador o tacmetro para as dar la resolucin deseada en el display. Ejemplos:

TIPO 1 Estableciendo Posicin de Referencia Pulso de Referencia

TIPO 2

Un pulso de referencia de un encoder de incremento (algunas veces llamado Marcador o ndice de Pulso) ocurre en un punto preciso conocido en una revolucin de 360 de un encoder de eje o a lo largo de una escala lineal. Una posicin particular puede ser identificada usando la produccin de un pulso de referencia, o relacionando lgicamente el pulso de referencia a los canales de datos A y B. Aunque es frecuentemente utilizado en control de aplicaciones de

posicin y movimiento como un punto de partida de una posicin conocida desde el cual la trayectoria de conteo y posicin comienza. En el largo viaje o las mltiples vueltas del encoder, el pulso de referencia es utilizado algunas veces por el control para iniciar un chequeo electrnico sobre el conteo total recibido del encoder. Por ejemplo, cada vez que un pulso de referencia es recibido por el control, el conteo total recibido de los canales A y B debera ser un mltiplo de las pulsaciones del encoder por revolucin. Distorsin de Seal La mayora de los problemas de transmisin de seal implican ruido elctrico. La severidad del problema incrementa con la distancia de transmisin. La buena prctica de proteccin, como se explico anteriormente, deber ser observada. La causa principal de la distorsin de seal es la longitud del cable, o ms especficamente, la capacidad del cable.

Generalmente, los electrnicos recibidos respondern a una seal de entrada que puede ser lgica 0 o lgica 1. La regin entre lgica 0 y lgica 1 es indefinida, y la transicin por esta regin debe de ser muy rpida (menos de un microsegundo). Cuando el borde principal de la forma de la onda es distorsionada, el tiempo de transicin incrementa. Hasta cierto punto, el receptor se vuelve inestable y el conteo del encoder puede incrementarse o perderse. Para minimizar la distorsin, se debe de utilizarse el cable de baja capacidad (casi menos de 40 picofarads por pie). Mientras ms largo sea el cable, mejor es el potencial para la distorsin de seal. Ms all de la longitud del cable, la seal debe de ser reformada antes de que pueda se utilizado confiablemente.

La distorsin de la onda-cuadrada no es usualmente significante para la longitud de los cables menor de casi 50 pies (capacidad arriba de los 1000 picofarads). Se recomiendan los encoders suministrados con lneas conductoras diferenciales para aplicaciones con requerimientos de longitud de cable de cientos de pies.

La mayor seguridad de la integridad de los signos se alcanza mejor cuando un encoder con salidas de conductores de lnea se utilizan en conjunto con una lnea receptora. Pautas Generales y y y y y Los encoders se usan para proveer de medidas precisas de movimiento. Nunca martille el extremo final del eje Evite martillar la caja del encoder cuando los encajes mecnicos estn ajustadas. No someta al encoder a hacer un esfuerzo radial o axial en el eje. No utilice un acoplamiento rgido o tcnicas de montaje improvisado.

Los encoders proveen medidas de calidad con excelente exactitud cuando son instalados adecuadamente (con dispositivos y accesorios adecuados para su montaje). IGBT E IGBT es un hibrido que combina las caractersticas de los transistores bipolares y de los mosfets. Su similitud con los mosfet es que se controla por tensin y no por corriente como los transistores bipolares. Los IGBT trabajan a mayores frecuencias que los transistores pero a menores que los MOSFET. Para altas y medianas potenciasy tensiones. Se recomienda usar IGBT ya que tienen menos perdidas en conmutacin que los MOSFET.

CARACTERISTICAS y y y y y Control de puerta como mosfet y salida caracterstica tipo BJT. Velocidad intermedia Trabaja con tensiones y corrientes mayores mosfet. Geometria y dopado similares (capa n menos dopada y mas ancha. Soporta tensiones inversas.

REALIZACION DEL PROYECTO ETAPA DE CONTROL Modulacin de Ancho de Pulso (PWM) Es el mecanismo utilizado para variar la velocidad de un motor DC de escobillas. Consiste en variar la anchura de pulso o el duty cycle en un ciclo de PWM de manera de variar el average de la tensin DC aplicada al motor

PWM es una manera eficiente, para simular un rango de valores anlogos usando circuitos digitales. Switchando rpidamente entre cero voltios y el voltaje nominal del motor, se obtiene un valor promedio comprendido entre esos dos lmites. Tres seales son presentadas en la figura arriba, todas tienen la misma frecuencia, pero el ancho de los pulsos son diferentes. Variando la duracin del tiempo on, el motor puede ver un promedio de cualquier valor entre 0V y +V. Frecuencias recomendadas para PWM estn entre 20 y 30 Khz. Para la generacion del PWM se uso el pic 16F887 , su funcionamiento es que por variacion de voltaje en el puerto analogo RA0 mediante un potenciometro cambie el duty cicle de la seal la cual es enviada del puerto RC2 del pic

PROGRMA PARA EL PIC #include #device #fuses #use #include #byte adc=10 NOWDT,MCLR delay(clock=4000000) TRISC=0x07

void main(){ float digital,RPM; int16 m=0; TRISC=0; setup_adc_ports(sAN0 | sAN1); setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); setup_timer_2(T2_DIV_BY_16,254,1); setup_ccp1(CCP_PWM); lcd_init(); while(1) { set_adc_channel(0); delay_us(20);

digital=read_adc(); m=digital; set_pwm1_duty(m); digital=5.0*digital/1024.0;

printf(lcd_putc, "\fVOLTAJE= %01.2f V", digital); set_adc_channel(1); delay_us(20); RPM=read_adc(); RPM=5.0*RPM/1024.0; RPM=RPM/0.015; RPM=RPM/60; RPM=RPM*100; printf(lcd_putc, "\RPM= %01.2f", RPM); delay_ms(250);

}}

CAMBIO DE GIRO Para el cambio de giro se uso el flip-flop j-k (74ls76) modificado para que funcione como biestable uniendo el terminal J y K ponindolos a 5 V ya modificado al recibir un flanco de bajada en su clock que ser proporcionado por un pulsador las seales de Q Y /Q del 74ls76 sern enviadas al CI 74ls08 las cuales combinadas con la seal PWM generada por el PIC comuten entre los dos pares de IGBTS y hagan el cambio de giro

ETAPA DE POTENCIA MOTOR CON ENCODER El motor D04G321E de HITACHI es un motor de corriente continua de 24V y 170 revoluciones que se caracteriza por incluir un encoder o codificador de cuadrante que manda un tren de impulsos cuando gira el eje del motor, permitiendo as que un circuito externo pueda saber la velocidad real a la que esta girando el eje y cuantas vueltas da. El encoder est formado por dos sensores de efecto hall que proporcionan un total de 360 pulsos por cada vuelta completa del rotor. El motor cuenta con condensadores internos de filtro que ayudan a minimizar el ruido y los parsitos generados por el motor al girar. El eje de salida es de 5mm de dimetro y encaja perfectamente en el casquillo de la rueda de 100 mm S360182. Existe un soporte especialmente diseado para este motor S360300 que permite una sujecin sencilla y robusta a cualquier superficie. Caractersticas: Tensin nominal: 24V. Fuerza: 1,5 Kg/cm. Velocidad nominal: 170 rpm. Corriente nominal: 530 mA. Velocidad sin carga: 216 rpm. Corriente sin carga: 150 mA. Corriente de parada: 2,5 A. Potencia nominal: 19 W. Pulsos por vuelta: 100 ppr. Longitud total: 86,6mm. Dimetro motor: 30mm. Dimetro Eje: 5mm. Longitud Eje: 9mm. Conexiones :Cable de 6 conductores de 90mm acabado en un conector tipo JST de 6 vas. CARACTERISTICAS y Voltaje: 5V-24V y Potencia: 19 W y Velocidad a 24V: 5000 rpm y Torque max a rotor parado: 1.5 (0.9)kg-cm y Encoder ptico de 100 pulsos por revolucin (100ppr) y El encoder tiene un dos salidas, Canal A y Canal B y Dimensiones: Largo total: 12.5 cm Dimetro: 3.5cm Dimetro de la flecha de salida: 8mm

OPTOACOPLADOR El Optoacoplador es un dispositivo que se compone de un diodo LED y un fototransistor, de manera de que cuando el diodo LED emite luz, ilumine el fototransistor y conduzca. Estos dos elementos estn acoplados de la forma ms eficiente posible.

La corriente de salida IC del optocoplador (corriente de colector del fototransistor) es proporcional a la corriente de entrada IF (corriente en el diodo LED). Ya que las compuertas de los IGBTS se activan con 15 voltios y la seal del PIC es de 5 voltios, se necesita amplificar la seal y a la vez proteger el circuito de control para ello se uso el optoacoplador 4N35 el cual se alimenta con 15 voltios para la etapa de potencia

IGBT E IGBT es un hibrido que combina las caractersticas de los transistores bipolares y de los mosfets. Su similitud con los mosfet es que se controla por tensin y no por corriente como los transistores bipolares. Los IGBT trabajan a mayores frecuencias que los transistores pero a menores que los MOSFET. Para altas y medianas potenciasy tensiones. Se recomienda usar IGBT ya que tienen menos perdidas en conmutacin que los MOSFET.

CARACTERISTICAS y y y y y Control de puerta como mosfet y salida caracterstica tipo BJT. Velocidad intermedia Trabaja con tensiones y corrientes mayores mosfet. Geometria y dopado similares (capa n menos dopada y mas ancha. Soporta tensiones inversas.

CIRCUITO FINAL