CLASE 8: CONVERSIÓN D/A, ACTUADORES Y Conversión...

Lic. José H. Moyano – Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Computación – Universidad Nacional del Sur

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CLASE 8: CONVERSIÓN D/A, ACTUADORES Y CONTROL DE MOTORESSistemas Embebidos 2018

Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Computación

Universidad Nacional del Sur

Conversión Digital/Analógica

Conversión Digital/Analógica Conversión Digital/Analógica

Los DAC son más económicos que los ADC: no suele haber multiplexado de los canales.

Filtrado: para eliminar el ruido/suavizar la señalAmplificación (analógica): para ajustar señal y operar en potenciaTransductor: el actuador a controlar

Ej: mostrartemperatura:


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Conversor Digital/Analógico (DAC): a partir de valores digitales provistos por el microcontrolador genera una señal analógica.

Varios tipos de técnicas:Pulse Width Modulation (PWM)Usando amplificadores sumadores analógicos

Amplificador sumador convencional

DACs de resistencias en escalera

Usando decodificadoresCodificación de Termómetro (notación unaria).Híbridos: combinan las técnicas anteriores.

Conversión Digital/AnalógicaPWM: Uno de los métodos más simples.


Amplificadores sumadores analógicos:Amplificador sumador convencional(peso binario a cada bit)DACs de resistencias en escalera


Amplificadores sumadores analógicos:Amplificador sumador convencional(peso binario a cada bit)DACs de resistencias en escalera


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Usando decodificadores:

Conversión Digital/AnalógicaCodificación de Termómetro (notación unaria):

Interfaces y actuadores

Actuadores

Actuar sobre entorno: tarea usual en Sistemas Embebidos:Producir movimiento: lineal (solenoides), angular (servo motores), etc.Accionar válvulas y/o mecanismos neumáticosControlar termostatosImplementar herramientas de Control Numérico Computarizado (CNC): (ej: tornos, fresadoras, etc.).etc.


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Motores de corriente continua

Motores de corriente continua (DC)

Simples de manejar.

Giran mientras se les aplica corriente.

Útiles cuando se requiere alta velocidad y eficiencia (en relación al consumo) del motor pero no tanta precisión en el control.

Motores de corriente continua (DC)Dos tipos principales:

con escobillas (brushed DC motors): conmutación mecánicasin escobillas (brushless DC motors): conmutación electrónica

Controlando Motores DC

En motores DC principalmente se efectúan dos tipos de control :control del sentido de rotación.control de la velocidad/torque del motor.

Se les pueden incorporar encoders (mecanismos de medición de la posición del eje) para lograr un control más preciso (control realimentado).


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Controlando Motores DCPuente H (H-Bridge): switching reversible – controlando el sentido de giro.

Controlando Motores DCPuente H (H-Bridge): switching reversible

Puente H y cuestiones eléctricasPuente H de control:

Hay que controlar el temporizado de laconmutación para evitar cortocircuitos.

Hay que evitar que las líneas de controlfloten libremente al inicializar el sistema

Puente H y cuestiones eléctricasPuente H de control:

Las propiedades constructivas de lostransistores también pueden desencadenar un corto (capacidades parásitas).

Se atenúa el efecto, minimizando la impedancia del driver.


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Controlando Motores DCEj. L293D ASIC dual H-Bridge

Controlando Motores DCPWM – controlando la velocidad de giro

Controlando Motores DCPWM – controlando la velocidad de giro:

La respuesta ante la señal PWM no es instantánea (inercia).La velocidad alcanzada no es lineal en función del PWM duty cycle: se requiere calibración

Controlando Motores DCPueden requerir realimentación para facilitar el control (giran libremente mientras reciben tensión)

shaft encoders ópticosshaft encoders magnéticos (sensores de efecto hall)

Esta es la única manera de conocer la velocidad de giro de manera precisa: ante cargas variables.para compensar las no linealidades y los errores.


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Controlando Motores DC Controlando Motores DC

Existen ASICs de control realimentado de motores de corriente continua:

Ej: LM628: DAC + PowAmp

Ej: LM629: H-Bridge (PWM)

Controlando Motores DC

Para frenar motor:Desconectar el motor del circuito y que gire libremente hasta detenerseFrenar el motor conectando las señales 2 y 4 o 1 y 3.Poner la velocidad a cero (señal PWM nula)

La única forma de ejercer un control preciso es utilizando realimentación (vía encoders) para medir velocidad y posición.

Motores paso a paso


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Motores paso a paso (steppers)

Se mueven un ángulo prefijado (gran control de la posición angular del eje, en teoría).

Pueden controlarse sin realimentación (control de lazo abierto), pero:tienen características de inicio difíciles de manejarmuestran resonancia mecánica a ciertas velocidadesbuen torque a bajas velocidades, pero decrece al acelerar (velocidad máxima limitada).

Esto puede hacer perder la sincronización entre el stepper y el sistema de control.

Más complejos de manejar que los motores DC.


Crean un campo magnético en el estator, al cual se alinea el rotor

Varios tipos:reluctancia variablemagneto permanente (más torque que RV)híbridos (añaden dientes a los de MP)

Motores paso a paso (steppers)Varios tipos:

unipolares: bobinados conectados a V+ en el centrobipolares: bobinados sin conexiones comunes


Varios tipos:unipolares:

bobinados conectados a V+ en el centro

más simple invertir el sentido de rotación

la lógica de control es más simple

bipolares: bobinados sin conexiones comunes

requieren puentes H para invertir el sentido de marcha

lógica de control más compleja

más potentes a igualdad de voltaje y corriente.

Existen múltiples combinaciones de bobinados y conexionados...


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Controlando motores paso a pasoPuente H de control:(stepper bipolar)

cada bobinado se controla de manera separada.

Controlando motores paso a pasoProblemas con la resonancia mecánica:

Si el campo magnético se establece en el estator, el rotor se alinea con cierta inercia que introduce oscilaciones hasta alcanzar la alineación final.La frecuencia de dichas oscilaciones depende de las características constructivas del motor y de la carga asociada.

Si la tasa de stepping se aproxima a la frecuencia de resonancia del motor, este pierde torque (puede causar salteo de pasos y pérdida de sincronización).


En aplicaciones con una única tasa de stepping, es sencillo evitar la resonancia. En aplicaciones donde la tasa de steppingvaría, hay que estudiar este aspecto cuidadosamente (evitar operar el motor en las tasas problemáticas).

Esto puede requerir introducir en el diseño algún encoder que realimente al sistema de control con información acerca de la posición angular del eje del motor.


Pérdida de torquePérdida de sincronización

Ej: Variar la aceleración para evitar las frecuencias de stepping resonantes.


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Controlando motores paso a pasoHalf-stepping:

Incrementa la precisión en la rotación.Consiste en colocar el rotor en posiciones intermedias entre dos pasos consecutivos.Se logra energizando simultáneamente más de un bobinado.

Controlando motores paso a pasoHalf-stepping:

Controlando motores paso a paso

Microstepping:Llevar el esquema más allá para lograr más posiciones intermedias (mayor precisión).Señal de driving obtenida a partir de un DAC (aproximación discreta de una curva continua de control).Reduce problemas de resonancia (pasos más cortos, menos oscilaciones).

Controlando motores paso a pasoEj: ASICs para controlar motores paso a paso.


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Control Chopperen motores stepper:

para alcanzar másrápidamente eltorque deseado.

Vref fijo o proveniente de un DAC (software)


Control Chopper:

Ej: L297 ASIC

Servomotores

Servos

Tipo particular de servomecanismo(actuador mecánico controlado – con sensor/encoder y realimentación).

Hay servomotores de diferentes calidades. Los más simples, usados en modelismo (motores DC c/lógica que permite posicionamiento angular preciso del eje en rango aprox. de 180º).

Potenciómetro a la salida del eje (encoder)Caja de reducción (mayor torque)Lógica de comparación de ancho de pulsos (PWM)


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Controlando Servos

Permiten posicionamiento angular preciso.

Dado un tren de pulsos de entrada (PWM), en función del ancho de cada pulso se obtiene una posición angular en el eje del motor.

Controlando Servos

A diferencia de PWM p/controlar un motor DC, donde la amplitud del pulso define la velocidad del motor, en el caso de los servos, la amplitud del pulso define la posición angular del eje.

Hay que mantener la señal PWM para mantener el servo en posición fija.

Servos

duración del pulso colores de los cables

fabricante min medio max hz positivo negativo pwm

Futaba 0.9 1.5 2.1 50 rojo negro blanco

Hitech 0.9 1.5 2.1 50 rojo negro amarillo

JR 0.8 1.5 2.2 50 rojo marron naranjaMultiplex 1.05 1.6 2.15 40 rojo negro amarillo

Robbe 0.65 1.3 1.95 50 rojo negro blanco

Simprop 1.2 1.7 2.2 50 rojo azul negro

Servos

Diferentes adaptadores para servos:


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Referencias

Bräunl, T. Embedded Robotics: Mobile Robot Design and Applications with Embedded Systems 3rd Edition. Springer. 2008. ISBN: 978-3540705338. Capítulo 4.

Ganssle, J. Embedded System - World Class Designs. Newnes. 2007. ISBN: 978-0750686259. Capítulos 1 y 11.

Wilmshurst, T. Designing Embedded Systems with PIC Microcontrollers: Principles and Applications. Newnes. 2006. ISBN: 978-0750667555. Capítulo 8.

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