Diseño y desarrollo de plataforma didáctica basada en un motor de ...

Álvaro Velilla Pisón

Diseño y desarrollo de plataforma didáctica basada en unmotor de corriente continua

Javier Rico Azagra y Montserrat Gil Martínez

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Eléctrica

2012-2013

Título

Autor/es

Director/es

Facultad

Titulación

Departamento

PROYECTO FIN DE CARRERA

Curso Académico

© El autor© Universidad de La Rioja, Servicio de Publicaciones, 2013

publicaciones.unirioja.esE-mail: [email protected]

Diseño y desarrollo de plataforma didáctica basada en un motor de corriente continua, proyecto fin de carrera

de Álvaro Velilla Pisón, dirigido por Javier Rico Azagra y Montserrat Gil Martínez (publicado por la Universidad de La Rioja), se difunde bajo una Licencia

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i

__________________

DISEÑO Y DESARROLLO DE

PLATAFORMA DIDÁCTICA BASADA

EN UN MOTOR DE CORRIENTE

CONTINUA

Peticionario: Universidad de la Rioja

Informantes: Álvaro Velilla Pisón

Alumno de Ingeniería Industrial

Javier Rico Azagra (Director de proyecto)

Montserrat Gil Martínez (Directora del Proyecto)

I

__________________




CONTINUA

ÍNDICE GENERAL

DOCUMENTO Nº1






II

DOCUMENTO Nº1: ÍNDICE GENERAL

DOCUMENTO Nº2: MEMORIA 1. OBJETO ................................................................................................................................. 2

2. ALCANCE .............................................................................................................................. 3

3. ANTECEDENTES .................................................................................................................. 4

3.1. SISTEMAS HIDRAULICOS .............................................................................................. 4

3.2. SISTEMAS TÉRMICOS .................................................................................................... 5

3.3. SISTEMAS MECÁNICOS ................................................................................................. 5

3.3.1. MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA DC ....................................................................... 6

4. NORMAS Y REFERENCIAS ................................................................................................ 10

4.1. DISPOSICIONES LEGALES Y NORMAS APLICADAS ................................................. 10

4.2. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................... 11

5. DEFINICIONES Y ABREVIATURAS .................................................................................... 12

6. REQUISITOS DE DISEÑO .................................................................................................. 14

7. ANALISIS DE SOLUCIONES ............................................................................................... 15

7.1. INTERFACE PC-PLANTA ............................................................................................... 15

7.1.1. TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS ...................................................................... 15

7.1.2. ARDUINO ....................................................................................................................... 16

7.2. ETAPA DE POTENCIA ................................................................................................... 17

7.2.1. AMPLIFICADOR DE POTENCIA .................................................................................... 18

7.2.2. PUENTE EN H ................................................................................................................ 19

7.3. TIPO DE MOTOR DC ..................................................................................................... 21

7.4. SENSOR DE VELOCIDAD Y POSICIÓN ....................................................................... 22

7.4.1. ENCODER INCREMENTAL............................................................................................ 22

7.4.2. ENCODER ABSOLUTO .................................................................................................. 22

7.5. MEDIDA DE LA POSICIÓN ANGULAR .......................................................................... 23

7.5.1. CIRCUITO ACONDICIONADOR Y CONTADOR ............................................................ 23

7.6. CONTROL DE VELOCIDAD ........................................................................................... 27

7.6.1. VARIANDO EL VOLTAJE DE ALIMENTACIÓN DE LA ARMADURA ............................. 28

7.6.2. REDUCCIÓN DE LA TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN .................................................... 28

7.6.3. MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO ...................................................................... 29

8. RESULTADOS FINALES ..................................................................................................... 30



III

8.3. TIPO DE MOTOR ........................................................................................................... 31

8.4. SENSOR DE VELOCIDAD Y POSICIÓN ....................................................................... 31

8.5. MEDIDA DE POSICIÓN .................................................................................................. 32

8.6. MEDIDA DE VELOCIDAD .............................................................................................. 35

8.7. SOFTWARE DE MONITORIZACIÓN Y CONTROL ........................................................ 37

8.8. MODELADO EXPERIMENTAL ....................................................................................... 47

9. PLANIFICACIÓN .................................................................................................................. 52

DOCUMENTO Nº3: ANEXOS 1. DOCUMENTACIÓN DE PARTIDA ....................................................................................... 54

2. CÁLCULOS .......................................................................................................................... 55

2.1. CONTROL DE POSICIÓN .............................................................................................. 55

3.1. CONTROL DE VELOCIDAD ........................................................................................... 55

3. OTROS DOCUMENTOS QUE JUSTIFIQUEN Y ACLAREN CONCEPTOS EXPRESADOS EN EL PROYECTO ..................................................................................................................... 59



3.3. TIPO DE MOTOR ........................................................................................................... 61

3.4. MEDIDA DE POSICIÓN .................................................................................................. 62

3.4.1. SENSOR DE VELOCIDAD POSICIÓN ........................................................................... 62

3.4.2. 74LS74 ............................................................................................................................ 64

3.4.3. 74LS14 ............................................................................................................................ 66

3.4.4. 74LS04 ............................................................................................................................ 67

3.4.5. 74LS11 ............................................................................................................................ 68

3.4.6. 74LS00 ............................................................................................................................ 69

3.4.7. 74LS27 ............................................................................................................................ 70

3.4.8. 74LS08 ............................................................................................................................ 72

3.4.9. 74LS193 .......................................................................................................................... 73

3.5. MEDIDA DE VELOCIDAD .............................................................................................. 74

3.5.1. LM2917NE ...................................................................................................................... 74

3.5.2. 74LS93 ............................................................................................................................ 75

3.5.3. DIODO 1N4148 ............................................................................................................... 77

3.6. CABLES .......................................................................................................................... 78

3.6.1. CABLE USB 2.0 A/B ....................................................................................................... 78

3.7. ELEMENTOS DE LA PCB .............................................................................................. 79

3.7.1. CONECTOR HEADER HEMBRA ................................................................................... 79

IV

3.7.2. TIRA DE POSTE C.I MACHO ......................................................................................... 80

3.7.3. CONECTOR WM8S ........................................................................................................ 80

3.7.4. PINES CWT .................................................................................................................... 80

3.7.5. CONECTOR WF8 ........................................................................................................... 81

3.7.6. PLACA PCB .................................................................................................................... 81

3.7.7. ZÓCALO ......................................................................................................................... 82

3.8. INSTALACIÓN DE LA TARJETA ARDUINO MEGA 2560 EN EL PC ............................. 82

3.9. INSTALACIÓN DEL SOFTWARE DE SIMULINK PARA ARDUINO ............................... 88

3.10. LIBRERÍAS DE BLOQUES DE SIMULINK ..................................................................... 92

3.10.1. ENTRADA DIGITAL ........................................................................................................ 94

3.10.2. SALIDA DIGITAL ............................................................................................................ 95

3.10.3. ENTRADA ANALÓGICA ................................................................................................. 96

3.10.4. SALIDAS PWM ............................................................................................................... 98

3.11. EJECUTAR EL MODELO EN LA TARJETA ARDUINO .................................................. 99

3.12. SINTONIZADO Y MONITORIZACIÓN DEL MODELO EN LA TARJETA ARDUINO MEGA 2560 ............................................................................................................................... 100

3.12.1. MODO EXTERNAL ....................................................................................................... 100

3.12.2. EJECUTAR SU MODELO EN MODO EXTERNAL ....................................................... 101

3.12.3. USO DE COMUNICACIÓN SERIE CON EL ARDUINO................................................ 102

3.12.4.DETECTAR Y CORREGIR “TASK OVERUNS” EN EL ARDUINO MEGA 2560 ............. 102

3.12.5. SOLUCIÓN DE PROBLEMAS DE FUNCIONAMIENTO DE MODELOS CON LA TARJETA ARDUINO ................................................................................................................. 103

DOCUMENTO Nº4: PLANOS 1. ARDUINO MEGA 2560 ...................................................................................................... 108

2. ESQUEMA DE COMPONENTES ...................................................................................... 109

3. CAPA TOP DE LA PCB ..................................................................................................... 110

4. CAPA BOTTOM DE LA PCB ............................................................................................. 111

DOCUMENTO Nº5: PLIEGO DE CONDICIONES 1. ESPECIFICACIONES DE LOS MATERIALES Y ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DEL OBJETO DEL PROYECTO........................................................................................................ 113

1.1. LISTADO DE LOS ELEMENTOS DEL PROYECTO ..................................................... 113

1.2. CALIDADES MÍNIMAS DE LOS COMPONENTES ...................................................... 114

1.2.1. ARDUINO MEGA 2560 ................................................................................................. 114

1.2.2. PUENTE H L293NE ...................................................................................................... 114

1.2.3. DIODOS RECTIFICADORES 1N4007 .......................................................................... 114

V

1.2.4. CONVERTIDOR FRECUENCIA-TENSIÓN LM2917 .................................................... 115

1.2.5. MOTOR DC HN-GH35GMB .......................................................................................... 115

1.2.6. ENCODER E4P-100-079-DHTB ................................................................................... 115

1.2.7. CIRCUITOS INTEGRADOS .......................................................................................... 115

1.2.8. RESISTENCIAS Y CONDENSADORES ...................................................................... 115

1.2.9. MATLAB ........................................................................................................................ 115

1.2.10. FUENTE DE ALIMENTACIÓN ...................................................................................... 116

1.2.11. CABLE USB .................................................................................................................. 116

1.2.12. PLACA DE CIRCUITO IMPRESO PCB ........................................................................ 116

1.2.13. CONECTORES PCB .................................................................................................... 116

1.3. PRUEBAS Y ENSAYOS ............................................................................................... 119

2. REGLAMENTACIÓN Y NORMATIVA ................................................................................ 121

DOCUMENTO Nº6: ESTADO DE MEDICIONES 1. MEDICIONES DE LOS COMPONENTES ........................................................................ 123

1.1. CAPÍTULO 0100 CIRCUITOS INTEGRADOS .............................................................. 123

1.2. CAPÍTULO 0200 INTERFACE PC-PLANTA ................................................................. 124

1.3. CAPÍTULO 0300 ELEMENTOS ROTATIVOS ............................................................... 124

1.4. CAPÍTULO 0400 PCB ................................................................................................... 124

1.5. CAPÍTULO 0500 OTROS COMPONENTES ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS ........ 125

1.6. CAPÍTULO 0600 MONTAJE DE LA MAQUETA ........................................................... 125

1.7. CAPÍTULO 0700 MANO DE OBRA .............................................................................. 125

DOCUMENTO Nº7: PRESUPUESTO 1. PRECIOS UNITARIOS DE LOS COMPONENTES............................................................ 127




1.4. CAPÍTULO 0400 PCB ................................................................................................... 128




2. PRECIOS TOTALES DE LOS COMPONENTES POR CAPÍTULO ................................... 130




VI

2.4. CAPÍTULO 0400 PCB ................................................................................................... 131




3. PRESUPUESTO FINAL ..................................................................................................... 134

VII

ÍNDICE ILUSTRACIONES Ilustración 1: Esquema general de funcionamiento de un sistema hidráulico ................................ 5

Ilustración 2: Elementos que constituyen el rotor de un motor DC ................................................ 7

Ilustración 3: Elementos que constituyen el estator de un motor DC ............................................. 8

Ilustración 4: Configuración del amplificador OPA541AP ............................................................ 18

Ilustración 5: Configuración del amplificador LM324 .................................................................... 19

Ilustración 6: Configuración básica de un puente H ..................................................................... 19

Ilustración 7: Configuración para el giro de motor en sentido antihorario .................................... 20

Ilustración 8: Configuración para el giro de motor en sentido horario .......................................... 20

Ilustración 9: Clasificación de los motores de corriente continua ................................................. 21

Ilustración 10: Señales en cuadratura del encoder incremental ................................................... 22

Ilustración 11: Esquema de funcionamiento del encoder absoluto .............................................. 23

Ilustración 12: Elementos que constituyen un encoder ................................................................ 23

Ilustración 13: Señales del encoder para obtener el nanopulso ................................................... 24

Ilustración 14: Hardware empleado para conseguir el nanopulso ................................................ 24

Ilustración 15: Circuito acondicionador del encoder ..................................................................... 25

Ilustración 16: Señal de salida en sentido antihorario .................................................................. 25

Ilustración 17: Señal de salida en sentido horario ........................................................................ 26

Ilustración 18: Diagrama de bloques que componen el hctl2016 ................................................. 27

Ilustración 19: Diagrama de tiempo de la lectura del contador .................................................... 27

Ilustración 20: Subsistema de dos motores ................................................................................. 28

Ilustración 21:Circuito acondicionador ......................................................................................... 28

Ilustración 22: Diagrama de tiempo de una señal PWM .............................................................. 29

Ilustración 23: Circuito de potencia .............................................................................................. 31

Ilustración 24: Circuito acondicionador de las señales del encoder ............................................. 32

Ilustración 25: Señales de salida cuando el motor gira en sentido antihorario ............................. 33

Ilustración 26: Señales de salida cuando el motor gira en sentido horario .................................. 33

Ilustración 27: Asociación de contadores ..................................................................................... 34

Ilustración 28: Lógica usada del Reset del contador .................................................................... 34

Ilustración 29: Lógica usada de la carga paralelo PL del contador .............................................. 35

Ilustración 30: Hardware empleado en control de velocidad ........................................................ 36

Ilustración 31: Relación velocidad-tensión ................................................................................... 36

Ilustración 32: Bloque Motor CC para control de velocidad ......................................................... 37

Ilustración 33: Bloques para controlar la acción de control y el sentido de giro ........................... 38

VIII

Ilustración 34: Bloque para controlar la velocidad ........................................................................ 39

Ilustración 35: Ejemplo de monitorización del Motor cc en lazo abierto ....................................... 40

Ilustración 36: Señal de entrada U positiva .................................................................................. 40

Ilustración 37: Comportamiento temporal del motor en lazo abierto con entrada positiva ........... 40

Ilustración 38: Señal de entrada U negativa ................................................................................ 41

Ilustración 39: Comportamiento temporal del motor en lazo abierto con entrada negativa .......... 41

Ilustración 40: Monitorización del motor cc en lazo cerrado......................................................... 42

Ilustración 41: Bloque “Controlador” ............................................................................................ 42

Ilustración 42: Bloque de la función de trasferencia ..................................................................... 42

Ilustración 43: Comportamiento temporal del motor en lazo cerrado ........................................... 43

Ilustración 44: Bloque Motor CC1 para control de posición ......................................................... 43

Ilustración 45: Bloques para controlar la acción de control y el sentido de giro para control de posición .............................................................................................................................. 44

Ilustración 46: Conversor digital-analógico .................................................................................. 45

Ilustración 47: Monitorización del Motor CC1 en lazo abierto ...................................................... 46

Ilustración 48: Señal de entrada para control de posición ........................................................... 46

Ilustración 49: Representación de la posición angular (º) ............................................................ 47

Ilustración 50: Representación gráfica acción de control-velocidad ............................................. 49

Ilustración 51: Representación de la correspondencia entre comportamiento real y modelo dinámico .............................................................................................................................. 50

Ilustración 52: Modelo de simulación con tabla Loock-Up ........................................................... 51

Ilustración 53: Representación de la correspondencia entre los datos reales del motor y el modelo de simulación .................................................................................................................. 51

Ilustración 54: Diagrama de Gantt ............................................................................................... 52

Ilustración 55: Grafica corriente - tensión de alimentación........................................................... 56

Ilustración 56: Zener interno del LM2917 en serie con su resistencia limitadora ......................... 58

Ilustración 57: Arduino Mega 2560 .............................................................................................. 59

Ilustración 58: Circuito integrado L293 ......................................................................................... 60

Ilustración 59: Diodo 1N4007 ....................................................................................................... 61

Ilustración 60: Dimensiones del motor DC HN-GH35GMB .......................................................... 62

Ilustración 61: Encoder incremental E4P-100-079-DHTB ............................................................ 63

Ilustración 62: Dimensiones del encoder incremental E4P-100-079-DHTB ................................. 63

Ilustración 63: Señales en cuadratura del encoder incremental ................................................... 64

Ilustración 64: Disposición de pines del CI 74LS74 ..................................................................... 65



IX





Ilustración 71: Disposición de pines del CI 74LS193 ................................................................... 73

Ilustración 72: Disposición de pines del CI LM2917NE ................................................................ 74

Ilustración 73: Esquema del LM2917NE con circuitería auxiliar .................................................. 75


Ilustración 75: Conexión del 74LS93 como divisor por 12 ........................................................... 77

Ilustración 76: Diagrama de tiempos del 74LS93 ......................................................................... 77

Ilustración 77: Diodo 1N4148 ....................................................................................................... 77

Ilustración 78: Cable USB 2.0 A/B ............................................................................................... 78

Ilustración 79: Tira de conectores header hembra ....................................................................... 79

Ilustración 80: Tira de conectores de poste macho ...................................................................... 80

Ilustración 81: Conector WM8S ................................................................................................... 80

Ilustración 82: Pin CWT ............................................................................................................... 81

Ilustración 83: Conector WF8....................................................................................................... 81

Ilustración 84: Placa PCB fotosensible a dos caras ..................................................................... 81

Ilustración 85: Zócalo de 16 pines ............................................................................................... 82

Ilustración 86: Paso 1 de la instalación del Arduino Mega 2560 .................................................. 82







Ilustración 93: Paso 1 Instalación del software de Arduino para Simulink ................................... 89





Ilustración 98: Bloques Simulink para Arduino Mega 2560 .......................................................... 93

Ilustración 99: Bloques Simulink para Arduino Mega 2560 .......................................................... 94

Ilustración 100: Bloque entrada digital ......................................................................................... 94

Ilustración 101: Parámetros de la entrada digital ......................................................................... 95

X

Ilustración 102: Bloque salida digital ............................................................................................ 95

Ilustración 103: Parámetros de la salida digital ............................................................................ 96

Ilustración 104: Bloque entrada analógica ................................................................................... 96

Ilustración 105: Parámetros de la entrada analógica ................................................................... 97

Ilustración 106: Bloque salida PWM ............................................................................................ 98

Ilustración 107: Parámetros de la salida PWM ............................................................................ 99

Ilustración 108: Parámetros de comunicación del Arduino Mega 2560 ..................................... 105

Ilustración 109: Configuración de parámetros del Arduino en Simulink ..................................... 106

Ilustración 110: Cable USB 2.0 A/B .......................................................................................... 116

Ilustración 111: Conector WM8S ............................................................................................... 117

Ilustración 112: Conectores WF8 y CWT ................................................................................... 117

Ilustración 113. Conector header hembra .................................................................................. 118

Ilustración 114: Conector tira de pines macho ........................................................................... 118

Ilustración 115: Protoboard ........................................................................................................ 119

Ilustración 116: Osciloscopio digital ........................................................................................... 120

Ilustración 117: Sonda ............................................................................................................... 120

XI

ÍNDICE TABLAS Tabla 1: Tabla acción de control - velocidad ................................................................... 49

Tabla 2: Características del Arduino Mega 2560 ............................................................ 60

Tabla 3: Características del L293 .................................................................................... 61

Tabla 4: Características del diodo 1N4007 ..................................................................... 61

Tabla 5: Características del motor dc HN-GH35GMB ..................................................... 62

Tabla 6: Características del CI 74LS74 ........................................................................... 65

Tabla 7: Tabla de verdad de un biestable tipo D ............................................................. 65

Tabla 8: Características del CI 74LS14 ........................................................................... 66

Tabla 9: Tabla de verdad de una puerta lógica Disparador Schmitt ................................ 67

Tabla 10: Tabla de verdad de una puerta lógica NOT .................................................... 67

Tabla 11: Características del CI 74LS04 ......................................................................... 68

Tabla 12: Tabla de verdad de una puerta lógica AND de tres entradas .......................... 69



Tabla 15: Tabla de verdad de una puerta lógica NAND de dos entradas ....................... 70

Tabla 16: Características de CI 74LS27 ......................................................................... 71

Tabla 17: Tabla de verdad de una puerta lógica NOR de tres entradas ......................... 71


Tabla 19: Tabla de verdad de una puerta lógica AND de dos entradas .......................... 72

Tabla 20: Características del CI 74LS193 ....................................................................... 73

Tabla 21: Tabla de verdad de un contador binario UP/DOWN........................................ 74

Tabla 22: Características del CI LM2917NE ................................................................... 75

Tabla 23: Tabla de funcionamiento de un contador de década....................................... 76

Tabla 24: Tabla de funcionamiento del reset en un contador de década ........................ 76

Tabla 25: Características del diodo 1N4148 ................................................................... 78

Tabla 26: Tipos de cables USB ....................................................................................... 79

XII

ÍNDICE ECUACIONES Ecuación 1: Factor multiplicador º/pulso ......................................................................... 55

Ecuación 2: Nº Vueltas del motor por segundo ............................................................... 55

Ecuación 3: Frecuencia de los pulsos del encoder ......................................................... 55

Ecuación 4: Frecuencia de entrada al LM2917N ............................................................ 56

Ecuación 5: Tensión del zener ........................................................................................ 56

Ecuación 6: Tensión máxima de la señal analógica del Arduino Mega 2560 .................. 56

Ecuación 7: Corriente para tensión de alimentación de 15 V .......................................... 56

Ecuación 8: Expresión de la resistencia R1 mínima ....................................................... 56

Ecuación 9: Cálculo de la resistencia R1 mínima ........................................................... 56

Ecuación 10: Resistencia R1 mínima normalizada ......................................................... 57

Ecuación 11: Ecuación fundamental del convertidor frecuencia-tensión ........................ 57

Ecuación 12: Ecuación del convertidor frecuencia-tensión con valores numéricos ........ 57

Ecuación 13: Ecuación para obtener C1 ......................................................................... 57

Ecuación 14: Elección de C1 normalizado ...................................................................... 57

Ecuación 15: Ecuación para obtener R1 con C1 elegido ................................................ 57

Ecuación 16: Cálculo de R1 definitivo ............................................................................. 57

Ecuación 17: Pendiente de la recta de escalado de frecuencia en tensión..................... 57

Ecuación 18: Ecuación para calcular C2 ......................................................................... 57

Ecuación 19: Cálculo numérico de C2 ............................................................................ 57

Ecuación 20: Valor normalizado de C2 elegido............................................................... 57

Ecuación 21: Calculo de corriente que circula por la resistencia limitadora del zener .... 58

Ecuación 22: Calculo de la resistencia para el valor de tensión de 15 V ........................ 58

1

__________________




CONTINUA

MEMORIA

DOCUMENTO Nº1






2

1. OBJETO Se desea diseñar una planta didáctica que permita aplicar los conocimientos estudiados

en asignaturas relacionadas con Ingeniería de Control en un sistema real. Esta maqueta de laboratorio estará fundamentada en un control de corriente continua y permitirá la identificación de los parámetros característicos de éste tipo de motores y el análisis de su comportamiento. Además se diseñará con el hardware necesario para la medida de la posición angular y el control de la velocidad del eje del motor. Se requiere que el sistema sea de bajo coste, fácil de utilizar, flexible y cómodo de transportar. La respuesta del sistema ha de ser rápida para poder realizar los experimentos con agilidad.

Se usará la herramienta software Matlab-Simulink para desarrollar una aplicación que a través de un interfaz sencillo permita al usuario final gobernar el motor desde el ordenador, asi como monitorizar su comportamiento.

3

2. ALCANCE A continuación se detallan las tareas que se deben realizar para completar con éxito los

objetivos que se han marcado al inicio del proyecto.

Diseño de la electrónica adecuada para conseguir controlar el sentido de giro, la velocidad y la posición angular del motor.

Realización del prototipo de la plataforma didáctica en una placa de circuito impreso PCB.

Realización de una aplicación en Simulink para que el usuario final (p.e. el alumno) pueda controlar a través de ella los siguientes aspectos del motor en tiempo real:

• Controlar el encendido y apagado del motor.

• Controlar el sentido de giro del motor.

• Controlar la velocidad del motor, además de visualizar su valor. Conocer la posición angular en la que se encuentra el eje del motor.

4

3. ANTECEDENTES Antiguamente la obtención de un producto industrializado estaba bajo un control

puramente manual. Por ejemplo cuando las variables del proceso se desviaban del valor deseado la persona encargada trataba de corregir el error producido mediante los accionamientos oportunos. Con una finalidad competitiva y económica surgió el concepto de control automático cuya idea es la de automatizar el gobierno de los procesos y mejorar la calidad de los productos.

La competencia del mercado a nivel industrial da lugar a la optimización del control, y también a la búsqueda de nuevas estrategias de control que permitan una mayor eficiencia y un alto grado de flexibilidad en los procesos industriales. El objetivo de todo sistema de control a día de hoy es pues el de actuar sobre las variables controladas para que estas reaccionen a los cambios en el funcionamiento de un proceso considerando criterios económicos, medioambientales, cualitativos, de seguridad, etc.

Existen diversos tipos de plantas que se van a estudiar con el fin de seleccionar el proceso más adecuado para emularlo a pequeña escala en una maqueta de bajo coste

• Sistemas Hidráulicos

• Sistemas Térmicos

• Sistemas Mecánicos

3.1. SISTEMAS HIDRAULICOS El control del nivel de líquidos en depósitos y el flujo entre ellos es un problema básico

que se presenta en gran cantidad de procesos industriales. Estos procesos requieren de líquidos para ser bombeados, almacenados en tanques y luego bombeados a otros tanques.

En esta línea existen plataformas didácticas en las que se puede simular el comportamiento de este tipo de sistemas a pequeña escala. Este tipo de sistemas suele seguir el esquema de funcionamiento que se ve en la Ilustración 1.

En el instante inicial todo el líquido permanece estático en el depósito situado en la parte inferior de la maqueta. A través de la tubería de aspiración de una bomba se toma el líquido y lo hace circular a través de una manguera flexible de goma atravesando un caudalímetro hasta llegar a uno de los tanques. Una vez llegado a este estado el funcionamiento dependerá de la configuración de las diferentes válvulas que posea. Existirá la posibilidad de que el agua discurra del primer tanque al segundo y/o que el agua regrese al depósito inferior del que ha partido. En el caso de que los tanques lleguen al máximo de su capacidad existirá un aliviadero por el que discurre el líquido hacia el depósito de forma que no existe riesgo de derramamiento del líquido sobre la zona de trabajo.

5

Ilustración 1: Esquema general de funcionamiento de un sistema hidráulico

El sistema hidráulico no se adecua a los objetivos del proyecto ya que se caracteriza por un coste de la planta muy elevado, es poco flexible ya que ocupa demasiado espacio y consta de tanques que contendrán agua lo que dificulta mucho el traslado de ésta de un lugar a otro. Por esto se deshecha este tipo de plantas ya que dos de los principales objetivos son la flexibilidad y el bajo coste.

3.2. SISTEMAS TÉRMICOS La termodinámica estudia una gran diversidad de procesos vinculados con el concepto

de calor y la conservación de la energía. Basándonos en un enfoque clásico (sin considerar procesos irreversibles) distinguiremos tres tipos de fenómenos elementales: generación, almacenamiento y transferencia de calor. Las variables descriptivas de estos fenómenos representarán principalmente temperatura (que denominaremos con la letra Τ, medida en Kelvin), cantidad de calor (Q, en Joules) y flujo de calor (φ, en Vatios).

Un ejemplo de maqueta que simula a la perfección un sistema térmico podría ser un pequeño horno construido con un recipiente cerrado en cuyo interior está situado una resistencia calefactora y diferentes captadores de temperatura. El funcionamiento se basa en el calor disipado por dicha resistencia que eleva la temperatura del horno y mediante los captadores existentes dentro del recipiente se podría conocer la temperatura a la que se encuentra el horno en cada momento y actuar sobre la resistencia calefactora para conseguir la temperatura deseada.

Este tipo de sistemas térmicos se caracterizan por su lentitud de respuesta por tanto también se deshecha este tipo de plantas ya que otro de los principales objetivos es que se quiere un sistema que sea de respuesta rápida.

3.3. SISTEMAS MECÁNICOS Son sistemas compuestos de masas, que al ser influidos por fuerzas externas o internas

se ponen en movimiento.

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Los sistemas mecánicos son, por ejemplo, grúas, brazos robóticos, servomecanismos, sistemas mecánicos rotatorios, sistemas de posición, etc…

Un ejemplo claro de sistema mecánico rotatorio podría consistir en un motor DC de pequeña potencia del cual se controlaría la velocidad a la que gira y la posición angular en la que se encuentra en cada momento.

3.3.1. MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA DC

Son los más usados y los más económicos, se pueden encontrar en diferentes tamaños y con diferentes potencias. Su función es convertir energía eléctrica en energía mecánica, típicamente en movimiento rotativo.

Hacerlos funcionar es tan simple como aplicar una tensión eléctrica, especificada por el fabricante, entre sus bornes. Si se aplica la tensión inversa entonces el motor girará en sentido inverso.

Los Motores de Corriente Continua (DC) tienen como principales características que permiten regular la velocidad de rotación del eje en todo momento y tener un par de arranque elevado. Este tipo de motores se utilizan en trenes, automóviles eléctricos y en general, se empleará este tipo de motores en todos aquellos casos en los que la fuente de alimentación sea de tipo continua.

Este tipo de motores necesitan para funcionar un circuito eléctrico y un campo magnético que se obtienen con un imán o con un electroimán. El campo magnético generado permite la transformación de la energía eléctrica recibida por la armadura en energía mecánica entregada a través del eje.

El motor de corriente continua está compuesto por las siguientes partes:

• Inducido o rotor: Es una pieza giratoria formada por un núcleo magnético alrededor del cual va el devanado de inducido, sobre el que actúa un campo magnético.

• Inductor o estator: Es un electroimán formado por un número par de polos. Las bobinas que los arrollan son las encargadas de producir el campo inductor al circular por ellas la corriente de excitación.

• Escobillas: Son unas piezas de grafito que se colocan sobre el colector de delgas, permitiendo la unión eléctrica de las delgas con los bornes de conexión del inducido.

• Colector de delgas: Es un anillo de láminas de cobre llamadas delgas, dispuesto sobre el eje del rotor que sirve para conectar las bobinas del inducido con el circuito exterior a través de las escobillas.

Rotor

Constituye la parte móvil del motor, proporciona el torque para mover a la carga. Lleva las bobinas cuyo campo crea, junto al del estator, el par de fuerzas que le hace girar. Está formado por:

• Eje: Formado por una barra de acero fresada. Imparte la rotación al núcleo, devanado y al colector.

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• Núcleo: Se localiza sobre el eje. Fabricado con capas laminadas de acero, su función es proporcionar un trayecto magnético entre los polos para que el flujo magnético del devanado circule.

Ilustración 2: Elementos que constituyen el rotor de un motor DC

Las laminaciones tienen por objeto reducir las corrientes parásitas en el núcleo. El acero del núcleo debe ser capaz de mantener bajas las pérdidas por histéresis. Este núcleo laminado contiene ranuras a lo largo de su superficie para albergar al devanado de la armadura (bobinado).

• Devanado: Consta de bobinas aisladas entre sí y entre el núcleo de la armadura. Estas bobinas están alojadas en las ranuras, y están conectadas eléctricamente con el colector, el cual debido a su movimiento rotatorio, proporciona un camino de conducción conmutado.

• Colector: Se encuentra sobre uno de los extremos del eje del rotor, de modo que gira con éste y está en contacto con las escobillas. La función del colector es recoger la tensión producida por el devanado inducido, transmitiéndola al circuito por medio de las escobillas.

Estator

Constituye la parte fija de la máquina. Su función es suministrar el flujo magnético que será usado por el bobinado del rotor para realizar su movimiento giratorio. En motores pequeños se consigue mediante imanes permanentes.

Está formado por:

• Armazón o carcaza: Tiene dos funciones primordiales: servir como soporte y proporcionar una trayectoria de retorno al flujo magnético del rotor y del imán permanente, para completar el circuito magnético.

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Ilustración 3: Elementos que constituyen el estator de un motor DC

• Imán permanente: Compuesto de material ferromagnético altamente remanente, se encuentra fijado al armazón o carcaza del estator. Su función es proporcionar un campo magnético uniforme al devanado del rotor o armadura, de modo que interactúe con el campo formado por el bobinado, y se origine el movimiento del rotor como resultado de la interacción de estos campos.

La función de las escobillas es transmitir la tensión y corriente de la fuente de alimentación hacia el colector y, por consiguiente, al bobinado del rotor.

La función del portaescobillas es mantener a las escobillas en su posición de contacto firme con los segmentos del colector. Esta función la realiza por medio de resortes, los cuales hacen una presión moderada sobre las escobillas contra el colector. Esta presión debe mantenerse en un nivel intermedio pues, de ser excesiva, la fricción desgastaría tanto a las escobillas como al colector; por otro lado, de ser mínima esta presión, se produciría lo que se denomina "chisporroteo", que es cuando aparecen chispas entre las superficies del colector y las escobillas, debido a que no existe un buen contacto.

Para funcionar, precisa de dos circuitos eléctricos distintos:

• Circuito de campo magnético

• Circuito de armadura

El campo magnético (un imán o electroimán) permite la transformación de energía eléctrica recibida por la armadura en energía mecánica entregada a través del eje. La energía eléctrica que recibe el campo se consume totalmente en la resistencia externa con la cual se regula la corriente del campo magnético. Es decir ninguna parte de la energía eléctrica recibida por el circuito del campo, es transformada en energía mecánica.

La armadura consiste en un grupo de bobinados alojados en el rotor y en un ingenioso dispositivo denominado colector mediante el cual recibe corriente continua desde una fuente exterior y se convierte la correspondiente energía eléctrica en mecánica que se entrega a través del eje del motor.

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El sistema elegido será de tipo mecánico rotatorio ya que cumple todos las premisas iniciales, ya que, tiene un coste de construcción bajo, es un sistema rápido, flexible y fácil de transportar. Por tanto, la planta que se realizará consiste en un motor de corriente continua excitado gracias a un circuito amplificador que recibe una consigna de tensión de un controlador y hace que el motor se ponga en marcha. Se podrán conocer variables del motor como la velocidad a la que gira o la posición angular en la que se encuentra el eje del motor.

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4. NORMAS Y REFERENCIAS

4.1. DISPOSICIONES LEGALES Y NORMAS APLICADAS • UNE 157001 “Criterios generales para la elaboración de proyectos”

• M.I. B.T.029, la cual se refiere a instalaciones de pequeñas tensiones, menores de 50 voltios.

• M.I. B.T.031, la cual se refiere a las condiciones generales de instalación, de utilización, así como de los requisitos a cumplir a la hora del diseño.

• Los materiales que pueden ser utilizados para la realización de placas de circuito impreso UNE 20-621-85/3.

• Los espesores de los materiales con recubrimiento metálico y sus tolerancias especificadas en la norma UNE 20-621-84/3.

• La norma UNE 20552 especifica las tolerancias sobre el espesor total en la zona de contactos.

• En cuanto a la anchura de las pistas, según la intensidad que circule por el material conductor, se referirá a la norma UNE 20-621.

• Los diámetros de los taladros están especificados en la norma UNE 20-621-84/3.

• La norma UNE 20-612/2 recoge varios tipos de ensayos que pueden realizarse y los materiales, como pueden ser los ensayos de espesor, adherencia, porosidad, etc.

• En las distancias entre taladros para la colocación de componentes, se seguirá lo indicado en la norma UNE 20-524/1, UNE 20-524/2 y UNE 20-524/3.

• Reglas de seguridad para los aparatos electrónicos de norma UNE 20-514-82.

• DIN 40801, referente a circuitos impresos, fundamentos, orificios y espesores.

• DIN 40803, referente a circuitos impresos, placas y documentación.

• DIN 40804, referente a circuitos impresos, conceptos.

• DIN 41494, referente a las formas de construcción para dispositivos electrónicos.

• Reglas para el diseño y utilización de placas de circuito impresas UNE 20-621-3.

• Especificación para la realización de placas de simple y doble cara con agujeros no metalizados y metalizados UNE 20-621-4 y UNE 20-621-5.

• Especificación para las placas impresas multicapas UNE 20-621-6.

• UNE 20902 que hace referencia a la técnica de circuitos impresos, terminología.

• UNE-EN 60249 en la cual se citan los materiales base para circuitos impresos.

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4.2. BIBLIOGRAFÍA Libros:

• Allan R. Hambley ; traducción Vuelapluma ; revisión técnica Miguel Angel Pérez García-- 2ª ed-- Madrid [etc.] : Prentice Hall, [2001]

• Electrónica de potencia / Daniel W. Hart ; traducción, Vuelapluma ; revisión técnica, Andrés Barrado Bautista ... [et al.]-- Madrid : Prentice Hall, [2001]

• Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones / Muhammad H. Rashid; traducción, Virgilio González y Pozo ; revisión técnica, Agustín Suárez Fernández, Miguel Ángel González del Moral-- 3ª ed-- México, D.F. : Pearson Educación, 2004 Roth, Charles H."Fundamentos de diseño lógico". Thomson / Paraninfo, [2004]

• Diseño digital : principios y prácticas / John F. Wakerly ; traducción, Efrén Alatorre Miguel; revisión técnica, Hugo Gámez Cuatzin-- 3ªed-- México [etc.] : Pearson Educación, [2001]

• Ingeniería de control moderna / Kastsuhiko Ogata ; traducción, Sebastián Dormido Canto, Raquel Dormido Canto ; revisión técnica, Sebastián Dormido Bencomo ; revisión técnica para Latinoamérica, Amadeo Mariani...[et al.]-- 5ª ed-- Madrid : Pearson Educación

• Sistemas de control moderno / Richard C. Dorf, Robert H. Bishop ; traducción, Sebastián Dormido Canto, Raquel Dormido Canto ; revisión técnica, Sebastián Dormido Bencomo-- 10ª ed-- Madrid : Pearson Educación, 2005

• Sistemas de control para ingenieria / Norman S. Nise-- 1ª ed. en español-- Mexico, D.F: Compañía Editorial Continental, 2002

Recursos web:

• http://webs.ono.com/lmoliver/usr_1482483054.pdf

• http://www.hispavila.com/3ds/atmega/motorescc.html

• http://www.slideshare.net/ptah_enki/modelamiento-matemtico

• http://www.youtube.com/watch?v=KRFet8XlFyg

• http://itzamna.bnct.ipn.mx:8080/dspace/bitstream/123456789/5523/1/ice14.pdf

• http://es.scribd.com/doc/50089575/4/TIPOS-DE-MOTORES-DC

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5. DEFINICIONES Y ABREVIATURAS Planta: Recibe esta denominación el conjunto de elementos cuyo objetivo común es la

realización formal de un proceso determinado. Alternativamente se atribuye al dispositivo físico o conjunto de los mismos que son objeto de control.

Tarjeta de Adquisición de Datos: Instrumento encargado de tomar muestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otras electrónicas (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en un sistema digital.

Microcontrolador: (µC, UC o MCU) Es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las órdenes grabadas en su memoria. Está compuesto de varios bloques funcionales, los cuales cumplen una tarea específica. Un microcontrolador incluye en su interior las tres unidades funcionales principales de un sistema informático: unidad central de procesamiento, memoria y periféricos de entrada/salida.

DC (Corriente Continua): es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial.

Encoder: Es un dispositivo electromecánico, que convierte la posición angular de su eje en una salida digital eléctrica. Conectado a la electrónica adecuada y a través de los apropiados vínculos mecánicos, el encoder permite medir desplazamientos angulares, movimientos lineales y circulares, y velocidades rotacionales y aceleraciones.

PIC (Peripheral Interface Controller)

Ciclo de trabajo (Duty Cycle): Es la fracción de tiempo en que una señal está en estado activo alto lógico con respecto a su periodo y se suele expresar en tanto por ciento.

E/S: Entradas/ Salidas

Modulación por ancho de pulso, PWM (Pulse Width Modulation): Consisten en modificar el ciclo de trabajo de una señal periódica para controlar la cantidad de energía que se envía a un motor y así regular la velocidad de giro de éste.

USB (Universal Serial Bus): Es un estándar industrial que define los cables, conectores y protocolos usados en un bus para conectar, comunicar y proveer de alimentación eléctrica entre ordenadores y periféricos y dispositivos electrónicos.

PCB (Printed Circuit Board): Es una superficie constituida por pistas de material conductor laminados sobre una base no conductora.

Sistema en tiempo real: Sistema digital que interactúa activamente con un entorno con dinámica conocida en relación con sus entradas, salidas y restricciones temporales, para darle un correcto funcionamiento de acuerdo con los conceptos de predictibilidad, estabilidad, controlabilidad y alcanzabilidad.

Simulink: Es un entorno de programación visual, que funciona sobre el entorno de programación Matlab. Es un entorno de programación de más alto nivel de abstracción que el lenguaje interpretado Matlab (archivos con extensión .m). Simulink genera archivos con extensión .mdl (de model).

Torque o par motor: Es el momento de fuerza que ejerce un motor sobre el eje de transmisión de potencia.

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Remanente: Nivel de inducción magnética aun existente en una sustancia ferromagnética después de someterla a la acción de un campo magnético.

Servoamplificador: Sistema amplificador que convierta la señal de posición en una con suficiente potencia para mover al (servo) motor.

Bus: Sistema digital que transfiere datos entre los componentes de un ordenador o entre ordenadores.

Shields: Son placas que pueden ser conectadas encima de la placa Arduino extendiendo sus capacidades. Las diferentes “shields” siguen la misma filosofía que el conjunto original: son fáciles de montar, y baratas de producir.

UART (Transmisor-Receptor Asíncrono Universal): Controla los puertos y dispositivos serie. Se encuentra integrado en la placa base o en la tarjeta adaptadora del dispositivo.

ATmega: Microcontroladores AVR grandes con 4 a 256 kB de memoria flash programable, encapsulados de 28 a 100 pines, conjunto de instrucciones extendido y amplio conjunto de periféricos.

Conector ICPS (Programación Serial In-Circuit): Mediante la utilización del conector el programador puede programar microcontroladores que estén en un zócalo del tipo zif preparado para tal función, o bien instalados en un circuito de aplicación.

Protoboard: Tablero con orificios conectados eléctricamente entre sí, habitualmente siguiendo patrones de líneas, en el cual se pueden insertar componentes electrónicos y cables para el armado y prototipado de circuitos electrónicos y sistemas similares.

Canal: Medio de transmisión por el que viajan las señales portadoras de información entre un sistema emisor y otro receptor.

Foto-interruptor: Está compuesto por un led y un fototransistor alineados cuya función fundamental es la de actuar como interruptor para diferentes tipos de aplicaciones.

Fototransistor: Es un transistor sensible a la luz, normalmente infrarroja.

Biestable o Flip-Flop o Latch: Es un multivibrador capaz de permanecer en uno de dos estados posibles durante un tiempo indefinido en ausencia de perturbaciones. Esta característica es utilizada en electrónica para memorizar información.

Flanco: Transición del nivel bajo al alto (flanco de subida) o del nivel alto al bajo (Flanco de bajada).

Conmutación: Cambio de una conexión especifica o control de una determinada operación.

Disparador Schmitt: Usa la histéresis para prevenir el ruido que podría tapar a la señal original y que causaría falsos cambios de estado si los niveles de referencia y entrada son parecidos.

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6. REQUISITOS DE DISEÑO Al comenzar a realizar el presente proyecto se impusieron los siguientes requisitos por

parte del cliente que se debían de cumplir:

• Bajo coste: Se pedía que el coste de los materiales necesarios para poner en marcha la plataforma que se quiere realizar fuese lo más reducido posible.

• Flexibilidad: La planta debe ser diseñada para realizar unas prácticas de aula por lo que se pide que ésta sea fácil de transportar, no sea muy voluminosa y que tampoco sea muy pesada ya que se tenía pensado guardarla en un armario del aula, de tal forma que cada vez que el alumno quiera trabajar la utilice en su puesto de trabajo volviéndola a dejar en el armario al finalizar la práctica.

• Rapidez de respuesta: Se necesita que la planta tenga una velocidad de respuesta rápida ya que está pensada para realizar unas prácticas de una o dos horas de duración y por tanto no nos serviría una plataforma en la que las variables estudiadas tardasen mucho tiempo en estabilizarse ya que no daría tiempo a finalizar las prácticas en el tiempo estimado.

• Compatibilidad con Matlab Simulink: el software empleado para la realización de prácticas relacionadas con Ingeniería de Control es Matlab Simulink. Se establece como requisito el empleo de este software para la simulación, monitorización y control del proceso.

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7. ANALISIS DE SOLUCIONES Como se comentó en apartados anteriores existen plataformas didácticas comerciales

de diversos tipos: mecánicas, hidráulicas, térmica, etc. Empleadas para aplicar estrategias de control a procesos reales, el gap existente entre los conocimientos teóricos y prácticos.

Se necesita que la respuesta de la planta sea rápida ya que se empleará en realizar una serie de prácticas académicas y éstas se deben realizar en una hora, por lo tanto, se deshecha el tipo de plantas hidráulicas ya que son extremadamente lentas. Además este tipo de plantas suelen ser muy voluminosas ya que en ellas se dispone de tanques con agua, por tanto tampoco sería muy flexible ni cómoda de transportar que son objetivos del proyecto.

Tampoco serían muy apropiadas las plantas térmicas ya que son caras y el principal objetivo es que sea de bajo coste. Además son lentas ya que la principal variable que se mide es la temperatura y su estabilización es muy lenta.

Por tanto, se opta por una planta de tipo mecánico basada en un motor de corriente continua ya que es el sistema que mejor se adapta a los objetivos iniciales del proyecto ya que es un sistema de bajo coste, es rápido, flexible y muy cómodo de transportar para la realización de las prácticas en el aula.

En este tipo de sistema mecánico se controlará la posición angular y velocidad de un motor de corriente continua.

7.1. INTERFACE PC-PLANTA Para poder controlar el sistema es necesario el empleo de un interface entre el PC en el

que se monitoricen los datos y la planta real. Este elemento permitirá establecer la tensión de entrada que se desee en el motor DC y almacenar y gestionar los datos proporcionados por la instrumentación de medida.

A continuación se estudian diversas opciones que se podrían utilizar como interface PC-Planta y nos decantaremos por la solución que mejor se adapte a los objetivos del proyecto.

7.1.1. TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS

La tarjeta de adquisición de datos es un elemento indispensable para los sistemas que tienen control por ordenador. La importancia de tener una tarjeta de adquisición de datos radica en tener un elemento que obtenga las señales para introducirlas al ordenador para ser procesadas.

Los aspectos técnicos más importantes para la elección de la tarjeta de adquisición son los siguientes:

• Velocidad de muestreo

• Número de entradas

• Resolución

• Rango

• Puerto de conexión

Los buses de comunicación más populares mediante los cuales se puede llevar a cabo la adquisición de datos son el PCI, PXI, PCMCIA, USB, FireWire y Ethernet.

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La desventaja principal del bus PCI es que se trata de un bus interno, disponible solamente en computadoras de escritorio, por lo que la adición de tarjetas se requiere abrir la computadora y el sistema no es fácilmente escalable.

El bus PXI es una opción robusta que se diseñó especialmente para aplicaciones de medición y automatización. Los dispositivos PXI ofrecen una arquitectura modular que brindan la habilidad de expandir el sistema más allá de las capacidades de una computadora de escritorio con un sistema PCI. La desventaja es el costo de los sistemas y el hecho de que al igual que los sistemas PCI solo se puede conectar computadoras de escritorio.

Las tarjetas PCMIA son aplicables para una amplia variedad de funciones como son la adicción de memoria, módems e incluso la adquisición de datos. Su tamaño y peso las hacen perfectas para aplicaciones portátiles que utilizan ordenadores portátiles. Su aplicación es simple ya que solo deben ser insertadas a la computadora y el sistema en ese momento puede estar encendido.

El Bus Serie Universal (USB) fue diseñado originalmente para conectar dispositivos periféricos, como teclados. Sin embargo se ha convertido también en un medio económico y fácil de usar para conectar dispositivos de adquisición de datos y computadoras en aplicaciones de medición y automatización.

FireWire es conocido también como IEEE 1394 o i.Link, al igual que el USB pueden conectarse con el sistema encendido y tienen detección automática del dispositivo Plug and Play. La transferencia de información utilizando la versión más reciente (el IEE 1394b) puede ser realizada a velocidades que sobrepasan a las manejadas por el bus PCI.

Tanto USB como FireWire son buses externos que simplifican la conexión y configuración de dispositivos. A medida que sus velocidades se han incrementado, su aplicación y presencia ha tenido más auge y han sido más atractivos para aplicaciones de mediciones y automatización.

El bus Ethernet también puede ofrecer excelente beneficios en la conexión de instrumentos de adquisición de datos. Su popularidad como bus de red disminuyó sus costos, haciéndolo muy atractivo en aplicaciones de mediciones industriales y automatización. Debido a que Ethernet es el medio típico de comunicación en redes, los dispositivos conectados por esta via pueden tener acceso desde cualquier computadora autorizada en la red. Algunos dispositivos que trabajan mediante Ethernet no operaran en ambientes industriales adversos y serán susceptibles al ruido que los que basan su operación en otros tipos de bus.

La tarjeta que más se adaptaría al proyecto, en el caso de elegir ésta como controlador, que se va a realizar seria la NI USB “” que se conecta por medio de USB, esto le da la capacidad para trabajar con un ordenador de escritorio o bien con uno portátil. Es una tarjeta que no es recomendable usar industrialmente. Esta tarjeta fue diseñada para realizar experimentos o proyectos sencillos que es lo que se está desarrollando en este proyecto, por lo que los rangos de corriente y voltaje que maneja son bajos.

7.1.2. ARDUINO

Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares.

El hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel AVR y puertos de entrada/salida. Los microcontroladores más usados son el Atmega 168, Atmega 328, Atmega 1280, Atmega 8 por su sencillez y bajo coste que permiten el desarrollo de múltiples diseños. Por

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otro lado el software consiste en un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje de programación Processing/Wiring y el cargador de arranque (bootloader) que corre en la placa.

Existen distintos tipos de Arduino en función de las prestaciones que tienen. Algunos de ellos se explicaran a continuación:

• Arduino Mega

La más grande y potente placa Arduino, compatible con los shields de Duemilanove, Diecimila y Uno. Basada en ATmega1280. Tiene 54 entradas/salidas digitales (de las cuales 14 proporcionan salida PWM), 16 entradas digitales, 4 UARTS (puertos serie por hardware), un reloj de 16MHz, conexión USB, entrada de corriente, conector ICSP y botón de reset. Contiene todo lo necesario para hacer funcionar el microcontrolador; simplemente conectándolo al ordenador con el cable USB o aliméntalo con un trasformador o batería para empezar.

• Arduino Uno

Se conecta al ordenador con un cable USB estándar y contiene todo lo necesario para programar la placa. Se puede ampliar con gran variedad de shields. Tiene un ATmega328, también consta de 14 pines de entrada/salida de los cuales 6 se pueden usar como salidas PWM, 6 entradas analógicas, un velocidad de reloj de 16 MHz y un conector ICPS.

• Arduino Duemilanove

Presenta pocas diferencias con el Arduino Uno. Basada en el ATmega168 o el ATmega328. Tiene 14 pines con entradas/salidas digitales (6 de las cuales pueden ser usadas como salidas PWM), 6 entradas analógicas, un reloj de 16Mhz, conexión USB, entrada de alimentación, una cabecera ISCP, y un botón de RESET.

• Arduino Diecimila

Es una placa microcontroladora basada en el chip ATmega168. Tiene 14 E/S digitales (6 de las cuales se puedes utilizar como salidas PWM), 6 entradas analógicas, un reloj de 16MHz, conexión USB y botón de RESET.

• Arduino Mini

La placa Arduino más pequeña. Funciona perfectamente en una placa de desarrollo o en aplicaciones donde el espacio es primordial. Se conecta al ordenador usando el adaptador Mini USB. Basada en el ATmega168, cuenta con 14 entradas/salidas digitales (de las cuales 6 pueden ser usadas como salidas PWM), 8 entradas analógicas y un reloj de 16 MHZ. Puede ser programada con el adaptador Mini USB u otros adaptadores USB o RS232 a TTL serial.

• Arduino Nano

Una placa compacta diseñada para usar directamente en placas de desarrollo, el Nano se conecta al ordenador con un cable Mini-B USB. Basado en el ATmega328 (Arduino Nano 3.0) o ATmega168 (Arduino Nano 2.x) que se usa conectándola a una protoboard. Tiene más o menos la misma funcionalidad que el Arduino Duemilanove, pero con una presentación diferente. No posee conector para alimentación externa, y funciona con un cable USB Mini-B en vez del cable estándar.

7.2. ETAPA DE POTENCIA Para alcanzar el objetivo de controlar la velocidad y sentido de giro de un motor dc

utilizando una tarjeta de adquisición de datos o el Arduino hay que tener en cuenta que una línea de un puerto solo es capaz de proporcionar unas pocas decenas de miliamperios, mientras

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que un motor dc incluso siendo de pequeña potencia consume varias centenas de miliamperios o incluso amperios, se necesita usar una circuitería entre el controlador elegido y el motor dc, lo que se conoce como etapa de potencia.

7.2.1. AMPLIFICADOR DE POTENCIA

El amplificador operacional de potencia que se ve en la siguiente figura es el OPA541AP fabricado por BurrBrown. Este amplificador puede ser alimentado con tensiones de hasta ±40V y entregar una corriente estacionaria en su salida de hasta 5A. Al igual que muchos otros amplificadores operacionales de potencia del mercado, este amplificador posee una circuitería interna que puede ser programada por el usuario con una única resistencia externa, para proteger el amplificador y la carga en caso de ocurrir un fallo.

Ilustración 4: Configuración del amplificador OPA541AP

Otra opción que se podría utilizar para suministrar la corriente y voltaje adecuado al motor se utiliza un amplificador (LM324) y un transistor Darlington, que es un tipo especial de transistor que tiene una alta ganancia de corriente. Está compuesto internamente por dos transistores que se conectan es cascada. El transistor Q1 (TIP31C) entrega la corriente que sale por su emisor a la base del transistor Q2 (TIP35C).

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Ilustración 5: Configuración del amplificador LM324

7.2.2. PUENTE EN H

Los Puentes H o Puentes en H son circuitos electrónicos cuya función es la de permitir que un motor eléctrico de corriente continua pueda girar en ambos sentidos, horario y antihorario. En la actualidad, los Puentes en H pueden comprarse en un circuito integrado o bien construirse a partir de componentes discretos (transistores y resistencias).

El esquema del funcionamiento del puente H se muestra en la Ilustración 6, aunque se han omitido los diodos de protección que deben colocarse para suprimir los picos de tensión provocados por la inducción de sus bobinas al comenzar a girar o cambiar su sentido de giro.

Ilustración 6: Configuración básica de un puente H

Colocando 5V en la fuente de alimentación Sentido_1 y 0V en la fuente Sentido_2 se consigue que el transistor Q5 conduzca. La corriente de dicho transistor circulará por las bases de Q2 y Q3 creando así un camino de circulación para la corriente (amarillo) entregada por Vcc, haciendo finalmente girar al motor en sentido antihorario. En la Ilustración 7 se muestra el camino que seguirá la corriente.

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Ilustración 7: Configuración para el giro de motor en sentido antihorario

Colocando 5V en la fuente Sentido_2 y 0V en Sentido_1 se consigue que el transistor Q6 conduzca, la corriente de dicho transistor circulara por las bases de Q1 y Q4 creando así un camino de circulación (Amarillo) para la corriente entregada por Vcc, haciendo girar al motor en sentido horario. A continuación se muestra el camino que sigue la corriente.

Ilustración 8: Configuración para el giro de motor en sentido horario

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7.3. TIPO DE MOTOR DC Los distintos modos de conectar los arrollamientos de excitación de los motores de

corriente continua constituyen la base para poder modificar ampliamente las formas de funcionamiento de estos motores.

Aquí se exponen los sistemas de excitación más utilizados en la práctica:

Ilustración 9: Clasificación de los motores de corriente continua

Excitación Independiente: Los devanados del estator se conectan totalmente separados a una fuente de corriente continua. Es la configuración más extendida.

Autoexcitación: La corriente de excitación procede de la propia máquina.

• Conexión serie: Consiste en conectar el devanado del estator en serie con el de la armadura. Se emplea cuando se precisa un gran par de arranque.

• Conexión paralelo: Estator y rotor están conectados a la misma tensión, lo que permite un perfecto control sobre velocidad y par.

• Conexión compuesta: Parte del devanado de excitación se conecta en serie y parte en paralelo. Las corrientes de cada sección pueden ser aditivas o sustractivas respecto a la del rotor.

Otra clasificación de los motores es en función de la potencia:

• Micromotor: 0-500 W

• Motor de baja potencia:0,5 – 10 kW

• Motor de mediana potencia: 10 – 100 kW

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• Motor de alta potencia: >100kW

7.4. SENSOR DE VELOCIDAD Y POSICIÓN Para realizar el control de posición y de velocidad lo más común es el empleo de un

encoder acoplado al motor. Éste conectado a la electrónica adecuada y a través de los apropiados vínculos mecánicos, permite medir desplazamientos angulares, movimientos lineales y circulares, y velocidades rotacionales y aceleraciones.

Con un foto-interruptor y un refractivo se puede montar un encoder óptico, formado por un disco que tiene dibujados segmentos para ser detectados por los sensores. Existen dos tipos de encoder: el encoder incremental y el encoder absoluto que se estudiarán a continuación:

7.4.1. ENCODER INCREMENTAL

Este tipo de encoder se caracteriza porque determina su posición, contando el número de impulsos que se generan cuando un rayo de luz, es atravesado por marcas opacas en la superficie de un disco unido al eje.

En el estator hay como mínimo dos pares de fotorreceptores ópticos, escalados un número entero de pasos más ¼ de paso. Al girar el rotor genera una señal cuadrada, el escalado hace que las señales tengan un desfase de ¼ de periodo si el rotor gira en un sentido y de ¾ si gira en el sentido contrario, lo que se utiliza para discriminar el sentido de giro.

Un simple sistema lógico permite determinar desplazamientos a partir de un origen, a base de contar impulsos de un canal y determinar el sentido de giro a partir del desfase entre los dos canales.

Ilustración 10: Señales en cuadratura del encoder incremental

7.4.2. ENCODER ABSOLUTO

En el encoder absoluto, el disco contiene varias bandas dispuestas en forma de coronas circulares concéntricas, dispuestas de tal forma que en sentido radial el rotor queda dividido en sectores, con marcas opacas y transparentes codificadas en código Gray.

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Ilustración 11: Esquema de funcionamiento del encoder absoluto

Según la posición del disco, la luz emitida por cada emisor se enfrentará a un sector opaco o transparente.

• Si se enfrenta a un sector opaco, la luz se refleja y el receptor recibe la señal.

• Si se enfrenta a un sector transparente, la luz no se refleja y el receptor no recibe la señal.

Las diferentes combinaciones posibles de sectores dan origen a una señal de salida digital formada por cuatro bits que puede ser posteriormente procesada.

Ilustración 12: Elementos que constituyen un encoder

Generalmente, los encoder incrementales proporcionan mayor resolución a un costo más bajo que los encoder absolutos. Además, su electrónica es más simple ya que tienen menos líneas de salida.

7.5. MEDIDA DE LA POSICIÓN ANGULAR Varias son las técnicas que pueden ser utilizadas para la detección de un movimiento

angular: capacitiva, inductiva, potenciométrica y fotoeléctrica.

7.5.1. CIRCUITO ACONDICIONADOR Y CONTADOR

Para realizar el control de la posición del motor dc se utilizarán los dos canales de pulsos del encoder que están desfasados 90º. Éstos se introducen en un circuito acondicionador que

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permiten discernir si el motor gira a la derecha o a la izquierda dependiendo de que canal sea el que este adelantado y cual el retrasado.

Se han estudiado algunas alternativas para realizar el circuito acondicionador del encoder.

En la primera alternativa el circuito acondicionador trata de detectar cuando hay un flanco de subida, dando un pulso muy corto, de nano segundos, pero suficiente para excitar la entrada de un contador reversible.

Ilustración 13: Señales del encoder para obtener el nanopulso

La idea es obtener un nano pulso cada vez que el canal A esta a “1” y que en el canal B se produce un flanco de subida. Si el motor se mueve hacia la derecha obtenemos el nano pulso en el biestable tipo D superior. Cuando el encoder lo movemos hacia la izquierda deja de cumplirse esta condición porque estaría entrando flancos de bajada por tanto no daría pulsos ese flip-flop. Lo mismo sucede con el biestable tipo D inferior pero al revés, ya que la entrada tiene la entrada de reloj negada con respecto al flip-flop superior.

Ilustración 14: Hardware empleado para conseguir el nanopulso

Las dos salidas del encoder irían a un contador reversible con entradas Up y Down independientes. Las señales entran por A y B. Cada vez que la entrada de reloj de cualquiera de los biestables tipo D recibe un flanco de subida, y si la entrada D de los flip-flops está a 1, la salida se pone a 1 y la salida negada se pone a 0. La señal de la salida negada va a una red de

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atraso de 4 inversores para crear el nano-pulso. Cuando esto sucede hay un tiempo de demora, de nano-segundos, provocado por cuatro puertas NOT consecutivas. Una vez que la señal se hace presente en el reset del flip-flop, la salida pasa a valer 0. Dependiendo de si el disco del encoder va hacia delante o hacia atrás, sucede en un flip-flop o en el otro, nunca ocurre en los dos a la vez.

Estas señales UP y DOWN se conectaran con las entradas de cuenta a las señales de cuenta ascendente y descendente del contador reversible para controlar si la cuenta sería positiva o negativa.

La segunda alternativa consiste en la conexión de los biestables tipo D según se ve en la siguiente ilustración.

Ilustración 15: Circuito acondicionador del encoder

Las señales de salida X e Y disciernen si el motor al que se le conecta el encoder gira hacia la derecha o hacia la izquierda.

La señal B en este caso va adelantada respecto de la señal A. La señal que se obtiene a la salida Y se pone a nivel alto cuando llega un flanco ascendente al canal A del encoder, esta señal continua a nivel alto hasta que llega un flanco descendente en el canal B del encoder y este en este momento que la señal “Y” se pone a nivel bajo hasta que vuelva a llegar otro flanco ascendente al canal A.

La salida “X” permanecerá a nivel bajo mientras la entrada B siga estando adelantada respecto a la señal A.

Ilustración 16: Señal de salida en sentido antihorario

La señal A ahora va adelantada respecto de la señal B. La señal que se obtiene a la salida “X” se pone a nivel alto cuando llega un flanco ascendente al canal B del encoder, ésta

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señal continua a nivel alto hasta que llega un flanco descendente en el canal A del encoder y es en este momento que la señal “X” se pone a nivel bajo hasta que vuelva a llegar otro flanco ascendente al canal B.

La salida “Y” permanecerá a nivel bajo mientras la entrada B siga estando adelantada respecto a la señal A

Ilustración 17: Señal de salida en sentido horario

Estas señales “X” e “Y” se conectarán con las entradas de cuenta ascendente y descendente del contador reversible para controlar si la cuenta sería positiva o negativa.

Para estas dos primeras alternativas se necesitaría un contador binario ascendente/descendente síncrono con las patillas ascendente y descendente independientes y con patillas de reset y de carga en paralelo asíncrona.

La última alternativa estudiada es el HCTL2016. Este fue diseñado para mejorar el rendimiento del sistema el control digital de sistemas en lazo cerrado y los datos digitales de entrada al sistema. El HCTL 2016 dispone de un filtro y cuatro decodificadores que se encargan de discernir si la cuenta es ascendente y descendente y de disponer de los pulsos que da el encoder. Éstos pulsos se obtienen en el pin CNT y también se dispone de un pin de estado de cuenta UP/DOWN. Las señales CNT y UP/DOWN van a un contador binario de 16 bits. Este bus de datos se introduce en un latch y que retiene los datos a la salida. Estos datos de salida se llevan a un multiplexor para dividir el dato de 16 bits en dos de 8 bits para que sea compatible con el bus de interfaz con el exterior de 8 bits de datos.

El uso de Schmitt-triggered CMOS en las entradas y los filtros de ruido a las entradas permiten una operación segura en ambientes ruidosos.

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Ilustración 18: Diagrama de bloques que componen el hctl2016

Es un contador de cuadratura de 16 bits, con "latch" interno, sistema de "anti-alleasing" y conexión a ducto. La conexión a ducto nos reduce el número de componentes, el sistema "anti-alleasing" elimina los pulsos generados por ruido e interferencia, lo que aumenta la inmunidad al ruido.

Cabe señalar que al momento de seleccionar el contador (al poner a nivel bajo la línea "SEL"), internamente retienen el dato de su contador interno, sin dejar de contar internamente algún pulso que le llegue en el tiempo de lectura.

Ilustración 19: Diagrama de tiempo de la lectura del contador

7.6. CONTROL DE VELOCIDAD Existen tres formas de variar la velocidad:

• Variando el voltaje de alimentación de la armadura

• Reducción de la tensión de alimentación

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• Modulación por ancho de pulso

7.6.1. VARIANDO EL VOLTAJE DE ALIMENTACIÓN DE LA ARMADURA

Al variar la tensión de alimentación de la armadura como la velocidad es proporcional a la tensión de armadura, el control sobre esta tensión implica un control de la velocidad.

Consiste básicamente en un subsistema de dos motores acoplados mecánicamente, esto con un motor de iguales características al controlado, el cual fue acoplado a su eje mecánicamente comportándose como un generador, entregando a su salida un voltaje promedio D.C. proporcional a la velocidad desarrollada en el motor 1 (M1).

Ilustración 20: Subsistema de dos motores

El voltaje entregado por el motor 2 (M2) es usado para enviárselo al microcontrolador y este lo convierte de A/D por medio del conversor que posee el mismo micro. El voltaje entregado por el M2 debe ser acoplado al sistema controlador de manera adecuada para realizar una buena medida de las revoluciones por minuto del M1. En primer lugar para asegurar que el voltaje de M2 sea de tipo D.C. se pasa a través de un puente de diodos que se encarga de rectificar.

Ilustración 21:Circuito acondicionador

7.6.2. REDUCCIÓN DE LA TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN La manera más intuitiva de controlar la velocidad de giro de un motor de corriente

continua es regulando el voltaje de la fuente de alimentación. De este modo, si se disminuye la tensión entregada al motor, se disminuye también la corriente que circula por él y por tanto se reduce su velocidad de giro, lo contrario ocurrirá si se aumenta la tensión de alimentación (sin rebasar ciertos límites).

Ciertamente se trata de una forma primitiva de conseguir el objetivo, además este tipo de regulación podría no funcionar en algunas situaciones en las que la fuerza que necesite el motor

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para girar no sea constante; y en el caso de que funcionara, sería muy complicado calcular la tensión que se debe aplicar para girar a una velocidad concreta.

Para poder controlar la velocidad con este método, suele emplearse realimentación sobre el eje del motor; dicho de otro modo, se mide la velocidad a la que gira el eje y en base a eso, se regula la corriente que se aplica al motor. El encargado de medir la velocidad a la que gira el eje del motor se denomina tacómetro.

Este tacómetro está constituido por un encoder incremental y un convertidor frecuencia/tensión (LM2917N). Ya que la medida de la velocidad angular se obtiene a partir de la medida de la posición angular, se trata de una medida indirecta.

El encoder incremental da una señal binaria cuya frecuencia es proporcional a la velocidad de giro.

La conversión de la señal binaria proporcionada por el encoder en una tensión continua, se realizará mediante un convertidor frecuencia-tensión diseñado para tal efecto.

Importante destacar que el tacómetro posee dinámica. Esta dinámica no la introduce el encoder, sino el convertidor frecuencia/tensión. Esto puede considerarse como un filtro de primer orden con un polo tan rápido, que prácticamente no afecta al comportamiento dinámico del proceso.

7.6.3. MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO La técnica de PWM o modulación por ancho de pulso consiste en modificar el ciclo de

trabajo de una señal periódica para controlar la cantidad de energía que se envía a un motor y así regular la velocidad de giro de éste.

En el método que se propuso en el apartado anterior, al modificar la tensión eléctrica se modificaba también el par motor; pero usando PWM, no se modifica la tensión eléctrica aplicada sobre el motor de modo que el par se mantiene constante.

En algunas ocasiones, lo que se hace es poner una resistencia para disminuir la tensión que le llega al motor, pero se pierde energía en forma de calor, cosa que no ocurre en PWM, que aprovecha toda la energía eléctrica.

En la ilustración siguiente se muestran señales de PWM con ciclo de trabajo del 90% (Ilustración 22 izquierda), del 75% (Ilustración 22 centro) y del 25% (Ilustración 22 derecha). Obsérvese que la diferencia de potencial media (en verde) que ve el motor es de 0.9Vcc, 0.5Vcc y 0.25Vcc respectivamente, mientras que la diferencia de potencial instantánea (en rojo) sigue siendo de Vcc. Así es como se consigue variar la velocidad de giro sin variar el par motor.

Ilustración 22: Diagrama de tiempo de una señal PWM

La frecuencia de PWM debe ser suficientemente alta como para que: el motor presente

un avance continuado (no se mueva de forma pulsante) y no provoque ruido audible. Además, debe ser suficientemente baja como para no presentar ruido eléctrico en el sistema ni pérdidas de eficiencia en el puente en H debidas a la conmutación.

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8. RESULTADOS FINALES Después de analizar en el capítulo anterior las diferentes soluciones que se han

barajado para la realización del proyecto se ha dado predilección al tema económico. Por ello se ha empezado por la elección del controlador que se va a utilizar ya que es el elemento más costoso de todo el proyecto.

8.1. INTERFACE PC-PLANTA Al realizar la elección del interface PC-Planta se observa que las prestaciones de los

diferentes tipos de Arduino son un poco inferiores a las de una tarjeta de adquisición de datos pero son suficientes para realizar el presente proyecto sin problema.

Como se ha comentado anteriormente, este proyecto tiene el objetivo de que la planta que se desea construir sea sencilla y barata por tanto está claro que se elegirá un Arduino para controlar nuestro proceso.

Como se adelantó en los objetivos se desea que el interfaz que utilice el usuario sea sencillo, por ello se eligió la herramienta de Matlab Simulink.

Los tipos de Arduino que son compatibles con Simulink son Arduino Uno y Arduino Mega 2560. Pero el número de entradas/salidas digitales y PWM que se necesitan es de dieciséis por tanto el único Arduino que tiene igual o mayor número de entradas/salidas a dieciséis es el Arduino Mega 2560.

8.2. ETAPA DE POTENCIA La etapa de potencia escogida tiene que ser compatible con el interface PC-Planta

elegido. Como se ha comentado el Arduino presenta E/S PWM que son idóneas para escoger el puente H como etapa de potencia ya que éste necesita este tipo de E/S para funcionar.

El circuito integrado en el que nos basaremos es el L293NE, en sus hojas de datos podemos ver que está compuesto por cuatro amplificadores con salida triestado, capaz de proporcionar una corriente de salida de hasta 1A por canal a tensiones de alimentación desde 4'5V a 36V y con una entrada de habilitación (Enable) que permite un control de salida dos de los amplificadores. Todas sus entradas son compatibles TTL.

En el L293NE, se deben utilizar diodos de alta velocidad externos, en la salida, para la supresión de transitorios inductivos.

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Ilustración 23: Circuito de potencia

Cuando el canal uno se pone a nivel alto y el canal dos se pone a nivel bajo, el motor gira en sentido antihorario, y si el canal uno se pone a nivel bajo y el canal dos se pone a nivel alto el motor gira en sentido horario. Si los dos canales tienen simultáneamente el mismo valor, entonces el motor parará rápidamente, por otro lado, con el pin de enable asociado al motor, se puede variar la velocidad a la que girará el motor gracias a la entrada PWM que gobierna el pin enable. Por tanto, la velocidad del motor variara linealmente de la velocidad mínima del motor a la velocidad máxima en función del % de la señal PWM del enable, así un 100% en el pin enable hace que el motor gire a velocidad máxima y un 0% hará que éste no gire.

Además el puente H escogido debe ir acompañado por una serie de diodos, colocados como se ve en la Ilustración 23 y tienen como misión proteger el motor dc absorbiendo las corrientes que salen del L293.

Los diodos rectificadores utilizados deberán soportar la corriente que circula por el canal tres y seis. Se usarán los 1N4007 que soportan perfectamente los dos amperios que pueden darse en momentos puntuales.

8.3. TIPO DE MOTOR El motor elegido es un motor dc de imán permanente de baja potencia.

La fuente de excitación del motor es independiente, y dentro de este grupo se utilizará un motor de imanes permanentes que son los más utilizados para este tipo de aplicaciones en las que no se requiere motores de mucha potencia.

En cuanto a la potencia del motor tiene que ser baja ya que la corriente que le llega al motor de la etapa de potencia es de centenares de miliamperios, y con esta corriente para que el motor funcione correctamente se escogerá un motor con potencia menor a 10W.

El motor elegido es el HN-GH7.2-2414T cuyas características se pueden ver en el documento Anexos.

8.4. SENSOR DE VELOCIDAD Y POSICIÓN Al motor elegido se le acopla al eje un encoder incremental para poder medir y controlar

la posición y la velocidad de éste.

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El encoder elegido es el E4P-100-079-DHTB cuyas características se pueden observar en el documento Anexos.

La característica más importante en la elección del encoder es la precisión que nos da que en nuestro caso es muy buena ya que es capaz de contar 100 pulsos por cada vuelta que da el motor antes de la caja reductora que contiene el motor al que está conectado.

La caja reductora tiene un valor 50:1 que hace que el número de pulsos comentado anteriormente quedaría multiplicado por 50 por lo que contará 5000 pulsos por cada vuelta que da el eje del motor.

8.5. MEDIDA DE POSICIÓN El circuito acondicionador que permite discernir si el motor gira a la derecha o a la

izquierda dependiendo de que canal sea el que este adelantado y cual el retrasado.

La opción elegida para el control de posición de las anteriormente expuestas es la siguiente:

Los dos canales del encoder se llevan a dos disparadores Schmitt conectados en serie para evitar ruidos y mejorar la calidad de las señales del encoder. Las salidas de los disparadores se introducen en dos biestables tipo D y después las salidas de éste se llevan a dos puertas NAND, que nos dan las salidas UP y DOWN que necesitamos.

Ilustración 24: Circuito acondicionador de las señales del encoder

Las señales de salida UP y DOWN disciernen si el motor al que se le conecta el encoder gira hacia la derecha o hacia la izquierda respectivamente.

Si la señal B va adelantada respecto de la señal A. La señal que se obtiene a la salida DOWN se pone a nivel bajo cuando llega un flanco ascendente al canal A del encoder, esta señal continua a nivel bajo hasta que llega un flanco descendente en el canal B del encoder y es en este momento que la señal DOWN se pone a nivel alto hasta que vuelva a llegar otro flanco ascendente al canal A.

La salida UP permanecerá a nivel alto mientras la entrada B siga estando adelantada respecto a la señal A.

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Ilustración 25: Señales de salida cuando el motor gira en sentido antihorario

La señal A ahora va adelantada respecto de la señal B. La señal que se obtiene a la salida UP se pone a nivel bajo cuando llega un flanco ascendente al canal B del encoder, ésta señal continua a nivel bajo hasta que llega un flanco descendente en el canal A del encoder y es en este momento que la señal Up se pone a nivel alto hasta que vuelva a llegar otro flanco ascendente al canal B.

La salida DOWN permanecerá a nivel alto mientras la entrada B siga estando adelantada respecto a la señal A

Ilustración 26: Señales de salida cuando el motor gira en sentido horario

Estas señales UP e DOWN se conectarán con las entradas de cuenta ascendente y descendente del contador reversible para controlar si la cuenta sería positiva o negativa.

Las dos salidas del encoder irán a un contador reversible con entradas Up y Down independientes. El contador elegido es el 74LS193. Estas señales UP y DOWN se conectaran con las entradas de cuenta CPU y CPD del contador reversible 74LS193 para controlar si la cuenta sería positiva o negativa.

Con un contador 74LS193 solo se puede contar de cero a quince, por tanto habrá que conectar varios de éstos en cascada, en concreto cuatro contadores. En la siguiente Ilustración se observa como quedarían conectados.

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Ilustración 27: Asociación de contadores

Ahora se explicarán cuáles van a ser las condiciones de carga en paralelo y de reset que se conectarían a las patillas Reset y PL de los contadores.

La condición de Reset, que es activa a nivel alto, se utilizará cuando la cuenta sea ascendente, es decir lleguen pulsos a la patilla UP. El contador tiene que contar de 0 a 4999 pulsos, y que una vez se llegue a 4999 se vuelva a poner a cero el contador. Para ello se utilizara el siguiente esquema.

Ilustración 28: Lógica usada del Reset del contador

Se ve que cuando en los pines de salida de los contadores se tenga 4999, es decir un “1” en los bits del contador que se ven en la ilustración, y llegue un flaco descendente en la señal UP la salida Reset, que irá conectado con la entrada Reset de los contadores, se activará a nivel alto lo que hace que el contador se reinicie a 0.

Si la cuenta es descendente, es decir le llegan pulsos a la patilla Down, la cuenta debe ir de 4999 a 0 para ello se va a utilizar la señal PL del contador. Por tanto cuando el contador este en cero y le llegue un flanco descendente a la patilla de DOWN, la entrada PL del contador se activará a nivel bajo y se procede a la carga del dato que se tiene en las entradas del contador que en este caso es 4999 para que siga descontando si siguen llegando flancos a la entrada DOWN.

En la siguiente Ilustración se puede observar la lógica necesaria para que se active la patilla PL cuando sea necesario.

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Ilustración 29: Lógica usada de la carga paralelo PL del contador

8.6. MEDIDA DE VELOCIDAD La opción elegida para realizar el control de velocidad es la del uso del tacómetro. Se ha

elegido esta opción ya que como ya se disponía del encoder, utilizado para el control de la posición del motor, se aprovecha también para el control de la velocidad. Esto hace que nos resulte también más económico ya que en la otra opción estudiada anteriormente para el control de velocidad se necesitaría otro motor, el cual nos evitamos comprar al realizarlo de esta forma.

El encoder escogido es muy preciso ya que el número de pulsos por segundo es muy elevado, por tanto la frecuencia es muy alta y es excesiva para acoplarla directamente al convertidor de frecuencia-tensión ya que se pierde linealidad a la salida de éste. Por tanto se optó por colocar un divisor de frecuencia para reducir ésta. Con este divisor la frecuencia a la entrada del LM2917N queda dividida entre doce.

Este tacómetro estará compuesto por el encoder incremental, el divisor de frecuencia y el convertidor de frecuencia a tensión (LM2917N).

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Ilustración 30: Hardware empleado en control de velocidad

Se introduce uno de los canales del encoder por el pin14 del divisor de frecuencia. En este integrado la frecuencia se divide entre doce. Esta frecuencia dividida sale por el pin11 del 74LS93 y se introduce por el pin 1 del convertidor que la transforma en una tensión, obtenida a través del pin5 de éste, que tiene su equivalente en velocidad.

La relación entre la tensión obtenida del conversor frecuencia – tensión y la velocidad en rpm a la que está girando el motor DC es la siguiente:

Ilustración 31: Relación velocidad-tensión

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Como se puede observar la relación entre velocidad y tensión es lineal.

Esta tensión se inserta en una entrada analógica del Arduino Mega 2650, así cualquier variación de velocidad del motor se podrá obtener a través del Arduino y disponer de este dato en nuestro interfaz en Matlab.

La velocidad obtenida de LM2917N se puede comparar con una velocidad de referencias. En función de esta velocidad de referencia se actuará para que el motor vaya más rápido si la velocidad que se obtiene del encoder es menor que la de referencia o para que éste vaya más lento si la velocidad es mayor a la velocidad de referencia.

8.7. SOFTWARE DE MONITORIZACIÓN Y CONTROL En este apartado se explicará cómo se ha realizado la monitorización de la maqueta con

la herramienta de Matlab Simulink. Para ello se van a crear dos subsistemas para que el usuario pueda utilizarlo. Uno para controlar la velocidad y otro para controlar la posición angular.

Para controlar la velocidad se va a utilizar el siguiente subsistema el cual recibe una señal “U” que tiene que ser de tipo escalón y tiene una salida llamada “Velocidad” que nos da el valor de velocidad en revoluciones por minuto del eje de giro del motor

Ilustración 32: Bloque Motor CC para control de velocidad

En las dos siguientes ilustraciones se van a explicar el funcionamiento de los distintos bloques que componen el subsistema visto en anteriormente.

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Ilustración 33: Bloques para controlar la acción de control y el sentido de giro

La señal de entrada llamada U será una señal tipo escalón y cuyo valor tiene que ir de 10 V a -10 V. Para asegurarnos que la señal de entrada esté comprendida entre este rango se utiliza el bloque “Saturation”. Este bloque dispone de dos valores, que en este caso serán 10 y -10. Si la entrada al bloque Saturation se encuentra en este rango el valor de entrada no se verá afectado. Sin embargo si la entrada es mayor a 10 este bloque mantendrá el 10 a la salida del bloque y si la entrada es menor de -10 este bloque mantendrá el -10 a la salida.

Se disponen tres bloques PWM:

Pin 4 (ENABLE): Usado para enviar al Arduino la acción de control que el usuario quiera desde Simulink. La entrada “U” que puede ser positiva o negativa se une al bloque Abs que nos proporciona el valor absoluto de la señal “U”. Unido al bloque Abs se conecta con un bloque ganancia de valor 25,5 y unido a éste va el bloque PWM 4. Por tanto en función del valor “U” que introduzca el usuario tendremos en el bloque PWM 4 una señal que va de 0 a 255, que es el rango que tienen las señales PWM de Simulink para el Arduino.

Antes de explicar para que sirven la señal PWM 5 y la PWM 6 se comentara cómo funciona el bloque switch.

El bloque switch que se ve en la anterior ilustración tiene tres patillas. El funcionamiento es el siguiente: A la patilla central le llega un valor y éste tiene que cumplir la condición del switch que en este caso es que el valor que le llega sea mayor que cero. Si cumple esta condición el switch hace pasar a la salida del switch el valor que se tiene en la patilla de arriba, mientras que si la condición no se cumple, es decir, el valor que se introduce por la patilla central es menor que cero se pasa a la salida del switch lo que haya en la patilla inferior. En este caso lo que tendremos a la salida del switch será un valor constante de cero o diez en función de lo que el usuario introduzca en la señal “U”.

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Pin 5 (Entrada Puente H 1) y Pin 6 (Entrada Puente H 2). Se encargan de discernir si el motor gira en un sentido o en otro. Para que el motor gire, una de las dos entradas tiene que tener un valor de 255 y la otra de 0. Por tanto como hay dos entradas cuando el pin 5 tenga un valor de 255 y el pin 6 un cero el motor girará en un sentido y si el pin 5 tiene un cero y el pin 6 un 255 el girará en sentido contrario. Si ambos están a 255 o a 0 el motor se mantendrá parado.

Para conseguir esto se introduce la señal “U” en un primer switch que dependiendo de si “U” es positiva o negativa nos pasará un 255 o un 0 respectivamente a la salida PWM 6, ya que tendríamos 10 o 0 a la salida del switch que multiplicado por el bloque Gain 1 de valor 25,5 nos daría lo que se ha dicho anteriormente. Al segundo switch le llega la misma entrada pero multiplicada por -1 gracias al bloque Gain 17, por tanto si el valor de U es positivo al switch le llega un valor negativo que hace que se le aplique un 0 a la salida PWM 5 y sin embargo si la señal U es negativo gracias a la ganancia -1 hace que la señal que le llega al switch sea positiva pasando un valor de 255 al PWM 5.

Ilustración 34: Bloque para controlar la velocidad

La velocidad a la que gira el motor se obtiene gracias a una señal analógica del Arduino. Pero el valor que recoge la señal analógica no es la velocidad real del motor ya que la señal analógica tiene un determinado rango, que se puede ver en el apartado de anexos en donde se hace referencia a los bloques del Arduino para Simulink. Por ello se interpone entre el bloque de la señal analógica y la salida que nos da la velocidad un bloque ganancia llamado rpm/V y calculado en el capítulo de CALCULOS del documento Anexo que se encarga de escalar la señal analógica para conseguir la lectura correctamente a través de la salida “Velocidad”.

Para comprobar el correcto funcionamiento de esta maqueta se han realizado los dos siguientes experimentos; uno en lazo abierto y otro en lazo cerrado.

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Ilustración 35: Ejemplo de monitorización del Motor cc en lazo abierto

Este experimento consiste en introducir una serie de escalones a nuestro subsistema Motor cc gracias al bloque Signal Builder y obtener tanto numéricamente como gráficamente el comportamiento de nuestro motor ante dos acciones de control, una con escalones positivos y otra con escalones negativos.

La primera señal de entrada a nuestro Motor cc está formada por escalones positivos:

Ilustración 36: Señal de entrada U positiva

A continuación se va obtener la gráfica del comportamiento de nuestro motor en lazo abierto la señal de entrada introducida.

Ilustración 37: Comportamiento temporal del motor en lazo abierto con entrada positiva

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Se puede observar la respuesta del motor a los diferentes escalones que se han introducido.

En segundo lugar se tomarán escalones negativos del mismo valor que en el caso anterior.

Ilustración 38: Señal de entrada U negativa

Se obtiene el comportamiento temporal del motor para la entrada “U” negativa.

Ilustración 39: Comportamiento temporal del motor en lazo abierto con entrada negativa

Se puede observar que la gráfica tiene los mismos valores que en el anterior caso pero en negativo.

También se ha realizado el control del motor en lazo cerrado con el siguiente esquema de bloques.

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Ilustración 40: Monitorización del motor cc en lazo cerrado

El experimento consiste en introducir el Motor cc en un lazo cerrado y colocarle un controlador que sea capaz de corregir el comportamiento del motor y pueda seguir la velocidad de referencia introducida con el bloque “Signal Builder”.

Además se le aplican dos entradas perturbadoras D1 y D2. D1 es una perturbación que actúa sobre la acción de control y D2 es una perturbación de velocidad. El controlador diseñado corrige también los efectos de las dos señales perturbadoras sobre la salida “Velocidad”.

El controlador se representa con un bloque subsistema llamado “Controlador” que se detalla en la siguiente figura.

Ilustración 41: Bloque “Controlador”

Cuya función de transferencia será la siguiente:

Ilustración 42: Bloque de la función de trasferencia

La señal que se introduce es una velocidad de referencia que será un escalón de valor 100 rpm como se ve en la Ilustración 43. La señal de color verde, que es la velocidad del motor, sigue a la señal azul, que es la velocidad de referencia gracias al controlador diseñado.

En los instantes quince y veinticinco se ve que la señal del motor se ve afectada por las dos perturbaciones, pero tras un leve periodo de tiempo la velocidad del motor vuelve a seguir a la velocidad de referencia.

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Ilustración 43: Comportamiento temporal del motor en lazo cerrado

Para realizar el control de posición se va a operar de la misma forma que anteriormente en el control de velocidad. El usuario dispondrá del siguiente bloque que se observa en la ilustración 44.

Ilustración 44: Bloque Motor CC1 para control de posición

Este bloque Motor CC1 estará compuesto por el conjunto de bloques que se ven en las ilustraciones 45 y 46.

Lo bloques pertenecientes a la “acción de control y sentido de giro del motor” esta incluida en el Motor cc para el control de velocidad y por tanto ya se ha explicado el funcionamiento de éste anteriormente.

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Ilustración 45: Bloques para controlar la acción de control y el sentido de giro para control de posición

Para conseguir la posición angular se realiza en Simulink un convertidor digital- analógico gracias a los bloques de entradas digitales de los que se dispone en la librería de Simulink. Cada entrada nos da un número digital, es decir cero o uno, que pertenecen a las salidas de los contadores que tenemos en nuestra maqueta. Este valor digital será multiplicado por el coeficiente ponderado “K” que les precede.

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Ilustración 46: Conversor digital-analógico

Cada una de estos valores va a parar a un bloque sumador que nos dará el valor total del contador en cada momento.

Se necesitará un factor multiplicador para conseguir escalar el valor del contador en un valor de posición angular correcto. Esto se consigue con el bloque de ganancia que precede al bloque sumador llamado º/pulsos y que ha sido calculado en la Ecuación 1 del documento Anexos.

Para comprobar el correcto funcionamiento de la medida de la posición se ha realizado el siguiente experimento en lazo abierto.

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Ilustración 47: Monitorización del Motor CC1 en lazo abierto

La señal introducida al Motor CC1 será la siguiente.

Ilustración 48: Señal de entrada para control de posición

A continuación se observa como la posición angular va variando de 360º a 0º a medida que transcurre el tiempo. Cada vez que sucede esto el eje del motor habrá dado una vuelta completa.

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Ilustración 49: Representación de la posición angular (º)

8.8. MODELADO EXPERIMENTAL Se ha realizado una identificación experimental del comportamiento de la planta de

trabajo, para ello se ha realizado un estudio de su comportamiento estático y dinámico que nos permite obtener un modelo de simulación. Este modelo de simulación podrá ser empleado por los alumnos para simular controladores de forma rápida, evaluando sus diseños en etapas previas a la implementación.

El modelo de simulación estará compuesto por:

• Modelo estático: determina las velocidades alcanzadas en régimen permanente para las diferentes acciones de control

• Modelo dinámico: determina el comportamiento dinámico del sistema ante variaciones en la acción de control

MODELO ESTATICO

Para obtener el modelo estático se ha sometido al motor a una serie de consignas o acciones de control, monitorizando la velocidad alcanzada. Los datos obtenidos son los mostrados en la siguiente tabla:

U rpm

-10,00 -160,50

-9,50 -146,50

-9,00 -146,00

-8,50 -140,50

-8,00 -139,00

-7,50 -134,00

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-7,00 -130,00

-6,50 -125,00

-6,00 -120,00

-5,50 -114,50

-5,00 -109,00

-4,50 -100,00

-4,00 -88,00

-3,50 -77,00

-3,00 -60,00

-2,50 -42,00

-2,00 -25,00

-1,50 0,00

-1,00 0,00

-0,50 0,0

0,00 0,0

0,50 0,0

1,00 0,0

1,50 20,0

2,00 30,00

2,50 42,00

3,00 56,00

3,50 72,50

4,00 83,00

4,50 96,50

5,00 102,00

5,50 111,00

6,00 113,00

6,50 121,00

7,00 123,00

7,50 130,00

8,00 130,00

8,50 137,00

9,00 139,00

9,50 143,00

49

10,00 154,00

Tabla 1: Tabla acción de control - velocidad

Si representamos la velocidad alcanzada en función de la acción de control aplicada obtenemos la ilustración 50, en ella podemos comprobar como la respuesta obtenida es no lineal. Se aprecian las siguientes características:

• El sistema presenta una zona muerta de gran amplitud. Debemos destacar que esta zona muerta presenta histéresis, es decir, aumenta o disminuye en función de si evolucionamos con consignas de mayor a menor tensión o viceversa.

• La ganancia obtenida superada la zona muerta no es lineal. Se puede observar como inicialmente se obtienen grandes pendientes que reducen su valor con el incremento del valor absoluto las tensiones de entrada.

Ilustración 50: Representación gráfica acción de control-velocidad

MODELO DINAMICO

El modelo dinámico se ha obtenido ajustando modelos de proceso a respuestas escalón obtenidas para el proceso real. Debemos tener en cuenta que la no-linealidad del sistema implica que no exista un único modelo de comportamiento, puesto que este dependerá de la zona de operación seleccionada para realizar dicho experimento.

De un primer estudio se puede comprobar como el sistema responde como un sistema de primer orden:

Por lo tanto deberemos ajustar dos parámetros para determinar los diferentes modelos lineales de simulación. Nótese que la ganancia k está contenida en el modelo estático, por lo tanto deberá corresponderse con el estudio realizado en la etapa anterior.

Empleando la toolbox ident perteneciente a Matlab Simulink podemos ajustar los modelos de proceso correspondientes a los diferentes escalones. A continuación se presenta el

50

modelo obtenido para un cambio escalón de amplitud unitaria con respecto al punto 3. La función de transferencia obtenida es:

La correspondencia entre modelo lineal y sistema real puede observarse en la siguiente figura:

11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5 1550

55

60

65

70

75

80

85

Tiempo (seg.)

Vel

ocid

ad (

rpm

)

Correspondencia entre comportamiento real y modelo dinamico

MpdeloDatos reales

Ilustración 51: Representación de la correspondencia entre comportamiento real y modelo dinámico

Tras analizar diferentes escalones, podemos determinar el intervalo de variación de la

constante de tiempo del sistema . Debemos tener en cuenta que el controlador empleado en lazo cerrado deberá ser capaz de gestionar dicha incertidumbre.

Se selecciona un modelo nominal contenido dentro de la incertidumbre como planta nominal de diseño, que será la empleada en los posteriores estudios lineales de comportamiento. En nuestro caso se propone el empleo de:

Se ha determinado el empleo de este modelo por contenerse en el punto medio de la incertidumbre de los parámetros k y τ.

El modelo para la posición puede obtenerse integrando la velocidad de giro del motor:

El modelo nominal seleccionado estará determinado por:

MODELO DE SIMULACIÓN

El modelo de simulación final está determinado por la ganancia estática del sistema y la dinámica del sistema lineal. Nótese que la ganancia del modelo lineal es eliminada del mismo puesto que dicha ganancia se encuentra contenida en el comportamiento estático.

51

El modelo de simulación se ha desarrollado en Matlab Simulink empleando una tabla Loock-Up que contiene el comportamiento estático y una función de transferencia que contiene el comportamiento dinámico. La velocidad de giro es obtenida en una etapa posterior integrando dicha velocidad.

2

posicion

1

rpm

1

0.25s+1

Transfer FcnLookup Table

1s

Integrator

1

U

Ilustración 52: Modelo de simulación con tabla Loock-Up

En la siguiente figura se observa la correspondencia entre el comportamiento real y el modelo de simulación. La distorsión en la dinámica obtenida en algunos escalones es debida a la incertidumbre paramétrica obtenida en la constante de tiempo.

20 25 30 35 4080

90

100

110

120

130

140

150

160

Timpo (seg.)

Vel

ocid

ad (

rpm

.)

Datos realesModelo de simulacion

Ilustración 53: Representación de la correspondencia entre los datos reales del motor y el modelo de

simulación

52

9. PLANIFICACIÓN Para realizar el proyecto se ha dividido éste en una serie de tareas. Para observar el

orden de realización y el tiempo destinado a cada una de estas tareas se ha realizado un diagrama de Gantt.

El proyecto se ha descompuesto en las siguientes tareas:

A: Estudio de los diferentes tipos de maquetas y diferentes posibilidades de realizarla.

B: Petición de los componentes necesarios para realizar el proyecto.

C: Simulación en protoboard la parte de potencia del proyecto.

D: Diseño y simulación del circuito para controlar la velocidad del motor.

E: Diseño y simulación del circuito para controlar la posición del motor.

F: Realización de la placa de circuito impreso.

G: Realización de pruebas de la PCB y corrección de errores de ésta.

H: Realización de los documentos (Memoria, Anexos, Planos, Pliego de condiciones y Presupuesto).

Ilustración 54: Diagrama de Gantt

53

__________________




CONTINUA

ANEXOS

DOCUMENTO Nº3






8

1. DOCUMENTACIÓN DE PARTIDA CAMBIAR comenzar a realizar el presente proyecto se impusieron una serie de

requisitos por parte del cliente que se debían de cumplir que fueron los siguientes:

• Bajo coste: Se pedía que el coste de los materiales necesarios para poner en marcha la plataforma que se quiere realizar fuese lo más reducido posible.

• Flexibilidad: La planta debe ser diseñada para realizar unas prácticas de aula por lo que se pide que ésta sea fácil de transportar, no sea muy voluminosa y que tampoco sea muy pesada ya que se tenía pensado guardarla en un armario del aula, de tal forma que cada vez que el alumno quiera trabajar la utilice en su puesto de trabajo volviéndola a dejar en el armario al finalizar la práctica.

• Rapidez de respuesta: Se necesita que la planta tenga una velocidad de respuesta rápida ya que está pensada para realizar unas prácticas de una o dos horas de duración y por tanto no nos serviría una plataforma en la que las variables estudiadas tardasen mucho tiempo en estabilizarse ya que no daría tiempo a finalizar las prácticas en el tiempo estimado.

• Compatibilidad con Matlab Simulink: el software empleado para la realización de prácticas relacionadas con Ingeniería de Control es Matlab Simulink. Se establece como requisito el empleo de este software para la simulación, monitorización y control del proceso.

55

2. CÁLCULOS En este apartado se va a justificar los cálculos realizados a la hora de diseñar los

diferentes componentes que constituyen el proyecto.

2.1. CONTROL DE POSICIÓN Para conocer la posición angular en la que se encuentra el motor en cada momento se

debe conocer el número de pulsos por vuelta que da el encoder, en este caso son 100. Además hay que tener en cuenta la reductora del motor que es de 50:1. Por tanto se multiplicará el número de pulsos por el valor de la reductora, quedando 5000 pulsos/vuelta.

Por tanto para completar una vuelta el motor tiene que girar de 0º a 359º y en cada vuelta el número de pulsos que debe contar el encoder va de 0 a 4999 pulsos. Así que mediante una regla de tres se conocerá el número grados que se recorren por cada pulso.

Ecuación 1: Factor multiplicador º/pulso

Este 0,0718 se multiplicará por el número de pulsos que se recogen del encoder en cada instante. Así se podrá visualizar en la aplicación de Simulink el número de grados en cada instante y por tanto la posición en la que se encuentra el motor. Este dato estará comprendido entre 0º y 359º.

Para las condiciones de Reset y carga paralelo PL se necesita conocer la conversión en binario de 4999 que es 1001110000111.

3.1. CONTROL DE VELOCIDAD Los cálculos pertinentes para conocer los valores de resistencias y condensadores

necesarios para que el convertidor frecuencia-tensión funcione correctamente.

Del motor se sabe la velocidad máxima que es 175 rpm y tiene una caja reductora 50:1.

La velocidad en rpm se transforma a vueltas/s de la siguiente forma:

Ecuación 2: Nº Vueltas del motor por segundo

Del encoder se conoce el número de pulsos por vuelta que son 100.

Entonces:

Ecuación 3: Frecuencia de los pulsos del encoder

Esta sería la frecuencia de entrada al LM2917N pero como se ha comentado en la Memoria esta frecuencia es muy alta y se colocó el divisor de frecuencia 74LS93 de tal forma que divide la frecuencia fin entre 12.

Por tanto la frecuencia de entrada al LM2917N es:

56

Ecuación 4: Frecuencia de entrada al LM2917N

Se conocen también los siguientes datos:

La Vcc que se utiliza para realizar los cálculos es la tensión del zener interno del circuito integrado que es el siguiente:

Ecuación 5: Tensión del zener

La Vo se escoge en función de la entrada analógica del Arduino escogido que va 0 – 5 V. Por tanto:

Ecuación 6: Tensión máxima de la señal analógica del Arduino Mega 2560

Para conocer la intensidad que circula por la patilla tres del convertidor se observa la siguiente grafica que se ha sacado del datasheet:

Ilustración 55: Grafica corriente - tensión de alimentación

Para una temperatura de 25ºC y la tensión de alimentación de 15V se obtiene la siguiente corriente:

Ecuación 7: Corriente para tensión de alimentación de 15 V

Ecuación 8: Expresión de la resistencia R1 mínima

Ecuación 9: Cálculo de la resistencia R1 mínima

Se escogerá en principio la inmediatamente superior:

57

Ecuación 10: Resistencia R1 mínima normalizada

Ecuación 11: Ecuación fundamental del convertidor frecuencia-tensión

Ecuación 12: Ecuación del convertidor frecuencia-tensión con valores numéricos

Ecuación 13: Ecuación para obtener C1

Ecuación 14: Elección de C1 normalizado

Se escogerá el valor de condensador inmediatamente inferior al calculado. Con este valor real de condensador se ajustará la R1:

Ecuación 15: Ecuación para obtener R1 con C1 elegido

Ecuación 16: Cálculo de R1 definitivo

Esta resistencia es superior a 39kΩ por tanto se asociará esta resistencia de 39kΩ en serie con un potenciómetro de 10kΩ para conseguir el valor necesario.

Ecuación 17: Pendiente de la recta de escalado de frecuencia en tensión

Ecuación 18: Ecuación para calcular C2

Ecuación 19: Cálculo numérico de C2

Ecuación 20: Valor normalizado de C2 elegido

Se escogerá 1uF que es el condensador inmediatamente inferior del que se dispone.

También se debe colocar una resistencia a la salida de la patilla nueve. Esta resistencia protege de sobrecorrientes al diodo zener que va incluido dentro del integrado y hace que el

58

zener de la tensión necesaria para que el integrado funcione correctamente. El cálculo de la resistencia se analizará en el siguiente circuito.

Como se puede observar en el catálogo del circuito integrado a 12V con una resistencia en serie de 470Ω la tensión del zener es de 7,56V. Por tanto:

Ecuación 21: Calculo de corriente que circula por la resistencia limitadora del zener

En este caso la tensión es de 15V:

Ecuación 22: Calculo de la resistencia para el valor de tensión de 15 V

Se escoge la resistencia inmediatamente superior que es 820Ω.

Ilustración 56: Zener interno del LM2917 en serie con su resistencia limitadora

59

3. OTROS DOCUMENTOS QUE JUSTIFIQUEN Y ACLAREN CONCEPTOS EXPRESADOS EN EL PROYECTO En este apartado se observarán las características de cada uno de los componentes que

constituyen el proyecto, tales como distribución de pines, tensiones, corrientes que soportan o tiempos de transiciones entre otros.

3.1. INTERFACE PC-PLANTA El Arduino Mega 2650 es una placa microcontrolador basada ATmeg1280. Tiene 54

entradas/salidas digitales (de las cuales 14 proporcionan salida PWM), 16 entradas digitales, 4 UARTS (puertos serie por hardware), un cristal oscilador de 16MHz, conexión USB, entrada de corriente, conector ICSP y botón de reset. Contiene todo lo necesario para hacer funcionar el microcontrolador; simplemente conéctalo al ordenador con el cable USB o aliméntalo con un trasformador o batería para funcionar.

En cuanto a software es una plataforma de computo libre (open-source), basada en una tarjeta I/O (entradas y salidas), programable en un ambiente con un lenguaje similar a “C” llamado Procesing/Wiring. Arduino puede ser utilizado para desarrollar prototipos autónomos e interactivos, capaz de desarrollarse con software instalado en un ordenador como Flash, Processing, MaxMSP, etc. El software para su programación es gratuito y puede ser descargado para Mac OS X, Windows y Linux.

Adicionalmente a todas las características de la versión previa a la Mega 2560 emplea un Atmega1280 en lugar de un chip FTDI. Esto permite tasas de transferencia mayores, elimina la necesidad de instalar drivers para Linux o Mac (un archivo .inf es necesario en Windows).

Aunque el procesador es de 8 bits, la velocidad del reloj es de 16 MHz, y no cuenta con módulos para leer la posición, las ventajas de esta tarjeta son: el software de desarrollo con que cuenta; el cual es práctico y libre y la conexión USB.

Ilustración 57: Arduino Mega 2560

60

Microcontrolador ATmega1280

Voltaje de funcionamiento 5V

Voltaje de entrada

(recomendado) 7-12V

Voltaje de entrada (limite) 6-20V

Pines E/S digitales 54 (14 proporcionan salida PWM)

Pines de entrada analógica 16

Intensidad por pin 40 mA

Intensidad en pin 3.3V 50 mA

Memoria Flash 128 KB de las cuales 4 KB las usa el gestor de

arranque(bootloader)

SRAM 8 KB

EEPROM 4 KB

Velocidad de reloj 16 MHz

Tabla 2: Características del Arduino Mega 2560

3.2. ETAPA DE POTENCIA La etapa de potencia escogida ha sido el circuito integrado L293NE. Se ven en la

Ilustración 2 la distribución del patillaje del circuito integrado.

Ilustración 58: Circuito integrado L293

Los valores de tensiones y corrientes que soporta este circuito integrado entre otras características se ven en la Tabla 2.

61

Característica Valor

Vcc1 4.5 – 7 V

Vcc2 4.5 – 36 V

Corriente a la salida +/- 1 A.

Corriente de pico a la salida +/- 2 A.

Tempetatura (Tj) 150ºC

Tabla 3: Características del L293

Los diodos rectificadores colocados a la salida del L293NE para contrarrestar los transitorios inductivos son los 1N4007.

Ilustración 59: Diodo 1N4007

El diodo anterior tiene las siguientes características:


Io(AV) 1 A

IFSM 30 A

T (Tj) -65 – 175ºC

VRRM 1000 V

VRMS 700 V

Tabla 4: Características del diodo 1N4007

3.3. TIPO DE MOTOR El motor elegido es el HN-GH35GMB que tiene las siguientes características:


Temperatura 25º

62

Humedad 60%

Orientación Horizontal

Voltaje Máximo (DC) 7.2 V

Carga nominal a tensión máxima

1.0 Kgcm

Velocidad Máxima sin carga 175 rpm +/-10%

Velocidad máxima a carga nominal

146 rpm +/-10%

Corriente sin carga a tensión máxima

< 221 mA

Corriente con carga < 556 mA

Tabla 5: Características del motor dc HN-GH35GMB

Las dimensiones del motor elegido son las siguientes:

Ilustración 60: Dimensiones del motor DC HN-GH35GMB

3.4. MEDIDA DE POSICIÓN

3.4.1. SENSOR DE VELOCIDAD POSICIÓN

El encoder usado para el control de posición es el E4P-100-079-DHTB de USDigital, mostrado en la Ilustración 39, con las siguientes características: 100 pulsos por vuelta. Dicho encoder se instala en la parte trasera de ambos motores, encajando el disco óptico a un pequeño eje trasero auxiliar, creado expresamente para este fin. Este pequeño eje gira a una velocidad mayor que la del eje principal del motor, ya que sigue el movimiento del motor antes de la reductora. Esto implica que el encoder contará los pulsos avanzados por el motor sin reductora lo que le dará una gran precisión.

63

Ilustración 61: Encoder incremental E4P-100-079-DHTB

Ilustración 62: Dimensiones del encoder incremental E4P-100-079-DHTB

El funcionamiento del encoder se explica de forma gráfica en la Ilustración... En ésta se aprecian las señales de vueltas por un encoder óptico en cuadratura. La señal de arriba es la del canal A y la de abajo la del B. Como puede apreciarse, ambos canales devuelven la misma señal periódica cuadrada, desfasada 90º entre sí. El sentido de giro del motor se detecta por la secuencia devuelta por los canales del encoder. De esta manera, si los motores avanzan, la secuencia periódica obtenida será "10 11 01 00", mientras que si retroceden, será "00 01 11 10".

64

Ilustración 63: Señales en cuadratura del encoder incremental

Para conocer el sentido en el que gira el motor y la posición angular en la que se encuentra el motor en cada momento se utilizan puertas lógicas, biestables o contadores como se ha visto en la memoria. Las puertas lógicas, biestables o contadores utilizados se encuentran en los siguientes circuitos integrados.

3.4.2. 74LS74

Este dispositivo contiene dos flip-flops tipo D independientes. Este dispositivo de almacenamiento temporal es de dos estados (alto y bajo), cuya salida adquiere el valor de la entrada D cuando se activa la entrada de sincronismo CLK1 y CLK2.

65

Ilustración 64: Disposición de pines del CI 74LS74

Las características del anterior circuito integrado son las siguientes:


Vcc 4.5 – 5.5 V

Fclk 0 – 25 MHz

Tª 0 – 70 ºC

Tabla 6: Características del CI 74LS74

La salida del biestable viene dada por la siguiente formula:

Qsiguiente = D

Input Output

D Q Qsiguiente

L X L

H X H

Tabla 7: Tabla de verdad de un biestable tipo D

66

3.4.3. 74LS14

Contienen puertas lógicas inversoras que acepten señales de entrada estándar TTL y proporcionen niveles de salida TTL. Estos son capaces de transformar señales cambiantes de entrada en señales de salida sin fluctuaciones. Además tienen un mejor comportamiento ante el ruido que las puertas inversoras convencionales.

Cada circuito contiene un disparador Schmitt seguido de un cambiador de nivel Darlington. Este disparador utiliza la retroalimentación positiva para acelerar las transiciones de entrada lentas, y proporcionar diferentes voltajes de entrada umbral para las transiciones positivas y negativas.

La histéresis entre la entrada umbral positiva y negativa, típicamente 800 mV, es determinada internamente por razones de resistencia y es esencialmente insensible a las variaciones de temperatura y tensión de alimentación.




Vcc 4.5 – 5.5 V

Histéresis 0.8 V

Tª 0 – 70 ºC


Los disparadores Schmitt funcionan como se observa en la siguiente Tabla:

Input Output

67

A Y

L H

H L

H: High logic level

L: Low logic level

Tabla 9: Tabla de verdad de una puerta lógica Disparador Schmitt

3.4.4. 74LS04

Este dispositivo contiene seis puertas inversoras independientes.


Estas puertas NOT realizan la siguiente función:

Input Output

A Y

L H

H L

Tabla 10: Tabla de verdad de una puerta lógica NOT

La tabla de características de este circuito integrado es:

68


Vcc 4.5 – 5.5 V

Tplh 3 – 15 ns

Tª 0 – 70 ºC

H: High logic level

L: Low logic level


3.4.5. 74LS11

Este dispositivo contiene tres puertas AND independientes de tres entradas cada una.


Estas puertas AND realizan la siguiente función:

Input Output

A B C Y

X X L L

X L X L

L X X L

H H H H

69

L: Nivel lógico “bajo”.

H: Nivel lógico “alto”.

X: Da igual nivel lógico

Tabla 12: Tabla de verdad de una puerta lógica AND de tres entradas

La tabla de características de este circuito integrado será:


Vcc 4.75 – 5.25 V

Tplh 4 – 18 ns

Tª 0 – 70 ºC


3.4.6. 74LS00

Este circuito integrado posee cuatro puertas lógicas NAND de dos entradas cada una, como se muestra en la siguiente Ilustración.




Vcc 4.5 – 5.5 V

Tplh 3 – 15 ns

Tphl 3 – 15 ns

70

Tª 0 – 70 ºC


Las puertas NAND realizan la siguiente función:

Input Output

A B Y

L L H

L H H

H L H

H H L



Tabla 15: Tabla de verdad de una puerta lógica NAND de dos entradas

3.4.7. 74LS27

Este circuito integrado dispone de tres puertas NOR con tres entradas cada una.




71

Vcc 4.5 – 5.5 V

Tª 0 – 70 ºC

Tplh 10 ns

Tphl 7 ns

Tabla 16: Características de CI 74LS27

Las puertas NOR de tres entradas se comportan de la siguiente manera:

Input Output

A B C Y

H X X L

X H X L

X X H L

L L L H



X: Da igual nivel lógico

Tabla 17: Tabla de verdad de una puerta lógica NOR de tres entradas

72

3.4.8. 74LS08

Este dispositivo tiene cuatro puertas independientes cada uno de los cuales realiza la función lógica AND.




Vcc 4.75 – 5.25 V

Tª 0 – 70 ºC


Estas puertas AND realizan la siguiente función:

Y = AB

Input Output

A B Y

L L L

L H L

H L L

H H H

Tabla 19: Tabla de verdad de una puerta lógica AND de dos entradas

73

3.4.9. 74LS193

Es un contador binario UP/DOWN de módulo 16. Tiene las patillas de cuenta UP y DOWN independientes y funcionan de forma síncrona. El estado de las salidas cambia de forma sincronizada con las transiciones de nivel bajo a nivel alto en las entradas de reloj.

Las patillas de entrada carga paralela (PL) y Master Reset (MR) tienen un funcionamiento asíncrono.




Vcc 4.5 – 5.5 V

Fmax 32 MHz

Tª 0 – 70 ºC


A continuación se observa cómo se realiza la conteo en este circuito integrado:

MR PL CPU CPD Modo

H X X X Reset (Asincrono)

L L X X Preset (Asincrono)

L H H H No Cambia

L H H Cuenta Ascendente

L H H Cuenta Descendente

74



X: No importa.

: Transición de nivel “bajo” a nivel “alto”.

Tabla 21: Tabla de verdad de un contador binario UP/DOWN

3.5. MEDIDA DE VELOCIDAD La medida de velocidad del motor DC es posible gracias a los siguientes circuitos

integrados que se ven a continuación.

3.5.1. LM2917NE

El elemento escogido para controlar la velocidad es el convertidor de frecuencia- tensión LM2917NE

Ilustración 72: Disposición de pines del CI LM2917NE

La tabla de características del LM2917 es la siguiente:


Vcc 0 – 28 V

Potencia disipada 1580 mW

Tª -40 - 85 ºC

I2,I3 140 – 240 uA

Linealidad -1 – 1 %

Zener @12V

Resistencia 470 Ω

Tensión 7,56 V

75

Tabla 22: Características del CI LM2917NE

Una vez que conocemos el esquema que se va utilizar y los valores de resistencias y condensadores calculados anteriormente se conectan de la siguiente manera.

Ilustración 73: Esquema del LM2917NE con circuitería auxiliar

3.5.2. 74LS93

Este circuito integrado es un contador de década de módulo 16. En la siguiente ilustración se muestra el esquema de los pines.


La cuenta en el anterior circuito integrado se realizaría de la siguiente manera:

Input Output

COUNT QD QC QB QA

0 L L L L

1 L L L H

76

2 L L H L

3 L L H H

4 L H L L

5 L H L H

6 L H H L

7 L H H H

8 H L L L

9 H L L H

10 H L H L

11 H L H H

12 H H L L

13 H H L H

14 H H H L

15 H H H H

Tabla 23: Tabla de funcionamiento de un contador de década

Reset Input Output

R0(1) R0(2) QD QC QB QA

H H L L L L

L X COUNT

X L COUNT

Tabla 24: Tabla de funcionamiento del reset en un contador de década

Se usa este circuito integrado como divisor de frecuencia entre 12 haciendo la siguiente conexión:

77

Ilustración 75: Conexión del 74LS93 como divisor por 12

Se observa cómo evolucionan las señales de entrada y de salida del divisor de frecuencia entre 12.

Ilustración 76: Diagrama de tiempos del 74LS93

3.5.3. DIODO 1N4148

Es un pequeño diodo de silicio estándar de señal con alta conductividad usado en el procesamiento de la señal.

Ilustración 77: Diodo 1N4148

Las características de este diodo se pueden observar en la siguiente tabla.


I FRM 300 mA

78

V RM 100 V

I FSM 500 mA

Trr 4 ns

Tj 200 ºC

Tabla 25: Características del diodo 1N4148

3.6. CABLES Se van a comentar las características de los cables utilizados para conectar los

diferentes elementos que constituyen el hardware del proyecto.

3.6.1. CABLE USB 2.0 A/B

Los dispositivos USB se instalan mediante cables que tienen conectores distintos en los extremos, para evitar errores de conexión, los cuales se pueden conectar y desconectar sin apagar el ordenador.

El cable USB está formado en su interior por otros 4 cables 2 de ellos se utilizan para la carga de +5 voltios y dos para la transferencia de datos.

Ilustración 78: Cable USB 2.0 A/B

Este cable posee un extremo USB tipo A (aplanado) macho para conectar al ordenador y el otro extremo tipo B (más cuadrado) macho para conectar al Arduino Mega 2560.

79

Tabla 26: Tipos de cables USB

3.7. ELEMENTOS DE LA PCB Para la realización de la PCB se necesitaran los siguientes elementos:

• Conectores para PCB

• Placa PCB

• Zócalos

3.7.1. CONECTOR HEADER HEMBRA

Se utilizará para conectar las entradas y salidas digitales, PWM y analógicas de la placa de circuito impreso con las entradas y salidas del Arduino Mega 2560.

Ilustración 79: Tira de conectores header hembra

El único requerimiento que se necesita es que el paso entre los pines tiene que ser de 2,54 mm para que sea compatible con el Arduino Mega 2560.

80

3.7.2. TIRA DE POSTE C.I MACHO

Se usaran junto con los anteriores para conectar las entradas digitales PWM y analógicas entre la PCB y el Arduino Mega 2560.

Ilustración 80: Tira de conectores de poste macho

El único requerimiento que se necesita es que el paso entre los pines tiene que ser de 2,54 mm para que sea compatible con el Arduino Mega 2560.

3.7.3. CONECTOR WM8S

Utilizado para introducir la alimentación en la placa de circuito impreso.

Ilustración 81: Conector WM8S

El paso entre los pines tiene que ser de 2.54 mm como se observa en la anterior ilustración.

3.7.4. PINES CWT

Son necesarios para insertar los cables de alimentación, del motor y del encoder en los pines WF8.

81

Ilustración 82: Pin CWT

Se necesitan ocho pines de este tipo.

3.7.5. CONECTOR WF8

Se utiliza para introducir por un lado los cables de alimentación con sus respectivos pines CWT y por el otro lado introducirlo en los pines del WM8S y quede bien conectado de forma que la alimentación se introduzca de forma adecuada en la PCB.

Ilustración 83: Conector WF8

3.7.6. PLACA PCB

La placa usada para implementar el circuito es una PCB fotosensible a dos caras ya que las pistas deben estar impresas en ambas caras y por tanto habrá soldaduras en ambas caras por lo que se necesita cobre en ambas caras para realizarlas.

Ilustración 84: Placa PCB fotosensible a dos caras

Las dimensiones de la placa serán las siguientes 156x102 mm.

82

3.7.7. ZÓCALO

Los zócalos son muy recomendables a la hora de realizar la PCB para colocar los circuitos integrados usados sobre ellos. Con estos se permite que sea el zócalo el que va soldado a la PCB y no el integrado y si se estropea algún circuito integrado pueda ser cambiado sin necesidad de desoldar ningún componente de la PCB.

Ilustración 85: Zócalo de 16 pines

Los zócalos utilizados son de catorce y de dieciséis patillas.

3.8. INSTALACIÓN DE LA TARJETA ARDUINO MEGA 2560 EN EL PC

Elementos necesarios para realizar esta instalación:

• Tarjeta Arduino Mega 2560 R3

• Cable USB para conectar con el PC

• Arduino SDK: http://arduino.cc/en/Main/Software escogiendo Arduino 1.0 para Windows

• Tener Windows 7 como mínimo.

Pulse en Inicio en su PC y busque en Panel de control>Dispositivos e impresoras.

Ilustración 86: Paso 1 de la instalación del Arduino Mega 2560

Entonces haga click en Device Manager: Device Manager > Other devices > Unknown device > Properties.

83


Una vez en propiedades: Driver> Update Driver.

84


Cuando la siguiente ventana se abre haga click en “Browse my computer for driver software”.

85


Y aparecerá la ventana para buscar la carpeta en donde se encuentran los drivers.

86


Aparece una ventana para verificar la instalación de los drivers.

87


El proceso se ha realizado con éxito y ya está instalado y solo queda cerrar la siguiente ventana.

88


3.9. INSTALACIÓN DEL SOFTWARE DE SIMULINK PARA ARDUINO

En este aparatado se muestra cómo añadir el hardware Arduino en Simulink. Una vez completado este proceso se podrán ejecutar los modelos que tiene Simulink en nuestro Arduino.

El proceso de instalación añade los siguientes ítems a su PC:

• Una librería de bloques de Simulink para configurar y acceder a los sensores actuadores, e interfaces de comunicación del Arduino.

• Demos para empezar y aprender acerca de las características específicas.

• Herramientas de para el desarrollo de software tales como el software Arduino ®.

Para comprobar si hay actualizaciones, repita el proceso cuando una nueva versión de Matlab sea liberada. También se puede comprobar si hay actualizaciones entre versiones.

Se puede usar este software para Simulink en ordenadores con versiones de Windows de 32 bits o de 64 bits.

Instalación del software de Simulink para nuestra tarjeta Arduino:

89

Comienza la instalación de la tarjeta usando uno de los siguientes métodos:

• En la ventana de comandos de Matlab insertando la instrucción “targetinstaller”.

• En un archivo model de simulink, haga click en “Tools Menu” y seleccione “Run on Target Hardware”>Install/Update Support Package.

Elija como conseguir el paquete de apoyo desde Internet o desde la carpeta.

Internet: Esta opción es la seleccionada por defecto. El instalador de la tarjeta descarga e instala el paquete de apoyo de compatibilidad y software a través de Internet.

Carpeta: El instalador obtiene el paquete de apoyo de la carpeta especificada.

Usted debe tener los privilegios de escritura para esta carpeta. Tener estos privilegios no suele ser un problema. Si cambia a una nueva carpeta para la que no tiene permisos de escritura, como una carpeta compartida en red, se generará un mensaje de error.

Para resolver este problema, copie el paquete de apoyo a una carpeta para la que tenga privilegios de escritura y colocar el instalador de la tarjeta en esta misma carpeta. Por ejemplo, copie el paquete de apoyo a c:\MATLAB\Targets\versions\downloads. Si están disponibles, copiar también el software de instalación asociados al paquete de apoyo.

Ilustración 93: Paso 1 Instalación del software de Arduino para Simulink

Seleccione el check box asociado a la tarjeta del Arduino y haga click en Next.

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El Instalador de la tarjeta confirma que la estas instalando y listas de software que se instalarán.

Revise la información, incluyendo los acuerdos de la licencia y haga click en instalar.

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El instalador de la tarjeta muestra una barra de progreso mientras se descarga e instala el software.


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Para ver las demos de la tarjeta, dejar el Launch target demos checkbox seleccionada y haga click en Finish.


La ayuda muestra las demos apropiadas para su hardware.

Para encontrar estas demos más tarde, introduzca “doc” en la ventana de comandos de Matlab. En la ventana de ayuda, busque Other Demos y el botón de y pulse el botón para ver el contenido de la lista.

3.10. LIBRERÍAS DE BLOQUES DE SIMULINK Se puede abrir la librería de bloques para la tarjeta Arduino desde la ventana de

comandos de Matlab o desde el buscador de la librería de bloques de Simulink.

Los bloques de esta librería proporcionan soporte conectar sistemas periféricos a la tarjeta.

Después de la instalación del soporte para su hardware, usted puede abrir la librería de bloques desde la ventana de comandos de Matlab escribiendo “arduinolib”. El software abre la librería de bloques correspondiente.

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Ilustración 98: Bloques Simulink para Arduino Mega 2560

Para abrir la librería de bloques desde Simulink introduzca “simulink” en la ventana de

comandos de Matlab o haga click en el siguiente icono en Matlab.

Una vez pulso el anterior icono haga click en “Target for Use with Arduino Hardware”.

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Ilustración 99: Bloques Simulink para Arduino Mega 2560

3.10.1. ENTRADA DIGITAL

Obtiene el valor lógico del pin de la entrada digital.

Ilustración 100: Bloque entrada digital

Obtiene el valor lógico del pin de entrada en la tarjeta:

• Si el valor lógico del pin es LOW, la salida del bloque será 0.

• Si el valor lógico del pin es HIGH, la salida del bloque será 1.

El tipo de dato de la salida del bloque es uint8.

Si se simula el modelo sin ejecutarlo en la tarjeta Arduino, este bloque da salida como salida cero.

Solo se conectarán esta entrada digital a pines que usen 5V TTL.

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Ilustración 101: Parámetros de la entrada digital

Pin number.

• Introduzca el número del pin digital al que se quiere asociar esta entrada.

• No asigne el mismo pin a múltiples bloques que estén en el mismo modelo.

• Para Arduino Mega2560 introduzca un número de pin desde 0 a 53.

Sample time: Especifique la frecuencia con la que este bloque lee el valor del pin, en segundos. Este valor viene predeterminado con un 1 segundo. El valor mínimo es de 0,000001 segundos.

Los valores más pequeños requieren el procesador para completar el mismo número de tareas en menos tiempo, lo que puede dar errores en excesos de tareas.

3.10.2. SALIDA DIGITAL

Establecer el valor lógico del pin de salida digital

Ilustración 102: Bloque salida digital

Obtiene el valor lógico del pin digital de la tarjeta Arduino:

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Enviando 1 a la entrada del bloque establece el valor lógico HIGH en el pin digital que será 5V o 3,3V, dependiendo de la tensión de alimentación de la tarjeta.

Enviando 0 a la entrada del bloque establece el valor lógico LOW en el pin digital que será 0V.

La entrada de este bloque hereda el tipo de datos del bloque de “aguas arriba” y lo convierte internamente a booleano.

Si se simula el modelo sin ejecutarlo en la tarjeta, este bloque no hace nada. Nos da “Block Produces Zeros in Simulation”.

Ilustración 103: Parámetros de la salida digital

Pin number:

Introduzca el número del pin de la salida digital.

No se asignará el mismo número de pin a múltiples bloques en el mismo modelo.

Para Arduino Mega 2560 el número de los pines de las salidas digitales estará entre 0 a 53.

3.10.3. ENTRADA ANALÓGICA

Mide la tensión del de entrada analógica.

Ilustración 104: Bloque entrada analógica

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Mide la tensión de un pin de la tarjeta relativo a una entrada analógica. El valor que se obtiene a la salida es un valor de 10 bits que va de 0 a 1023.

Si la medida de tensión es cero voltios, el bloque dará una salida de valor 0.

Si la medida de tensión es la máxima, el bloque dará una salida de valor 1023.

El valor del voltaje de la entrada analógica por defecto es de 0 a 5V. Para cambiar el voltaje de referencia de la entrada analógica se hará click en Tools>Run on Target Hardware>Options…

Si se simula el modelo sin la tarjeta Arduino este bloque dará cero.

Ilustración 105: Parámetros de la entrada analógica

Pin number.

• Introduzca el número del pin analógico que se quiere asociar esta entrada.

• No asigne el mismo pin a múltiples bloques que estén en el mismo modelo.

• Para Arduino Mega2560 introduzca un número de pin desde 0 a 15.

Sample time: Especifique la frecuencia con la que este bloque lee el valor del pin, en segundos. Este valor viene predeterminado con un 1 segundo. El valor mínimo es de 0,000001 segundos.

Los valores más pequeños requieren el procesador para completar el mismo número de tareas en menos tiempo, lo que puede dar errores en excesos de tareas.

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3.10.4. SALIDAS PWM

Genera una onda PWM en el pin de salida analógica.

Ilustración 106: Bloque salida PWM

El uso del ancho de pulso (PWM) para cambiar de ciclo de trabajo de la onda cuadrada de salida. Este tipo de salida permite proporcionar una gama de diferentes niveles de potencia, similar a la de una salida analógica.

El valor que se envía al bloque determina la anchura de la onda cuadrada, llamada ciclo de trabajo. El rango de valores es de 0 a 255.

Enviando el máximo valor, 255, la entrada del bloque produce un ciclo de trabajo de 100%, en la saida PWM.

Enviando el valor mínimo, 0, a la entrada del bloque produce un ciclo de trabajo del 0% a en la salida PWM.

Enviando un valor intermedio a la entrada del bloque se conseguirá a la salida un ciclo de trabajo proporcional a dicha entrada. Por ejemplo si se envía un 192 a la entrada del bloque, el ciclo de trabajo que se consigue es del 75%. (192/256=0,75).

Si el dato de entrada a la entrada del bloque esta fuera del rango, como 500 o -500, se obtendría en la salida el valor máximo o mínimo respectivamente.

La frecuencia de la onda cuadrada es de 490 Hz.

La entrada de este bloque hereda el tipo de datos del bloque que se encuentra “aguas arribas” e internamente la convierte en uint8.

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Ilustración 107: Parámetros de la salida PWM

Para el Arduino Mega 2560 el número de pines de salidas PWM va desde la 2 al 13.

3.11. EJECUTAR EL MODELO EN LA TARJETA ARDUINO Para preparar, configurar y ejecutar el modelo en su tarjeta Arduino se deben seguir los

siguientes pasos:

Antes de comenzar:

• Conecte la tarjeta Arduino al ordenador a través de un cable USB.

• Crear o abrir un modelo de Simulink que tengamos guardado en el ordenador.

El software generará un mensaje de error si la ubicación del modelo contiene una ruta de acceso desconocida. Por ejemplo, \\server-00\user$\MATLAB\.

Para preparar la ejecución del modelo:

1. Utilice Archivo> Guardar como para crear una copia en su ordenador del modelo. Guarde el original como copia de seguridad.

2. Haga click en Tools>Run on target hardware>prepare to Run. Aquí se pueden hacer cambios en la configuración de los parámetros.

3. En el panel que se abre cuando se hace click en Run on Target Hardware, elija la tarjeta hardware que usted tiene, en este caso el Arduino Mega 2560.

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4. Haga click en Tools y seleccione Run on Target Hardware>Run. Esta acción automáticamente descarga y ejecuta en la tarjeta su modelo en la tarjeta Arduino.

En la ventana del modelo aparece una barra en la que ve el estado en el que se encuentra la comunicación entre el Arduino y el ordenador. Esta barra se encuentra situada en la parte inferior del modelo a la derecha.

Para parar la ejecución del modelo en su tarjeta se puede realizar lo siguiente:

• Desconectar la alimentación que se aplica a la tarjeta.

• Ejecute otro nuevo modelo en la tarjeta.

Para volver a comenzar la ejecución en la tarjeta del Arduino, pulse el botón de reset del que se dispone en la tarjeta.

3.12. SINTONIZADO Y MONITORIZACIÓN DEL MODELO EN LA TARJETA ARDUINO MEGA 2560

3.12.1. MODO EXTERNAL

Usted puede usar el modo External para sintonizar los parámetros y monitorizar los datos desde su modelo mientras se está ejecutando en la tarjeta Arduino Mega 2560. Esta capacidad no está disponible para la anterior versión del Arduino, Arduino Uno.

El modo external permite ajustar los parámetros del modelo y evaluar los resultados de los diferentes parámetros en tiempo real, con el fin de encontrar los valores óptimos para lograr el rendimiento deseado. Este proceso se denomina ajuste de parámetros.

El modo external acelera el proceso de ajuste de parámetros, ya que no es necesario volver a ejecutar el modelo cada vez que se cambien los parámetros. Este modo también permite desarrollar y validar el modelo con valores recogidos en tiempo real.

En la siguiente lista se puede ver de forma general el proceso de sintonizado de parámetros en modo external:

• En el modelo de su ordenador, usted puede habilitar el modo external en “Configuration Parameters”.

• En el modelo de su ordenador, usted puede configurar el software de Simulink para ejecutar su modelo en la tarjeta.

• Usted usa el modelo en el ordenador como un interface para que el usuario interactúe ejecutando el modelo en la tarjeta.

o Cuando usted abra los bloques y aplique nuevos valores de parámetros en el ordenador. El modo external actualiza los valores correspondientes en el modelo que se ejecuta en la tarjeta.

o Si su modelo contiene bloques para el visualizado de datos, tales como bloques Scope o Display, el modo External envía los datos correspondientes desde la tarjeta a dichos bloques en su ordenador.

• Usted determina los parámetros óptimos mediante el ajuste de éstos en el ordenador y observando los datos de salida procedentes de la tarjeta.

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Cuando usted haya terminado el sintonizado del modelo, usted puede deshabilitar el modo External y ejecutar el modelo ajustado ya en la tarjeta.

Algunas limitaciones del uso del modo external so las siguientes:

• No se configuran bloques Serial Receive o Serial Transmit en su modelo usando el puerto serie 0, ya que el modo External usa el puerto serie 0.

• No usar los siguientes bloques del Arduino: Standard Servo Read, Standard Servo Write y Continuous Servo Write.

3.12.2. EJECUTAR SU MODELO EN MODO EXTERNAL

Antes de empezar:

• Conecte su Arduino Mega 2560 al ordenador usando el cable USB.

• Crear o abrir un modelo de Simulink que se tenga en el ordenador.

Para preparar y ejecutar el modelo:

1. Abra su modelo de Simulink.

2. En el modelo, establecer el parámetro del tiempo de simulación que se muestra en la siguiente barra de herramientas:

Para ejecutar el modelo para un periodo indeterminado, introduzca inf.

Para ejecutar el modelo para un periodo finito, introduzca un número en segundos. Por ejemplo, introduciendo 120 el modelo se ejecutará el modelo en la tarjeta durante dos minutos.

3. Haga click en Tools y seleccione Run on Target Hardware > Options.

4. En el panel de Run on Target Hardware que se abre, seleccione Enable External mode.

5. Click Ok, y salve los cambios de su modelo.

6. Haga click en Tools y seleccione Run on Target Hardware > Run.

7. Mientras el modelo se está ejecutando en modo External, usted puede cambiar los valores de los parámetros en el modelo en su ordenador y observe los cambios correspondientes durante la ejecución del modelo en su tarjeta.

Si su modelo contiene bloques sink de Simulink, se podrán observar en ellos los valores generados por el modelo que se está ejecutando en la tarjeta.

Si el modelo no contiene bloques sink, el modo external no podrá enviar datos y aparecerá el siguiente mensaje “warning” en la ventana de comandos: “No data has been selected for uploading”. Usted puede hacer caso omiso a esta advertencia o puede agregar un bloque sink en el modelo y volver a ejecutar el modelo.

8. Cuando usted ha terminado la sintonización y monitorización de su modelo, usted puede deshabilitar el modo External.

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Para parar la ejecución del modo External, haga click en el botón del cuadrado negro de stop localizado en la siguiente barra de herramientas.

Esta acción detiene el proceso de ejecución del modelo en el Arduino y para la simulación del modelo.

Si éste se establece con un periodo finito el modo external se detendrá cuando se cumpla el parámetro de tiempo establecido.

3.12.3. USO DE COMUNICACIÓN SERIE CON EL ARDUINO

La tarjeta Arduino tiene puertos serie, también conocidos como UARTs, que pueden comunicarse con otros dispositivos.

El Arduino Mega 2569 tiene cuatro puertos serie; Puerto serie 0 se conecta al pin de comunicación llamado TX0 1 (pin del Arduino Mega 2560), y RX0 0 (pin del Arduino Mega 2560). El puerto serie 0 se conecta también con el puerto USB a través de un convertidor.

El puerto serie 1 se conecta al pin de comunicación llamado TX1 18 (pin del Arduino Mega 2560) y RX1 19 (pin del Arduino Mega 2560).



Usted puede usar el puerto serie 0 para comunicarse con otros dispositivos que tengan puerto serie o para comunicarse con un ordenador a través del puerto USB.

Cada puerto serie dispondrá de un bloque Serial Transmit y uno Serial Receive.

Si usted va utilizar el modo external con el Arduino Mega 2560 utilice los puertos serie del uno al tres para comunicaciones serie. El puerto 0 no está disponible para comunicaciones serie ya que éste está conectado al puerto USB, con el modo external usado para la comunicación con el ordenador. Esta restricción no está aplicada al Arduino Uno ya que el modo external no está disponible para éste.

3.12.4. DETECTAR Y CORREGIR “TASK OVERUNS” EN EL ARDUINO MEGA 2560

Usted puede configurar el modelo que se va ejecutar en la tarjeta Arduino para detectar y notificarle cuando existe desbordamiento de tareas. Un desbordamiento de tareas se produce si la tarea todavía se está realizando en la tarjeta cuando la siguiente tarea está programada para comenzar. Se pueden fijar sobrecostos por la disminución de la frecuencia con la que las tareas se programen para funcionar o mediante la reducción del número de tareas definidas por su modelo.

• Para habilitar la detección del overrun:

• Haga click en Tools en el modelo y seleccionar Run on Taarget Hardware > Options.

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• En el panel de Run on Target Hardware que se abre haga click en overrun detection.

• Utilice una salida digital para ajustar el parámetro de desbordamiento, que especifique el número del pin de una salida digital.

• Haga click en ok

Para crear un indicador visual del desbordamiento para su tarjeta, conecte una resistencia apropiada en serie con un LED entre el pin y GND.

Cuando ocurre una “task overrun”:

• El estado de la salida digital especificada por “Digital output to set overrun” cambiara entre un nivel bajo (0 V) y un nivel alto (5 V).

• El modelo continuará ejecutándose, pero el tiempo de muestreo será más largo que el especificado.

Fijar una condición de desbordamiento, reduce la carga de procesamiento del modelo por aplicación de una o más de las siguientes condiciones:

• Incrementa el tiempo de muestreo para este modelo. Por ejemplo, se incrementan los valores del parámetro de tiempo de muestreo en todos sus bloques source.

• Simplifica el modelo.

3.12.5. SOLUCIÓN DE PROBLEMAS DE FUNCIONAMIENTO DE MODELOS CON LA TARJETA ARDUINO

Si usted simula un modelo en su ordenador sin ejecutar este en la tarjeta, los bloques de entrada producen ceros y no se obtiene nada a la salida. Este es el comportamiento esperado.

Por ejemplo, si usted seleciona Simulation > Run en un modelo que contiene un bloque de entrada digital y un bloque de salida digital:

• El bloque de entrada digital produce ceros.

• El bloque de salida digital no hace nada.

Para resolver este problema, ejecute su modelo en la tarjeta como se describió en los anteriores apartados:

Ejecutar el modelo en la tarjeta Arduino.

Ejecutar su modelo en modo External.

Si usted intenta ejecutar su modelo en la tarjeta Arduino y Simulink genera un mensaje de error similar a este: La llamada a realtime_make_rtw_hook, durante la entrada hook genera el siguiente error: Podría no establecerse el puerto COM automáticamente para la tarjeta Arduino. Esto puede ser debido a que este desconectada o no se reconozca la tarjeta. Si la tarjeta no está conectada a su ordenador, conéctala y deja que el sistema operativo instale el controlador de la tarjeta.

Primero resuelve algunos problemas de conexión:

Verifique que su Arduino esta alimentado y conectado a su tarjeta.

Intente ejecutar el modelo otra vez en su tarjeta Arduino.

104

Si vuelve a dar un mensaje de error mientras la tarjeta está alimentada y conectada a su ordenador, resuelve algunos problemas con los drivers de Arduino en Windows.

Primero ver si la tarjeta Arduino Mega 2560 está instalada en el ordenador, para ello ver el apartado; 4.8 Instalación de la tarjeta Arduino Mega 2560 en PC, y seguir los pasos explicados.

Si usted sigue con los mensajes de error después de instalar la tarjeta en el ordenador, resolver algún problema con el establecimiento del puerto COM. Los drivers para algunas tarjetas Arduino no identifican el dispositivo en Windows. En este caso, establece el número del puerto COM de forma manual, como se explica a continuación:

Haga click en Tools en el modelo y seleccione Run on Target Hardware > Options.

En el panel de Run on Target Hardware, cambia el modo de selección del puerto COM de Automático a Manual y abandona la ventana de Configuration Parameters.

Abra en Windows en Dispositivos e impresoras.

Haga doble click en Arduino Mega 2560.

En la ventana de Propiedades del dispositivo, click en hardware, y haga click en Propiedades.

Haga click en Port settings.

La siguiente imagen muestra las ventanas de Dispositivos e impresoras, Hardware y Port Settings.

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Ilustración 108: Parámetros de comunicación del Arduino Mega 2560

En “Configuration Parameters” actualice los parámetros: COM port number y Serial baud rate que relacione el dispositivo Arduino y Windows.

106

Ilustración 109: Configuración de parámetros del Arduino en Simulink

Aplicar los nuevos valores en Configuration Parameter, e intenta ejecutar el modelo en la tarjeta Arduino otra vez.

107

__________________




CONTINUA

PLANOS

DOCUMENTO Nº4






108

1. ARDUINO MEGA 2560

109

2. ESQUEMA DE COMPONENTES

110

3. CAPA TOP DE LA PCB

111

4. CAPA BOTTOM DE LA PCB

.

112

__________________




CONTINUA

PLIEGO DE CONDICIONES

DOCUMENTO Nº5






8

1. ESPECIFICACIONES DE LOS MATERIALES Y ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DEL OBJETO DEL PROYECTO

En este apartado se analizarán las especificaciones o calidades que debe tener cada uno de los componentes que constituyen el proyecto, así como las pruebas y ensayos que se deben realizar para el correcto funcionamiento de la plataforma.

1.1. LISTADO DE LOS ELEMENTOS DEL PROYECTO Los elementos que se utilizan para la realización del proyecto son los siguientes:

• Arduino Mega 2560

• Puente H L293NE

• Convertidor frecuencia-tensión LM2917

• Diodos rectificadores BY 229 800

• Motor DC HN-GH35GMB HN-GH7.2-2414T - 50:1

• Encoder E4P-100-079-DHTB

• Circuito integrado 74LS14








• Diodo 1N4148

• Resistencia 10kΩ

• Resistencia 470Ω

• Condensador 12nF

• Resistencia 39kΩ

• Condensador 1uF

• Potenciómetro 10kΩ

• Matlab R2012b

• Fuente de alimentación

• Cable USB

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• Placa de circuito impreso PCB

• Conectores PCB

1.2. CALIDADES MÍNIMAS DE LOS COMPONENTES Las calidades mínimas de cada uno de los anteriores elementos que constituyen el

proyecto se definen a continuación:

1.2.1. ARDUINO MEGA 2560

Se escogió este tipo de Arduino debido fundamentalmente al programa de ordenador utilizado como interfaz entre la plataforma realizada y el usuario que es Matlab.

Al elegir Matlab y en especial su herramienta Simulink las opciones para la elección del tipo del Arduino se reduce, ya que los únicos que pueden trabajar con Simulink son el Arduino Mega 2560 y el Arduino Uno.

El Arduino Uno es compatible con Simulink pero tiene la limitación que no se puede sintonizar y monitorizar los parámetros en tiempo real, por tanto el Arduino no podría intercambiar los datos con el Arduino en cada instante, por tanto no se adecua bien a lo que se desea realizar en este proyecto.

Por tanto la opción válida es elegir el Arduino Mega 2560 ya que es compatible al 100% con Simulink y en este caso a diferencia del anterior se pueden sintonizar y monitorizar en tiempo real los parámetros sin problema por lo que se puede intercambiar parámetros entre ordenador y tarjeta a cada instante.

Además el Arduino Mega 2560 cubre perfectamente las necesidades que se tienen en este proyecto de entradas salidas tanto analógicas como digitales por tanto seria adecuada la elección.

1.2.2. PUENTE H L293NE

El circuito de potencia que se requiere tiene que amplificar la señal que se tiene a la entrada, procedente del Arduino Mega 2560, que es del orden de miliamperios a una señal a la salida de 0,6 amperios que es la corriente que se necesita para mover el motor.

Este circuito integrado L293NE se adecua perfectamente a estas necesidades ya que es capaz de obtener a su salida una corriente de un amperio que es suficiente para mover el motor sin problema. Este puente H necesita ir acompañado de unos diodos rectificadores que se encarguen de amortiguar los picos de corriente que se pueden ocasionar y podrían dañar el motor.

1.2.3. DIODOS RECTIFICADORES 1N4007

Estos diodos tienen como misión proteger al motor de sobre corrientes. Esta corriente es como máximo de dos amperios en momentos puntuales por tanto estos diodos tiene que soportar esta corriente para que sean adecuados.

Estos diodos 1N4007 cumplen de sobra con la corriente que deben soportar ya que son capaces de soportar un amperio de valor medio y treinta amperios en momentos puntuales.

115

1.2.4. CONVERTIDOR FRECUENCIA-TENSIÓN LM2917

Existen diferentes tipos de convertidores LM2917 en función del número de patillas que dispone y de si tiene diodo zener integrado para regular la alimentación del integrado.

La elección del convertidor de frecuencia – tensión no supondría ningún problema ya que en nuestro caso nos daría lo mismo elegir el convertidor de ocho pines que el de catorce pines y si dispone de diodo zener integrado o no.

Se ha elegido el LM2917 de 14 pines con diodo zener integrado ya que se disponía de este integrado de otros proyectos realizados anteriormente y se ha aprovechado para utilizarlo también en el presente proyecto.

1.2.5. MOTOR DC HN-GH35GMB

El motor dc que se requiere tiene que ser de pequeña potencia ya que la corriente que se obtiene del puente H para mover el motor es de un amperio.

El motor HN-GH35GMB es un motor de pequeña potencia que se sacó de un coche de juguete y que se amolda perfectamente a las necesidades del proyecto. Además se le puede acoplar el encoder que será necesario para conocer la velocidad y posición angular del eje del motor.

1.2.6. ENCODER E4P-100-079-DHTB

El encoder tiene que poderse acoplar al eje del motor elegido para que este pueda dar las señales adecuadas cuando el motor gire. También será necesario que la precisión que nos dé el encoder deba ser aceptable.

El encoder E4P-100-079-DHTB elegido tiene una precisión aceptable ya que nos da 5000 pulsos por vuelta, gracias a la reductora que posee, y además éste se acopla perfectamente al eje del motor elegido.

1.2.7. CIRCUITOS INTEGRADOS

En cuanto a los circuitos integrados de puertas lógicas, biestables tipo D y contadores no es necesario que sean de ninguna tecnología y marca en concreto, ya que la numeración del patillaje dentro del circuito integrado es la misma y funcionamiento de los mismos no varía.

Pero en el disparador Schmitt es necesario que sea de la familia TTL, nunca se usará la familia CMOS porque fallarían. El disparador escogido es el 74LS14 que cumple con las condiciones que se requieren.

1.2.8. RESISTENCIAS Y CONDENSADORES

Las resistencias y condensadores utilizados tienen que ser normalizados y del valor que se requiera. La potencia que puede disipar es de ¼ W.

1.2.9. MATLAB

El programa elegido para crear el interfaz que se usará con la plataforma es MATLAB, pero no se puede usar cualquier versión de éste.

La tarjeta Arduino Mega 2560 usado en el presente proyecto solo es compatible con la versión de MATLAB R2012b, ya que las librerías, donde se disponen los bloques relacionados

116

con el Arduino Mega 2560, que deben estar instaladas están especialmente diseñadas para que sea compatible con esta versión de MATLAB.

Por tanto es necesario disponer en el ordenador al que se va conectar el Arduino Mega 2560 la versión de MATLAB R2012b.

1.2.10. FUENTE DE ALIMENTACIÓN

La fuente de alimentación que se usará tiene que disponer tres fuentes independientes ya que se necesitará una fuente de 5V, otra de 15V y una fuente variable que nos tiene que aportar la tensión máxima del motor, ésta es de 7,2 V.

1.2.11. CABLE USB

El cable USB necesario para conectar el ordenador con la tarjeta Arduino Mega 2560 tiene que ser USB Tipo A en el extremo del ordenador y USB Tipo B en el extremo de la tarjeta.

Ilustración 110: Cable USB 2.0 A/B

Por tanto el cable USB 2.0 A/B que se disponía en el laboratorio cumple con estas características y es el elegido para conectar ordenador y tarjeta.

1.2.12. PLACA DE CIRCUITO IMPRESO PCB

La placa de circuito impreso tiene que ser fotosensible por las dos caras, ya que van a existir pistas por ambas caras.

Las dimensiones de esta PCB deben de ser 156x102 mm.

1.2.13. CONECTORES PCB

Los conectores que se necesitan para construir la PCB van a ser de dos tipos en función de:

• Conexión de alimentación, motor y encoder

• Entradas digitales, PWM y analógicas

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En el primer tipo se necesita que los conectores sean más gruesos ya que son los encargados de introducir la alimentación a la placa y por tanto se necesita que soporten una corriente mucho mayor a la que nos encontraremos en el segundo caso por ejemplo.

Los conectores que se suelen utilizar para este tipo de tensiones que tenemos que son bajas son los WM8S que se pueden ver en la siguiente ilustración.

Ilustración 111: Conector WM8S

Estos conectores suelen ir montados con los pines WF8 y los cables que llevan la alimentación, la conexión del motor y del encoder van conectados a los pines CWT para hacer contacto con los pines WM8S.

Los conectores WF8 y CWT se ven en la siguiente ilustración de izquierda a derecha:

Ilustración 112: Conectores WF8 y CWT

Estos conectores se montan de la siguiente forma: Primero se suelda el WM8S por el lado de menor longitud de los pines a la PCB. A continuación a los cables que van a ir conectados a este se les une a uno de su extremo el CWT de forma que el cable quede bien unido a él gracias a las pletinas de las que dispone. El WF8 dispone de dos lados orificios a ambos lados. En uno de los lados los orificios son más grandes y en el otro lado son más pequeños. En la anterior ilustración se puede observar el lado de los orificios de menor tamaño. Así por el lado de orificios de mayor diámetro se introducen los cables por el lado en que se ha conectado el CWT. Una vez que se hayan introducido todos los cables necesarios se introducirá el WF8 por el lado de los orificios más pequeños en los pines del WM8S de forma que todo quede bien unido y haciendo buen contacto entre los pines del WM8S con los CWT de cada uno de los cables.

118

Para la elección del segundo tipo de conectores no hay que tener tanto en cuenta la corriente como en el caso anterior ya que la corriente que circula en estas señales es baja. Sin embargo hay que fijarse en la disposición de los integrados dentro de la PCB ya que la tarjeta Arduino va a ir colocada encima de esta y sería recomendable que los integrados no contacten con la tarjeta Arduino, ya que estos integrados se pueden calentar un poco y esto podría dañar la tarjeta.

Por tanto se necesiten unos conectores que sean al menos tan altos como los integrados cuando están montados encima de los zócalos. Teniendo en cuenta esto se eligieron los conectores header hembra que nos ofrecen una altura suficiente y además tienen la misma distancia entre pines que la que tienen los pines del Arduino. Estos serán los conectores que vayan soldados a la PCB para conectar las entradas digitales, PWM y analógicas del Arduino.

Ilustración 113. Conector header hembra

El único problema es que tanto los conectores del Arduino como los que han sido soldados a la PCB son hembras por tanto no hacen contacto los pines destinados a entradas digitales, PWM y analógicas en la PCB con la tarjeta Arduino.

Se necesitaran unos conectores que sean macho por ambos lados para poder conectarlos por uno de los lados a la PCB y por el otro al Arduino. Además los pines a ambos lados del conector deben ser la misma longitud y del mismo grosor de forma que encajen a la perfección en los conectores hembra a ambos lados.

Los conectores que mejor se ajustan son las tiras de postes de machos que se pueden observar en la siguiente imagen.

Ilustración 114: Conector tira de pines macho

Como se puede observar los pines que constituyen la tira de postes tienen el mismo grosor. La longitud de los pines a ambos lados se obtiene moviendo el separador negro y

119

cortando con unas tijeras el “trozo” de los pines que sobrase. De esta forma se puede ajustar el tamaño de los pines para que se haga bien contacto entre la PCB y el Arduino de forma que las señales se transmitan en perfectas condiciones.

1.3. PRUEBAS Y ENSAYOS Las pruebas y ensayos realizados en el presente proyecto para comprobar su correcto

funcionamiento se llevaron a cabo antes de realizar la PCB. Éstos se realizaron gracias a un programa de simulación de circuitos llamado Proteus y a la protoboard.

Gracias al programa Proteus se simula el montaje que se diseñó para realizar el control de velocidad y de la posición en el ordenador. Este programa dispone de unas librerías con los circuitos integrados que se necesitan para su montaje. También dispone de generadores de señales que emularán las señales que nos daría el encoder y de visualizadores que nos ayudaran a conocer el valor y el tipo de señal que se obtiene en cualquier lugar del montaje.

Una Protoboard es, como se muestra en la siguiente ilustración, un tablero con orificios conectados eléctricamente entre sí, en el cual se pueden insertar componentes electrónicos y cables el armado y prototipado de circuitos electrónicos y sistemas similares.

Ilustración 115: Protoboard

En la protoboard se realiza el montaje físicamente de todo el diseño. Se insertan los circuitos integrados y se realizan las conexiones que se requieran mediante cables de forma que se podrá saber si el conjunto funciona bien o mal. Para llegar a la solución final con la que se consigue el correcto funcionamiento hay que realizar muchísimas pruebas en esta protoboard.

Para realizar las pruebas en la protoboard se necesitarán dos elementos fundamentales para conocer el valor y el tipo de señal que se tiene en cada uno de los orificios de la protoboard que son el osciloscopio digital y la sonda como se pueden observan en la siguiente ilustración..

120

Ilustración 116: Osciloscopio digital

El osciloscopio digital es un instrumento de medición electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo. Así como obtener medidas de tensión, frecuencia, etc…

Ilustración 117: Sonda

La sonda captura la señal que se quiere visualizar de la protoboard, para transmitirla al osciloscopio mediante un cable, generalmente coaxial.

121

2. REGLAMENTACIÓN Y NORMATIVA Se regirá por el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, en el que se tendrá en

cuenta las siguientes normativas:

• M.I. B.T.029, la cual se refiere a instalaciones de pequeñas tensiones, menores de 50 voltios.

• M.I. B.T.031, la cual se refiere a las condiciones generales de instalación, de utilización, así como de los requisitos a cumplir a la hora del diseño.

El proyecto cumple también con las siguientes normativas DIN y UNE:

• Los materiales que pueden ser utilizados para la realización de placas de circuito impreso UNE 20-621-85/3.

• Los espesores de los materiales con recubrimiento metálico y sus tolerancias especificadas en la norma UNE 20-621-84/3.

• La norma UNE 20552 especifica las tolerancias sobre el espesor total en la zona de contactos.

• En cuanto a la anchura de las pistas, según la intensidad que circule por el material conductor, se referirá a la norma UNE 20-621.

• Los diámetros de los taladros están especificados en la norma UNE 20-621-84/3.

• La norma UNE 20-612/2 recoge varios tipos de ensayos que pueden realizarse y los materiales, como pueden ser los ensayos de espesor, adherencia, porosidad, etc.

• En las distancias entre taladros para la colocación de componentes, se seguirá lo indicado en la norma UNE 20-524/1, UNE 20-524/2 y UNE 20-524/3.

• Reglas de seguridad para los aparatos electrónicos de norma UNE 20-514-82.

• DIN 40801, referente a circuitos impresos, fundamentos, orificios y espesores.

• DIN 40803, referente a circuitos impresos, placas y documentación.

• DIN 40804, referente a circuitos impresos, conceptos.

• DIN 41494, referente a las formas de construcción para dispositivos electrónicos.

• Reglas para el diseño y utilización de placas de circuito impresas UNE 20-621-3.

• Especificación para la realización de placas de simple y doble cara con agujeros no metalizados y metalizados UNE 20-621-4 y UNE 20-621-5.

• Especificación para las placas impresas multicapas UNE 20-621-6.

• UNE 20902 que hace referencia a la técnica de circuitos impresos, terminología.

• UNE-EN 60249 en la cual se citan los materiales base para circuitos impresos.

122

__________________




CONTINUA

ESTADO DE MEDICIONES

DOCUMENTO Nº6






8

1. MEDICIONES DE LOS COMPONENTES Este apartado tiene como misión definir y determinar las unidades de cada partida que

configuran la totalidad del producto objeto del proyecto.

Se utilizará el Sistema Internacional de unidades según la UNE 821000 (partes 0 a 13) “Magnitudes y Unidades”.

Este documento se utiliza como base para realizar el presupuesto.

1.1. CAPÍTULO 0100 CIRCUITOS INTEGRADOS

CÓDIGO UNIDAD RESUMEN CANTIDAD

0101 UD. L293 PUENTE H 1

0102 UD. LM2917N CONVERTIDOR FRECUENCIA-TENSIÓN 1

0103 UD. 74LS14 SEIS DISPARADORES SCHMITT 1

0104 UD. 74LS194 CONTADOR BINARIO UP/DOWN DE MÓDULO DIECISÉIS

4

0105 UD. 74LS04 SEIS PUERTAS LÓGICAS NOT 1

0106 UD. 74LS11 TRES PUERTAS AND DE TRES ENTRADAS 2

0107 UD. 74LS74 DOS BIESTABLES TIPO D 1

0108 UD. 74LS08 CUATRO PUERTAS LÓGICAS AND DE DOS ENTRADAS

1

0109 UD. 74LS93 CONTADOR DE DÉCADA DE MÓDULO 16 1

0110 UD. 74LS27 TRES PUERTAS LÓGICAS NOR DE TRES ENTRADAS

2

0111 UD. 74LS00 CUATRO PUERTAS LÓGICAS NAND DE DOS ENTRADAS

1

124

1.2. CAPÍTULO 0200 INTERFACE PC-PLANTA


0201 UD. ARDUINO MEGA 2560 1

0202 UD. CABLE USB 2.0 A/B 1

1.3. CAPÍTULO 0300 ELEMENTOS ROTATIVOS


0301 UD. MOTOR DC (HN-GH35GMB) 1

0302 UD. ENCODER INCREMENTAL (E4P-100-079-DHTB) 1

1.4. CAPÍTULO 0400 PCB


0401 UD. PLACA FOTOLÍTICA A DOS CARAS (158X102MM) 1

0402 UD. CONECTOR WMS8 1

0403 UD. CONECTOR HEMBRA 1

0404 UD. TIRA DE POSTES MACHO (40 PINES) 1

0405 UD. ZÓCALO DE CATORCE PINES 11

0406 UD. ZÓCALO DE DIECISÉIS PINES 5

0407 UD. CONECTOR CWT 8

0408 UD. CONECTOR WF8 1

125

1.5. CAPÍTULO 0500 OTROS COMPONENTES ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS


0501 UD. 1N4148 (DIODO) 1

0502 UD. RESISTENCIAS ELÉCTRICA 10K 2

0503 UD. RESISTENCIA ELÉCTRICA 39K 1

0504 UD. RESISTENCIA ELÉCTRICA 820 1

0505 UD. POTENCIÓMETRO 10K 1

0506 UD. CONDENSADOR CERÁMICO 12 NF 1

0507 UD. CONDENSADOR ELECTROLÍTICO 1UF 1

0508 UD. 1N4007 (DIODO) 4

1.6. CAPÍTULO 0600 MONTAJE DE LA MAQUETA


0601 UD. CHAPA METÁLICA (228X152X2MM) 1

0602 UD. SEPARADORES PARA PCB (BOLSA DE 10 UNIDADES) 1

0603 UD. TORNILLOS Y TUERCAS (BOLSA DE 25 UNIDADES) 1

0604 UD. BANANA HEMBRA (BORNES DE ALIMENTACIÓN) 4

0605 UD. ABRAZADERA 1

1.7. CAPÍTULO 0700 MANO DE OBRA


0701 HRS. HORAS DE DISEÑO Y SIMULACIÓN 380

0702 HRS. HORAS DE MONTAJE 200

0703 HRS. HORAS DE PRUEBAS 60

126

__________________




CONTINUA

PRESUPUESTO

DOCUMENTO Nº7






127

1. PRECIOS UNITARIOS DE LOS COMPONENTES A continuación se puede observar el precio unitario de cada uno de los componentes

que forman el proyecto ordenados por capítulos.


CÓDIGO RESUMEN PRECIO

0101 L293 PUENTE H 3,62 €

0102 LM2917N CONVERTIDOR FRECUENCIA-TENSIÓN 2,09 €

0103 74LS14 SEIS DISPARADORES SCHMITT 0,39 €

0104 74LS194 CONTADOR BINARIO UP/DOWN DE MÓDULO DIECISÉIS 0,61 €

0105 74LS04 SEIS PUERTAS LÓGICAS NOT 0,39 €

0106 74LS11 TRES PUERTAS AND DE TRES ENTRADAS 0,44 €

0107 74LS74 DOS BIESTABLES TIPO D 0,49 €

0108 74LS08 CUATRO PUERTAS LÓGICAS AND DE DOS ENTRADAS 0,39 €

0109 74LS93 CONTADOR DE DÉCADA DE MÓDULO 16 1,20 €

0110 74LS27 TRES PUERTAS LÓGICAS NOR DE TRES ENTRADAS 0,60 €

0111 74LS00 CUATRO PUERTAS LÓGICAS NAND DE DOS ENTRADAS 0,38 €



0201 ARDUINO MEGA 2560 61,44 €

0202 CABLE USB 2.0 A/B 3,00 €

128



0301 MOTOR DC (HN-GH35GMB) 21,95 €

0302 ENCODER INCREMENTAL (E4P-100-079-DHTB) 25,25 €



0401 PLACA FOTOLÍTICA A DOS CARAS (158X102MM) 20,00 €

0402 CONECTOR WMS8 4,67 €

0403 CONECTOR HEMBRA 1,05 €

0404 TIRA DE POSTES MACHO (40 PINES) 1,97 €

0405 ZÓCALO DE CATORCE PINES 0,23 €

0406 ZÓCALO DE DIECISÉIS PINES 0,28 €

0407 CONECTOR CWT 0,78 €

0408 CONECTOR WF8 5,4 €



0501 1N4148 (DIODO) 0,16 €

0502 RESISTENCIAS ELÉCTRICA 10K 0,40 €

0503 RESISTENCIA ELÉCTRICA 39K 0,40 €

0504 RESISTENCIA ELÉCTRICA 820 0,40 €

0505 POTENCIÓMETRO 10K 0,75 €

129

0506 CONDENSADOR CERÁMICO 12 NF 0,90 €

0507 CONDENSADOR ELECTROLÍTICO 1UF 1,10 €

0508 1N4007 (DIODO) 0,20 €



0601 CHAPA METÁLICA (228X152X2MM) 4,00 €

0602 SEPARADORES PARA PCB (BOLSA DE 10 UNIDADES) 2,50 €

0603 TORNILLOS Y TUERCAS (BOLSA DE 25 UNIDADES) 1,50 €

0604 BANANA HEMBRA (BORNES DE ALIMENTACIÓN) 0,75 €

0605 ABRAZADERA 0,75 €



0701 HORAS DE DISEÑO Y SIMULACIÓN 35,00 €

0702 HORAS DE MONTAJE 30,00 €

0703 HORAS DE PRUEBAS 30,00 €

130

2. PRECIOS TOTALES DE LOS COMPONENTES POR CAPÍTULO

En los siguientes subapartados se expresan los presupuestos de los diversos capítulos justificando cada uno de ellos detalladamente.


CÓDIGO RESUMEN CANTIDAD PRECIO IMPORTE

0101 L293 PUENTE H 1 3,62 € 3,62 €

0102 LM2917N CONVERTIDOR FRECUENCIA-TENSIÓN

1 2,09 € 2,09 €

0103 74LS14 SEIS DISPARADORES SCHMITT 1 0,39 € 0,39 €

0104 74LS194 CONTADOR BINARIO UP/DOWN DE MÓDULO DIECISÉIS

4 0,61 € 2,44 €

0105 74LS04 SEIS PUERTAS LÓGICAS NOT 1 0,39 0,39 €

0106 74LS11 TRES PUERTAS AND DE TRES ENTRADAS

2 0,44 0,88 €

0107 74LS74 DOS BIESTABLES TIPO D 1 0,49 0,49 €

0108 74LS08 CUATRO PUERTAS LÓGICAS AND DE DOS ENTRADAS

1 0,39 0,39 €

0109 74LS93 CONTADOR DE DÉCADA DE MÓDULO 16

1 1,20 1,20 €

0110 74LS27 TRES PUERTAS LÓGICAS NOR DE TRES ENTRADAS

2 0,60 1,20 €

0111 74LS00 CUATRO PUERTAS LÓGICAS NAND DE DOS ENTRADAS

1 0,38 0,38 €

CAPÍTULO 0100 CIRCUITOS INTEGRADOS……………………………………………. 13,47 €

131



0201 ARDUINO MEGA 2560 1 61,44 € 61,44 €

0202 CABLE USB 2.0 A/B 1 3,00 € 3,00 €

CAPÍTULO 0200 INTERFACE PC-PLANTA..……………………………………………. 64,44 €



0301 MOTOR DC (HN-GH35GMB) 1 21,95 € 21,95 €

0302 ENCODER INCREMENTAL (E4P-100-079-DHTB)

1 25,25 € 25,25 €

CAPÍTULO 0300 ELEMENTOS ROTATIVOS……………………………………………. 47,20 €



0401 PLACA FOTOLÍTICA A DOS CARAS (158X102MM)

1 20,00 € 20,00 €

0402 CONECTOR WMS8 1 4,67 € 4,67 €

0403 CONECTOR HEMBRA 1 1,05 € 1,05 €

0404 TIRA DE POSTES MACHO (40 PINES) 1 1,97 € 1,97 €

0405 ZÓCALO DE CATORCE PINES 11 0,23 € 2,53 €

0406 ZÓCALO DE DIECISÉIS PINES 5 0,28 1,40 €

0407 CONECTOR CWT 8 0,78 6,24 €

0408 CONECTOR WF8 1 5,45 5,45 €

132

CAPÍTULO 0400 PCB………………………….……………………………………………. 43,31 €



0501 1N4148 (DIODO) 1 0,16 € 0,16 €

0502 RESISTENCIAS ELÉCTRICA 10K 2 0,40 € 0,80 €

0503 RESISTENCIA ELÉCTRICA 39K 1 0,40 € 0,40 €

0504 RESISTENCIA ELÉCTRICA 820 1 0,40 € 0,40 €

0505 POTENCIÓMETRO 10K 1 0,75 € 0,75 €

0506 CONDENSADOR CERÁMICO 12 NF 1 0,90 € 0,90 €

0507 CONDENSADOR ELECTROLÍTICO 1UF 1 1,10 € 1,10 €

0508 1N4007 (DIODO) 4 0,20 € 0,80 €

CAPÍTULO 0500 OTROS COMPONENTES ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS…… 5,31 €



0601 CHAPA METÁLICA (228X152X2MM) 1 4,00 € 4,00 €

0602 SEPARADORES PARA PCB (BOLSA DE 10 UNIDADES)

1 2,50 € 2,50 €

0603 TORNILLOS Y TUERCAS (BOLSA DE 25 UNIDADES)

1 1,50 € 1,50 €

0604 BANANA HEMBRA (BORNES DE ALIMENTACIÓN)

4 0,75 € 3,00 €

0605 ABRAZADERA 1 0,75 € 0,75 €

133

CAPÍTULO 0600 MONTAJE DE LA MAQUETA……………………………………..…… 11,75 €



0701 HORAS DE DISEÑO Y SIMULACIÓN 380 35,00 € 13300,00 €

0702 HORAS DE MONTAJE 200 30,00 € 6000,00 €

0703 HORAS DE PRUEBAS 60 30,00 € 1800,00 €

CAPÍTULO 0700 MANO DE OBRA……………………………………..……………… 21100,00 €

134

3. PRESUPUESTO FINAL Este apartado indica cual es el presupuesto en que se valora la realización del proyecto.

Para ello se sumará el total de cada uno de los capítulos que componen el proyecto y se le aplicaran los porcentajes estipulados consiguiendo así el presupuesto total.

CODIGO RESUMEN EUROS

0100 Circuitosintegrado…………………………………………………………………...13,47 0200 Interface PC-Planta.…………………………………………………….................64,44 0300 Elementos rotativos……………………………… …………………………………47,20 0400 PCB……………………………………………………………………………………43,31 0500 Otros componentes eléctricos y electrónicos……………………………………...5,31 0600 Montaje de la maqueta………………………………………………………………11,75 0700 Mano de obra……………………………………………………….................21.100,00 -------------- TOTAL EJECUCIÓN MATERIAL………………21.285,48 13,00 % Gastos generales…………………2.767,11 6,00 % Beneficio industrial……………….1.277,13

SUMA DE G.G. y B.I……………………….4.044,24

21,00 % I.V.A………………………………..5.319,24

--------------

TOTAL PRESUPUESTO CONTRATA…………………….30.648,96 -------------- TOTAL PRESUPUESTO GENERAL……………………….30.648,96

Asciende el presupuesto general a la expresada cantidad de TREINTA MIL SEISCIENTOS CUARENTA Y OCHO EUROS con NOVENTA Y SEIS CÉNTIMOS.

Logroño, a 7 de mayo de 2013.

EL PROMOTOR LA DIRECCIÓN FACULTATIVA

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