Diseño y desarrollo de plataforma didáctica basada en un ... · variando el voltaje de...

lvaro Velilla Pisn

Diseo y desarrollo de plataforma didctica basada en unmotor de corriente continua

Javier Rico Azagra y Montserrat Gil Martnez

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniera Elctrica

2012-2013

Ttulo

Autor/es

Director/es

Facultad

Titulacin

Departamento

PROYECTO FIN DE CARRERA

Curso Acadmico

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

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

Diseo y desarrollo de plataforma didctica basada en un motor de corriente continua, proyecto fin de carrera

de lvaro Velilla Pisn, dirigido por Javier Rico Azagra y Montserrat Gil Martnez (publicado por la Universidad de La Rioja), se difunde bajo una Licencia

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i

__________________

DISEO Y DESARROLLO DE

PLATAFORMA DIDCTICA BASADA

EN UN MOTOR DE CORRIENTE

CONTINUA

Peticionario: Universidad de la Rioja

Informantes: lvaro Velilla Pisn

Alumno de Ingeniera Industrial

Javier Rico Azagra (Director de proyecto)

Montserrat Gil Martnez (Directora del Proyecto)

I

__________________




CONTINUA

NDICE GENERAL

DOCUMENTO N1






II

DOCUMENTO N1: NDICE GENERAL

DOCUMENTO N2: MEMORIA 1. OBJETO ................................................................................................................................. 2

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

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

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

3.2. SISTEMAS TRMICOS .................................................................................................... 5

3.3. SISTEMAS MECNICOS ................................................................................................. 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. BIBLIOGRAFA ............................................................................................................... 11

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

6. REQUISITOS DE DISEO .................................................................................................. 14

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

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

7.1.1. TARJETA DE ADQUISICIN 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 POSICIN ....................................................................... 22

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

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

7.5. MEDIDA DE LA POSICIN ANGULAR .......................................................................... 23

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

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

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

7.6.2. REDUCCIN DE LA TENSIN DE ALIMENTACIN .................................................... 28

7.6.3. MODULACIN POR ANCHO DE PULSO ...................................................................... 29

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



III

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

8.4. SENSOR DE VELOCIDAD Y POSICIN ....................................................................... 31

8.5. MEDIDA DE POSICIN .................................................................................................. 32

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

8.7. SOFTWARE DE MONITORIZACIN Y CONTROL ........................................................ 37

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

9. PLANIFICACIN .................................................................................................................. 52

DOCUMENTO N3: ANEXOS 1. DOCUMENTACIN DE PARTIDA ....................................................................................... 54

2. CLCULOS .......................................................................................................................... 55

2.1. CONTROL DE POSICIN .............................................................................................. 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 POSICIN .................................................................................................. 62

3.4.1. SENSOR DE VELOCIDAD POSICIN ........................................................................... 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. ZCALO ......................................................................................................................... 82

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

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

3.10. LIBRERAS DE BLOQUES DE SIMULINK ..................................................................... 92

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

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

3.10.3. ENTRADA ANALGICA ................................................................................................. 96

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

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

3.12. SINTONIZADO Y MONITORIZACIN 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 COMUNICACIN SERIE CON EL ARDUINO................................................ 102

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

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

DOCUMENTO N4: 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 N5: 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 MNIMAS 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-TENSIN 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 ALIMENTACIN ...................................................................................... 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. REGLAMENTACIN Y NORMATIVA ................................................................................ 121

DOCUMENTO N6: ESTADO DE MEDICIONES 1. MEDICIONES DE LOS COMPONENTES ........................................................................ 123

1.1. CAPTULO 0100 CIRCUITOS INTEGRADOS .............................................................. 123

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

1.3. CAPTULO 0300 ELEMENTOS ROTATIVOS ............................................................... 124

1.4. CAPTULO 0400 PCB ................................................................................................... 124

1.5. CAPTULO 0500 OTROS COMPONENTES ELCTRICOS Y ELECTRNICOS ........ 125

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

1.7. CAPTULO 0700 MANO DE OBRA .............................................................................. 125

DOCUMENTO N7: PRESUPUESTO 1. PRECIOS UNITARIOS DE LOS COMPONENTES............................................................ 127




1.4. CAPTULO 0400 PCB ................................................................................................... 128




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




VI

2.4. CAPTULO 0400 PCB ................................................................................................... 131




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

VII

NDICE ILUSTRACIONES Ilustracin 1: Esquema general de funcionamiento de un sistema hidrulico ................................ 5

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

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

Ilustracin 4: Configuracin del amplificador OPA541AP ............................................................ 18

Ilustracin 5: Configuracin del amplificador LM324 .................................................................... 19

Ilustracin 6: Configuracin bsica de un puente H ..................................................................... 19

Ilustracin 7: Configuracin para el giro de motor en sentido antihorario .................................... 20

Ilustracin 8: Configuracin para el giro de motor en sentido horario .......................................... 20

Ilustracin 9: Clasificacin de los motores de corriente continua ................................................. 21

Ilustracin 10: Seales en cuadratura del encoder incremental ................................................... 22

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

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

Ilustracin 13: Seales del encoder para obtener el nanopulso ................................................... 24

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

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

Ilustracin 16: Seal de salida en sentido antihorario .................................................................. 25

Ilustracin 17: Seal de salida en sentido horario ........................................................................ 26

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

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

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

Ilustracin 21:Circuito acondicionador ......................................................................................... 28

Ilustracin 22: Diagrama de tiempo de una seal PWM .............................................................. 29

Ilustracin 23: Circuito de potencia .............................................................................................. 31

Ilustracin 24: Circuito acondicionador de las seales del encoder ............................................. 32

Ilustracin 25: Seales de salida cuando el motor gira en sentido antihorario ............................. 33

Ilustracin 26: Seales de salida cuando el motor gira en sentido horario .................................. 33

Ilustracin 27: Asociacin de contadores ..................................................................................... 34

Ilustracin 28: Lgica usada del Reset del contador .................................................................... 34

Ilustracin 29: Lgica usada de la carga paralelo PL del contador .............................................. 35

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

Ilustracin 31: Relacin velocidad-tensin ................................................................................... 36

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

Ilustracin 33: Bloques para controlar la accin de control y el sentido de giro ........................... 38

VIII

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

Ilustracin 35: Ejemplo de monitorizacin del Motor cc en lazo abierto ....................................... 40

Ilustracin 36: Seal de entrada U positiva .................................................................................. 40

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

Ilustracin 38: Seal de entrada U negativa ................................................................................ 41

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

Ilustracin 40: Monitorizacin del motor cc en lazo cerrado......................................................... 42

Ilustracin 41: Bloque Controlador ............................................................................................ 42

Ilustracin 42: Bloque de la funcin de trasferencia ..................................................................... 42

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

Ilustracin 44: Bloque Motor CC1 para control de posicin ......................................................... 43

Ilustracin 45: Bloques para controlar la accin de control y el sentido de giro para control de posicin .............................................................................................................................. 44

Ilustracin 46: Conversor digital-analgico .................................................................................. 45

Ilustracin 47: Monitorizacin del Motor CC1 en lazo abierto ...................................................... 46

Ilustracin 48: Seal de entrada para control de posicin ........................................................... 46

Ilustracin 49: Representacin de la posicin angular () ............................................................ 47

Ilustracin 50: Representacin grfica accin de control-velocidad ............................................. 49

Ilustracin 51: Representacin de la correspondencia entre comportamiento real y modelo dinmico .............................................................................................................................. 50

Ilustracin 52: Modelo de simulacin con tabla Loock-Up ........................................................... 51

Ilustracin 53: Representacin de la correspondencia entre los datos reales del motor y el modelo de simulacin .................................................................................................................. 51

Ilustracin 54: Diagrama de Gantt ............................................................................................... 52

Ilustracin 55: Grafica corriente - tensin de alimentacin........................................................... 56

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

Ilustracin 57: Arduino Mega 2560 .............................................................................................. 59

Ilustracin 58: Circuito integrado L293 ......................................................................................... 60

Ilustracin 59: Diodo 1N4007 ....................................................................................................... 61

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

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

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

Ilustracin 63: Seales en cuadratura del encoder incremental ................................................... 64

Ilustracin 64: Disposicin de pines del CI 74LS74 ..................................................................... 65



IX





Ilustracin 71: Disposicin de pines del CI 74LS193 ................................................................... 73

Ilustracin 72: Disposicin de pines del CI LM2917NE ................................................................ 74

Ilustracin 73: Esquema del LM2917NE con circuitera auxiliar .................................................. 75


Ilustracin 75: Conexin del 74LS93 como divisor por 12 ........................................................... 77

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

Ilustracin 77: Diodo 1N4148 ....................................................................................................... 77

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

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

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

Ilustracin 81: Conector WM8S ................................................................................................... 80

Ilustracin 82: Pin CWT ............................................................................................................... 81

Ilustracin 83: Conector WF8....................................................................................................... 81

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

Ilustracin 85: Zcalo de 16 pines ............................................................................................... 82

Ilustracin 86: Paso 1 de la instalacin del Arduino Mega 2560 .................................................. 82







Ilustracin 93: Paso 1 Instalacin del software de Arduino para Simulink ................................... 89





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

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

Ilustracin 100: Bloque entrada digital ......................................................................................... 94

Ilustracin 101: Parmetros de la entrada digital ......................................................................... 95

X

Ilustracin 102: Bloque salida digital ............................................................................................ 95

Ilustracin 103: Parmetros de la salida digital ............................................................................ 96

Ilustracin 104: Bloque entrada analgica ................................................................................... 96

Ilustracin 105: Parmetros de la entrada analgica ................................................................... 97

Ilustracin 106: Bloque salida PWM ............................................................................................ 98

Ilustracin 107: Parmetros de la salida PWM ............................................................................ 99

Ilustracin 108: Parmetros de comunicacin del Arduino Mega 2560 ..................................... 105

Ilustracin 109: Configuracin de parmetros del Arduino en Simulink ..................................... 106

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

Ilustracin 111: Conector WM8S ............................................................................................... 117

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

Ilustracin 113. Conector header hembra .................................................................................. 118

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

Ilustracin 115: Protoboard ........................................................................................................ 119

Ilustracin 116: Osciloscopio digital ........................................................................................... 120

Ilustracin 117: Sonda ............................................................................................................... 120

XI

NDICE TABLAS Tabla 1: Tabla accin de control - velocidad ................................................................... 49

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

Tabla 3: Caractersticas del L293 .................................................................................... 61

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

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

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

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

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

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

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

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

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



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

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

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


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

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

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

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

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

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

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

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

XII

NDICE ECUACIONES Ecuacin 1: Factor multiplicador /pulso ......................................................................... 55

Ecuacin 2: N Vueltas del motor por segundo ............................................................... 55

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

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

Ecuacin 5: Tensin del zener ........................................................................................ 56

Ecuacin 6: Tensin mxima de la seal analgica del Arduino Mega 2560 .................. 56

Ecuacin 7: Corriente para tensin de alimentacin de 15 V .......................................... 56

Ecuacin 8: Expresin de la resistencia R1 mnima ....................................................... 56

Ecuacin 9: Clculo de la resistencia R1 mnima ........................................................... 56

Ecuacin 10: Resistencia R1 mnima normalizada ......................................................... 57

Ecuacin 11: Ecuacin fundamental del convertidor frecuencia-tensin ........................ 57

Ecuacin 12: Ecuacin del convertidor frecuencia-tensin con valores numricos ........ 57

Ecuacin 13: Ecuacin para obtener C1 ......................................................................... 57

Ecuacin 14: Eleccin de C1 normalizado ...................................................................... 57

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

Ecuacin 16: Clculo de R1 definitivo ............................................................................. 57

Ecuacin 17: Pendiente de la recta de escalado de frecuencia en tensin..................... 57

Ecuacin 18: Ecuacin para calcular C2 ......................................................................... 57

Ecuacin 19: Clculo numrico de C2 ............................................................................ 57

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

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

Ecuacin 22: Calculo de la resistencia para el valor de tensin de 15 V ........................ 58

1

__________________




CONTINUA

MEMORIA

DOCUMENTO N1






2

1. OBJETO Se desea disear una planta didctica que permita aplicar los conocimientos estudiados

en asignaturas relacionadas con Ingeniera de Control en un sistema real. Esta maqueta de laboratorio estar fundamentada en un control de corriente continua y permitir la identificacin de los parmetros caractersticos de ste tipo de motores y el anlisis de su comportamiento. Adems se disear con el hardware necesario para la medida de la posicin angular y el control de la velocidad del eje del motor. Se requiere que el sistema sea de bajo coste, fcil de utilizar, flexible y cmodo de transportar. La respuesta del sistema ha de ser rpida para poder realizar los experimentos con agilidad.

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

3

2. ALCANCE A continuacin se detallan las tareas que se deben realizar para completar con xito los

objetivos que se han marcado al inicio del proyecto.

Diseo de la electrnica adecuada para conseguir controlar el sentido de giro, la velocidad y la posicin angular del motor.

Realizacin del prototipo de la plataforma didctica en una placa de circuito impreso PCB.

Realizacin de una aplicacin en Simulink para que el usuario final (p.e. el alumno) pueda controlar a travs 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, adems de visualizar su valor. Conocer la posicin angular en la que se encuentra el eje del motor.

4

3. ANTECEDENTES Antiguamente la obtencin 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 econmica surgi el concepto de control automtico 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 optimizacin del control, y tambin a la bsqueda 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 da 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 econmicos, medioambientales, cualitativos, de seguridad, etc.

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

Sistemas Hidrulicos

Sistemas Trmicos

Sistemas Mecnicos

3.1. SISTEMAS HIDRAULICOS El control del nivel de lquidos en depsitos y el flujo entre ellos es un problema bsico

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

En esta lnea existen plataformas didcticas en las que se puede simular el comportamiento de este tipo de sistemas a pequea escala. Este tipo de sistemas suele seguir el esquema de funcionamiento que se ve en la Ilustracin 1.

En el instante inicial todo el lquido permanece esttico en el depsito situado en la parte inferior de la maqueta. A travs de la tubera de aspiracin de una bomba se toma el lquido y lo hace circular a travs de una manguera flexible de goma atravesando un caudalmetro hasta llegar a uno de los tanques. Una vez llegado a este estado el funcionamiento depender de la configuracin de las diferentes vlvulas que posea. Existir la posibilidad de que el agua discurra del primer tanque al segundo y/o que el agua regrese al depsito inferior del que ha partido. En el caso de que los tanques lleguen al mximo de su capacidad existir un aliviadero por el que discurre el lquido hacia el depsito de forma que no existe riesgo de derramamiento del lquido sobre la zona de trabajo.

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Ilustracin 1: Esquema general de funcionamiento de un sistema hidrulico

El sistema hidrulico 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 contendrn agua lo que dificulta mucho el traslado de sta 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 TRMICOS La termodinmica estudia una gran diversidad de procesos vinculados con el concepto

de calor y la conservacin de la energa. Basndonos en un enfoque clsico (sin considerar procesos irreversibles) distinguiremos tres tipos de fenmenos elementales: generacin, almacenamiento y transferencia de calor. Las variables descriptivas de estos fenmenos representarn principalmente temperatura (que denominaremos con la letra , medida en Kelvin), cantidad de calor (Q, en Joules) y flujo de calor (, en Vatios).

Un ejemplo de maqueta que simula a la perfeccin un sistema trmico podra ser un pequeo horno construido con un recipiente cerrado en cuyo interior est 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 podra 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 trmicos se caracterizan por su lentitud de respuesta por tanto tambin se deshecha este tipo de plantas ya que otro de los principales objetivos es que se quiere un sistema que sea de respuesta rpida.

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

se ponen en movimiento.

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Los sistemas mecnicos son, por ejemplo, gras, brazos robticos, servomecanismos, sistemas mecnicos rotatorios, sistemas de posicin, etc

Un ejemplo claro de sistema mecnico rotatorio podra consistir en un motor DC de pequea potencia del cual se controlara la velocidad a la que gira y la posicin angular en la que se encuentra en cada momento.

3.3.1. MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA DC Son los ms usados y los ms econmicos, se pueden encontrar en diferentes tamaos

y con diferentes potencias. Su funcin es convertir energa elctrica en energa mecnica, tpicamente en movimiento rotativo.

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

Los Motores de Corriente Continua (DC) tienen como principales caractersticas que permiten regular la velocidad de rotacin del eje en todo momento y tener un par de arranque elevado. Este tipo de motores se utilizan en trenes, automviles elctricos y en general, se emplear este tipo de motores en todos aquellos casos en los que la fuente de alimentacin sea de tipo continua.

Este tipo de motores necesitan para funcionar un circuito elctrico y un campo magntico que se obtienen con un imn o con un electroimn. El campo magntico generado permite la transformacin de la energa elctrica recibida por la armadura en energa mecnica entregada a travs del eje.

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

Inducido o rotor: Es una pieza giratoria formada por un ncleo magntico alrededor del cual va el devanado de inducido, sobre el que acta un campo magntico.

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

Escobillas: Son unas piezas de grafito que se colocan sobre el colector de delgas, permitiendo la unin elctrica de las delgas con los bornes de conexin del inducido.

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

Rotor

Constituye la parte mvil 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. Est formado por:

Eje: Formado por una barra de acero fresada. Imparte la rotacin al ncleo, devanado y al colector.

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

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

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

Devanado: Consta de bobinas aisladas entre s y entre el ncleo de la armadura. Estas bobinas estn alojadas en las ranuras, y estn conectadas elctricamente con el colector, el cual debido a su movimiento rotatorio, proporciona un camino de conduccin conmutado.

Colector: Se encuentra sobre uno de los extremos del eje del rotor, de modo que gira con ste y est en contacto con las escobillas. La funcin del colector es recoger la tensin producida por el devanado inducido, transmitindola al circuito por medio de las escobillas.

Estator

Constituye la parte fija de la mquina. Su funcin es suministrar el flujo magntico que ser usado por el bobinado del rotor para realizar su movimiento giratorio. En motores pequeos se consigue mediante imanes permanentes.

Est formado por:

Armazn o carcaza: Tiene dos funciones primordiales: servir como soporte y proporcionar una trayectoria de retorno al flujo magntico del rotor y del imn permanente, para completar el circuito magntico.

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

Imn permanente: Compuesto de material ferromagntico altamente remanente, se encuentra fijado al armazn o carcaza del estator. Su funcin es proporcionar un campo magntico uniforme al devanado del rotor o armadura, de modo que interacte con el campo formado por el bobinado, y se origine el movimiento del rotor como resultado de la interaccin de estos campos.

La funcin de las escobillas es transmitir la tensin y corriente de la fuente de alimentacin hacia el colector y, por consiguiente, al bobinado del rotor.

La funcin del portaescobillas es mantener a las escobillas en su posicin de contacto firme con los segmentos del colector. Esta funcin la realiza por medio de resortes, los cuales hacen una presin moderada sobre las escobillas contra el colector. Esta presin debe mantenerse en un nivel intermedio pues, de ser excesiva, la friccin desgastara tanto a las escobillas como al colector; por otro lado, de ser mnima esta presin, se producira 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 elctricos distintos:

Circuito de campo magntico

Circuito de armadura

El campo magntico (un imn o electroimn) permite la transformacin de energa elctrica recibida por la armadura en energa mecnica entregada a travs del eje. La energa elctrica que recibe el campo se consume totalmente en la resistencia externa con la cual se regula la corriente del campo magntico. Es decir ninguna parte de la energa elctrica recibida por el circuito del campo, es transformada en energa mecnica.

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 energa elctrica en mecnica que se entrega a travs del eje del motor.

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El sistema elegido ser de tipo mecnico rotatorio ya que cumple todos las premisas iniciales, ya que, tiene un coste de construccin bajo, es un sistema rpido, flexible y fcil de transportar. Por tanto, la planta que se realizar consiste en un motor de corriente continua excitado gracias a un circuito amplificador que recibe una consigna de tensin de un controlador y hace que el motor se ponga en marcha. Se podrn conocer variables del motor como la velocidad a la que gira o la posicin 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 elaboracin de proyectos

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

M.I. B.T.031, la cual se refiere a las condiciones generales de instalacin, de utilizacin, as como de los requisitos a cumplir a la hora del diseo.

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

Los espesores de los materiales con recubrimiento metlico 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, segn la intensidad que circule por el material conductor, se referir a la norma UNE 20-621.

Los dimetros de los taladros estn 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 colocacin de componentes, se seguir lo indicado en la norma UNE 20-524/1, UNE 20-524/2 y UNE 20-524/3.

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

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

DIN 40803, referente a circuitos impresos, placas y documentacin.

DIN 40804, referente a circuitos impresos, conceptos.

DIN 41494, referente a las formas de construccin para dispositivos electrnicos.

Reglas para el diseo y utilizacin de placas de circuito impresas UNE 20-621-3.

Especificacin para la realizacin de placas de simple y doble cara con agujeros no metalizados y metalizados UNE 20-621-4 y UNE 20-621-5.

Especificacin para las placas impresas multicapas UNE 20-621-6.

UNE 20902 que hace referencia a la tcnica de circuitos impresos, terminologa.

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

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4.2. BIBLIOGRAFA Libros:

Allan R. Hambley ; traduccin Vuelapluma ; revisin tcnica Miguel Angel Prez Garca-- 2 ed-- Madrid [etc.] : Prentice Hall, [2001]

Electrnica de potencia / Daniel W. Hart ; traduccin, Vuelapluma ; revisin tcnica, Andrs Barrado Bautista ... [et al.]-- Madrid : Prentice Hall, [2001]

Electrnica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones / Muhammad H. Rashid; traduccin, Virgilio Gonzlez y Pozo ; revisin tcnica, Agustn Surez Fernndez, Miguel ngel Gonzlez del Moral-- 3 ed-- Mxico, D.F. : Pearson Educacin, 2004 Roth, Charles H."Fundamentos de diseo lgico". Thomson / Paraninfo, [2004]

Diseo digital : principios y prcticas / John F. Wakerly ; traduccin, Efrn Alatorre Miguel; revisin tcnica, Hugo Gmez Cuatzin-- 3ed-- Mxico [etc.] : Pearson Educacin, [2001]

Ingeniera de control moderna / Kastsuhiko Ogata ; traduccin, Sebastin Dormido Canto, Raquel Dormido Canto ; revisin tcnica, Sebastin Dormido Bencomo ; revisin tcnica para Latinoamrica, Amadeo Mariani...[et al.]-- 5 ed-- Madrid : Pearson Educacin

Sistemas de control moderno / Richard C. Dorf, Robert H. Bishop ; traduccin, Sebastin Dormido Canto, Raquel Dormido Canto ; revisin tcnica, Sebastin Dormido Bencomo-- 10 ed-- Madrid : Pearson Educacin, 2005

Sistemas de control para ingenieria / Norman S. Nise-- 1 ed. en espaol-- Mexico, D.F: Compaa 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 denominacin el conjunto de elementos cuyo objetivo comn es la

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

Tarjeta de Adquisicin de Datos: Instrumento encargado de tomar muestras del mundo real (sistema analgico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otras electrnicas (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto de seales fsicas, convertirlas en tensiones elctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en un sistema digital.

Microcontrolador: (C, UC o MCU) Es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las rdenes grabadas en su memoria. Est compuesto de varios bloques funcionales, los cuales cumplen una tarea especfica. Un microcontrolador incluye en su interior las tres unidades funcionales principales de un sistema informtico: unidad central de procesamiento, memoria y perifricos de entrada/salida.

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

Encoder: Es un dispositivo electromecnico, que convierte la posicin angular de su eje en una salida digital elctrica. Conectado a la electrnica adecuada y a travs de los apropiados vnculos mecnicos, 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 fraccin de tiempo en que una seal est en estado activo alto lgico con respecto a su periodo y se suele expresar en tanto por ciento.

E/S: Entradas/ Salidas

Modulacin por ancho de pulso, PWM (Pulse Width Modulation): Consisten en modificar el ciclo de trabajo de una seal peridica para controlar la cantidad de energa que se enva a un motor y as regular la velocidad de giro de ste.

USB (Universal Serial Bus): Es un estndar industrial que define los cables, conectores y protocolos usados en un bus para conectar, comunicar y proveer de alimentacin elctrica entre ordenadores y perifricos y dispositivos electrnicos.

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 interacta activamente con un entorno con dinmica conocida en relacin 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 programacin visual, que funciona sobre el entorno de programacin Matlab. Es un entorno de programacin de ms alto nivel de abstraccin que el lenguaje interpretado Matlab (archivos con extensin .m). Simulink genera archivos con extensin .mdl (de model).

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

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Remanente: Nivel de induccin magntica aun existente en una sustancia ferromagntica despus de someterla a la accin de un campo magntico.

Servoamplificador: Sistema amplificador que convierta la seal de posicin 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 filosofa que el conjunto original: son fciles de montar, y baratas de producir.

UART (Transmisor-Receptor Asncrono 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 perifricos.

Conector ICPS (Programacin Serial In-Circuit): Mediante la utilizacin del conector el programador puede programar microcontroladores que estn en un zcalo del tipo zif preparado para tal funcin, o bien instalados en un circuito de aplicacin.

Protoboard: Tablero con orificios conectados elctricamente entre s, habitualmente siguiendo patrones de lneas, en el cual se pueden insertar componentes electrnicos y cables para el armado y prototipado de circuitos electrnicos y sistemas similares.

Canal: Medio de transmisin por el que viajan las seales portadoras de informacin entre un sistema emisor y otro receptor.

Foto-interruptor: Est compuesto por un led y un fototransistor alineados cuya funcin 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 caracterstica es utilizada en electrnica para memorizar informacin.

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

Conmutacin: Cambio de una conexin especifica o control de una determinada operacin.

Disparador Schmitt: Usa la histresis para prevenir el ruido que podra tapar a la seal original y que causara falsos cambios de estado si los niveles de referencia y entrada son parecidos.

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

parte del cliente que se deban de cumplir:

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

Flexibilidad: La planta debe ser diseada para realizar unas prcticas de aula por lo que se pide que sta sea fcil de transportar, no sea muy voluminosa y que tampoco sea muy pesada ya que se tena 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 volvindola a dejar en el armario al finalizar la prctica.

Rapidez de respuesta: Se necesita que la planta tenga una velocidad de respuesta rpida ya que est pensada para realizar unas prcticas de una o dos horas de duracin y por tanto no nos servira una plataforma en la que las variables estudiadas tardasen mucho tiempo en estabilizarse ya que no dara tiempo a finalizar las prcticas en el tiempo estimado.

Compatibilidad con Matlab Simulink: el software empleado para la realizacin de prcticas relacionadas con Ingeniera de Control es Matlab Simulink. Se establece como requisito el empleo de este software para la simulacin, monitorizacin y control del proceso.

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7. ANALISIS DE SOLUCIONES Como se coment en apartados anteriores existen plataformas didcticas comerciales

de diversos tipos: mecnicas, hidrulicas, trmica, etc. Empleadas para aplicar estrategias de control a procesos reales, el gap existente entre los conocimientos tericos y prcticos.

Se necesita que la respuesta de la planta sea rpida ya que se emplear en realizar una serie de prcticas acadmicas y stas se deben realizar en una hora, por lo tanto, se deshecha el tipo de plantas hidrulicas ya que son extremadamente lentas. Adems este tipo de plantas suelen ser muy voluminosas ya que en ellas se dispone de tanques con agua, por tanto tampoco sera muy flexible ni cmoda de transportar que son objetivos del proyecto.

Tampoco seran muy apropiadas las plantas trmicas ya que son caras y el principal objetivo es que sea de bajo coste. Adems son lentas ya que la principal variable que se mide es la temperatura y su estabilizacin es muy lenta.

Por tanto, se opta por una planta de tipo mecnico 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 rpido, flexible y muy cmodo de transportar para la realizacin de las prcticas en el aula.

En este tipo de sistema mecnico se controlar la posicin 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 permitir establecer la tensin de entrada que se desee en el motor DC y almacenar y gestionar los datos proporcionados por la instrumentacin de medida.

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

7.1.1. TARJETA DE ADQUISICIN DE DATOS La tarjeta de adquisicin de datos es un elemento indispensable para los sistemas que

tienen control por ordenador. La importancia de tener una tarjeta de adquisicin de datos radica en tener un elemento que obtenga las seales para introducirlas al ordenador para ser procesadas.

Los aspectos tcnicos ms importantes para la eleccin de la tarjeta de adquisicin son los siguientes:

Velocidad de muestreo

Nmero de entradas

Resolucin

Rango

Puerto de conexin

Los buses de comunicacin ms populares mediante los cuales se puede llevar a cabo la adquisicin 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 adicin de tarjetas se requiere abrir la computadora y el sistema no es fcilmente escalable.

El bus PXI es una opcin robusta que se dise especialmente para aplicaciones de medicin y automatizacin. Los dispositivos PXI ofrecen una arquitectura modular que brindan la habilidad de expandir el sistema ms all 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 adiccin de memoria, mdems e incluso la adquisicin de datos. Su tamao y peso las hacen perfectas para aplicaciones porttiles que utilizan ordenadores porttiles. Su aplicacin 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 diseado originalmente para conectar dispositivos perifricos, como teclados. Sin embargo se ha convertido tambin en un medio econmico y fcil de usar para conectar dispositivos de adquisicin de datos y computadoras en aplicaciones de medicin y automatizacin.

FireWire es conocido tambin como IEEE 1394 o i.Link, al igual que el USB pueden conectarse con el sistema encendido y tienen deteccin automtica del dispositivo Plug and Play. La transferencia de informacin utilizando la versin ms 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 conexin y configuracin de dispositivos. A medida que sus velocidades se han incrementado, su aplicacin y presencia ha tenido ms auge y han sido ms atractivos para aplicaciones de mediciones y automatizacin.

El bus Ethernet tambin puede ofrecer excelente beneficios en la conexin de instrumentos de adquisicin de datos. Su popularidad como bus de red disminuy sus costos, hacindolo muy atractivo en aplicaciones de mediciones industriales y automatizacin. Debido a que Ethernet es el medio tpico de comunicacin 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 sern susceptibles al ruido que los que basan su operacin en otros tipos de bus.

La tarjeta que ms se adaptara al proyecto, en el caso de elegir sta 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 porttil. Es una tarjeta que no es recomendable usar industrialmente. Esta tarjeta fue diseada para realizar experimentos o proyectos sencillos que es lo que se est 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, diseada para facilitar el uso de la electrnica en proyectos multidisciplinares.

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

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

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

Arduino Mega

La ms 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, conexin USB, entrada de corriente, conector ICSP y botn de reset. Contiene todo lo necesario para hacer funcionar el microcontrolador; simplemente conectndolo al ordenador con el cable USB o alimntalo con un trasformador o batera para empezar.

Arduino Uno

Se conecta al ordenador con un cable USB estndar y contiene todo lo necesario para programar la placa. Se puede ampliar con gran variedad de shields. Tiene un ATmega328, tambin consta de 14 pines de entrada/salida de los cuales 6 se pueden usar como salidas PWM, 6 entradas analgicas, 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 analgicas, un reloj de 16Mhz, conexin USB, entrada de alimentacin, una cabecera ISCP, y un botn 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 analgicas, un reloj de 16MHz, conexin USB y botn de RESET.

Arduino Mini

La placa Arduino ms pequea. 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 analgicas 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 diseada 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 conectndola a una protoboard. Tiene ms o menos la misma funcionalidad que el Arduino Duemilanove, pero con una presentacin diferente. No posee conector para alimentacin externa, y funciona con un cable USB Mini-B en vez del cable estndar.

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 adquisicin de datos o el Arduino hay que tener en cuenta que una lnea 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 pequea potencia consume varias centenas de miliamperios o incluso amperios, se necesita usar una circuitera 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 circuitera interna que puede ser programada por el usuario con una nica resistencia externa, para proteger el amplificador y la carga en caso de ocurrir un fallo.

Ilustracin 4: Configuracin del amplificador OPA541AP

Otra opcin que se podra 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. Est 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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Ilustracin 5: Configuracin del amplificador LM324

7.2.2. PUENTE EN H Los Puentes H o Puentes en H son circuitos electrnicos cuya funcin es la de permitir

que un motor elctrico 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 Ilustracin 6, aunque se han omitido los diodos de proteccin que deben colocarse para suprimir los picos de tensin provocados por la induccin de sus bobinas al comenzar a girar o cambiar su sentido de giro.

Ilustracin 6: Configuracin bsica de un puente H

Colocando 5V en la fuente de alimentacin Sentido_1 y 0V en la fuente Sentido_2 se consigue que el transistor Q5 conduzca. La corriente de dicho transistor circular por las bases de Q2 y Q3 creando as un camino de circulacin para la corriente (amarillo) entregada por Vcc, haciendo finalmente girar al motor en sentido antihorario. En la Ilustracin 7 se muestra el camino que seguir la corriente.

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Ilustracin 7: Configuracin 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 as un camino de circulacin (Amarillo) para la corriente entregada por Vcc, haciendo girar al motor en sentido horario. A continuacin se muestra el camino que sigue la corriente.

Ilustracin 8: Configuracin 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 excitacin de los motores de

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

Aqu se exponen los sistemas de excitacin ms utilizados en la prctica:

Ilustracin 9: Clasificacin de los motores de corriente continua

Excitacin Independiente: Los devanados del estator se conectan totalmente separados a una fuente de corriente continua. Es la configuracin ms extendida.

Autoexcitacin: La corriente de excitacin procede de la propia mquina.

Conexin 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.

Conexin paralelo: Estator y rotor estn conectados a la misma tensin, lo que permite un perfecto control sobre velocidad y par.

Conexin compuesta: Parte del devanado de excitacin se conecta en serie y parte en paralelo. Las corrientes de cada seccin pueden ser aditivas o sustractivas respecto a la del rotor.

Otra clasificacin de los motores es en funcin 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 POSICIN Para realizar el control de posicin y de velocidad lo ms comn es el empleo de un

encoder acoplado al motor. ste conectado a la electrnica adecuada y a travs de los apropiados vnculos mecnicos, 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 ptico, 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 estudiarn a continuacin:

7.4.1. ENCODER INCREMENTAL Este tipo de encoder se caracteriza porque determina su posicin, contando el nmero

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 mnimo dos pares de fotorreceptores pticos, escalados un nmero entero de pasos ms de paso. Al girar el rotor genera una seal cuadrada, el escalado hace que las seales tengan un desfase de de periodo si el rotor gira en un sentido y de si gira en el sentido contrario, lo que se utiliza para discriminar el sentido de giro.

Un simple sistema lgico 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.

Ilustracin 10: Seales 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 concntricas, dispuestas de tal forma que en sentido radial el rotor queda dividido en sectores, con marcas opacas y transparentes codificadas en cdigo Gray.

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Ilustracin 11: Esquema de funcionamiento del encoder absoluto

Segn la posicin del disco, la luz emitida por cada emisor se enfrentar a un sector opaco o transparente.

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

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

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

Ilustracin 12: Elementos que constituyen un encoder

Generalmente, los encoder incrementales proporcionan mayor resolucin a un costo ms bajo que los encoder absolutos. Adems, su electrnica es ms simple ya que tienen menos lneas de salida.

7.5. MEDIDA DE LA POSICIN ANGULAR Varias son las tcnicas que pueden ser utilizadas para la deteccin de un movimiento

angular: capacitiva, inductiva, potenciomtrica y fotoelctrica.

7.5.1. CIRCUITO ACONDICIONADOR Y CONTADOR Para realizar el control de la posicin del motor dc se utilizarn los dos canales de pulsos

del encoder que estn desfasados 90. stos 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.

Ilustracin 13: Seales 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 condicin porque estara entrando flancos de bajada por tanto no dara pulsos ese flip-flop. Lo mismo sucede con el biestable tipo D inferior pero al revs, ya que la entrada tiene la entrada de reloj negada con respecto al flip-flop superior.

Ilustracin 14: Hardware empleado para conseguir el nanopulso

Las dos salidas del encoder iran a un contador reversible con entradas Up y Down independientes. Las seales 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 est a 1, la salida se pone a 1 y la salida negada se pone a 0. La seal 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 seal 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 atrs, sucede en un flip-flop o en el otro, nunca ocurre en los dos a la vez.

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

La segunda alternativa consiste en la conexin de los biestables tipo D segn se ve en la siguiente ilustracin.

Ilustracin 15: Circuito acondicionador del encoder

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

La salida X permanecer a nivel bajo mientras la entrada B siga estando adelantada respecto a la seal A.

Ilustracin 16: Seal de salida en sentido antihorario

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

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

La salida Y permanecer a nivel bajo mientras la entrada B siga estando adelantada respecto a la seal A

Ilustracin 17: Seal de salida en sentido horario

Estas seales X e Y se conectarn con las entradas de cuenta ascendente y descendente del contador reversible para controlar si la cuenta sera positiva o negativa.

Para estas dos primeras alternativas se necesitara un contador binario ascendente/descendente sncrono con las patillas ascendente y descendente independientes y con patillas de reset y de carga en paralelo asncrona.

La ltima alternativa estudiada es el HCTL2016. Este fue diseado 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. stos pulsos se obtienen en el pin CNT y tambin se dispone de un pin de estado de cuenta UP/DOWN. Las seales 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 operacin segura en ambientes ruidosos.

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Ilustracin 18: Diagrama de bloques que componen el hctl2016

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

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

Ilustracin 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 alimentacin de la armadura

Reduccin de la tensin de alimentacin

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Modulacin por ancho de pulso

7.6.1. VARIANDO EL VOLTAJE DE ALIMENTACIN DE LA ARMADURA

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

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

Ilustracin 20: Subsistema de dos motores

El voltaje entregado por el motor 2 (M2) es usado para envirselo 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 travs de un puente de diodos que se encarga de rectificar.

Ilustracin 21:Circuito acondicionador

7.6.2. REDUCCIN DE LA TENSIN DE ALIMENTACIN La manera ms intuitiva de controlar la velocidad de giro de un motor de corriente

continua es regulando el voltaje de la fuente de alimentacin. De este modo, si se disminuye la tensin entregada al motor, se disminuye tambin la corriente que circula por l y por tanto se reduce su velocidad de giro, lo contrario ocurrir si se aumenta la tensin de alimentacin (sin rebasar ciertos lmites).

Ciertamente se trata de una forma primitiva de conseguir el objetivo, adems este tipo de regulacin podra 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, sera muy complicado calcular la tensin que se debe aplicar para girar a una velocidad concreta.

Para poder controlar la velocidad con este mtodo, suele emplearse realimentacin 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 tacmetro.

Este tacmetro est constituido por un encoder incremental y un convertidor frecuencia/tensin (LM2917N). Ya que la medida de la velocidad angular se obtiene a

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