VELOCIDAD DE ROTACIÓN DE UN MOTOR DE CONTINUA

3º Grado en Ingeniería Electrónica y Automática. Instrumentación Electrónica

SESIONES 11 Y 12: MOTOR DC

VELOCIDAD DE ROTACIÓN DE UN MOTOR DE CONTINUA

Objetivo de la Práctica Medir la velocidad de rotación (rpm) de un motor DC usando dos sensores distintos:

Un sensor de efecto hall.

Un detector óptico.

Introducción teórica

1) Motor de corriente continua regulable en velocidad

El motor de corriente continua funciona con una tensión máxima de 4,5 Vcc, y una corriente (en vacío) de 80mA.

Para poder utilizarlo desde el punto de vista didáctico, se procede a su montaje mediante una reductora de unas 42 rpm. tal como se puede apreciar en las imágenes siguientes.

Motor sobre el soporte con la reductora.

Prácticas José Antonio González e Ignacio Moreno Velasco. Área de Tecnología Electrónica. UBU 100

La relación de conjunto de engranajes y la velocidad obtenida está en la tabla siguiente:

Relación engranajes/velocidad

Este motor permite variar su velocidad mediante una variación en su tensión de alimentación.


2) Sensor de efecto Hall Efecto Hall

Se produce cuando, sobre un conductor por el que circula corriente, incide un campo magnético perpendicular.

La fuerza magnética que se ejerce sobre las cargas circulantes es transversal al campo magnético y a su velocidad, esto viene expresado en la ley de Lorentz.

Esta fuerza magnética impulsa las cargas hacia los laterales del conductor, por lo que se genera en él un voltaje llamado Voltaje Hall (En la imagen VH). Sobre un conductor eléctrico por el que circula una corriente actúa un imán que produce un campo magnético.

La fuerza magnética produce que las cargas se desplacen hacia los laterales del cable, cargándose los dos lados del conductor con signos opuestos.

Por lo tanto, entre ambos extremos del cable se establece un campo eléctrico y la diferencia de potencial existente produce un voltaje Hall (VH).

En la imagen podemos ver un montaje cuya finalidad es medir el voltaje Hall. intercentres.edu.gva.es/iesleonardodavinci/Fisica/Electromagnetismo/Electromagnetismo07b.htm


Sensor Hall de la maqueta GearBox

Se utiliza un sensor magnético de efecto Hall bipolar. El modelo elegido es un AH1751, que incorpora la circuitería de acondicionamiento:

Rango de tensión entre 3,5 Vdc y 20 Vdc.

Amplificador integrado por lo débil de la señal producida por el sensor.

Con un latch en la salida.

La salida del sensor es en colector abierto.

Corriente de salida de 50 mA.

Encapsulado y esquema equivalente del AH1751

Sensor Hall


Las curva de calibración, al disponer de una latch presenta histéresis:

Densidad de flujo magnético

Este dispositivo nos proporciona impulsos digitales en la salida, en función de las variaciones de campo magnético que recibe.

Los impulsos magnéticos deben producirse con un cambio de polaridad en el campo magnético, ya que el AH1751, al incorporar un latch, mantiene el valor hasta que se produce el cambio de polaridad de dicho campo magnético.


3) Encoder con detector óptico

Para la detección de impulsos, se diseña un sistema como el de la figura, formado por dos partes:

Una rueda dentada.

Un par emisor-detector de luz en el mismo encapsulado para asegurar el correcto posicionado del haz de luz activado por un disco perforado.

Sensor óptico y rueda dentada Sección del sensor óptico

Se ha elegido el modelo TCST1103 “Sensor óptico de transmisibilidad con salida por fototransistor”.

Este dispositivo tiene una construcción compacta en la que la fuente emisora de luz (LED) y el detector (fototransistor), están

emplazados uno frente al otro en el mismo eje óptico.

Algunas características importantes del TCST1103 son:

La longitud de onda operativa es de 950nm.

Resolución de 0,6 mm, y apertura de 1,0 mm.

Corriente en directa If = 60mA


El esquema del circuito de la aplicación es el de la figura.

Ejemplo típico de aplicación del TCST1103

En la figura se puede ver el

diagrama eléctrico interno del

sensor óptico formado por emisor y

detector de luz, así como las

conexiones correspondientes a los 4

pines de que dispone.


Realización de la práctica

1) Modificar nuestro programa para adquirir datos de 2 canalesComo debemos muestrear dos sensores, reconfiguramos nuestro programa para que adquiera datos de 2 canalesde la tarjeta. Para ello:

Aspecto del VIpara un solo canal

Reconfigurar el VI de adquisición de datos. Aspecto tras reconfiguración

Seleccionar los 2 canales (¡Que funcionen!) donde conectaremos los sensores, siguiendo estos pasos:

En el control delpanel frontal

pinchamos en“Browse”

Con las tecla “Shift” podemos elegirdos canales consecutivos

Con las tecla “Ctrl” podemos elegir doscanales cualesquiera

Razonar qué tipo de medida debemos realizar (RSE, NRSE ó DIFF). Véase el manual de la tarjeta.

Configurar el tipo de medida elegido.


2) Montar el circuito

Con la alimentación cortada y la corriente límite de la fuente al mínimo: Cablear la alimentación del motor y de los sensores en función del tipo de medida previsto.

Cablear adecuadamente las salidas de los sensores a los canales de la tarjeta.

ANTES DE CONECTAR LA ALIMENTACIÓN MOSTRAR AL PROFESOR.

3) Visualizar las señales Visualizar ambas formas de onda en el mismo gráfico.

Ajustar la visualización de forma que puedan compararse los

periodos de ambas señales.

MOSTRAR AL PROFESOR

4) Medir parámetros importantes de las señales: Parámetros a visualizar de ambas señales:

Frecuencia, Periodo, Ciclo de trabajo, Slew‐Rate. Velocidad de rotación en rpm.

Para realizar las distintas medidas, nos ayudará el VI “Timing and

Transtion Measurements”.


Para separar las señales de cada sensor que salen del VI de adquisición y

poder medir sus parámetros, usaremos el VI “Split Signals”

También nos interesa ver la amplitud de los armónicos de las señales (en el mismo gráfico o por separado).

Observar las diferencias de ambas formas de onda.

Justificar por qué los pulsos del encoder son distintos entre sí:

Justificar la diferencia de los valores del Slew Rate:

MOSTRAR AL PROFESOR


CONSUMO DE UN MOTOR DE CONTINUA EN RÉGIMEN TRANSITORIO Y PERMANENTE:

Objetivos de la Práctica Visualizar el régimen transitorio mediante la adquisición por disparo.

Realizar medidas de corriente, tensión y potencia de un motor de continua.

Introducción teórica

1) Sensor de corriente La medida de corriente la realizaremos mediante una resistencia shunt de 0,1 ohms y/o de 0,22 ohms sobre un motor con alimentación nominal de 4,5 V de continua.

2) Adquisición por disparo (trigger) Véase práctica de captura de sonido.


3)Medida de resistencias a 4 hilos Para calibrar la resistencia Shunt que utilizaremos en la medida de corriente, usaremos este tipo de medida, más exacta que la de 2 hilos.

Según los apuntes de la asignatura sobre sensores resistivos:

Debido a la alta impedancia de entrada del aparato de medida, por los cables no circulará corriente significativa respecto a la de excitación.

Keithley Instruments, Inc.

La caida de tensión en los cables no afecta a la medida ya que la fuente de corriente asegura que la corriente por R es constante (Valores típicos IEX ≤ 1 mA)

Este tipo de medida a 4 hilos se encuentra disponible en multímetros de gama media para la medida precisa de

resistencias en general. Incluso algunos incorporan en su software rutinas de conversión a Tª para los sensores resistivos

más comunes, como RTDs.


Realización

1) Diseñar el circuito de medida. Dibujar el circuito de medida completo, especificando nombre y nº de contacto utilizados de la tarjeta.

Explicitar la configuración del PGIA (RSE, NRSE ó DIFF) y las masas de cada elemento.

MOSTRAR AL PROFESOR ANTES DE MONTAR.

2) Dibujar la curva de calibración del circuito antes y después del PGIA Considerar los valores de la resistencia asignada y una corriente máxima de 0,5 amperios.


3) Implementación del circuito de acondicionamiento propuesto Montar el circuito según los datos disponibles.

Para mejorar la precisión de cálculo, calibrar la

resistencia con el multímetro Rigol DM3068,

usando la medida a 4 hilos, comparándola con la

estándar de 2 hilos.

Medida de

Rshunt a

2 hilos:

Medida de

Rshunt a 4

hilos:


4) Visualización y medidas del régimen transitorio Para visualizar el transitorio de arranque y parada del motor usaremos el VI de adquisición por disparo (Trigger and Gate).

Además, para poder elegir si queremos usar o no el disparo, utilizaremos

una estructura Case, que dibujaremos alrededor del VI como en la imagen:

Estructura Case: Functions Programming Structures VI Trigger and Gate: Functions Express Signal manipulation

Configurar el nº de muestras y la velocidad de muestreo considerando que:

Se trata de visualizar adecuadamente el transitorio de encendido y apagado, es decir, que nos dé tiempo a encender y apagar tranquilamente la fuente de alimentación tras pulsar el botón de ejecución del programa (p. ej. en 3‐4 segundos).

Configurar adecuadamente la ganancia del PGIA para medir el consumo máximo.

Tensión máxima esperada: Ganancia de la tarjeta:

Configurar el resto de parámetros del VI.

Una vez configurados adecuadamente los parámetros de la captura del transitorio.

Ejecutar el programa, e inmediatamente…

Encender la fuente, dejar pasar al menos 1 segundo y apagar la fuente.

Usar el zoom del gráfico para visualizar el transitorio. Debe verse algo parecido a las siguientes imágenes:


Ejemplos de captura de corriente transitoria en diferentes motores de continua

5) Visualización y medidas de tensión, corriente y potencia Modificar el VI anterior para visualizar la tensión en la resistencia, la corriente del motor y la potencia que

consume.

Con el motor girando con carga (los propios engranajes) y alimentación nominal: Verificar el dato de corriente que muestra la propia fuente de alimentación.

Valor mostrado por la fuente Valor medido Armónicos más importantes

Modificar la interfaz de usuario para que se vean con claridad y facilidad los resultados.

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