CONTROL Y SUPERVISION DE VELOCIDAD DE UN - proyecto-uno

CONTROL Y SUPERVISION DE VELOCIDAD DE UN MOTOR PASO A PASO
UNIPOLAR CON ENCODER INCREMENTAL
Integrantes:
MARIA FERNANDA PEREZ
WERNER YAMID SERNA
UNIVERSIDAD DEL CAUCA
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
INGENIERÍA EN AUTOMÁTICA INDUSTRIAL
2008
CONTROL Y SUPERVISION DE VELOCIDAD DE UN MOTOR PASO A PASO
UNIPOLAR CON ENCODER INCREMENTAL
Integrantes:
MARIA FERNANDA PEREZ
WERNER YAMID SERNA
TALLER DE SISTEMAS ELECTRONICOS
Presentado a:
ING. JUAN SEBASTIAN CABRERA
UNIVERSIDAD DEL CAUCA
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
INGENIERÍA EN AUTOMÁTICA INDUSTRIAL
2008
I.
INTRODUCCION
Los motores paso a paso son muy utilizados en ambientes industriales debido a
que son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren
movimientos muy precisos, sus principales aplicaciones se pueden encontrar en
robótica, tecnología aerospacial, control de discos duros, impresoras,
manipulación y posicionamiento de herramientas y piezas en general. Es por esto
que nos centraremos inicialmente en el control manual, (se utilizan dispositivos
electrónicos diferentes a un microcontrolador), en éste informe se explica
detalladamente este control; los bloques funcionales con sus respectivas señales,
el modelo circuital, y en general, el desarrollo paso a paso para llegar finalmente al
objetivo propuesto.
II.
ESTRUCTURA MODULAR DEL HARDWARE
La señal número 1 corresponde a la salida del oscilador, el cual toma un voltaje de
referencia y mediante un condensador y una resistencia variable genera pulsos de
cierto ancho, de acuerdo al valor de corriente que deje pasar la resistencia. Esta
señal es igual La señal número 2, que corresponde a la señal de entrada al
contador, es la misma señal 1, en la primera fase, ya que la señal oscilatoria del
microcontrolador aún no está presente.
La señal número 2 es procesada por el contador, de tal forma que genera códigos
binarios como representación del número que cuenta; es decir, cuando cuenta el
uno genera un número binario de 4 bits que corresponde al uno, lo mismo para
dos, y realiza un procedimiento igual para cada numero que cuenta, en nuestro
caso, cuenta hasta 4, ya que el circuito del motor tiene una secuencia de giro
donde solo cambia un bit (una bobina), por cada numero que cuente, que
correspondería a cada bobina del motor.
Las señales 3, 4, 5 y 6, corresponden a los bits de cada número que cuenta este
dispositivo y serán las señales de entrada al inversor.
Este elemento es un multiplexor que invierte la señal solo si se indica, es decir,
solo es utilizado para invertir el sentido de giro, la conexión de sus pines es solo
lógica inversa, las entradas en cero son para el sentido de giro normal, las
entradas en uno invierten la señal. En caso de no querer invertir el giro, la señal
pasa como viene del contador.
Estas señales llegan a la etapa de potencia, con el fin de amplificar la corriente, de
tal forma que puedan energizar las correspondientes bobinas.
La señal 7 es la señal de control del multiplexor 1, en la primera fase irá conectada
a tierra, ya que las señales de control local son las correspondientes a la entrada
0. Esta señal es equivalente a la señal 8 y 9, las cuales controlan los dos
multiplexores siguientes, encargados de encender/apagar y cambiar el sentido de
giro, respectivamente.
La señal 10, desactivará el contador, de tal forma que no le llegue señal al motor,
y la señal 11 enviará una señal para invertir o no la señal. Esta señales son uno o
cero de acuerdo a lo que se requiera.
III. SELECCIÓN DEL CIRCUITO Y FUNCIONAMIENTO
Se aplicará un voltaje DC que será manipulado por un potenciómetro y a través de
un oscilador 40106 conformado por dos inversores y una red R/C enviará una
señal a la entrada de reloj del CD4017 compuesto por un contador Johnson de 5
etapas el cual proporcionará la secuencia de giro del motor p_p. Los valores de los
componentes del oscilador se elegirán de modo que la frecuencia se pueda ajustar
entre ciertos valores de los que dependerá la velocidad del motor paso a paso, los
valores a tener en cuenta para determinar dicha frecuencia a la que girará el motor
es el periodo, así: 5 ms < T < 1 seg.
Las formulas utilizadas para el cálculo de los componentes del circuito integrado
son:
F = 1/T = 1/(0,8)(R)(C)
La señal del oscilador llegará al multiplexor de control el cual dejará pasar la señal
al contador. La secuencia de giro generada por el CD4017 irá al 74HC157 (cuatro
multiplexores) para controlar el sentido de giro del motor p_p. Desde un interruptor
que irá conectado como entrada a uno de los multiplexores del segundo bloque se
enviará el sentido de giro (izq/der) del motor que cambiará la señal de control del
inversor de señal, y con otro interruptor que de la misma forma irá conectado a
otro multiplexor del segundo bloque se desactivará el funcionamiento del contador
de tal forma que le llegue o no señal al motor, es decir, encienda o apague. La
secuencia enviada por el segundo 74HC157 la recibirá un driver de potencia
(ULN2003), que amplificará la corriente, y posteriormente la enviará a los
terminales del motor que corresponda.
IV. DISEÑO Y CALCULO DE COMPONENTES
Oscilador: se utilizó un IC40106, 6 inversores tipo smitch trigger. Se tomó como
base un periodo de oscilación entre 5ms y 1s. El procedimiento de cálculo de
componentes se realizó de acuerdo a las fórmulas sugeridas por el fabricante, así:
F = 1/T = 1/(0,8)(R)(C)
C = 4,7 uf
5 ms
<
T
< 1 seg
5ms
< (0,8)(R)(C) < 1 seg
1,3 K ohm <
R
< 266 K ohm
Se tomó entonces un potenciómetro de 50Kohm, para efectos de diseño.
Con estos valores hallados se implementó el circuito y se comprobó su correcto
funcionamiento.
En los demás dispositivos no se utilizan componentes externos, son solo
conexión de las señales de salida de cada circuito integrado.
Contador: se utilizó un IC CD4017.
Inversor de señal: solo se utilizó multiplexor IC74HC157, conectado de tal forma
que la secuencia de giro normal sean las señales que llegan a los pines activos
cuando su señal de control sea cero, y la secuencia invertida sean las señales que
llegan a los pines que activa la señal de control en uno.
Driver de potencia: se utilizó un IC ULN2005 que proporciona a la salida
aproximadamente 500 mA. Esta corriente es suficiente para energizar las bobinas
del motor utilizado.
Multiplexores: los tres multiplexores adicionales que se utilizaban para el control
local o remoto, fueron reemplazados por un IC 74HC157, el cual tiene en su
interior tres multiplexores.
De ésta forma, el diagrama de bloques explicado anteriormente tendrá una
modificación, después del oscilador se conectará el multiplexor de control.
V.
JUSTIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS
En el caso del oscilador, se había pensado inicialmente utilizar un LM555, pero
debido a dificultades en la estabilidad, se decidió utilizar el circuito mencionado
anteriormente, el potenciómetro utilizado en el diseño fue de 100 Kohm, con el fin
de no exceder la frecuencia que soporta el motor en cuanto al multiplexor de las
señales de control, se utilizó porque nos facilitaba el control desde el
microcontrolador, ya que se pide deshabilitar las señales manuales si se hace el
control remoto, y viceversa. Se utilizó el CD4017 como contador, debido a su
simplicidad a la hora de obtener unas salidas consecutivas de un pulso de igual
amplitud que el aplicado a la entrada; para el inversor de señal se decidió utilizar
un multiplexor ya que nos facilitaba la conexión inversa de secuencia, habilitar o
deshabilitar dicha secuencia. Y el driver de potencia se eligió ya que no se
necesita mucha corriente debido a que la impedancia en las bobinas del motor
utilizado son de aproximadamente 160ohm, lo que significa que se necesita cerca
de 30 mA para energizarlas. Si por el contrario tuviera impedancias mucho más
pequeñas se hubiese tenido que utilizar transistores de potencia (TIP’s), porque la
corriente necesaria debería ser más alta.
VI.
PLAN ELECTRICO PIN A PIN
VII. PRUEBAS Y RESPUESTAS ESPERADAS
Prueba oscilador: para verificar la señal de salida del oscilador, se tomará la
señal, de tal forma que sea observada en el osciloscopio.
Objetivo: se medirá con el fin de verificar que la señal cumple con las
especificaciones, es decir, al variar el valor del potenciómetro, debe variar el
ancho de la señal.
Señales de salida esperadas: solo debe salir una señal oscilatoria.
Formas de la señal: la señal debe ser cuadrada, con ancho de pulso fijo, mientras
sea fijo el valor del potenciómetro.
Valores límites: el valor mínimo es de 0V, nivel bajo; y el valor máximo es de 5V,
nivel alto.
Prueba multiplexor: como el multiplexor solo deja pasar señales se probará de
forma que la señal que llegue al contador sea la misma que sale del oscilador.
Prueba contador: como se dijo anteriormente, la señal de entrada del contador,
es la misma señal de salida del oscilador, así que solo se medirá la señal de salida
en esta etapa. Como la salida no es una única señal, y el total de señales no es
posible observarlas en el osciloscopio se probarán con diodos emisores de luz
(led), es decir, se probará la secuencia que debe llegar al motor, con los diodos.
Objetivo: la prueba se realiza con el fin de probar que todas las señales estén
presentes y que la secuencia que provee el contador es la correcta.
Señales esperadas: los led deben encender en secuencia, nunca deberá
encenderse más de un led al mismo tiempo.
No se tiene una forma de señal específica, por ende no hay niveles de señal
concretos, ni límites.
Prueba inversor de señal: esta prueba se hará de la misma forma que la
anterior. Como lo que se prueba es el sentido de giro (que la secuencia sea
inversa), se revisará que los led enciendan de forma secuencial en un sentido, y
cuando se active, se encenderán en sentido contrario.
Objetivo: se verifica que la señal esté llegando a los led y que enciendan
correctamente en un sentido u otro, más concretamente, que la secuencia se
invierta, ya que es la secuencia que invertirá el giro del motor.
Señales esperadas: las señales esperadas deben ser las mismas que en el
módulo anterior, y cuando se invierta la señal, se encenderán de la misma forma
pero en sentido contrario.
Igualmente no se tiene señales con niveles concretos, ni valores máximos y
mínimos.
Prueba etapa de potencia: se probará de la misma manera que las dos etapas
anteriores, con las mismas señales esperadas, y con las respuestas; éstas
señales van directamente conectadas al motor.
VIII.
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LISTADO DE ELEMENTOS
1
2
2
2
1
1
1
2
1
Potenciómetros de 50KΩ.
Interruptores.
Resistencias de 5KΩ
Resistencias de 1.2KΩ
Capacitores de 4.7μf
IC 40106.
IC CD4017.
IC 74HC157.
IC ULN2003.