Práctica 7 Sistemas

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA EN AERONÁUTICA  ASIGNATURA:  ASIGNAT URA: SISTEMAS ELECTRÓNICOS DIGITALES DIGITALES

PRÁCTICA 7: “CONTROL DE ROTACIÓN EN SERVOMOTORES”

ALUMNOS: BARRERA JURADO BRANDON JAFET URBANO REYES BRENDA DE LA CRUZ ACOSTA JUAN TOBÍAS DOMINGUEZ AGUIRRE JOSE ÁNGEL GRUPO 6AV2 FECHA DE REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA:

FECHA DE ENTREGA DE LA PRÁCTICA:

28/02/2017

4/04/2017

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA  ELÉCTRICA INGENIERÍA EN AERONA!TICA

PRÁCTICA 7: “CONTROL DE UN SERVOMOTOR  MEDIANTE UN MICROCONTROLADOR”  OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA Reali Real ia! a! la "!#$ "!#$!a !a%a %a&i &i'( '( )e *( Mi Mi&! &!#& #&#( #(+! +!#l #la) a)#! #! &#( &#( el ,i( ,i( )e &#(+!#la! la- &a!a&+e!.-+i&a- )e Gi!# )e *( Se!/#%#+#!0 Ge(e!a! la I(+e!,a )e "!e-e(+a&i'( "a!a (*e-+!# "!#1e&+# %e)ia(+e el *-# )e *(a Pa(+alla LCD G!3,i&a

INTRODUCCIÓN  ¿Qu !" # C$%& 'u()*&(+ u( S!,-&%&.&,/ Los servomotores son dispositivos electromecánicos que consisten en un motor  eléctrico, un juego de engranes y una tarjeta de control, todo confinado dentro de una carcasa de plástico. La característica principal de estos motores es que la gran mayoría no están hechos para dar rotaciones continuas -algunos sí lo hacen  pero se hablarán de ellos más adelante- ya que principalmente son dispositivos de  posicionamiento en un intervalo de operación. n esta ocasión se tratará e!clusivamente de servomotores para modelismo, e!cluyendo los servomotores industriales. Los servos son un tipo especial de motor de c.c. que se caracteri"an por su capacidad capacidad para posicionarse posicionarse de forma inmediata inmediata en cualquier cualquier posición dentro de su intervalo de operación. #ara ello, el servomotor espera un tren de pulsos que se corresponde con el movimiento a reali"ar. stán generalmente formados por un amplificador, un motor, un sistema reductor formado por ruedas dentadas y un circuito de realimentación, todo en una misma caja de peque$as dimensiones. l  resu resultltad ado o es un serv servo o de posi posici ción ón con con un marg margen en de oper operac ació ión n de %&'( %&'( apro!imadamente.

F"#$ E%&'()*

1: +(

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA  ELÉCTRICA INGENIERÍA EN AERONA!TICA F"#$ 2: S(-.)Los servomotores de modelismo operan a voltajes bajos en corriente directa, típicamente entre ) y * voltios. Los servomotores industriales operan tanto en +  como en  monofásico o trifásico/. 0e debe resaltar que, dentro de los diferentes tipos de servomotores, éstos se pueden clasificar  seg1n sus características de rotación. 0ervomotores de rango de giro limitado2 son el tipo más com1n de servomotor. #ermiten una rotación de %&' grados, por lo cual son incapaces de completar una vuelta completa. 0ervomotores de rotación continua2 se caracteri"an por ser capaces de girar 3*' grados, es decir, una rotación completa. 0u funcionamiento es similar al de un motor  convencional, pero con las características propias de un servo. sto quiere decir  que podemos controlar su posición y velocidad de giro en un momento dado. Los servomotores de rango de giro limitado se pueden adecuar para que funcionen como servomotores de rotación continua. 0in embargo, si requerimos un servo de 3*' grados es mejor comprar uno que haya sido dise$ado para este tipo de uso.

P+,.!" 0! u( S!,-&%&.&,  4n servomotor es un sistema compuesto por2    

   

4n motor eléctrico2 es el encargado de generar el movimiento, a través de su eje. 4n sistema de regulación2 formado por engranajes, que act1an sobre el  motor para regular su velocidad y el par. 5ediante estos engranajes, normalmente ruedas dentadas, podemos aumentar la velocidad y el par o disminuirlas. 4n sistema de control o sensor2 circuito electrónico que controla el  movimiento del motor mediante el envío de pulsos eléctricos. 4n potenciómetro2 conectado al eje central del motor que nos permite saber  en todo momento el ángulo en el que se encuentra el eje del motor.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA  ELÉCTRICA INGENIERÍA EN AERONA!TICA   0ervomotores de corriente continua cc/2 los más habituales. funcionan con un peque$o motor de corriente continua. l servomotor se controla por  #65 modulación por ancho de pulso/, como ya e!plicamos.   0ervomotores de corriente alterna ac/2 pueden utili"ar corrientes más  potentes y por lo tanto se usan para mover grandes fuer"as.   0ervomotores de imanes permanentes o 7rushless2 se llama brushless  porque es un motor de corriente alterna sin escobillas como las que llevan los de cc/. 0e utili"an para grandes torques o fuer"as y para altas velocidades. 0on los más usados en la industria. stán basados en los motores síncronos.   5otor #aso a #aso2 es un motor eléctrico, pero que no gira, sino que avan"a un 8paso8. 9o giran de manera continua sino por pasos, es decir, giran un n1mero determinado de grados. La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la ve" por cada  pulso que se le aplique. #uede venir todo en una caja formando el servo, pero normalmente el servo no trae incluido el sistema de control. #ara posicionar un servomotor tenemos que aplicarle un pulso eléctrico, cuya duración determinará el ángulo de giro del motor. :ecibe los pulsos de entrada y  ubica al motor en su nueva posición dependiendo de los pulsos recibidos.

F"#$ E%&'()*

1u()*&(+%*!(.& 0! u( S!,-&%&.&, 

: +(

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA  ELÉCTRICA INGENIERÍA EN AERONA!TICA Los servomotores poseen tres cables, a diferencia de los motores comunes que sólo tienen dos. stos tres cables casi siempre tienen los mismos colores, por lo que son fácilmente reconocibles.

F"#$ 4: C-(% 3)',(% +( % 3*(% +( ', Los colores dependerán del fabricante, pero difícilmente nos equivocaremos a la hora de reconocer los terminales de un servo. La necesidad de una se$al de control para el funcionamiento de este tipo de motores hace que sea imposible utili"arlos sin un circuito de control adecuado. sto se debe a que para que el  circuito de control interno funcione, es necesaria una se$al de control modulada. #ara esto se utili"a modulación por ancho de pulsos, es decir, #65.

M&0u2+)*$( P3M  La modulación por anchura de pulso, #65 #ulse 6idth 5odulation/, es una de los sistemas más empleados para el control de servos. ste sistema consiste en generar una onda cuadrada en la que se varía el tiempo que el pulso está a nivel  alto, manteniendo el mismo período normalmente/, con el objetivo de modificar la  posición del servo seg1n se desee. #ara la generación de una onda #65 en un microcontrolador, lo más habitual es usar un timer y un comparador interrupciones asociadas/, de modo que el  microcontrolador quede libre para reali"ar otras tareas, y la generación de la se$al  sea automática y más efectiva. l mecanismo consiste en programar el timer con el ancho del pulso el período de la se$al/ y al comparador con el valor de duración del pulso a nivel alto. uando se produce una interrupción de overflo;  del timer, la subrutina de interrupción debe poner la se$al #65 a nivel alto y  cuando se produ"ca la interrupción del comparador, ésta debe poner la se$al  #65 a nivel bajo. n la actualidad, muchos microcontroladores, como el *& y %&'>/. l  valor %.? ms indicaría la posición central o neutra @'>/, mientras que otros valores del pulso lo dejan en posiciones intermedias. stos valores suelen ser los recomendados, sin embargo, es posible emplear pulsos menores de % ms o mayores de = ms, pudiéndose conseguir ángulos mayores de %&'(. 0i se sobrepasan los límites de movimiento del servo, éste comen"ará a emitir un "umbido, indicando que se debe cambiar la longitud del pulso. l factor limitante es el tope del potenciómetro y los límites mecánicos constructivos. l período entre pulso y pulso tiempo de ABB/ no es crítico, e incluso puede ser distinto entre uno y otro pulso. 0e suelen emplear valores C =' ms entre %' ms y 3' ms/. 0i el intervalo entre pulso y pulso es inferior al mínimo, puede interferir con la tempori"ación interna del servo, causando un "umbido, y la vibración del eje de salida. 0i es mayor que el má!imo, entonces el servo pasará a estado dormido entre pulsos. sto provoca que se mueva con intervalos peque$os. s importante destacar que para que un servo se mantenga en la misma posición durante un cierto tiempo, es necesario enviarle continuamente el pulso correspondiente. +e este modo, si e!iste alguna fuer"a que le obligue a abandonar esta posición, intentará resistirse. 0i se deja de enviar pulsos o el  intervalo entre pulsos es mayor que el má!imo/ entonces el servo perderá fuer"a y  dejará de intentar mantener su posición, de modo que cualquier fuer"a e!terna  podría despla"arlo.

F"#$ 9: T-(, +( '%% *-* 3,- +( %(-. l diagrama de bloque del servomotor representa de forma visual el servomotor  como un sistema. l circuito electrónico es el encargado de recibir la se$al #65 y  traducirla en movimiento del 5otor +. l eje del motor + está acoplado a un  potenciómetro, el cual permite formar un divisor de voltaje. l voltaje en la salida del divisor varía en función de la posición del eje del motor +.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA  ELÉCTRICA INGENIERÍA EN AERONA!TICA

+e forma similar, cuando el eje del motor modifica la posición del potenciómetro, el voltaje en la terminal central varía. l potenciómetro permite que el circuito de control electrónico pueda retroalimentarse con la posición del motor en un momento dado. sto, en Deoría de ontrol se conoce como un sistema de la"o cerrado. Los servomotores de rotación continua desacoplan el potenciómetro del eje del  motor. sto impide que el circuito de control pueda leer la posición del eje, por lo cual provoca un movimiento continuo al no ser capa" de cumplir la condición para que el servo se detenga. Los servomotores de rotación continua normalmente  pueden girar en un sentido o en otro y detenerse. #odemos modificar la velocidad  de giro, pero no podremos lograr, por ejemplo, que el servo se mueva una determinada cantidad de grados y luego se detenga. Las se$ales de #65 requeridas para que los circuitos de control electrónico son similares para la mayoría de los modelos de servo. sta se$al tiene la forma de una onda cuadrada. +ependiendo del ancho del pulso, el motor adoptará una  posición fija.

BIBLIOGRA1ÍA

F"#$ 7: A,3 +( '%% *-* #-*+";(-(,(% %"3",(% (, ', %(-.)-

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA  ELÉCTRICA INGENIERÍA EN AERONA!TICA Las se$ales que vemos en la imagen son las que  permiten que el eje del motor adquiera determinada  posición. Estas se$ales deben repetirse en el tiempo  para que el motor mantenga una posición fija. La duración del ciclo de trabajo varía entre %? y =?  milisegundos. Las ondas mostradas en la imagen anterior representan ejemplos de trenes de pulsos con los que se puede mover un servomotor, utili"ando un ciclo de trabajo de =' milisegundos. ste tren de  pulsos puede ser generado por un circuito oscilador   c omo un ???   / o por un microcontrolador. s decir, con rduino podemos controlar fácilmente un servomotor.

F"#$ 8: E()% +( -(,(% +( '%% *-* *% %"3",(% 180=> ?0= @ 0= (, ( (( +( ',

C&("u%& 0! E(!,45+ La energía consumida por una carga eléctrica será igual a la potencia producto del voltaje por la corriente que entra a la carga/ multiplicada por el tiempo de uso del motor. +ebido a que los servomotores son alimentados entre ) y * voltios, es  posible asumir que el voltaje de alimentación es casi constante para la mayoría de los modelos. Lo que no es igual para uno u otro modelo de servomotor es el  consumo de corriente. La corriente demandada por un servomotor depende de diferentes parámetros2    

Babricante y modelo del servo La inercia acoplada al eje del motor. sto incluye la inercia del sistema de engranajes y la de la carga que esté acoplada al motor. La velocidad de rotación aplicada al eje del servo

Los microcontroladores no han sido dise$ados para entregar corriente a una carga sino para entregar se$ales de control. stas se$ales de control se utili"an para activar o desactivar transistores 7FD o 5A0BD/, los cuales han sido especialmente dise$ados para manejar grandes corrientes o voltajes. #ara tener una idea del consumo de corriente de un servomotor, he hecho una  peque$a prueba e!perimental con un servo 5G@@*:. 4tili"ando un cable 407 y  un medidor de corriente 407, me he propuesto verificar el consumo del servo ante diferentes condiciones de operación.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA  ELÉCTRICA INGENIERÍA EN AERONA!TICA

¿Qu !" u(+ PANTALLA LCD/  Las #antallas de ristal Líquido L+ del inglés, Liquid ristal +isplay/, están altamente difundidas en la actualidad. 0on muy 1tiles porque permiten mostrar  información o datos de manera muy clara. La mayoría de los electrodomésticos y  diversos equipos electrónicos traen uno o varios de ellos porque presentan la gran ventaja del bajo consumo de potencia. La magia de los L+ se debe a los Hcristales líquidosI. n sí estas dos palabras suenan contradictorias, pero este material es la ra"ón por la cual este dispositivo funciona Los cristales líquidos2 La materia puede estar en 3 estados típicos, a saber2 sólido, líquido y gaseoso. n el estado sólido, las moléculas tienden a mantener su orientación y posición siempre de la misma forma. l estado líquido se caracteri"a  porque las moléculas cambian su orientación y se mueven a través del líquido.