INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO

DE TECNOLOGÍA DIGITAL

“EMULADOR DE CARGA ELECTROMECANICA”

TESINA

QUE PARA OBTENER LA

ESPECIALIDAD EN SISTEMAS INMERSOS

PRESENTA:

ING. ARYAN SERRANO GARCÍA

BAJO LA DIRECCIÓN DE:

M. en C. JOSÉ MARIA MONTOYA FLORES

FEBRERO 2009 TIJUANA, BAJA CALIFORNIA, MEXICO

Resumen.

Este trabajo es parte integral de un proyecto cuyo objetivo es diseñar un equipo para el laboratorio de control. Concretamente el equipo debe presentar una carga mecánica al sistema que impulsa y controla el movimiento, al mismo tiempo mide y almacena la variación de valores elementales ocurridos a lo largo de la trayectoria de movimiento. La carga que genera dicho equipo debe comportarse como si fuera un mecanismo real, por ejemplo un brazo robótico o una máquina herramienta, una compuerta y muchos más mecanismos donde se necesita control de movimiento. La carga debe mantener o variar sus componentes básicas (fricción, fuerzas producidas por efectos de gravedad o trabajo, fuerzas producidas por efectos de inercia, etc.) y estas componentes se almacenan en el sistema de forma grafica para que se ejecuten de forma síncrona con el movimiento.

Palabras clave.

Carga mecánica, mecanismos, fricción, control de movimientos.

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Abstract.

This work is part of an integrated project that will be designed to be part of a control lab equipment. This equipment must present a mechanical load to a system that impulses and controls the movement of an electrical motor, at the same time it will measure and store the variation of elemental values that happen all the way on the movement. The load that will generate this equipment must behave as if it would in reality, for example a robot arm, a tool machine, a door and many other devices where we need to control the movement. The load should keep or vary its basic components (friction, forces presented by the gravity effect or by inertia effect, etc.) all this components are stored graphically in the system to be executed in sync with the movement.

Keywords.

Mechanical load, mechanical devices, friction, control of movement.

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Contenido

Resumen 1

Abstract 2

Introducción 5

Alcance del trabajo 6

Alternativas de diseño 7

Efectos de la fricción 8

Efectos de la gravedad 14

Efecto y emulación de los interruptores de límite 17

Operación del circuito de sincronización 21

Reflexiones concluyentes 22

Bibliografía 26

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Lista de figuras:

Fig 1. Ejemplo de la fricción, Pág. 8

Fig 2. Fuerza de fricción, Pág. 9

Fig 3. Disco y balata, Pág. 9

Fig 4. Diagrama eléctrico para controlar fricción, Pág. 10

Fig 5. Voltaje de entrada vs. Fuerza, Pág. 11

Fig 6. Cadena de dispositivos para una señal discreta Diagrama a

bloques, configuración de unidades, Pág. 12

Fig 7. Torque neutralizador de efecto de gravedad, Pág. 14

Fig 8. Brazo mecánico, Pág. 14

Fig 9. Mecanismo con resorte, Pág. 15

Fig 10. Torque que provoca el resorte en 360 grados, Pág. 15

Fig 11. Diagrama a bloques de la emulación de movimientos, Pág. 16

Fig 12. Diagrama de estados, Pág. 17

Fig 13. Diagrama a bloques para emular interruptores, Pág. 19

Fig 14. Sincronización de la posición de la parte móvil del emulador

con la localidad de memoria, Pág. 20

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Introducción.

En este trabajo se presenta un sistema de emulación de carga electromecánica el cual es capaz de comportarse como una carga real, el sistema se encargara de interpretar a través de un encoder, la posición del eje de un motor controlado para así ejecutar de forma síncrona, ciertas variables guardadas previamente, que emulan una carga. Este trabajo se realizo con la finalidad de integrarlo a un sistema más completo que someterá un motor controlado a diferentes comportamientos físicos para poder evaluar la calidad del algoritmo de control.

Siendo un instrumento de laboratorio se requiere que el emulador pueda representar varios mecanismos, es decir que se debe reconfigurar fácilmente y representar una carga deseada y específica o propia de un eje o un grado de libertad.

Finalmente se llegó a la conclusión que dicha carga debe ser configurable, variable y programable. Durante el diseño se tomó la decisión que el efecto de la inercia será constante y configurable por medio de la posición y tamaños de las pesas. Las otras dos principales componentes, es decir, la fricción y la fuerza de trabajo o la producida por efecto de la gravedad hay que variar a lo largo de la trayectoria, y en función de la posición.

También se llegó a la conclusión que es práctico almacenar la imagen de dichas variables y así grabarla como una señal eléctrica multidimensional (que tiene varias componentes referidas a la posición).

Grabar una señal compuesta en forma digital y sincronizar su reproducción con la posición, es decir en tal posición las componentes de señal tienen tales valores se puede observar como un vector cuyos valores cambian en función de la posición.

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Alcance del trabajo.

El trabajo que se reporta consiste en el diseño y/o desarrollo de la circuitería electrónica para grabar una señal compuesta en forma numérica y reproducirla en sincronía con la posición (en función de la posición) y también diseñar dispositivos para transformar dicha señal en efecto mecánico.

Un mecanismo real cuya parte se mueve controlada por un sistema eléctrico por lo general posee distintos interruptores de límite como por ejemplo left limit switch, right limit switch, hard limit switch, soft limit switch, etc., hay que mencionar que se trata de un movimiento de carrera limitada. Todos estos interruptores hay que posicionarlos en algunos puntos de la trayectoria y grabarlos como una componente de la señal compuesta.

En resumen, tenemos señales análogas (fricción, trabajo y gravedad) y señales digitales (limit y home interruptores) y hay que grabarlas en forma numérica, reproducirlas en función de la posición y transformarlas en efectos mecánicos.

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Alternativas de Diseño.

Dicha señal se puede diseñar y generar en una PC y almacenarla como un archivo (arreglo multidimensional).

Por medio de un sistema inmerso basado en micro controlador se pueden separar las componentes de dicha señal y colocarlas o grabarlas en las localidades correspondientes de la memoria que forma parte de la circuitería a diseñar.

La cadena de datos provenientes de las memorias se puede sincronizar con la supuesta posición del mecanismo amarrando el direccionamiento de la memoria con el sensor de la posición.

Las señales salientes de la memoria como aquella de la fricción o del efecto de gravedad y trabajo se puede por medio de un DAC convertir y amplificar para poder excitar un dispositivo electromecánico (freno de disco, motor DC, etc.).

Las señales de Limit switch (interruptores de limite) se adecuan para operar un mini relevador de acondicionamiento.

Ilustración y descripción de cada una de las variables de una señal o una imagen de la carga.

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Efectos de la fricción.

La fricción se define como una fuerza opositora al movimiento, más bien se requiere una fuerza para vencer la fricción; se produce si existe una presión de un objeto sobre otro; es una variable siempre negativa con respecto a la fuerza impulsora; gráficamente se puede representar de la siguiente manera:

Su valor puede variar a lo largo de la trayectoria del objeto movible, también puede estar constante.

Se expresa en unidades de fuerza (N, kp, etc.) o en unidades de torque (N-cm, N-inch, etc.), siempre cuando se trata de movimiento rotatorio.

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El valor instantáneo de la variable en realidad expresa la fuerza necesaria para vencer la fricción.

Figura 2. Ilustrando la fuerza de fricción.

Depende de los materiales, del acabado de la superficie y de la presión que ejerce un objeto móvil sobre el objeto estático.

Puede tener diferente valor al cambiar de sentido de movimiento, lo cual depende del acabado de la superficie.

Freno de disco y balatas accionado por un electroimán es un actuador típico para regular o controlar fricción para un movimiento rotatorio.

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Variando corriente se varía la presión de la balata sobre un disco que gira, lo cual se traduce en mayor o menor fuerza/torque necesario para girar el disco.

En algunos casos tiene efectos positivos y se aplica, en otros tiene efectos negativos y se trata de minimizar (regulación de velocidad, amortiguamiento de oscilaciones, etc.).

Diagrama eléctrico, a bloques, para controlar la fricción:

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Finalmente nos interesa saber o conocer la siguiente grafica:

Ejemplo de la característica de un freno controlado por una señal de voltaje. Componentes: amplificador Proporcional, bobina, freno con disco.

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Cadena de dispositivos para reproducir señal grabada en forma discreta.

En cada dirección de memoria está grabado un valor de señal discretizada (muestra).

El Transceiver/acondicionador (transmisor-receptor / acondicionador), garantiza que cada bit puede tener uno de dos valores, 5v ó 0v.

DAC convierte un valor digital a un voltaje (256 valores discretos, de 0 a 255)

Vout = Vref (A1/2 + A2/4 + . . . . A8/256)

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Diagrama a bloques.

Sistema para generar y grabar la imagen de la carga en forma digital.

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Efectos de gravedad o trabajo.

Algunos mecanismos o ejes de los mismos pueden tener efectos de gravedad produciendo un torque, como por ejemplo un brazo de robot, o una máquina herramienta CNC, o una compuerta, etc., por lo tanto hay que emular este efecto. Lo mismo sucede cuando tenemos resortes en un mecanismo o contra pesa, etc. Todos estos efectos se pueden representar como unas fuerzas o torques en función de la posición, como se puede ver en las siguientes gráficas:

Torque necesario para neutralizar efecto de la gravedad del brazo mostrado en la figura 8.

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Torque necesario para neutralizar efecto de gravedad del brazo mostrado en figura 9 .

Podemos hacer constar que los torques producidos por efectos de la gravedad o de trabajo pueden cambiar signo a lo largo de la carrera limitada del mecanismo, lo cual significa que la señal almacenada en la memoria correspondiente a este efecto debe tener signo.

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La circuitería para reproducir o emular estos efectos se muestra en el siguiente diagrama de bloques.

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Efecto y emulación de los interruptores de límite.

Considerando un interruptor como dispositivo digital, se puede memorizar sus cambios de estado en la columna de un bit de datos en memoria.

En el siguiente diagrama de estados se puede ver un ejemplo de limit switches distribuidos a lo largo del eje “X” de una máquina CNC.

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Aquí tenemos 5 interruptores distribuidos o posicionados a lo largo de un eje de movimiento cuyos estados podemos grabar en 5 columnas de memoria (son 5 bits de datos).

Leyenda:

• L H L Sw Left Hard Limit Switch

• R H L Sw Right Hard Limit Switch

• L S L Sw Left Soft Limit Switch

• R S L Sw Right Soft Limit Switch

• HOME Home Switch

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La circuitería para emular el efecto de los interruptores de límite se muestra en el siguiente diagrama a bloques.

De esta manera el sistema de movimiento que impulsa, mueve la carga emulada/configurada y puede sensar la posición del fin de carrera o “HOME”.

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Resumiendo. Con los tres circuitos mostrados anteriormente podemos emular los efectos de fricción, de la gravedad y los de los interruptores de límite.

Sincronización de la posición de la parte móvil del emulador con la posición o localidad en memoria.

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Operación del circuito de sincronización.

Supongamos que las señales son grabadas en las memorias. Las señales mencionadas corresponden a la imagen dinámica de algún mecanismo “X”; el sistema inmerso no mencionado hasta ahora, estando listo para sensar y memorizar las magnitudes a medir, las cuales se grabarán en la memoria RAM, envía un pulso de reset al “up/down counter” e inmediatamente lo carga con un valor dado, por ejemplo 32 k, así que el contador se encuentra en medio camino, entre cero y 65385, en este instante el sistema inmerso por una línea privada manda una señal al sistema impulsor, luz verde, un (bit) señalando que está listo para medir sus parámetros y esperando la señal de inicio del movimiento. Al recibir esta señal, realiza la captura de señales con un muestreo de 1 ms., durante 10 s. Cabe mencionar que el circuito de sincronización está amarrado al movimiento de la flecha del emulador de carga con “up/down counter”, es decir que cualquier movimiento de la flecha o eje se refleja en el contenido del contador, y por consecuencia en la dirección o localidad apuntada en memoria.

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Reflexiones concluyentes sobre el emulador de carga mecánica.

Este sistema embebido puede ser catalogado como simple pues no funciona bajo operaciones criticas, está diseñado para trabajar dentro de un ambiente de prueba en experimentos durante el desarrollo de un sistema de movimiento el cual será destinado a mover un eje de un mecanismo de carrera limitada.

Una puerta tiene su masa que se necesita mover y sin excluir las masas de las partes móviles, las de transmisión y las del rotor del motor/actuador. También tenemos un riel para trasladar y una guía para guiar la misma puerta donde aparece fricción durante el movimiento. Lo mínimo es poner una cerradura la cual usualmente necesita una fuerza adicional para vencer sus resortes y la fricción de la misma. Para no añadir más, solamente lo mínimo necesario, tenemos ahora un mecanismo relativamente simple de carrera limitada con una inercia X y una fricción variante en la posición de cerrarse. Si es corrediza horizontal podemos excluir el efecto de la gravedad, la inercia de toda la cadena de elementos móviles se calcula sabiendo la masa, su geometría y la cinética de los mismos. La fricción se puede medir a lo largo de su carrera.

El diseñador calcula y determina las características de cada una de las componentes del sistema basándose en dos informaciones, a) la imagen de carga y b) el perfil de velocidad en ambos sentidos (abrir, cerrar). Ensamblando todas las componentes mínimas tenemos:

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Un motor/actuador, un amplificador de potencia (servo amplificador), un tipo de controladora de movimiento y algunos sensores de posición.

Durante el proceso de diseño podemos simular esta dinámica si contamos con un simulador de dinámica.

Colocando este sistema que impulsa y controla el movimiento de dicha carga se afina el control observando el funcionamiento visualmente. En muchos casos ni siquiera medimos corriente del motor, estamos satisfechos, “jala” o trabaja pero nos quedamos con muchas incógnitas y dudas. Habrá que medir una serie de cosas, algunas veces inaccesibles para estar seguro que el sistema funciona óptimamente, para saber con certeza que el motor/actuador no está sobredimensionado o deficiente, si el perfil de velocidad es el deseado, si no existen algunos picos de fuerzas dañinas, cuanta energía se utiliza en la operación, cual es el perfil de potencia, si algunos elementos sufren esfuerzos inadecuados, cuáles márgenes tenemos para resistir a una perturbación posible, el tipo de controladora es demasiado sofisticada o costosa para este trabajo?, etc., etc.

Por lo mencionado anteriormente, se considera que seria útil y práctico durante el desarrollo de un prototipo (sistema de movimiento) contar con una carga cuya imagen es equivalente al real y un sistema de medición o captura y así observando las gráficas correspondientes durante las pruebas poder corregir, redimensionar y afinar el sistema de movimiento y estar seguro que el diseño no tiene fallas graves. Someter a carga real y observar con precisión a un prototipo en desarrollo, para ello sirve el equipo llamado “Emulador de Carga Mecánica”.

Función principal del sistema inmerso como módulo integral del equipo denominado Emulador de carga mecánica.

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El sistema inmerso basado en un microprocesador de 8 bits (SAB 80515) será parte de dicho emulador y funcionará de tres modos, es decir tendrá en el mismo hardware tres programas con diferentes tareas.

En el primer modo M1, el sistema servirá como programador de la memoria flash, la cual se encuentra en la circuitería, cuyo diagrama podemos ver mas adelante y su tarea será recibir de la computadora las cadenas de datos y alojarlos en las localidades correspondientes de la memoria flash. Este proceso se llevará a cabo cada vez que necesitamos emular un nuevo mecanismo, diferente del actual.

Una vez terminado el proceso de programar, el sistema se convierte en un sistema de captura de datos (lodger) el cual será el segundo modo de operar M2.

Durante los movimientos en varios segundos el lodger debe capturar datos sensados con muestreo de 1 ms. y alojarlos en su propia memoria RAM.

Terminando la captura de datos, el sistema inmerso pasa al tercer modo de operación, M3 en el cual transmitirá datos capturados a la computadora (host) para procesarlos.

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Los tres procesos mencionados no son concurrentes si no encadenados, como se puede ver en el siguiente diagrama de flujo.

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Bibliografía.

[1] Irving Gottlieb, "THE APPLICATION OF ELECTRONIC CONTROLS TO ELECTRIC MOTORS AND GENERATORS”, McGraw-Hill, 1994.

[2] Thomas L. Floyd, “Fundamentos de Electrónica Digital”, Prentice Hall, 2008

[3] Cutnell, Keneth W. Johnson, “Physics”, Wiley, 2006

[4] Ganssle, Noergaard, Eady, Edwards, Katz, Gentile, Arnold, Hyder, Perrin, “Embedded Hardware”, Newnes, 2007

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