UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

FACULTAD DE INGENIERA

Departamento de Ingeniera Mecnica

HMR/hmr.

INGENIERIA DE EJECUCIN EN MECANICA

PLAN 2001GUIA DE LABORATORIO

ASIGNATURA15065 AUTOMATIZACINNIVEL 07EXPERIENCIA ATM-L05MOTORES DE CORRIENTE CONTNUA Y DRIVERS CC

HORARIO: JUEVES: 9-10-11-12

MARTES: 9-10-11-12

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

FACULTAD DE INGENIERA

Departamento de Ingeniera Mecnica

HMR/hmr.

MOTORES DE CORRIENTE CONTNUA Y DRIVERS CC1.OBJETIVO GENERAL

Familiarizar al alumno con los motores elctricos corriente continua, los servomotores cc y los drivers cc. Con la finalidad fundamental que comprenda y pueda implementar actuadores electromecnicos basados en motores cc totalmente controlables y con buena dinmica.

2.OBJETIVOS ESPECFICOS2.1Que el alumno comprenda el principio de funcionamiento de los motores elctricos corriente continua, e interprete adecuadamente la relacin entre las variables elctricas y mecnicas vinculadas al motor y a la carga aplicada al eje del mismo.

2.2Familiarizar al alumno con la mantencin requerida por las partes constitutivas de los motores elctricos corriente continua.

2.3Que el alumno comprenda las formas de controlar la velocidad y sentido de giro de los motores cc segn el tipo de motor cc a usar.

2.4Que el alumno comprenda el principio de funcionamiento de los amplificadores de potencia o drivers cc y la forma de controlar el nivel energtico entregado por el driver al motor cc conectado a l.

2.5Basado en los requerimientos de un proyecto especificado por el profesor, que el alumno pueda seleccionar los servomotor y driver cc comercial mas adecuados.

2.6Que el alumno se familiarice con los sistemas de medicin de velocidad angular, (tacogenerador y tacmetros digitales), y la respectiva funcin dentro de un sistema controlador de velocidad.

3.INTRODUCCIN TERICA

3.1MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA

Un motor de corriente continua est compuesto de un estator y un rotor. En muchos motores c.c., generalmente los ms pequeos, el estator est compuesto de imanes para crear un campo magntico. En motores c.c. ms grandes este campo magntico se logra con devanados de excitacin de campo.El rotor es el dispositivo que gira en el centro del motor y est compuesto de arrollados de cable conductores de corriente continua. Esta corriente continua es suministrada al rotor por medio de las "escobillas" generalmente fabricadas de carbn.

Principio de funcionamiento.

Cuando un conductor por el que fluye una corriente continua es colocado bajo la influencia de un campo magntico, se induce sobre l (el conductor) una fuerza que es perpendicular tanto a las lneas de campo magntico como al sentido del flujo de la corriente. Ver la figura.- Campo magntico en azul- Corriente continua en rojo- Direccin de la fuerza en violeta- Imanes: N (norte) y S (sur)

Ver como se tiene que colocar este conductor con respecto al eje de rotacin del rotor para que exista movimiento. En este caso la corriente por el conductor fluye introducindose en el grfico. - Par motor en azul- Fuerza en violeta- Conductor con corriente entrante en el grfico azul y rojo- Imanes: N (norte) y S (sur)

Pero en el rotor de un motor cc no hay solamente un conductor sino muchos. Si se incluye otro conductor exactamente al otro lado del rotor y con la corriente fluyendo en el mismo sentido, el motor no girar pues las dos fuerzas ejercidas para el giro del motor se cancelan.- Par motor en azul- Fuerza en violeta- Conductor con corriente entrante en el grfico azul y rojo- Imanes: N (norte) y S (sur)

Es por esta razn que las corrientes que circulan por conductores opuestos deben tener sentidos de circulacin opuestos. Si se hace lo anterior el motor girar por la suma de la fuerza ejercida en los dos conductores.

Para controlar el sentido del flujo de la corriente en los conductores se usa un conmutador que realiza la inversin del sentido de la corriente cuando el conductor pasa por la lnea muerta del campo magntico.

La fuerza con la que el motor gira (el par motor) es proporcional a la corriente que hay por los conductores. A mayor tensin, mayor corriente y mayor par motor.

Fuerza contraelectromotriz de un motor cc

Cuando un motor de corriente continua es alimentado, el voltaje de alimentacin se divide entre la cada que hay por la resistencia de los arrollados del motor y una tensin denominada fuerza electromotriz (FCEM). Ver el siguiente diagrama.- Vm = tensin de entrada al motor (voltios)- Ra = resistencia del devanado de excitacin (ohmios)- Ia = corriente de excitacin (amperios / amperes)- Vb = FCEM debido al giro del motor (voltios)

Aplicando la ley de tensiones de Kirchoff:

Vm = Vb + (Ia x Ra) o Vb = Vm - (Ia x Ra)

Nota: Observar de la ltima ecuacin que cuando sube el valor de la corriente de armadura Ia, disminuye el Valor de Vb.

La FCEM es proporcional a la velocidad del motor y a la intensidad del campo magntico. Si el motor tiene rotor con imn permanente, esta constante es:K = Vb / Nd.Donde:- K = constante de FCEM del motor y se expresa en Voltios / rpm.- Nd = Velocidad de giro del motor en rpmNota: rpm = revoluciones por minuto

Debido a que la velocidad de rotacin controla el flujo de la corriente en el rotor, deben usarse actuadores o drivers CC para comandar los motores de corriente continua. La velocidad a la que funciona un motor depende de la intensidad del campo magntico que acta sobre el rotor, de la corriente de sta y del par aplicado al eje del motor, adems de las ecuaciones elctrica y mecnica.

3.2Servomotores

Estos motores poseen la menor constante mecnica de tiempo, (menor tiempo de respuesta). Teniendo en cuenta que (m = Ra J / KT KE, se puede apreciar que para obtener pequeos valores de (m, se deben tener bajos valores de resistencia de armadura y de inercia, o altos valores de constantes de par y fuerza electromotriz. En la figura de la izquierda se puede apreciar un corte del motor perpendicular a su eje, donde se observa el inducido como un cuerpo negro hueco. Por su parte, la figura de la derecha muestra una vista en perspectiva de un servomotor de este tipo ya montado y con un taco generador acoplado.

3.3Control de Sentido de giro para motores-cc

Existen varias formas de lograr que estos motores inviertan su sentido de giro, una es utilizando una fuente simtrica o dos fuentes de alimentacin con un interruptor simple de dos contactos y, otra es utilizar una fuente comn con un interruptor doble, es decir uno de 4 contactos, en todos los casos es bueno conectar tambin un capacitor en paralelo entre los bornes del motor, ste para amortiguar la induccin que generan las bobinas internas del motor.

Con Fuente Simtrica o Doble Fuente

Con una Fuente Simple

Lo ideal es disponer de un circuito basado en componentes de estado slido, quitando los rels y haciendo uso de transistores, estos ltimos conectados en modo corte y saturacin, as actan como interruptores.En este caso ser necesario el uso de dos transistores complementarios, es decir uno PNP y otro NPN, de este modo slo es necesario un terminal de control, el cual puede tomar valores lgicos "0" y "1", el esquema de conexiones es el que sigue

Si se desea utilizar una fuente de alimentacin simple, se puede implementar un circuito del siguiente modo.

Estos circuitos, son conocidos como puente en H o H-Bridge, en realidad son ms complejos de lo que describ aqu, pero esta es la base del funcionamiento de los Drivers para motores.

Ahora bien, estos Driver's, son circuitos integrados que ya traen todo incorporado, lo cual facilita el diseo de los circuitos, tales como el UCN5804, el BA6286, el L293B, L297, L298 o con el ULN2803 o el ULN2003, estos dos ltimos son arrays de transistores.

3.4Drivers Para Motores c.c.

Entre los Drivers mencionados anteriormente, el ms conocido es el L293B. Se trata de un Driver para motores de 4 canales, cada canal es capaz de entregar hasta 1A de corriente.

Posee una entrada de alimentacin independiente que alimenta los 4 Drivers, es decir la que requieren los motores.

El control de los Drivers es compatible con seales TTL, es decir con 5 voltios.

Cada uno de los 4 Drivers, puede ser activado de forma independiente (por su terminal de entrada), o habilitado de dos en dos con un slo terminal (Enable).

Aqu una imagen del integrado y su tabla de verdad.

En esta tabla de Verdad la entrada EN1-2 habilita dos de los canales de este integrado, cuando se encuentra a nivel H (alto), de tal modo que la salida OUTn tomar el valor de la entrada INn.

Por otro lado OUTn quedar en alta impedancia (X) si el terminal EN1-2 se encuentra a nivel bajo (L), es decir que en este caso, ya no tiene importancia el valor de INn, y por lo tanto OUTn quedar totalmente libre.

Cave destacar que VS y VSS son los pines de alimentacin, VS para los 4 Drivers, que segn el Datasheet puede tomar valores desde VSS hasta 36V, y VSS es el terminal de alimentacin TTL, sera +VCC

Aplicacin para el control de Motores-CC.

Hay dos posibilidades de control, una es controlar los motores en un slo sentido de giro, es decir, hacer que gire o detenerlo, en este caso tienes posibilidad de controlar hasta 4 motores.

Finalmente, la forma de control es como se ve en la siguiente tabla.

+Vcc es el terminal de alimentacin compatible con la seal de control A y B, o sea +5V, Vs tiene los niveles de tensin requeridos por el motor (12, 15, 20, hasta 36v).

D1 y D2, son los capacitores incorporados para proteger al integrado de las tensiones generadas por la induccin de las bobinas del motor.

Se puede observar que un motor (M1) esta unido a +Vs, mientras que el otro (M2) esta a GND, puedes utilizar cualquiera de las dos configuraciones. La forma de conexin seria como sigue.

Y la tabla de verdad de este circuito queda as.

Esta tabla indica claramente como se controla el motor, en un sentido o en otro, detenerlo o dejarlo libre, esto ltimo de dejarlo libre, se refiere a que cualquier seal en los terminales de control A, B, C y D no tendrn efecto alguno sobre el motor, es decir que ha quedado liberado totalmente.

3.5Control de Velocidad de Motores cc.Modulacin por Ancho de Pulso (PWM):

Control de velocidad por Modulacin de Ancho de Pulso, conocido como PWM, bsicamente consiste en enviar un tren de pulsos a los terminales de control, los cuales varan en mayor o menor medida el tiempo en que se mantiene el nivel alto de esos pulsos, manteniendo la frecuencia constante,

Con esta forma de control,, la cantidad de corriente sigue siendo la misma, la tensin no vara y en consecuencia el torque del motor se mantiene, que es justamente lo que se busca.

Un circuito de ejemplo es el siguiente.

Reemplazando R1 por un potencimetro, se puede controlar los tiempos de los niveles de salida.

Modulacin por Frecuencia de Pulsos (PFM)

Se trata de eso mismo, variar la frecuencia de pulsos en los terminales de control, lo cual se puede lograr fcilmente con un circuito estable, que bien podra ser un 555, y utilizar un potencimetro para variar la frecuencia de los pulsos.

Para las mquinas de corriente continua se define una velocidad base, que corresponde a una condicin de funcionamiento en la cual la mquina entrega potencia y par nominales.

El modo ms simple de regular la velocidad de un motor es variando la tensin de armadura debido a que la velocidad de un motor de corriente continua es directamente proporcional a ella.

Aumentando la tensin de armadura y manteniendo el flujo, la velocidad del motor puede incrementarse continuamente desde el reposo hasta alcanzar la velocidad base. En particular la alimentacin mediante convertidores a tiristores, permite satisfacer varios requerimientos de regulacin, como ser:

Operar como motor en un solo sentido de rotacin, o( como freno (girando en sentido contrario). Se requiere un simple convertidor, cuya tensin de salida permite la circulacin de corriente en un solo sentido.

4.METODO A SEGUIR:4.1Reconocer los componentes constitutivos de los motores elctricos corriente continua, disponibles en el laboratorio, y se comentan los elementos ms propensos a fallas; se identifican las caractersticas de acuerdo a la informacin disponible en catlogos o en la propia placa de los motores.4.2Usando una fuente de voltaje regulable, se energiza el motor cc con tacogenerador incorporado y carga mecnica ajustable aplicada al eje del motor, y se somete a ensayos midiendo: Torque, velocidad, voltaje del tacogerenador, corriente de armadura, voltaje de alimentacin del motor, etc.

4.3Relacionar las variables medidas con el modelo matemtico del motor cc y determinar el valor de las constantes o propiedades del motor cc.4.4El profesor define los requerimientos operacionales del sistema formado por el driver cc y el motor cc ms su carga aplicada al eje del mismo; para que los alumnos propongan los circuitos de potencia y de comando requeridos para implementar un sistema electromecnico con control de velocidad.

4.6El profesor revisa los circuitos propuestos, (haciendo las correcciones correspondientes), para luego ser implementados por los alumnos y asistidos por el profesor. 4.7Se energiza el sistema y los alumnos realizan los ensayos definidos por el profesor, tomando datos y evaluando la calidad del control de velocidad resultante.

5.- VARIABLES A CONSIDERAR

5.1.Al ser accionado el motor cc mediante la fuente de voltaje ajustable, medir el consumo de potencia elctrica del motor a la partida y a plena carga, y evaluar el comportamiento dinmico en el eje del motor al encenderlo y apagarlo.5.3. Al ser accionado el motor cc formando parte de un sistema controlador de velocidad, cuantificar el consumo de corriente del motor en el tiempo, (medicin dinmica), al momento de la partida, de detencin y de inversin del sentido de giro.6.- TEMAS DE INTERROGACIN

6.1. Tipos de motores elctricos de corriente continua y sus caractersticas funcionales fundamentales.

6.2.Formas de controlar los motores elctricos cc.6.3Diferencia entre motores cc y servomotores cc.

6.4.Criterios de seleccin de los componentes constitutivos de un sistema electromecnico, (basado en motores cc), para tener bajo control la velocidad.6.5.Circuitos de potencia y de comando del sistema controlador de velocidad y el diagrama de bloques correspondiente.

6.6Funcin transferencia de sistema ya citado, y efectos de la parametrizacin del controlador de velocidad, (filtro de control de velocidad). 7.- EQUIPOS E INSTRUMENTOS A UTILIZAR

7.1 Motores y servomotores de corriente continua con y sin tacogenerador incorporado.

7.2Amplificadores de potencia CC o drivers cc.7.3Osciloscopio.

7.4Tres multitesters.7.5Fuente de voltaje cc y corriente ajustable.

7.6Fuentes en 5vcc, 12vcc, -12vcc

7.7Tacmetro

7.8Amplificadores operacionales, transistores, optotransistores, diodos, resistencias, fusibles, tarjetas de prueba, etc.

7.9Otros elementos, (botones push-button, selectores, botn de emergencia, luces piloto, cables, regletas, herramientas para hacer conexiones elctricas, material fungible, etc.). 8.LO QUE SE PIDE EN EL INFORME:

8.1Las caractersticas tcnicas de los elementos y subsistemas empleados en el laboratorio.

8.2Especificar tcnicamente la funcionalidad de los elementos empleados en el desarrollo del laboratorio.

8.3.Redactar tcnicamente el requerimiento de accionamiento electromecnico con control de velocidad, especificado por el profesor en el laboratorio.

8.4El diagrama fsico y de alambrado de los circuitos de potencia y de control, y la parametrizacin del filtro de control de velocidad usado en el laboratorio.

8.5Seleccionar los elementos pertenecientes a los circuitos de potencia y de comando existentes en el mercado para ser empleados en una aplicacin especificada por el profesor.

8.6.Un anlisis de los resultados de los ensayos estticos y dinmicos, comentarios y conclusiones personales.

8.7.La referencia bibliogrfica.8.8El apndice con:

a.1.Caractersticas tcnicas de los componentes empleados.

a.2.Alternativas comerciales de: Motores corriente continua, drivers cc,

tacogeneradores, ENCODERS y controladores de velocidad y

posicin.

a.3.Desarrollo de los clculos.

a.4.Presentacin de resultados.

a.5.Grficos. 9.-

BIBLIOGRAFA

9.1Apuntes de ctedra de la asignatura de Automatizacin (15065). Hctor Muoz R. DIMEC-USACH.

9.2Catalogo de motores cc y drives cc,

9.3Guas e informes de los laboratorios anteriores.

Sitios web:

http://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza_electromotriz http://www.unicrom.com/Tut_MotorCC.asp http://automatica.li2.uchile.cl/exp/motor_cc.htm

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