memoria_titulo felipe calderón

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN FRENO ELÉCTRICO

FELIPE CALDERÓN POBLETE

Profesor Guía:

Johan Guzmán

Profesores de la comisión: Ambrosio Martinich

Javier Muñoz

Memoria para obtener el Título de INGENIERO EN MECATRÓNICA

CURICÓ -CHILE 2012

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN FRENO ELÉCTRICO

Felipe Andrés Calderón Poblete

Una memoria de la

Facultad de Ingeniería

Presentada en Cumplimiento Parcial de los Requerimientos para

optar al título de Ingeniero en Mecatrónica de la Escuela de

Ingeniería en Mecatrónica de la Universidad de Talca, Chile

2012

Resumen

Diseño y construcción de un Freno Eléctrico

Felipe Calderón Poblete Universidad de Talca, 2012 Un freno eléctrico de potencia variable es un elemento útil para realizar múltiples mediciones y pruebas, como por ejemplo, calcular eficiencia de motores sometiéndolos a distintos valores de carga, hacer mediciones de torque, velocidad de rotación, ejecutar comprobaciones de potencia eléctrica versus potencia mecánica, etc. En esta memoria se presenta el diseño, construcción y puesta en marcha de un freno eléctrico de potencia variable, donde se podrá apreciar cada componente mecánico, eléctrico y electrónico que conforma el freno, además se muestran los resultados tangibles, como la interfaz gráfica, donde se podrá controlar la potencia del freno y monitorear corriente, voltaje, velocidad de rotor, potencia eléctrica, potencia mecánica, con la ventaja de guardar estos datos automáticamente en una plantilla Excel.

A Mis padres, Juan Pablo Calderón y Bernarda del Pilar Poblete.

Agradecimientos Todas las personas a las cuales se les agradece fueron de suma importancia en alguna etapa del diseño y construcción del freno; gracias a ellos se pudo finalizar la memoria y así dar por terminada otra etapa de mi vida.

- Profesor Johan Guzmán, el cual fue fundamental en el diseño y construcción de la electrónica del freno, aportando con su gran conocimiento y disponibilidad

- Profesor Ambrosio Martinich, el cual fue fundamental en el diseño y construcción mecánica del freno, aportando con su gran conocimiento y disponibilidad

- Profesor Nivaldo Valenzuela, por su ayuda y aporte de conocimiento en la manufactura convencional.

- Maestro Wilson Morales, por su disponibilidad y ayuda con las máquinas y herramientas convencionales

- Profesor Abraham Farías, por el apoyo y aporte de conocimiento en la manufactura automática

- A mis compañeros con los cuales he compartido e intercambiado conocimientos a lo largo de mi carrera

- A los profesores que aportaron conocimiento en alguna etapa de mi carrera

- A Estefanía Toledo, por el apoyo y cariño que me ha brindado.

Índice de Contenidos CAPÍTULO 1 INTRODUCCION ...................................................................................... 12

1.1 El problema (o la oportunidad) ........................................................................ 13

1.2 Objetivo General .............................................................................................. 13

1.3 Objetivos específicos ....................................................................................... 13

1.5 Alcances y limitaciones ................................................................................... 15

Capítulo 2 MARCO TEORICO .................................................................................... 16

2.1 Inducción electromagnética ............................................................................. 17

2.2 Frenos dinamométricos .................................................................................... 17

2.2.1 Tipos de frenos ......................................................................................... 17

2.2.2 Sistema adquisición de datos .................................................................... 21

Capítulo 3 MECANICA DEL FRENO ELECTRICO ................................................... 23

3.1 Generador eléctrico: ......................................................................................... 24

3.2 Eje rotor ........................................................................................................... 25

3.3 Soporte voladizo de estator .............................................................................. 26

3.4 Flanche sujetador ............................................................................................. 27

3.5 Sistema brazo medición de torque ................................................................... 27

3.6 Acoplamiento de ejes ....................................................................................... 28

3.7 Cálculos para escoger los rodamientos que soportan el rotor y estator del generador eléctrico. .................................................................................................... 30

Capítulo 4 ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA DEL FRENO ELECTRICO .......... 34

4.1 Rectificador ...................................................................................................... 35

4.2 Convertidor Buck ............................................................................................ 36

4.3 Medición de velocidad ..................................................................................... 44

4.4 Medición de torque .......................................................................................... 46

4.5 Sensor corriente ............................................................................................... 52

4.6 Programación interfaz grafica, control y monitoreo ....................................... 53

Capítulo 5 RESULTADOS, CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO .................... 58

5.1 Resultados ........................................................................................................ 59

5.2 Conclusiones .................................................................................................... 65

5.3 Trabajos futuros ............................................................................................... 65

Anexo A ESPECIFICACIONES RODAMIENTOS UTILISADOS .......................... 68

Anexo B PLANOS MECANICOS .............................................................................. 71

Anexo C CODIGO G PIEZAS MECANICAS ........................................................... 76

Anexo D LABVIEW+ARDUINO .............................................................................. 88

Anexo E TARJETA PMD-1208LS ........................................................................... 104

Índice de Ilustraciones Figura 2.1 Imagen Freno de Prony (extraído de [3]) ...................................................... 18

Figura 2.2 Freno Hidráulico utilizado en un banco de pruebas (extraído de [4])........... 18

Figura 2.3 Freno eléctrico en un banco de pruebas (extraído de [6]) ............................. 20

Figura 3.1 Moto generador 1100 [W] ............................................................................. 24 Figura 3.2 Diseño proyectado del freno ......................................................................... 25 Figura 3.3 Eje rotor ......................................................................................................... 25 Figura 3.4 Soporte voladizo estator ................................................................................ 26 Figura 3.5 Flanche sujetador .......................................................................................... 27 Figura 3.6 Sistema brazo medición de torque ................................................................ 28 Figura 3.7 Ilustración medición de torque ...................................................................... 28 Figura 3.8 Acoplamiento flexible de cadena .................................................................. 29 Figura 3.9 piezas mecánicas Freno Eléctrico ................................................................. 29 Figura 3.10 Estructura Freno Eléctrico........................................................................... 30 Figura 3.11 Diagrama de fuerza en corte y momento flector en MDsolids. Para obtener las fuerzas en corte que deben soportar los rodamientos. Actuando el peso del generador en su centro ..................................................................................................................... 31

Figura 3.12 Diagrama de fuerza en corte y momento flector en MDsolids. Para obtener las fuerzas en corte que deben soportar los rodamientos .Actuando el peso del generador como una fuerza distribuida ........................................................................................... 32 Figura 3.13 Diagrama de fuerza en corte y momento flector en MDsolids. Para obtener las fuerzas en corte que deben soportar los rodamientos .Actuando el peso del rotor como una fuerza distribuida ........................................................................................... 33 Figura 4.1 Esquemático rectificador ............................................................................... 35 Figura 4.2 Board rectificador ......................................................................................... 35 Figura 4.3 Placa rectificador ........................................................................................... 36 Figura 4.4 Convertidor Buck. Obtenida de la simulación en PSIM ............................... 36

Figura 4.5 Gráfica del voltaje con un rizado del 4,8% ................................................... 40

Figura 4.6 gráfica corriente de salida con un rizado del 4.3% ....................................... 40

Figura 4.7 Resistencias de potencia ................................................................................ 41 Figura 4.8 PWM ARDUINO .......................................................................................... 42 Figura 4.9 Esquemático circuito disparo con fibra óptica .............................................. 43

Figura 4.10 Board realizado con Eagle 5.1 del circuito de disparo con fibra óptica. ..... 43

Figura 4.11 Placa circuito de disparo con fibra óptica ................................................... 44 Figura 4.12 . Esquemático sensor de velocidad realizado en Eagle 5.1 ......................... 45

Figura 4.13 Board del sensor de velocidad realizado en Eagle 5.1 ................................ 45

Figura 4.14 Placa construida del sensor de velocidad .................................................... 45

Figura 4.15 Instalación celda de carga ........................................................................... 46 Figura 4.16 Celda de carga con comportamiento como viga en flexión y ubicación de la cinta extensométrica ....................................................................................................... 47 Figura 4.17 Configuración puente de wheatstone de la cinta extensométrica en la celda de carga ........................................................................................................................... 47

Figura 4.18 Esquemático circuito amplificador señal celda de carga ............................ 48

Figura 4.19 Board circuito amplificador señal celda de carga ....................................... 48

Figura 4.20 Placa circuito amplificador señal celda de carga ........................................ 49

Figura 4.21 Esquemático fuente de 5 [V] regulable ....................................................... 49

Figura 4.22 Board fuente 5 [V] regulable....................................................................... 50 Figura 4.23 Placas fuentes 5 [V] regulables ................................................................... 50 Figura 4.24 Calibración celda de carga para medición de torque .................................. 52

Figura 4.25 Esquemático sensor corriente ...................................................................... 52 Figura 4.26 Board sensor de corriente ............................................................................ 53 Figura 4.27 Placa sensor de corriente ............................................................................. 53 Figura 4.28 Interfaz hombre-Maquina............................................................................ 55 Figura 4.29 Programación valor duty cycle PWM ......................................................... 56

Figura 4.30 Lectura canal analógico del ARDUINO ..................................................... 56 Figura 4.31 Programación en diagrama de bloques del censado de velocidad .............. 57 Figura 4.32 Programación completa del sistema………………………………………57 Figura 5.1 Imagen del producto final (freno Electrico)………………………………..59 Figura 5.2 Imagen del producto final (freno Electrico)………………………………..59 Figura 5.3 Imagen del producto final (Freno Electrico) ……………………………….60 Figura 5.4 Interfaz grafica……………………………………………………………...60 Figura 5.5 Ubicación sensores electricos………………………………………………61 Figura 5.6 Grafica Frenado v/s Torque. ……………………………………………….62 Figura 5.7 Grafica Frenado v/s potencia mecánica……….……………………………62 Figura 5.8 Grafica Frenado v/s Corriente 1…………………………………………….63 Figura 5.9 Grafica Frenado v/s Voltaje 2………………………………………………63 Figura 5.10 Grafica Frenado v/s Corriente 2…………………………………….……..64

Glosario de Términos Par: El par motor o torque es el momento de fuerza que ejerce un motor sobre el eje de transmisión de potencia.

Código G: G-code es el nombre que habitualmente recibe el lenguaje de programación más usado en Control numérico (CNC)

Software: Es el conjunto de los programas de cómputo, procedimientos, reglas, documentación y datos asociados, que forman parte de las operaciones de un sistema de computación.

Software MDsolids: Programa educacional para el cálculo de vigas a flexión, estructuras de barras, torsión y propiedades de secciones.

Hardware: El término hardware se refiere a todas las partes tangibles de un sistema informático.

Rotor: El rotor es el componente que gira (rota) en una máquina eléctrica, sea ésta un motor o un generador eléctrico. Junto con su contraparte fija, el estator, forma el conjunto fundamental para la transmisión de potencia en motores y máquinas eléctricas en general.

Centroide: Centro de masa de un objeto con densidad uniforme.

Buck: Convertidor Buck (o reductor) es un convertidor de potencia dc-dc, que se obtiene a su salida un voltaje continuo menor que a su entrada.

Ciclo de trabajo: o duty cicle, en electrónica, el ciclo de trabajo, ciclo útil o régimen de trabajo es la fracción de tiempo donde la señal es positiva o se encuentra en estado activo.

Rizado: El rizado, algunas veces llamado fluctuación o ripple (del inglés), es la pequeña componente de alterna que queda tras rectificarse una señal a corriente continua.

IGBT: El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor) es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia.

PWM: La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas en inglés de pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.

A: El amperio o ampere (símbolo A), es la unidad de intensidad de corriente eléctrica. Forma parte de las unidades básicas en el Sistema Internacional de Unidades y fue nombrado en honor al matemático y físico francés André-Marie Ampère.

V: El voltio, o volt (símbolo V), es la unidad derivada del Sistema Internacional para el potencial eléctrico, la fuerza electromotriz y la tensión eléctrica. Recibe su nombre en honor a Alessandro Volta, quien en 1800 inventó la pila voltaica, la primera batería química.

W: El vatio (en inglés y también en español: watt)1 es la unidad de potencia del Sistema Internacional de Unidades. Su símbolo es W.

F: Se denomina faradio o farad (símbolo F), en honor a Michael Faraday, a la unidad de capacidad eléctrica del Sistema Internacional de Unidades (SI).

H: Un henrio o henry (símbolo H ) es la unidad para la inductancia eléctrica en el Sistema Internacional de Unidades.

Hz: El hercio, hertzio o hertz (símbolo Hz), es la unidad de frecuencia del Sistema Internacional de Unidades. Un hercio representa un ciclo por cada segundo, entendiendo ciclo como la repetición de un suceso.

kg: El kilogramo o quilogramo1 (símbolo kg) es la unidad básica de masa del Sistema Internacional de Unidades (SI)

N: En física, un newton (símbolo: N) es la unidad de fuerza en el Sistema Internacional de Unidades. El newton se define como la fuerza necesaria para proporcionar una aceleración de 1 m/s2 a un objeto de 1 kg de masa.

Capítulo1: INTRODUCIÓN

Felipe Calderón Poblete Página 12

Capítulo 1 INTRODUCCIÓN



1.1 El problema (o la oportunidad)

El problema radica en que la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Talca, necesita

para estudios y trabajos de investigación en el área de electrónica, un aparato para frenar

e insertar cargas dinámicas a motores.

1.2 Objetivo General

Diseñar y construir un freno eléctrico, para frenar y adicionar cargas dinámicas a

motores, para el estudio, investigación, experimentación y desarrollo de las áreas de

electrónica y control, especialmente para realizar pruebas de comportamiento de

motores sometidos a distintos valores de carga.

1.3 Objetivos específicos

• Diseñar una interfaz gráfica para controlar frenado y/o adición de cargas

dinámicas, para monitorear voltaje, corriente, torque, velocidad de rotor.

• Diseñar y construir mecánica del freno (consta de un cambio estructural y

funcional de un generador eléctrico de corriente alterna de 1.1 [Kw]. Lo cual

busca modificar de tal forma al generador, para poder acoplar un motor a frenar

y generar un sistema en voladizo para obtener la medición de torque mecánico

efectivo.

• Diseñar, simular y construir convertidor Buck, como circuito electrónico de

frenado.

• Construir placa impresa de circuito de disparo del convertidor Buck con fibra

óptica.

• Construir placa impresa rectificador

• Programar interfaz grafica en Labview para controlar frenado y/o adición de

cargas dinámicas, para monitorear voltaje, corriente, torque, velocidad de rotor,

con la opción de registrar las variables mencionadas en tablas Excel para su

posterior manipulación y estudio.



• Diseñar y construir sensor de velocidad para el monitoreo de la rapidez

rotacional del eje del motor a través de Labview.

• Diseñar y construir sensor de corriente con salida estandarizada.

• Programar Arduino para utilizarlo como tarjeta de adquisición de datos con

Labview

• Comunicar la instrumentación con la interfaz gráfica.

• Realizar pruebas para comprobar el correcto funcionamiento del freno eléctrico



1.5 Alcances y limitaciones

Se realizará un control a lazo abierto mediante modulación de ancho de pulso de un convertidor dc-dc Buck.

No se realiza un estudio de cuál es el mejor método de realizar un freno eléctrico ni cuál es el mejor convertidor dc –dc para este propósito.

El freno eléctrico está diseñado para frenar motores de hasta 1.1 [kw], a un máximo de 3000 [RPM].

El análisis de resultados es solo para ver el correcto funcionamiento del freno eléctrico.

Esta memoria se da por finalizada cuando se cumpla el objetivo general, que es Diseñar y construir un freno eléctrico, para frenar y adicionar cargas dinámicas a motores eléctricos. Para esto se debe hacer pruebas con el producto final, hacer control de frenado, y monitorear las variables de interés, mediante ARDUINO UNO y tarjeta de adquisición de datos PMD 1208ls como hardware y la herramienta gráfica Labview como interfaz gráfica para el usuario.

Capítulo2: MARCO TEÓRICO


Capítulo 2

MARCO TEÓRICO



2.1 Inducción electromagnética

La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o voltaje) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático. Es así que, cuando dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida. Este fenómeno fue descubierto por Michael Faraday quien lo expresó indicando que la magnitud del voltaje inducido es proporcional a la variación del flujo magnético (Ley de Faraday) [1]

La inducción electromagnética es el principio fundamental sobre el cual operan transformadores, generadores, motores eléctricos, la vitrocerámica de inducción y la mayoría de las máquinas eléctricas. Asimismo, es el principio del freno eléctrico, desarrollado en este trabajo.

2.2 Frenos dinamométricos

Los frenos dinamométricos son máquinas que permiten efectuar el ensayo completo de un motor. Ponen en carga el motor y miden el PAR, la VELOCIDAD y la POTENCIA en todo el campo de trabajo del motor. Son el instrumento central y básico de un banco de ensayo de motores y, en consecuencia, se utilizan profusamente en investigación y desarrollo, control de calidad de fabricación, reparaciones, homologaciones y enseñanza. Son imprescindibles donde se requiera conocer con exactitud las características reales de un motor. Permiten, así mismo, conocer la vida útil de un motor efectuándose pruebas de duración. Para más información, refiérase a [2].

2.2.1 Tipos de frenos

Los frenos dinamométricos son los encargados de crear un par resistente, que es el que proporciona la "carga" al motor. Esta carga ha de ser variable para poder ensayar distintas condiciones operativas del motor.

Se han desarrollado varios tipos de frenos basados en distintos principios. Los más difundidos son:

• Frenos de fricción

• Frenos hidráulicos

• Frenos eléctricos

– de corriente continua

– de corriente alterna

– de corrientes de Foucault.



2.2.1a Frenos de fricción

El freno de fricción mecánico por zapata y tambor fue el primero utilizado, llamado "Freno de Prony". Debido a su inestabilidad y dificultad de regulación y refrigeración. Ya no es muy utilizado para frenos dinamométricos. En la figura 2.1 se muestra un freno de Prony.

Figura 2.1 Imagen Freno de Prony (extraído de [3])

2.2.1b Frenos hidráulicos

Son los más utilizados. Consisten en un rotor que gira dentro de una carcasa llena de agua, con el objeto de producir una importante fricción interna en el líquido, entre el líquido y las partes fija y móvil del freno. En la figura 2.2 se muestra un freno hidráulico

Figura 2.2 Freno Hidráulico utilizado en un banco de pruebas (extraído de [4])



El trabajo mecánico entregado por el motor es así transformado en calor, elevando la temperatura del agua. El agua caliente es evacuada fuera del freno y enfriada para recirculación.

Las ventajas de este tipo de freno son:

- Bajo costo para potencias absorbidas importantes.

- Gran duración.

- Reparación rápida y poco costosa.

Como inconvenientes se pueden citar:

- Par de frenado fuertemente dependiente de la presión de la red hidráulica, lo que puede producir inestabilidad.

Estas consideraciones hacen que el freno hidráulico sea el más utilizado en producción y en ensayos de resistencia de grandes motores.

2.2.1c Frenos eléctricos

Para determinar la potencia efectiva se pueden utilizar generadores de corriente eléctrica. Así por ejemplo, si se acopla un motor térmico a una dínamo conectada a una resistencia eléctrica, la potencia del motor se utilizará en accionarla. Esta potencia se puede determinar midiendo con un voltímetro y un amperímetro la potencia eléctrica suministrada por la dínamo. En este método debe tenerse en cuenta que existirán pérdidas por rozamiento (por efecto del aire) y pérdidas eléctricas dependientes de la carga en el generador, por lo que la medida no es muy precisa. Esto hace que sea mucho más común medir la potencia del motor indirectamente a través del par motor. Para más información, refiérase a [5].

En la figura 2.3 se muestra un freno eléctrico utilizado en un banco de pruebas.



Figura 2.3 Freno eléctrico en un banco de pruebas (extraído de [6])

Frenos de corriente continua.

Igual que en los frenos hidráulicos, el estator posee un montaje basculante y está unido a un sistema de medida de fuerza. El par motor se transmite del rotor (inducido) al estator (inductor en anillo) por medio del campo magnético.

La corriente producida puede ser disipada en forma de calor en unas resistencias eléctricas.

Ahora bien, una ventaja de este tipo de freno es que la energía eléctrica generada durante el ensayo puede aprovecharse de alguna forma útil ya que la potencia del motor no se pierde como energía degradada en un sistema de refrigeración. Así podría llevarse a la red, aunque esto solamente se hace cuando el tiempo de trabajo es lo suficientemente grande como para amortizar los costes de acoplamiento.

Ventajas freno eléctrico

• una ventaja de este tipo de freno es que la energía eléctrica generada durante el ensayo puede aprovecharse de alguna forma útil, ya que la potencia del motor no se pierde como energía degradada en un sistema de refrigeración

• otra ventaja importante es que, a través de un circuito electrónico, las cargas pueden ser totalmente programables. Así, por ejemplo, se pueden obtener cargas con forma de escalón o rampa.

Para más información, refiérase a [7].



2.2.2 Sistema adquisición de datos

Los componentes de los sistemas de adquisición de datos, poseen sensores adecuados que convierten cualquier parámetro de medición en una señal eléctrica, que se obtiene por el hardware de adquisición de datos.

Los datos adquiridos se visualizan, analizan, y almacenan en un ordenador, utilizando un software.

Los controles y visualizaciones se pueden desarrollar utilizando varios lenguajes de programación de propósito general como Visual BASIC, C++, Java, Pascal, etc.

LabVIEW es una herramienta gráfica para pruebas, control y diseño mediante la programación. El lenguaje que usa se llama lenguaje G, donde la G simboliza que es lenguaje Gráfico [8].

Los programas realizados con LabVIEW son llamados instrumentos virtuales, ya que su origen proviene del control de instrumentación. Entre sus objetivos esta la disminución de tiempo de desarrollo de aplicaciones de todo tipo ya sea de pruebas, control y diseño. LabVIEW puede combinarse con todo tipo de software y hardware, tarjetas de adquisición de datos, PAC, visión, instrumentos. Es usado principalmente para tareas como: adquisición de datos, comunicación y control de instrumentos, automatización industrial, etc.

Tarjeta de adquisición de datos. Es el elemento que realiza la transformación de la señal análoga tomada por un sensor en una señal digital, o sea, es el módulo de digitalización o tarjeta de adquisición de datos (DAQ). Para así generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otras electrónicas (sistema digital). Para más información, refiérase a [9].

Sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas [10].Los sensores que se utilizaran en el presente trabajo son los siguientes:

• Sensor de flexión • Sensor de velocidad • Sensor de voltaje • Sensor de corriente

En resumen, la adquisición de datos se inicia con el fenómeno físico o la propiedad física de un objeto que se desea medir. Un sensor convierte una propiedad física o fenómeno en una señal eléctrica correspondiente medible, tal como tensión, corriente, el cambio en los valores de resistencia o condensador, etc. Si la señal desde el sensor no es



adecuado para la DAQ hardware que se utiliza se realiza un acondicionamiento de señal donde podemos encontrar estas etapas, aunque no todas están siempre presentes:

Amplificación

Excitación

Filtrado

Multiplexado

Aislamiento

Linealización

Luego del acondicionamiento, la señal llega a la tarjeta de adquisición de datos (DAQ hardware) para así digitalizar la señal y poder ser manipulada por un ordenador a través de un software como LabVIEW.

Como resumen en el marco teórico se pudo informar que la inducción electromagnética es el principio fundamental sobre el cual opera el freno eléctrico.

Se indica además los tipos de frenos existentes, algunas de sus ventajas y desventajas y por último se presenta una pincelada sobre los componentes de un sistema de adquisición de datos como el utilizado en el presente trabajo.

Capítulo3: MECÁNICA DEL FRENO ELÉCTRICO


Capítulo 3 MECÁNICA DEL FRENO ELÉCTRICO



La mecánica del Freno Eléctrico consta de un cambio estructural y funcional de un generador eléctrico de corriente alterna de 1.1 [Kw]. Lo cual busca modificar de tal forma al generador, para poder acoplar un motor a frenar y generar un sistema en voladizo para obtener la medición de torque mecánico efectivo.

El diseño mecánico consta de varias partes explicadas a continuación:

3.1 Generador eléctrico:

Originalmente conectado a un motor de combustión interna. Se extrajo de un moto generador de 1100 [W] como el que se muestra en la figura 3.1

Figura 3.1 Moto generador 1100 [W]

El generador eléctrico consta de dos partes, el rotor y el estator. El estator estaba empotrado a la carcasa del motor impidiendo cualquier movimiento, así por el contrario, el rotor del generador esta unido al eje del motor permitiendo su movimiento rotacional y así crear corriente alterna. Para lograr uno de nuestros objetivos se desea que el estator del generador eléctrico quede en voladizo, para conectarlo a una celda de carga y adquirir medición de torque. Para tal efecto se proyectó el diseño mostrado en la figura 3.2



Figura 3.2 Diseño proyectado del freno

3.2 Eje rotor

El eje mostrado en la figura 3.3. Fue construido como una réplica del eje del motor a combustión donde estaba originalmente acoplado el generador eléctrico, con algunas modificaciones para lograr el diseño proyectado. El material que se utilizó para la fabricación de este eje fue acero SAE1020, y la técnica de construcción fue mecanizado en torno convencional.

Figura 3.3 Eje rotor



3.3 Soporte voladizo de estator

La pieza mostrada en la figura 3.4. Es un soporte de rodamientos de ensamble, la cual consta de una ranura que empotra los rodamientos, que a su vez sostienen el efecto voladizo del generador eléctrico. Las medidas de diseño de esta pieza fueron realizadas en base a los rodamientos escogidos y estos a su vez, fueron seleccionados en base a las exigencias a los que se verán sometidos. Los cálculos para escoger los rodamientos se mostraran más adelante.

El material que se utilizó para la fabricación de esta pieza fue acero SAE 1020 y la técnica de fabricación fue fresado CNC, en el centro mecanizado ROMI Discovery 760.

Esta fue la pieza con mayor dificultad de construcción. Se creó en varias etapas que se describe brevemente a continuación:

• Primero se tienen tres macizos como el 3 de la figura, de medidas 60x25mm, dejados a la medida utilizando manualmente el centro mecanizado CNC.

• Luego 2 de estos macizos se soldaron para quedar como un solo macizo de 120x25mm

• Se ejecutó, a la pieza resultante, un cajeteo circular dejando una pestaña de 2.5 mm cuyo código G se puede ver en el anexo C. Luego de fresar el cajeteo circular se despegan los macizos.

• La otra pestaña se logra haciendo una tapa como el 4 de la figura, con una pletina de 5mm de espesor, efectuándole también un cajeteo para dejar una pestaña de 2.5mm

• Lo siguiente fue crear los agujeros e hilos para el acople de las piezas mostradas en la figura 3.4

Figura 3.4 Soporte voladizo estator



3.4 Flanche sujetador

La pieza mostrada en la figura 3.5 se une al estator del generador para así poder ensamblar éste a la pieza de la figura 3.4, anteriormente descrita y por consiguiente tener el sistema en voladizo como se muestra en la figura del diseño proyectado. En su interior lleva 2 rodamientos, los cuales sostienen el eje del rotor, las medidas de esta pieza, al igual que la anterior, se realizaron en base a los rodamientos escogidos según las exigencias a las cuales serán sometidos. Los cálculos para seleccionar los rodamientos se verán más adelante.

El material que se utilizó para la fabricación de esta pieza fue acero SAE 1020, y la técnica de fabricación fue mecanizado en torno convencional.

Figura 3.5 Flanche sujetador

3.5 Sistema brazo medición de torque

La pieza mostrada en la figura 3.6 es un sistema de brazo que conecta el estator con la celda de carga, véase figura3.2, esta pieza transforma el movimiento rotacional del generador en movimiento lineal, véase figura 3.7, así esta fuerza lineal será medida por la celda de carga. La celda de carga tiene un rango de medición de hasta 5 Kg. por lo cual, mediante este sistema de brazos, se podrá aumentar el rango de medida hasta 5 veces.

Esta pieza fue diseñada en Autocad 2010, luego este dibujo se traspasó a Mastercam para obtener el código G y con este código poder maquinar la pieza en la CNC ROMI Discovery 760. El código G de mecanizado de la pieza se puede ver en el anexo C.

Mastercam es un sistema CAD/CAM que genera el programa de maquinado de forma automática. En el sistema CAD (diseño asistido por computadora) la pieza que se desea maquinar, se diseña en la computadora con herramientas de dibujo y modelado sólido. Posteriormente, el sistema CAM (manufactura asistida por computadora) toma la información del diseño y genera la ruta de corte que tiene que seguir la herramienta para fabricar la pieza deseada, a partir de esta ruta de corte se crea automáticamente el programa de maquinado, el cual puede ser introducido a la máquina mediante un disco o enviado electrónicamente.



Figura 3.6 Sistema brazo medición de torque

.

Figura 3.7 Ilustración medición de torque

3.6 Acoplamiento de ejes

Los acoplamientos se construyeron mediante una tecnología llamada acoplamiento flexible de cadena, que consiste en unir dos piñones mediante una cadena doble. Así absorbe el desalineamiento lineal y angular del eje del motor a frenar.

Este acoplamiento tiene 3 etapas: la primera es la que sale del eje del generador, la segunda del eje del motor a frenar y la tercera es el acoplamiento entre la primera y la segunda mediante un eje de acoplamiento. El acoplamiento de ejes construidos queda como se observa en la figura 3.8.

Se escogió piñones de 3/8 de paso y 18 dientes, asimismo las cadenas dobles son de 3/8 pulgadas de paso.



Figura 3.8 Acoplamiento flexible de cadena

En la figura 3.9 se puede observar el conjunto de piezas construidas y escogidas que conforman la estructura mecánica del Freno Eléctrico. Las piezas fueron diseñadas en Autocad 2010, y construidas con CNC ROMI Discovery 760, con torno convencional, taladro pedestal, cortadora de plasma, entre otras herramientas. Los planos de cada una de las piezas construidas se pueden ver en el anexo B

Figura 3.9 piezas mecánicas Freno Eléctrico



Finalmente se muestra en la figura 3.10 la estructura del freno eléctrico terminado

Figura 3.10 Estructura Freno Eléctrico

3.7 Cálculos para escoger los rodamientos que soportan el rotor y estator del generador eléctrico.

Selección de rodamientos que soportarán el generador

Se calcularon las fuerzas en corte que deben soportar los rodamientos con las medidas correspondientes y el peso del generador eléctrico que es de 9[Kg]. Primero se calculó colocando el peso del generador como una sola fuerza en el centroide de este. Así se encontró que las reacciones en los rodamientos son de 1,201[KN] y de 1,112 [KN]. Reacciones Ay, By, del análisis de fuerzas de corte y momento del sistema, realizadas en el software MDsolids que se pueden observar en la figura 3.11



Figura 3.11 Diagrama de fuerza en corte y momento flector en MDsolids. Para obtener las fuerzas en corte que deben soportar los rodamientos. Actuando el peso del generador en su centro

También se analizó como si el peso del generador fuera una carga distribuida, en tal caso las fuerzas de corte a las que estarán sometidos los rodamientos son de 1,195[KN] y de 1,106 [KN]. Reacciones Ay y By del análisis de fuerzas de corte y momento realizado en el software MDsolids. Mostrados en la figura 3.12



Figura 3.12 Diagrama de fuerza en corte y momento flector en MDsolids. Para obtener las fuerzas en corte que deben soportar los rodamientos .Actuando el peso del generador

como una fuerza distribuida

Los resultados son muy similares y nos quedamos con el valor mayor para seleccionar los rodamientos (1,201 [KN]).

Así con el diámetro interior de 45[mm] que se necesita para el flanche sujetador y la fuerza en corte estático calculada se escogió el rodamiento w6009 SKF, que soporta una fuerza en corte estático de 14,6 [KN] como se puede observar en la tabla de especificación del rodamiento en el anexo A, que es suficiente para el requerimiento.



Calculo para selección de rodamientos que soportan el rotor del generador

Como se hizo para el cálculo anterior, se deben analizar las fuerzas en corte a las que estará sometido el rodamiento, para ello se tienen las medidas correspondientes y el peso del rotor que es de 4 [Kg]. Para este caso sólo se calculó colocando el peso del rotor como una fuerza distribuida, así se encontró que las reacciones o fuerzas en corte en los rodamientos son de 15,79 [N] en A y de 23,46 [N] en B, como se puede observar en la figura 3.13. Análisis de fuerzas de corte y momento, del sistema, realizadas en el software MDsolids.

La fuerza en corte que nos interesa es la de A, ya que en B el generador ya posee ese rodamiento

Figura 3.13 Diagrama de fuerza en corte y momento flector en MDsolids. Para obtener las fuerzas en corte que deben soportar los rodamientos .Actuando el peso del rotor como una

fuerza distribuida

Así con el diámetro de 17 [mm] que se necesita para el eje y la fuerza en corte estático calculado, se escogió el rodamiento 6003-2z/c3 SKF, que soporta una fuerza en corte estático de 3 [KN] como se puede observar en el anexo A, que es suficiente para el requerimiento.

Capítulo 4: ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA DEL FRENO ELÉCTRICO


Capítulo 4

ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA DEL FRENO ELÉCTRICO



Consta de un circuito electrónico para controlar la adición de carga resistiva mediante un convertidor dc-dc Buck, el cual es enlazado al generador mediante un rectificador puente trifásico.

Además se diseñaron y construyeron sensores de corriente, velocidad y flexión, para el monitoreo de corriente, voltaje, velocidad del rotor, y torque del motor a frenar.

4.1 Rectificador

Se diseñó un rectificador puente trifásico para entregar una corriente y un voltaje continuo al convertidor Buck .Se construyó con diodos J1000 que resisten hasta 10 [A], que es la máxima corriente que podría pasar por el circuito. Se diseñó el board en Eagle 5.1. En las figuras 4.1, 4.2 y 4.3 se puede observar el esquemático, el board, y la placa del rectificador respectivamente.

Figura 4.1 Esquemático rectificador

Figura 4.2 Board rectificador



Figura 4.3 Placa rectificador

4.2 Convertidor Buck

Un convertidor Buck como el de la figura 4.4, puede ser usado para controlar voltajes y limitar corrientes en un motor DC, en este caso es utilizado para cambiar la carga resistiva de un generador eléctrico y así aumentar el torque eléctrico del mismo.

Figura 4.4 Convertidor Buck. Obtenida de la simulación en PSIM

El diseño y la simulación del convertidor Buck se realizó en PSIM obteniendo un rizado de 4.3% en corriente y 4.8% en voltaje a la salida del Buck. Valores adecuados para este caso. Se diseñó el Buck para un voltaje de entrada máximo de 220 [V] y una corriente máxima de 10 [A].



Cálculo para determinar el valor de los componentes del convertidor Buck

El voltaje a través del inductor L es, en general,

Suponiendo que la corriente del inductor aumenta en forma lineal de en el tiempo ,

∆

(5.44)

Es decir,

∆

(5.45)

Y la corriente del inductor baja en forma lineal, de a en el tiempo ,

∆

(5.46)

Es decir,

∆

(5.47)

Donde ∆ es la corriente de rizo pico a pico en el inductor L. igualando el valor de ∆ en las ecuaciones (5.44) y (5.46) se obtiene

∆ 1 2

Se sustituye y 1 y se obtiene el voltaje promedio de salida:

! (5.48)

Suponiendo que el circuito no tiene perdidas, y la corriente promedio de entrada es

(5.49)

El periodo de conmutación T se puede expresar como sigue:



" # ∆

# ∆

∆

(5.50)

Que determina la corriente de rizo de pico a pico siguiente:

∆ $ (5.51)

Es decir,

∆ %%" (5.52)

Se aplica la ley de corriente de kirchhoff para poder expresar como sigue la corriente por el inductor:

& # '

Si se supone que la corriente de rizo de la carga ∆( es muy pequeña y despreciable, ∆ ∆). La corriente promedio del capacitor, que entra durante /2 +/2=T/2, es

& ∆4

El voltaje del capacitor se expresa como sigue:

+& 1, - & # +& 0

Y el voltaje de rizo pico a pico del capacitor es

∆ & +& +& 0 ) / ∆

0 ∆ 1) ∆

1")!/

( (5.53)

Se sustituye el valor de ∆ de la ecuación (5.51) o (5.52) en la (5.53), para llegar a

∆ & 1)"

(5.54)

Es decir,

∆ & %%1)" (5.55)

Condición para corriente continúa en el inductor y voltaje continuo en el capacitor. Si es la corriente promedio en el inductor, la corriente de rizo en el mismo es ∆ 2. Aplicando las ecuaci0ones (5.48) y (5.52) se obtiene

1 $ 2 2 2

3

De donde se obtiene el valor critico & del inductor:



& %4" (5.56)

Si & es el voltaje promedio del capacitor, su voltaje de rizo es es ∆ & 2 . Con las ecuaciones (5.48) y (5.55) se obtiene

1 8,$ 2 2

De donde el valor critico ,& del capacitor es

,& , %6" (5.57)

El regulador reductor sólo requiere un transistor, es sencillo y tiene una eficiencia alta, mayor que 90%. La taza di/dt de la corriente de carga se limita con el inductor L. Sin embargo, la corriente de entrada es discontinua y en el caso normal se requiere un filtro de alisamiento en la entrada. Proporciona voltaje de salida de una polaridad y corriente unidireccional de salida. [11]

Para calcular la inductancia se tiene los siguientes supuestos,

Corriente de rizo pico a pico del inductor que se limite a 0,45 [A], correspondiente a un 10 % de rizado. Un voltaje de entrada de 220[V] y de salida 110[V] correspondiente a un 50 % de ciclo de trabajo, con una carga de 22,5 [Ω]. Frecuencia de conmutación 15[KHz].

Así tenemos de la ecuación (5.51)

∆$

110220 1100,45 · 15000 · 220 :, ;<=

Se utilizó un condensador de 1000 [uf] a la entrada del Buck como filtro de alisamiento, un condensador de igual magnitud se utilizó como capacitor del Buck. Con esto se calcula el voltaje de rizo pico a pico en la salida.

De la ecuación (5.53),

∆ & ∆8$, 0,45

8 · 15000 · 1000 · 106 0,9+



Se simuló el sistema con los siguientes valores de componentes, que son los valores reales de los componentes seleccionados:

Inductor: 6,7 [mH]

Capacitor: 1000 [uF]

Frecuencia conmutación: 33 [KHz]

Voltaje de entrada 220 [V]

Se obtuvo lo siguiente:

En el voltaje de salida con un ciclo de trabajo del 50% se obtiene un rizado del 4,8 %, como se puede observar en la gráfica de la figura 4.5

Figura 4.5 Gráfica del voltaje con un rizado del 4,8%

En la corriente de salida con un ciclo de trabajo del 50% se obtiene un rizado del 4,3%, como se puede observar en la grafica de la figura 4.6.

Estos resultados son adecuados para nuestra aplicación

Figura 4.6 gráfica corriente de salida con un rizado del 4.3%



Finalmente se utilizaron los siguientes valores en los componentes del convertidor Buck:

• Capacitor 1000 [uF]; 400 [V]. • IGBT (G4PC40UD-E) voltaje colector emisor máximo 600 [V]; corriente

continua colector 20 [A] a 100 [º C]. • Diodo rápido RURG80100 80 [A], 1000 [V]. • Inductor de 6.7 [mH]. Se construyo a mano con los siguientes materiales:

alambre esmaltado de 2.5 [??@, Nº de láminas E=112 Nº de láminas I=112 Base plástica 125x54 Nº de vueltas=83 Medida láminas:

• La carga son 5 resistencias de 4.6 [Ω], 1 [Kw] de potencia, conectadas en serie. Se diseñó y construyó una base para las resistencias. El resultado se puede observar en la figura 4.7

Figura 4.7 Resistencias de potencia



Circuito de disparo con fibra óptica del convertidor dc-dc Buck

El circuito de disparo consiste en una señal PWM a una frecuencia f= 3.3 [kHz] y ABCA'=5 [v], entregada por un ARDUINO UNO y enviada a través de fibra óptica al circuito. El circuito se encarga de acondicionar esta señal recibida por fibra óptica, transformándola en una PWM de amplitud 15 [V] que controla el interruptor IGBT. La modulación de la PWM es controlada a través de Labview, programando el valor de salida del duty cycle en una escala de 0-255, así por ejemplo, escribir un 255 como valor del duty cycle de la PWM solicita a un ciclo de trabajo del 100%, escribir un valor de 127, solicita a un ciclo de trabajo del 50% como se muestra en la figura 4.8

Figura 4.8 PWM ARDUINO

Se utilizo fibra óptica en el circuito de disparo del IGBT, con el propósito de aislar el control de disparo con el circuito de potencia, y así no tener dificultades con la comunicación entre el hardware y el software. En la figura 4.9 y 4.10 se muestran el esquemático y board respectivamente del circuito de disparo.



Figura 4.9 Esquemático circuito disparo con fibra óptica

Figura 4.10 Board realizado con Eagle 5.1 del circuito de disparo con fibra óptica



Finalmente la placa del circuito de disparo se muestra en la figura 4.11.

Figura 4.11 Placa circuito de disparo con fibra óptica

4.3 Medición de velocidad

Para medir velocidad se diseño y construyó un sensor de velocidad basado en un sensor de efecto hall, el sensor funciona de la siguiente forma: se alimenta el sensor de efecto hall con 12 [V], cuando se atraviesa un campo magnético, en este caso un imán, por el sensor, este envía una señal de 3,5 [V]. Cuando el sensor esta libre envía una señal de 5.08 [V]. Esta señal se pasa por un comparador con referencia de 5 [V] en la patilla V+ del amplificador operacional, así cuando la señal es de 3.5 [V], la salida es de 12 [V] correspondiente a la alimentación del amplificador operacional, cuando la señal es mayor que la referencia, la salida es 0. La salida se hace pasar por una resistencia de 500 [Ω] y luego por un opto acoplador que se activa con 20 [mA]. Al lado del transistor del opto acoplador se conectan 5 [V] para obtener una señal digital. En las figuras 4.12, 4.13 y 4.14 se muestran el esquemático, el board y la placa construida del sensor de velocidad.



Figura 4.12 . Esquemático sensor de velocidad realizado en Eagle 5.1

Figura 4.13 Board del sensor de velocidad realizado en Eagle 5.1

Figura 4.14 Placa construida del sensor de velocidad



4.4 Medición de torque

En la Figura 4.15 se aprecia la instalación de la celda de carga para medir el torque de reacción del estator del motor. Del tipo de flexión se fija por medio de 4 tornillos, dos en cada extremo, uno a la estructura de soporte y el otro al brazo palanca que transmite la fuerza del estator.

Figura 4.15 Instalación celda de carga

Esta celda de carga tiene la característica de medir la fuerza aplicada en uno de sus extremos, mientras el otro extremo se encuentra empotrado, de esta forma se comporta como una viga en flexión. Con ello la instalación de cintas extensométricas (strain gauges) en el centro de esta celda permiten medir la deflexión de la misma por efecto de la fuerza aplicada en su extremo. Esta cinta extensométrica ubicada en medio de la celda de carga corresponde a un dispositivo piezo-resistivo el cual cambia su resistencia en forma proporcional a la deformación de la celda, es decir, que cuando se aplique una fuerza en la celda, esta se deformará y la cinta extensométrica cambiará su resistencia. Para un mejor entendimiento se muestra la figura 4.16



Figura 4.16 Celda de carga con comportamiento como viga en flexión y ubicación de la

cinta extensométrica

La celda de carga anteriormente mostrada en la figura 4.15, se encontró en el comercio por ocasión con las especificaciones apropiadas en una balanza de cocina. Es por ello que su especificación no corresponde al tipo industrial sino que del tipo doméstica. Se utilizó esta celda de carga ya que no se contaba con el dinero para comprar otra, si considera esto, comparar una celda del tipo industrial que vale $300.000 versus una celda del tipo doméstica que vale $9.000, es mucho más conveniente esta última opción. Esta celda de carga del tipo doméstica presenta las especificaciones siguientes:

5 [ Kg] máximo de peso Salida de voltaje entre -2,5 [mV] a 2,5 [mV]

Las cinta extensométrica a utilizar posee cuatro resistencias, las cuales varían conforme a la deformación de la celda y además están conectadas mediante un puente de Wheatstone, tal como se muestra en la figura 4.17, donde se tiene que el puente es alimentado con 3 [V] continuos, obteniendo así en la salida una señal de voltaje entre 2.5 [mV] y + 2.5 [mV] correspondiente con el cambio de resistencia del puente [13].

Figura 4.17 Configuración puente de wheatstone de la cinta extensométrica en la celda de

carga



La salida del puente de wheatstone ∆D presenta voltajes muy pequeños para ser llevados a un controlador, por lo cual fue necesario acondicionar esta señal a valores más altos entre 0 y 5[V]. Para ello fue necesario el desarrollo de un circuito amplificador, el esquemático, el board y la placa del amplificador construido se pueden observar en las figuras 4.18, 4.19 y 4.20, respectivamente.

Figura 4.18 Esquemático circuito amplificador señal celda de carga

Figura 4.19 Board circuito amplificador señal celda de carga



Figura 4.20 Placa circuito amplificador señal celda de carga

Además se construyeron dos fuentes de 5 [V] regulables, una para la alimentación de los amplificadores operacionales y la otra para la alimentación de la celda de carga. Se puede ver el esquemático, el board y la placa en las figuras 4.21, 4.22 y 4.23 respectivamente.

Figura 4.21 Esquemático fuente de 5 [V] regulable



Figura 4.22 Board fuente 5 [V] regulable

Figura 4.23 Placas fuentes 5 [V] regulables



Para calibrar la celda de carga y utilizarla para mediciones de torque se realizo lo siguiente:

Se instalo una barra apernada al estator de 0.29 [m] desde un extremo al centro del eje del alternador, como se muestra en la figura 4.24.

Figura 4.24 Calibración celda de carga para medición de torque

Se coloco en el extremo de la barra un peso, medido con anterioridad, de 1,25 [Kg],

multiplicado por la aceleración de gravedad de 9,81EA@, tenemos una fuerza F1 de 12,26

[N].Al multiplicar F1 por la distancia perpendicular al eje de rotación obtenemos un torque de 3,56 [Nm].

1,25 EFG@ · 9,81 H?I 12,26 EK@ L1

L1 · 0,29 E?@ 3,56 EK?@

Ahora bien necesitamos conocer la fuerza F2 que es donde el estator transmite la fuerza del momento torsor del motor de prueba. Tenemos que el torque producido por una fuerza de 12,26 [N] es de 3,56 [Nm] y que la distancia perpendicular de F2 al eje del rotor es de 0,085 [m].Luego la fuerza F2 es de 41,83 [N].Por lo tanto, se obtuvo tras aplicar una fuerza de 41,88 [N] un incremento de medición de la celda de carga de 0,23 [V].

3,56 EK?@ L2 · 0,085 Em@. L2 41.88EK@



4.5 Sensor corriente

El sensor de corriente descrito en la figura 4.25 funciona de la siguiente forma, la corriente se hace pasar por una celda LEM (HX 10-P/SP2), este voltaje se hace pasar por un diferencial en una primera etapa para restar el voltaje de 2.5 [V] que envía la LEM cuando la corriente es cero. La señal resultante es muy pequeña (0-630 [mV]) por lo cual se amplifica en una segunda etapa para obtener una señal de 0 a 5 [V], luego en una tercera etapa la señal es convertida en una corriente de 4-20 [mA], para que no haya interferencia de ruidos en la señal al ser llevada hasta el modulo de adquisición de datos. El board y la placa construida del sensor de corriente se pueden observar en las figuras 4.26 y 4.27, respectivamente.

Figura 4.25 Esquemático sensor corriente

a) Etapa diferencial, b) etapa amplificadora, c) interfaz voltaje a corriente

Figura 4.25 Board sensor de corriente



Figura 4.26 Placa sensor de corriente

4.6 Programación interfaz grafica, control y monitoreo

La interfaz hombre-máquina es un canal de comunicación entre el usuario y el computador. El objetivo del diseño es interactuar el hardware y software de una forma sencilla para el operador como se puede observar en el esquema de la Figura 4.28

Figura 4.27 Interfaz hombre-Maquina

El software utilizado para la interfaz hombre-máquina es LabVIEW 2011 (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench), que es un lenguaje de programación gráfico para el diseño de sistemas de adquisición de datos, instrumentación y control.



Se utilizó ARDUINO UNO como hardware para el control programable del freno eléctrico utilizando una de sus 6 salidas PWM, como señal para el circuito de disparo.

Además el ARDUINO UNO con el Shield Arduino 4-20mA + RTC. Se utilizó como hardware para recibir la señal de los sensores con lazo de corriente 4-20 [mA], para, a través de Labview poder monitorear estas variables. (shield es una placa impresa que se puede conectar en la parte superior de la placa Arduino para ampliar sus capacidades, pudiendo ser apilada una encima de la otra.)

Se utilizó el contador de eventos externos de la tarjeta de adquisición de datos PMD-1208LS como hardware para adquirir la señal del sensor de velocidad y así a través de una librería (Universal Library for LabVIEW) procesarla en Labview, para visualizar las RPM del rotor del freno eléctrico. Las especificaciones técnicas, instalación y calibración de la tarjeta PMD-1208LS se pueden ver en el anexo E.

Labview posee una librería llamada lifa_base, desarrollada por Labview que permite trabajar con ARDUINO.

Así, a través de eta librería se podrá programar desde Labview la salida PWM del ARDUINO para controlar el disparo del IGBT del convertidor Buck y por ende controlar la carga resistiva del freno eléctrico

ARDUINO es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares.

El hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel AVR y puertos de entrada/salida. Los microcontroladores más usados son el Atmega 168,Atmega 328,Atmega 1280, Atmega 8, por su sencillez y bajo coste que permiten el desarrollo de múltiples diseños. Por otro lado el software consiste en un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje de programación Processing/Wiring y el cargador de arranque (boot loader) que corre en la placa. [12]

La interfaz de LabVIEW para ARDUINO (LIFA) Toolkit es una herramienta gratuita que se puede descargar desde el servidor de NI (National Instruments) y que permite a los usuarios de Arduino adquirir datos del microcontrolador Arduino y procesarlos en el entorno de programación gráfica de LabVIEW. Para utilizar la aplicación LIFA no es necesario disponer de una versión comercial de LabVIEW basta con adquirir el software LabVIEW Student Edition.

El ARDUINO 4-20 [mA] + RTC es una placa de adaptación de señales de corriente de 4-20 [mA]. Éste Shield tiene 4 canales de entrada de 4-20 [mA] que permiten convertir señales que vengan con éste estándar industrial.

La instalación del software y el hardware; Instalación del Firmware de comunicación entre LabVIEW Interface y ARDUINO UNO, así como las especificaciones técnicas del ARDUINO UNO, y el ARDUINO 4-20 [mA] + RTC se puede ver en el anexo D.



Programación en Labview

En la figura 4.29 se muestra la programación en diagrama de bloques en el entorno Labview del valor duty cycle de la PWM (0-255). Que será la señal programable, para el circuito de disparo que controlara el interruptor IGBT y por ende controlara la carga resistiva para el frenado.

Figura 4.29 Programación valor duty cycle PWM

1. Configuración tarjeta ARDUINO 2. Escribe una señal de salida analógica PWM en el pin 10 3. Cierra el puerto 4. Trata los errores

En la figura 4.30 se muestra la programación en diagrama de bloques en el entorno Labview, para leer los canales analógicos del shield ARDUINO 4-20 [mA] + RTC, donde se censan señales de 4-20 [mA], que son convertidas por esta shield en señales de 0-5 [V] en el ARDUINO UNO. De esta forma se leerán los sensores de corriente y flexión.



Figura 4.30 Lectura canal analógico del ARDUINO

1. Configuración tarjeta ARDUINO 2. Lee el valor del canal analógico definido 3. Adquiere un gran número de puntos de datos y comprime los puntos de datos en

un número menor de puntos. 4. Muestra resultados de medición. 5. Cierra el puerto 6. Trata los errores

En la figura 4.31 se muestra la programación de diagrama de bloques de la medición de velocidad a través de la lectura del contador de eventos externos, de la tarjera de adquisición de datos PMD-1208LS

Figura 4.28 Programación en diagrama de bloques del censado de velocidad



1. Configuración y creación del canal de entrada(contador) de la tarjeta PMD-1208LS

2. Inicializa la lectura del canal creado en el punto 1 3. Lee el valor del contador 4. Muestra resultado de medición 5. Cierra el canal 6. Trata los errores

En la figura 4.32 se muestra la programación completa en diagrama de bloques del control y monitoreo de la corriente, voltaje, velocidad y torque

Figura 4.29 programación completa del sistema

Capítulo 5: RESULTADOS, CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO


Capítulo 5 RESULTADOS, CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO



5.1 Resultados

Los resultados de la mecánica y la electrónica del freno eléctrico se muestran en las imágenes 5.1, 5.2 y 5.3, donde se indican las partes principales de este.

5.1 Imagen del producto final (Freno Eléctrico)

1. Motor de prueba. 2. Rectificador, Convertidor Buck, con su circuito de disparo, sensores de

corriente, sensor de velocidad, fuentes y circuito amplificación celda de carga, , fuente de 24 [V] para alimentación de sensores de corriente, velocidad y circuito de disparo.


3. Acoplamiento flexible de cadena 4. Sistema mecánico para mantener en voladizo el alternador 5. Alternador 6. Celda de carga




7. Caja que contiene el ARDUINO uno que cumple con entregar la señal PWM al circuito de disparo por medio de fibra óptica y recibe las señales de los sensores con lazo de corriente. Además se encuentra la tarjeta de adquisición de datos PMD-1208LS

8. Variador de frecuencia que controla el motor de prueba. 9. Voltímetro análogo. Salida alternador.

Interfaz gráfica de Labview

La interfaz hombre - máquina (HMI) lograda se muestra en la figura 5.4, donde se puede controlar la adición de carga resistiva y monitorear corriente, voltaje, velocidad de rotor y torque del motor que se está probando.

5.4 Interfaz gráfica



En la figura 5.5 se muestra donde se están realizando la mediciones de corriente y voltaje en el circuito. Las corrientes 1, corriente 2 y voltaje 2 se monitorean desde la interfaz de Labview y el voltaje 1 se monitorea directamente de un voltímetro análogo que se encuentra a la salida del alternador. Además se muestra cómo interactúan los componentes eléctricos y electrónicos del freno eléctrico

5.5 Ubicación sensores eléctricos

1. Generador eléctrico 2. Voltímetro analógico 3. Rectificador 4. Condensador 1000 [uF] 5. Sensor corriente 6. Interruptor controlado IGBT 7. Diodo rápido 8. Inductancia 6.7 [mF] 9. Condensador 1000 [uF] 10. Sensor corriente 11. Medición de voltaje 12. Carga resistiva 13. Circuito disparo con fibra óptica



Graficas de resultados

Se realizaron pruebas con el freno eléctrico a diferentes porcentajes de carga. Los datos de los gráficos son un extracto de la plantilla Excel que se genera automáticamente al hacer correr el programa de Labview. En las figuras 5.6, 5.7, 5.8, 5.9 y 5.10 se muestran los diferentes gráficos haciendo comparación del frenado v/s torque, potencia mecánica, corriente 1, voltaje 2, corriente 2, respectivamente.

5.6 Grafica Frenado v/s Torque. Eje x (Frenado en [%]), eje y (Torque en [Nm]).

5.7 Grafica Frenado v/s potencia mecánica. Eje x (frenado en [%]), eje y (potencia mecánica en [W]).

0

1

2

3

4

5

6

25 36 38 40 41 48 50 57 73 74 78 81 83 85 86 88 95

Frenado v/s Torque

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

25 36 38 40 41 48 50 57 73 74 78 81 83 85 86 88 95

Frenado v/s Potencia Mecanica



5.8 Grafica Frenado v/s Corriente 1.Eje x (Frenado en [%]), eje y (Corriente 1 en [A]).

5.9 Grafica Frenado v/s Voltaje 2. Eje x (Frenado en [%]), eje y (Voltaje 2 en [V]).

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

25 36 38 40 41 48 50 57 73 74 78 81 83 85 86 88 95

Porcentaje de frenado v/s Corriente 1

0

10

20

30

40

50

60

25 36 38 40 41 48 50 57 73 74 78 81 83 85 86 88 95

Frenado v/s Voltaje 2



5.10 Grafica Frenado v/s Corriente 2. Eje x (Frenado en [%]), eje y (corriente 2 en [A]).

En las graficas se puede observar y comprobar el buen funcionamiento del freno, así al aumentar el porcentaje de frenado o de carga, aumentan las variables medidas.

El motor utilizado para realizar las pruebas es un WEG, se indica en la placa del motor las siguientes características:

• 745 [W] • 1435 [RPM] • Conexión estrella 380 [V], 2,2 [A].

Se puede observar en la figura 5.7 que a un 86% de frenado se logra casi 800 [W] de potencia, que es más o menos lo indicado por la placa del motor. También se puede apreciar en todas las graficas que después del 86% de frenado hay un descenso de las mediciones de las distintas variables, esto se debe a que se sobrepaso la potencia del motor.

Hacer mas análisis de los datos obtenidos no es tema de este trabajo, pero sin duda el freno eléctrico se diseño y construyo para ese propósito.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

25 36 38 40 41 48 50 57 73 74 78 81 83 85 86 88 95

Frenado v/s Corriente 2



5.2 Conclusiones

Se ha diseñado y construido un freno eléctrico con las especificaciones planteadas al comienzo, cumpliendo con el objetivo principal. A lo largo de la etapa de construcción surgieron diversos problemas, por lo cual se tuvo que rediseñar en varias oportunidades. Se concluye en esta etapa que la experiencia de construcción es vital para acortar tiempos de trabajo, sin embargo la experiencia de construcción fue muy enriquecedora y sin duda es la parte más dificultosa y donde efectivamente se instruye.

En cuanto al circuito de disparo se concluyó que la mejor opción fue sin duda con fibra óptica, puesto que se realizaron distintos circuitos de disparo con los cuales se obtenían muchos problemas de comunicación. Así se comprueba la eficiencia de la fibra óptica al dejar completamente aislado el control con el circuito de potencia, que produce mucha interferencia en la comunicación del hardware con el software.

Se demuestra además, que la mejor forma de hacer censado es con un lazo de corriente, para evitar cualquier interferencia producida por un ambiente con mucho campo electromagnético, ya sea por transmitir la señal a grandes distancias, que pueda afectar la comunicación o alterar el censado.

5.3 Trabajos futuros

En un trabajo futuro se propone agregar y mejorar instrumentación para realizar más y mejores mediciones y así implementar un lazo cerrado de control.

Como trabajo futuro se propone, en base a este trabajo, diseñar un freno regenerativo, ya que es tecnología que se está utilizando mucho hoy día, tener sistemas eficientes de energía para contribuir a cuidar el medio ambiente utilizando energías renovables.


BibliografÍa

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http://es.wikipedia.org/wiki/Inducci%C3%B3n_electromagn%C3%A9tica.consultado 17 agosto 2011

[2] disponible en

http://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/185/2/Capitulo%201.pdf. consultado 17 agosto 2011

[3] disponible en

http://www.edibon.com/products/img/units/electricity/machines/FREPR.jpg

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http://emet5maquinaselectricaslucasoliveda.blogspot.com/2010/06/pruebas-y-ensayos-de-funcionamientos.html

[5] disponible en

http://www.javeriana.edu.co/biblos/tesis/ingenieria/tesis89.pdf

[6] disponible en

http://www.directindustry.es/prod/assing/bancos-de-prueba-para-transmisiones-mecanicas-21181-474754.html

[7] disponible en

http://es.wikipedia.org/wiki/Freno_regenerativo

[8] disponible en

http://es.wikipedia.org/wiki/LabVIEW

[9] disponible en

http://es.wikipedia.org/wiki/Adquisici%C3%B3n_de_datos

[10] disponible en

http://es.wikipedia.org/wiki/Sensor

[11] disponible en

Electrónica de potencia circuitos, dispositivos y aplicaciones. Tercera edición. Muhammad H.rashid pag.198.


[12] disponible en

http://es.wikipedia.org/wiki/Arduino

[13] disponible en

Labview + Arduino .Utilización de Labview para la Visualización y Control de la Plataforma Open Hardware Arduino. José Manuel Ruiz Gutiérrez

[14] disponible en

Memoria de titulo Eduardo Alexis Catrileo Muñoz. CONTROL DE PRESION EN BANCO HIDRAULICO PARA DEMANDA VARIABLE DE FLUJO. Diciembre 2011

Anexo A: ESPECIFICACIONES RODAMIENTOS UTILIZADOS


Anexo A ESPECIFICACIONES RODAMIENTOS UTILIZADOS

Anexo B: PLANOS MECÁNICOS


Anexo B

PLANOS MECÁNICOS

Anexo C: CÓDIGO G PIEZAS MECÁNICAS


Anexo C

CÓDIGO G PIEZAS MECÁNICAS



En la figura C1 se puede observar el ambiente de dibujo de Mastercam para luego obtener código G

Figura C1. Pantallazo sistema brazo medición de torque dibujado en Mastercam

Código G del sistema brazo medición de torque:

%_N_CARGA_MPF ;$PATH=/_N_MPF_DIR N10 G17 G71 G90 G94 N20 G53 G0 Z-110 D0 M5 N30 T9 N40 M6 N50 G54 D1 N60 M3 S2000 N70 G1 X104. Y14.5 f1200 N80 Z25. M08 N90 M08 N100 Z10. N110 G1 Z-1. F75. N120 Y2.5 F200. N130 G2 X100. Y-1.5 I-4. J0. N140 G1 X4. N150 Y-10. N160 G2 X0. Y-14. I-4. J0. N170 G1 X-3.



N180 X-45. N190 G2 X-49. Y-10. I0. J4. N200 G1 Y-2. N210 G2 X-45. Y2. I4. J0. N220 G1 X-34. N230 Y18. N240 X-45. N250 G2 X-49. Y22. I0. J4. N260 G1 Y30. N270 G2 X-45. Y34. I4. J0. N280 G1 X-5. N290 X0. N300 G2 X4. Y30. I0. J-4. N310 G1 Y21.5 N320 X100. N330 G2 X104. Y17.5 I0. J-4. N340 G1 Y12.5 N350 Y14.5 N360 Z-2. F75. N370 Y2.5 F200. N380 G2 X100. Y-1.5 I-4. J0. N390 G1 X4. N400 Y-10. N410 G2 X0. Y-14. I-4. J0. N420 G1 X-3. N430 X-45. N440 G2 X-49. Y-10. I0. J4. N450 G1 Y-2. N460 G2 X-45. Y2. I4. J0. N470 G1 X-34. N480 Y18. N490 X-45. N500 G2 X-49. Y22. I0. J4. N510 G1 Y30. N520 G2 X-45. Y34. I4. J0. N530 G1 X-5. N540 X0. N550 G2 X4. Y30. I0. J-4. N560 G1 Y21.5 N570 X100. N580 G2 X104. Y17.5 I0. J-4. N590 G1 Y12.5 N600 Y14.5 N610 Z-3. F75. N620 Y2.5 F200. N630 G2 X100. Y-1.5 I-4. J0. N640 G1 X4. N650 Y-10. N660 G2 X0. Y-14. I-4. J0. N670 G1 X-3. N680 X-45. N690 G2 X-49. Y-10. I0. J4. N700 G1 Y-2. N710 G2 X-45. Y2. I4. J0. N720 G1 X-34. N730 Y18. N740 X-45. N750 G2 X-49. Y22. I0. J4. N760 G1 Y30.



N770 G2 X-45. Y34. I4. J0. N780 G1 X-5. N790 X0. N800 G2 X4. Y30. I0. J-4. N810 G1 Y21.5 N820 X100. N830 G2 X104. Y17.5 I0. J-4. N840 G1 Y12.5 N850 Y14.5 N860 Z-4. F75. N870 Y2.5 F200. N880 G2 X100. Y-1.5 I-4. J0. N890 G1 X4. N900 Y-10. N910 G2 X0. Y-14. I-4. J0. N920 G1 X-3. N930 X-45. N940 G2 X-49. Y-10. I0. J4. N950 G1 Y-2. N960 G2 X-45. Y2. I4. J0. N970 G1 X-34. N980 Y18. N990 X-45. N1000 G2 X-49. Y22. I0. J4. N1010 G1 Y30. N1020 G2 X-45. Y34. I4. J0. N1030 G1 X-5. N1040 X0. N1050 G2 X4. Y30. I0. J-4. N1060 G1 Y21.5 N1070 X100. N1080 G2 X104. Y17.5 I0. J-4. N1090 G1 Y12.5 N1100 Y14.5 N1110 Z-5. F75. N1120 Y2.5 F200. N1130 G2 X100. Y-1.5 I-4. J0. N1140 G1 X4. N1150 Y-10. N1160 G2 X0. Y-14. I-4. J0. N1170 G1 X-3. N1180 X-45. N1190 G2 X-49. Y-10. I0. J4. N1200 G1 Y-2. N1210 G2 X-45. Y2. I4. J0. N1220 G1 X-34. N1230 Y18. N1240 X-45. N1250 G2 X-49. Y22. I0. J4. N1260 G1 Y30. N1270 G2 X-45. Y34. I4. J0. N1280 G1 X-5. N1290 X0. N1300 G2 X4. Y30. I0. J-4. N1310 G1 Y21.5 N1320 X100. N1330 G2 X104. Y17.5 I0. J-4. N1340 G1 Y12.5 N1350 Y14.5



N1360 Z-6. F75. N1370 Y2.5 F200. N1380 G2 X100. Y-1.5 I-4. J0. N1390 G1 X4. N1400 Y-10. N1410 G2 X0. Y-14. I-4. J0. N1420 G1 X-3. N1430 X-45. N1440 G2 X-49. Y-10. I0. J4. N1450 G1 Y-2. N1460 G2 X-45. Y2. I4. J0. N1470 G1 X-34. N1480 Y18. N1490 X-45. N1500 G2 X-49. Y22. I0. J4. N1510 G1 Y30. N1520 G2 X-45. Y34. I4. J0. N1530 G1 X-5. N1540 X0. N1550 G2 X4. Y30. I0. J-4. N1560 G1 Y21.5 N1570 X100. N1580 G2 X104. Y17.5 I0. J-4. N1590 G1 Y12.5 N1600 Y14.5 N1610 Z-7. F75. N1620 Y2.5 F200. N1630 G2 X100. Y-1.5 I-4. J0. N1640 G1 X4. N1650 Y-10. N1660 G2 X0. Y-14. I-4. J0. N1670 G1 X-3. N1680 X-45. N1690 G2 X-49. Y-10. I0. J4. N1700 G1 Y-2. N1710 G2 X-45. Y2. I4. J0. N1720 G1 X-34. N1730 Y18. N1740 X-45. N1750 G2 X-49. Y22. I0. J4. N1760 G1 Y30. N1770 G2 X-45. Y34. I4. J0. N1780 G1 X-5. N1790 X0. N1800 G2 X4. Y30. I0. J-4. N1810 G1 Y21.5 N1820 X100. N1830 G2 X104. Y17.5 I0. J-4. N1840 G1 Y12.5 N1850 Y14.5 N1860 Z-8. F75. N1870 Y2.5 F200. N1880 G2 X100. Y-1.5 I-4. J0. N1890 G1 X4. N1900 Y-10. N1910 G2 X0. Y-14. I-4. J0. N1920 G1 X-3. N1930 X-45. N1940 G2 X-49. Y-10. I0. J4.



N1950 G1 Y-2. N1960 G2 X-45. Y2. I4. J0. N1970 G1 X-34. N1980 Y18. N1990 X-45. N2000 G2 X-49. Y22. I0. J4. N2010 G1 Y30. N2020 G2 X-45. Y34. I4. J0. N2030 G1 X-5. N2040 X0. N2050 G2 X4. Y30. I0. J-4. N2060 G1 Y21.5 N2070 X100. N2080 G2 X104. Y17.5 I0. J-4. N2090 G1 Y12.5 N2100 Y14.5 N2110 Z-9. F75. N2120 Y2.5 F200. N2130 G2 X100. Y-1.5 I-4. J0. N2140 G1 X4. N2150 Y-10. N2160 G2 X0. Y-14. I-4. J0. N2170 G1 X-3. N2180 X-45. N2190 G2 X-49. Y-10. I0. J4. N2200 G1 Y-2. N2210 G2 X-45. Y2. I4. J0. N2220 G1 X-34. N2230 Y18. N2240 X-45. N2250 G2 X-49. Y22. I0. J4. N2260 G1 Y30. N2270 G2 X-45. Y34. I4. J0. N2280 G1 X-5. N2290 X0. N2300 G2 X4. Y30. I0. J-4. N2310 G1 Y21.5 N2320 X100. N2330 G2 X104. Y17.5 I0. J-4. N2340 G1 Y12.5 N2350 Y14.5 N2360 Z-10. F75. N2370 Y2.5 F200. N2380 G2 X100. Y-1.5 I-4. J0. N2390 G1 X4. N2400 Y-10. N2410 G2 X0. Y-14. I-4. J0. N2420 G1 X-3. N2430 X-45. N2440 G2 X-49. Y-10. I0. J4. N2450 G1 Y-2. N2460 G2 X-45. Y2. I4. J0. N2470 G1 X-34. N2480 Y18. N2490 X-45. N2500 G2 X-49. Y22. I0. J4. N2510 G1 Y30. N2520 G2 X-45. Y34. I4. J0. N2530 G1 X-5.



N2540 X0. N2550 G2 X4. Y30. I0. J-4. N2560 G1 Y21.5 N2570 X100. N2580 G2 X104. Y17.5 I0. J-4. N2590 G1 Y12.5 N2600 Y14.5 N2610 Z-11. F75. N2620 Y2.5 F200. N2630 G2 X100. Y-1.5 I-4. J0. N2640 G1 X4. N2650 Y-10. N2660 G2 X0. Y-14. I-4. J0. N2670 G1 X-3. N2680 X-45. N2690 G2 X-49. Y-10. I0. J4. N2700 G1 Y-2. N2710 G2 X-45. Y2. I4. J0. N2720 G1 X-34. N2730 Y18. N2740 X-45. N2750 G2 X-49. Y22. I0. J4. N2760 G1 Y30. N2770 G2 X-45. Y34. I4. J0. N2780 G1 X-5. N2790 X0. N2800 G2 X4. Y30. I0. J-4. N2810 G1 Y21.5 N2820 X100. N2830 G2 X104. Y17.5 I0. J-4. N2840 G1 Y12.5 N2850 Y14.5 N2860 Z-12. F75. N2870 Y2.5 F200. N2880 G2 X100. Y-1.5 I-4. J0. N2890 G1 X4. N2900 Y-10. N2910 G2 X0. Y-14. I-4. J0. N2920 G1 X-3. N2930 X-45. N2940 G2 X-49. Y-10. I0. J4. N2950 G1 Y-2. N2960 G2 X-45. Y2. I4. J0. N2970 G1 X-34. N2980 Y18. N2990 X-45. N3000 G2 X-49. Y22. I0. J4. N3010 G1 Y30. N3020 G2 X-45. Y34. I4. J0. N3030 G1 X-5. N3040 X0. N3050 G2 X4. Y30. I0. J-4. N3060 G1 Y21.5 N3070 X100. N3080 G2 X104. Y17.5 I0. J-4. N3090 G1 Y12.5 N3100 Y14.5 N3110 Z-13. F75. N3120 Y2.5 F200.



N3130 G2 X100. Y-1.5 I-4. J0. N3140 G1 X4. N3150 Y-10. N3160 G2 X0. Y-14. I-4. J0. N3170 G1 X-3. N3180 X-45. N3190 G2 X-49. Y-10. I0. J4. N3200 G1 Y-2. N3210 G2 X-45. Y2. I4. J0. N3220 G1 X-34. N3230 Y18. N3240 X-45. N3250 G2 X-49. Y22. I0. J4. N3260 G1 Y30. N3270 G2 X-45. Y34. I4. J0. N3280 G1 X-5. N3290 X0. N3300 G2 X4. Y30. I0. J-4. N3310 G1 Y21.5 N3320 X100. N3330 G2 X104. Y17.5 I0. J-4. N3340 G1 Y12.5 N3350 Y14.5 N3360 Z-14. F75. N3370 Y2.5 F200. N3380 G2 X100. Y-1.5 I-4. J0. N3390 G1 X4. N3400 Y-10. N3410 G2 X0. Y-14. I-4. J0. N3420 G1 X-3. N3430 X-45. N3440 G2 X-49. Y-10. I0. J4. N3450 G1 Y-2. N3460 G2 X-45. Y2. I4. J0. N3470 G1 X-34. N3480 Y18. N3490 X-45. N3500 G2 X-49. Y22. I0. J4. N3510 G1 Y30. N3520 G2 X-45. Y34. I4. J0. N3530 G1 X-5. N3540 X0. N3550 G2 X4. Y30. I0. J-4. N3560 G1 Y21.5 N3570 X100. N3580 G2 X104. Y17.5 I0. J-4. N3590 G1 Y12.5 N3600 Y14.5 N3610 Z-15. F75. N3620 Y2.5 F200. N3630 G2 X100. Y-1.5 I-4. J0. N3640 G1 X4. N3650 Y-10. N3660 G2 X0. Y-14. I-4. J0. N3670 G1 X-3. N3680 X-45. N3690 G2 X-49. Y-10. I0. J4. N3700 G1 Y-2. N3710 G2 X-45. Y2. I4. J0.



N3720 G1 X-34. N3730 Y18. N3740 X-45. N3750 G2 X-49. Y22. I0. J4. N3760 G1 Y30. N3770 G2 X-45. Y34. I4. J0. N3780 G1 X-5. N3790 X0. N3800 G2 X4. Y30. I0. J-4. N3810 G1 Y21.5 N3820 X100. N3830 G2 X104. Y17.5 I0. J-4. N3840 G1 Y12.5 N3850 G0 Z25. N3860 X-8.24 Y10. N3870 Z10. N3880 G1 Z-1. F75. N3890 G2 X-21.76 I-6.76 J0. F200. N3900 X-8.24 I6.76 J0. N3910 G1 X-14.24 N3920 G2 X-15.76 I-0.76 J0. N3930 X-14.24 I0.76 J0. N3940 G1 X-8.24 N3950 Z-2. F75. N3960 G2 X-21.76 I-6.76 J0. F200. N3970 X-8.24 I6.76 J0. N3980 G1 X-14.24 N3990 G2 X-15.76 I-0.76 J0. N4000 X-14.24 I0.76 J0. N4010 G1 X-8.24 N4020 Z-3. F75. N4030 G2 X-21.76 I-6.76 J0. F200. N4040 X-8.24 I6.76 J0. N4050 G1 X-14.24 N4060 G2 X-15.76 I-0.76 J0. N4070 X-14.24 I0.76 J0. N4080 G1 X-8.24 N4090 Z-4. F75. N4100 G2 X-21.76 I-6.76 J0. F200. N4110 X-8.24 I6.76 J0. N4120 G1 X-14.24 N4130 G2 X-15.76 I-0.76 J0. N4140 X-14.24 I0.76 J0. N4150 G1 X-8.24 N4160 Z-5. F75. N4170 G2 X-21.76 I-6.76 J0. F200. N4180 X-8.24 I6.76 J0. N4190 G1 X-14.24 N4200 G2 X-15.76 I-0.76 J0. N4210 X-14.24 I0.76 J0. N4220 G1 X-8.24 N4230 Z-6. F75. N4240 G2 X-21.76 I-6.76 J0. F200. N4250 X-8.24 I6.76 J0. N4260 G1 X-14.24 N4270 G2 X-15.76 I-0.76 J0. N4280 X-14.24 I0.76 J0. N4290 G1 X-8.24 N4300 Z-7. F75.



N4310 G2 X-21.76 I-6.76 J0. F200. N4320 X-8.24 I6.76 J0. N4330 G1 X-14.24 N4340 G2 X-15.76 I-0.76 J0. N4350 X-14.24 I0.76 J0. N4360 G1 X-8.24 N4370 Z-8. F75. N4380 G2 X-21.76 I-6.76 J0. F200. N4390 X-8.24 I6.76 J0. N4400 G1 X-14.24 N4410 G2 X-15.76 I-0.76 J0. N4420 X-14.24 I0.76 J0. N4430 G1 X-8.24 N4440 Z-9. F75. N4450 G2 X-21.76 I-6.76 J0. F200. N4460 X-8.24 I6.76 J0. N4470 G1 X-14.24 N4480 G2 X-15.76 I-0.76 J0. N4490 X-14.24 I0.76 J0. N4500 G1 X-8.24 N4510 Z-10. F75. N4520 G2 X-21.76 I-6.76 J0. F200. N4530 X-8.24 I6.76 J0. N4540 G1 X-14.24 N4550 G2 X-15.76 I-0.76 J0. N4560 X-14.24 I0.76 J0. N4570 G1 X-8.24 N4580 Z-11. F75. N4590 G2 X-21.76 I-6.76 J0. F200. N4600 X-8.24 I6.76 J0. N4610 G1 X-14.24 N4620 G2 X-15.76 I-0.76 J0. N4630 X-14.24 I0.76 J0. N4640 G1 X-8.24 N4650 Z-12. F75. N4660 G2 X-21.76 I-6.76 J0. F200. N4670 X-8.24 I6.76 J0. N4680 G1 X-14.24 N4690 G2 X-15.76 I-0.76 J0. N4700 X-14.24 I0.76 J0. N4710 G1 X-8.24 N4720 Z-13. F75. N4730 G2 X-21.76 I-6.76 J0. F200. N4740 X-8.24 I6.76 J0. N4750 G1 X-14.24 N4760 G2 X-15.76 I-0.76 J0. N4770 X-14.24 I0.76 J0. N4780 G1 X-8.24 N4790 Z-14. F75. N4800 G2 X-21.76 I-6.76 J0. F200. N4810 X-8.24 I6.76 J0. N4820 G1 X-14.24 N4830 G2 X-15.76 I-0.76 J0. N4840 X-14.24 I0.76 J0. N4850 G1 X-8.24 N4860 Z-15. F75. N4870 G2 X-21.76 I-6.76 J0. F200. N4880 X-8.24 I6.76 J0. N4890 G1 X-14.24



N4900 G2 X-15.76 I-0.76 J0. N4910 X-14.24 I0.76 J0. N4920 G1 X-8.24 N4930 Z-16. F75. N4940 G2 X-21.76 I-6.76 J0. F200. N4950 X-8.24 I6.76 J0. N4960 G1 X-14.24 N4970 G2 X-15.76 I-0.76 J0. N4980 X-14.24 I0.76 J0. N4990 G1 X-8.24 N5000 Z-17. F75. N5010 G2 X-21.76 I-6.76 J0. F200. N5020 X-8.24 I6.76 J0. N5030 G1 X-14.24 N5040 G2 X-15.76 I-0.76 J0. N5050 X-14.24 I0.76 J0. N5060 G0 Z25. N5070 X-7.99 N5080 Z10. N5090 G1 Z-1. F75. N5100 G3 X-22.01 I-7.01 J0. F200. N5110 X-7.99 I7.01 J0. N5120 G1 Z-2. F75. N5130 G3 X-22.01 I-7.01 J0. F200. N5140 X-7.99 I7.01 J0. N5150 G1 Z-3. F75. N5160 G3 X-22.01 I-7.01 J0. F200. N5170 X-7.99 I7.01 J0. N5180 G1 Z-4. F75. N5190 G3 X-22.01 I-7.01 J0. F200. N5200 X-7.99 I7.01 J0. N5210 G1 Z-5. F75. N5220 G3 X-22.01 I-7.01 J0. F200. N5230 X-7.99 I7.01 J0. N5240 G1 Z-6. F75. N5250 G3 X-22.01 I-7.01 J0. F200. N5260 X-7.99 I7.01 J0. N5270 G1 Z-7. F75. N5280 G3 X-22.01 I-7.01 J0. F200. N5290 X-7.99 I7.01 J0. N5300 G1 Z-8. F75. N5310 G3 X-22.01 I-7.01 J0. F200. N5320 X-7.99 I7.01 J0. N5330 G1 Z-9. F75. N5340 G3 X-22.01 I-7.01 J0. F200. N5350 X-7.99 I7.01 J0. N5360 G1 Z-10. F75. N5370 G3 X-22.01 I-7.01 J0. F200. N5380 X-7.99 I7.01 J0. N5390 G1 Z-11. F75. N5400 G3 X-22.01 I-7.01 J0. F200. N5410 X-7.99 I7.01 J0. N5420 G1 Z-12. F75. N5430 G3 X-22.01 I-7.01 J0. F200. N5440 X-7.99 I7.01 J0. N5450 G1 Z-13. F75. N5460 G3 X-22.01 I-7.01 J0. F200. N5470 X-7.99 I7.01 J0. N5480 G1 Z-14. F75.



N5490 G3 X-22.01 I-7.01 J0. F200. N5500 X-7.99 I7.01 J0. N5510 G1 Z-15. F75. N5520 G3 X-22.01 I-7.01 J0. F200. N5530 X-7.99 I7.01 J0. N5540 G1 Z-16. F75. N5550 G3 X-22.01 I-7.01 J0. F200. N5560 X-7.99 I7.01 J0. N5570 G1 Z-17. F75. N5580 G3 X-22.01 I-7.01 J0. F200. N5590 X-7.99 I7.01 J0. N5600 G0 Z25. N5610 G53 G0 Z-110 D0 M5 M9 N5620 M30

Anexo D: LABVIEW+ARDUINO


Anexo D

LABVIEW+ARDUINO



Instalación del Software y el Hardware A continuación describimos los pasos que se recomiendan para la puesta en marcha de la herramienta LIFA (LabVIEW para Arduino): La configuración de la Interfaz de LabVIEW para Arduino es un proceso de seis pasos que usted sólo tendrá que completar una sola vez. Por favor, siga las siguientes instrucciones para comenzar a crear aplicaciones con la interfaz de LabVIEW para Arduino. 1. Instalar LabVIEW 2. Instale los controladores VISA NI-. 3. Instale JKI VI Package Manager (VIPM) 4. Instalación de la Interfaz de LabVIEW para Arduino como se describe en esta pagina http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/A20FBBD36820669086257886004D5F4D?OpenDocument 5. Conectar la placa Arduino a su PC como se describe en la siguiente pagina http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/0F9DADF9055B086D86257841005D1773?OpenDocument 6. Carga de la interfaz de LabVIEW para firmware Arduino en su Arduino como se describe en http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/8C07747189606D148625789C005C2DD6?OpenDocument 7. El firmware se puede encontrar en <LabVIEW> \ vi.lib Interface \ LabVIEW para Arduino \ Firmware \ LVIFA_Base. Utilizar el IDE de Arduino para implementar este firmware de la placa Arduino.) Ahora está listo para usar la interfaz de LabVIEW para Arduino.



Instalación del Firmware de comunicación entre LabVIEW Interface y Arduino Uno Para poder comunicar Labview con Arduino, previamente, debemos instalar en la tarjeta el firmware correspondiente. Partimos del supuesto de que ya tenemos instalado en nuestro PC el entorno IDE Arduino. El fichero que debemos cargar en el IDE de Arduino para luego descargar en la tarjeta se encuentra en la carpeta en donde tengamos instalado Labview …\National Instruments\LabVIEW 20XX\vi.lib\LabVIEW Interface for Arduino\Firmware\LVIFA_Base Ejecutamos el IDE Arduino y cargamos el fichero. Pasos a seguir:

• Abrir el IDE Arduino . Pulsando sobre arduino.exe Con la opción Fichero->Abrir Buscamos el fichero LVIFA_Base.pde



• Seguidamente una vez cargado el fichero en el IDE Arduino seleccionamos la tarjeta con la que trabajaremos.

• Seguidamente seleccionamos el puerto con el que realizaremos la descarga del

firmaware sobre la tarjeta Arduino.



• Una vez realizadas estas operaciones basta con que pulsemos el botón de carga de sketch del IDE para que el fichero se transfiera a la tarjeta y, una vez transferido, ya hemos dejado Arduino listo para comunicarse con LabVIEW

Extraído de [12].



Manual de Usuario Arduino 4-20 mA + RTC Shield

Rev. A MCI-MA-0088

INGENIERÍA MCI LTDA. www.olimex.cl



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Anexo D: Manual de Usuario Arduino 4-20Ma + RTC Pagina 3 de 10

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CONTENIDO 1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 4 2 CARACTERÍSTICAS GENERALES ……. ............................................................... 5 3 TRANSMISORES 4-20MA SOPORTADOS……. ................................................... 5 3.1 Tipo 2……………………………………………………………………………………. 5 3.2 Tipo 3…... ............................................................................................................. 6 3.3 Tipo 4 .................................................................................................................... 6 4 PARTES DEL SHIELD…….. ................................................................................... 7 5 INSTALACIÓN DEL SHIELD……. .......................................................................... 8 6 MAPA DE PUERTOS……. ..................................................................................... 9 7 CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS….… ............................................................. 10 8 CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS...…................................................................. 10 9 HISTORIA DEL DOCUMENTO……...................................................................... 10



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1 INTRODUCCIÓN El Arduino 4-20mA + RTC es una placa de adaptación de señales de corriente de 4-20mA. Éste Shield tiene 4 canales de entrada de 4-20mA que permiten convertir señales que vengan con éste estándar industrial. El Arduino 4-20mA + RTC posee el reloj de tiempo real DS1307 que te permite adjuntar una estampa de tiempo a cada dato que convertido. El reloj de tiempo real cuenta con un respaldo de alimentación usando pilas tipo moneda de 12mm. El Shield trabaja con transmisores de corriente tipo 2, 3 y 4, pudiendo conectarse con plataformas Duemilanove, Mega y Uno. Para trabajar con la tarjeta Arduino 4-20mA + RTC Shield necesitas conectar una fuente de alimentación externa de 9 a 12 VDC para su correcta operación. Con ésta tarjeta podrás conectarte a cualquier sensor industrial, monitorear e incluso controlar alguna variable directamente desde tu placa Arduino Luis Thayer Ojeda 0115 Of. 402 Santiago, Chile Tel. +56 2 3339579 [email protected] www.olimex.cl 4 Canales de entrada 4-20mA

Anexo D: Manual de Usuario Arduino 4-20Ma + RTC Pagina 5de 10


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2 CARACTERÍSTICAS GENERALES

• 4 Canales de entrada 4-20Ma • Socket Batería Tipo Coin 12mm • Reloj de tiempo real

o IC DS1307 o Reloj de 32kHz

• Botón de reset Arduino • Soporta estándares 4-20mA

o Tipo 2 o Tipo 3 o Tipo 4

• Alimentación 9-12 VDC • 4 Jumpers para transmisores tipo 3 • Conector para alimentación de sensores.

3 TRANSMISORES 4-20MA SOPORTADOS El Arduino 4-20mA + RTC Shield soporta transmisores que trabajen con lazos de corriente tipo 2, 3 y 4. 3.1 Tipo 2 Son transmisores energizados por el lazo de corriente, donde el voltaje de alimentación está incluido en el receptor. El transmisor está flotante y la tierra se encuentra en el receptor.

Fig.1 Esquema de conexión transmisor Tipo 2



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3.2 Tipo 3 Corresponden a transmisores de 3 cables alimentados por una fuente de voltaje en el transmisor. Para éste caso el transmisor es la fuente para el lazo de corriente. El común del transmisor es conectado al común del receptor.

Fig.2 Esquema de conexión transmisor Tipo 3 3.3 Tipo 4 Corresponden a transmisores de 4 cables, energizados por una fuente de voltaje en el transmisor. El transmisor alimenta el lazo de corriente y el recepto se comporta como una carga flotante.

Fig.3 Esquema de conexión transmisor Tipo 4



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4 PARTES DEL SHIELD

• Canal 1 – Canal 4: Entradas de señales de corriente de 4-20mA • W1-W3: Jumpers para selección de tipo de lazo • V OUT: Salida de alimentación auxiliar para energizar sensores • V IN: LED indicador de alimentación externa • Socket Batería: Socket para batería tipo moneda de 12mm • Reset Arduino: Botón de reset de la tarjeta de desarrollo Arduino



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5 INSTALACIÓN DEL SHIELD Antes de empezar a utilizar el Arduino 4-20mA + RTC Shield se debe realizar el siguiente procedimiento de instalación:

A. Posicionar el Shield como lo muestra la figura 3. a) . Notar que los pin headers que bajan hacia la placa base Arduino

tienen una única posición de conexión. B. Conecte el Shield con la Placa Arduino Base C. Conecte los Jumpers dependiendo del tipo de transmisor a conectar

a) Para transmisores tipo 3 conecte Jumpers W1-W4 asociado al canal donde se va a conectar.

b) Para transmisores tipo 2 y 3 saque Jumpers W1 - W4 asociado al canal donde se va a conectar.

D. Conecte señal de corriente 4-20mA en canal deseado E. Conecte alimentación de sensores en terminal V OUT, en caso de ser

requerido. F. Conecte Placa Base Arduino con PC usando cable USB G. Conecte alimentación a placa Arduino Base con fuente de poder 9-12 [VDC]

600mA. H. Ejecute Sketch de prueba disponible en sitio web.



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Fig.3 Ensamblaje Arduino 4-20 mA + RTC Shield Para mantener la el tiempo configurado correctamente en el reloj de tiempo real del Arduino 4-20mA + RTC Shield ante un corte en la alimentación, se recomienda usar una pila de 12mm tipo moneda (MCI-PRT-00677). 6 MAPA DE PUERTOS Los puertos utilizados por el Arduino 4-20mA + RTC Shield no pueden ser utilizados por otro Shield, excepto por las señales SDA, SCL y RESET.



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7 CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

• Voltaje de alimentación de 9-12 VDC • Corriente máxima de 100mA. (Sin considerar alimentación de transmisores)

8 CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS Dimensiones (AnchoxLargoxAlto) 54x69x11 [mm]

9 HISTORIA DEL DOCUMENTO

Anexo E: TARJETA PMD-1208LS

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Anexo E

TARJETA PMD-1208LS


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INTRODUCCIÓN La tarjeta PMD-1208LS (Personal Measuring Device) de la Measurement Computing es un dispositivo que tiene compatibilidad con ambos puertos: el USB 1.1 y el USB 2.0 de baja velocidad que es usada para control y adquisición de datos (figura E.1). La tarjeta PMD-1208LS trabaja con los sistemas operativos Windows 98 Segunda Edición, Windows Millenium Edition, Windows 2000 y Windows XP.

Figura. E.1. Dispositivo USB PMD-1208LS

Las características son: ocho entradas análogas, dos salidas análogas de 10 bits de resolución, 16 conexiones digitales de Entrada/Salida y un contador de eventos externo de 32 bits. Este dispositivo es alimentado por +5 VDC suministrados por el puerto USB, esto significa que no es necesaria una alimentación externa. Las entradas análogas de la tarjeta PMD-1208LS son configurables mediante software para trabajar sea como ocho entradas individuales de 11 bits o 4 entradas diferenciales de 12 bits. Un chip estándar de interfase periférica programable 82C55 en la tarjeta provee 16 líneas de entrada/salida digitales discretas. Cada canal digital de entrada/salida puede ser configurado sea para entrada o para salida. Diagrama de Bloques de la PMD-1208LS La figura E.2 muestra un diagrama de bloques funcional de la PMD-1208LS.


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Figura. E.2. Diagrama de bloques funcional de la PMD-1208LS

Características del Software El dispositivo PMD-1208LS viene con el software utilitario InstaCalTM, el software de Librería Universal (Universal LibraryTM), los controles de DAQ (Data Acquisition – Adquisición de Datos) para VB6 SoftWIRE y la Librería Universal para LabVIEW (Universal Library for LabVIEWTM). InstaCal y Universal Library InstaCal es un programa completo de instalación, calibración y prueba para dispositivos de adquisición de datos y de control de la Measurement Computing. Además de una extensiva comprobación de errores, InstaCal guía a través de la instalación y configuración de los dispositivos personales de medición, y crea un archivo de configuración de hardware para usarse por el software de programación o aplicación. InstaCal provee la forma más fácil para calibrar y configurar el dispositivo PMD-1208LS. El software Universal Library provee acceso a las funciones de la PMD-1208LS desde todos los lenguajes de programación de 32 bits bajo Windows. Universal Library es un paquete completo de librerías y controladores de entrada/salida para todos los dispositivos de la Measurement Computing y para todos los lenguajes basados en Windows. Cuando se use Universal Library, se puede alternar entre tarjetas como también entre lenguajes de programación, y la sintaxis permanece constante. Universal Library provee la forma más fácil para programar el dispositivo PMD-1208LS.


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Universal Library for LabVIEW El software Universal Library for LabVIEW incluye un paquete completo de Librerías Universales VIs que se pueden usar para crear programas en LabVIEW para controlar la PMD-1208LS. El software LabVIEW debe estar instalado antes de instalar el software Universal Library for LabVIEW.

Dispositivo de Interfase Humana (HID) La tarjeta de adquisición de datos PMD-1208LS es un dispositivo de clase interfase humana (HID – Human Interface Device). La arquitectura USB ofrece las siguientes ventajas sobre otros tipos de buses:

Se puede conectar su aplicación a varios dispositivos usando un cable estándar. El conector USB reemplaza los conectores de puerto serial y paralelo con una combinación de cable y conector estandarizado.

Un USB HID (Dispositivo de Interfase Humana) usa un controlador de clase Microsoft USB HID para realizar la interfase con el dispositivo. No se requiere de controladores adicionales.

Los USB HID son plug-and-play. No hay dispositivos que añadir, tampoco DIP switches que activar ni interrupciones que configurar.

Se puede conectar el HID antes o después de instalar el software, e incluso sin apagar la computadora primero. Cuando se conecta un HID al sistema, la PC automáticamente la detecta y configura el software necesario. Se puede conectar y energizar múltiples periféricos HID al sistema usando un hub USB.

No se necesita una fuente de energía externa. El puerto USB automáticamente entrega la alimentación necesaria a cada periférico conectado al sistema.

Los datos fluyen en dos vías entre la computadora y el periférico sobre las conexiones USB.

COMPONENTES DEL HARDWARE DE LA TARJETA PMD-1208LS En el paquete de la tarjeta PMD-1208LS se incluyen los siguientes aditamentos (figura E.3):

El dispositivo PMD-1208LS Cable USB


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Figura. E.3. Tarjeta PMD-1208LS y Cable USB

COMPONENTES DEL SOFTWARE DE LA TARJETA PMD-1208LS La tarjeta PMD-1208LS viene con un CD de instalación (figura 3.4), que contiene el utilitario InstaCal, las herramientas de programación, adquisición de datos y control: Universal LibraryTM, controles para VB6 SoftWIRE MCC DAQ y Universal Library for LabVIEW.

Figura. 3.4. CD de software La instalación, configuración y verificación de la tarjeta se lo realiza por medio del CD de software con el programa InstaCal que viene en la tarjeta PMD-1208LS . COMPONENTES EXTERNOS La tarjeta PMD-1208LS tiene los siguientes componentes externos, como se muestra en la figura E.5.

Conector USB. LED. 2 Bancos de terminales tipo tornillo.


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Figura. 3.5. La Tarjeta USB PMD-1208LS

Conector USB El conector USB está localizado en el lado derecho de la tarjeta PMD-1208LS. Este conector provee +5VDC en la comunicación. La salida de voltaje es dependiente del sistema y puede ser menos de 5VDC. No se requiere alimentación externa de energía. Led El Led localizado en la parte superior de la cubierta indica el estado de la comunicación de la tarjeta PMD-1208LS. Usa hasta 5 mA de corriente y no puede ser deshabilitado. La tabla E.1 define la función del led del dispositivo PMD-1208LS.

Tabla. E.1. Iluminación del LED de la tarjeta PMD-1208LS


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Conexión de los Terminales La tarjeta PMD-1208LS tiene dos bancos de borneras – cada uno a un lado de la cubierta del dispositivo. Cada banco de borneras provee 20 conexiones. Los números de pin están identificados en la figura E.6:

Figura. E.6. Números de Pin de los terminales de la PMD-1208LS Pines 1 – 20 El primer banco de borneras (pines 1 al 20) provee las siguientes conexiones:

Ocho conexiones análogas de entrada (CH0 IN a CH7 IN) Dos conexiones análogas de salida (D/A OUT 0 a D/A OUT 1) Una fuente externa de disparo (trigger) (TRIG_IN) Una conexión de contador de eventos externo (CTR) Siete conexiones de tierra (GND) Un Terminal de calibración (CAL)

Pines 21 – 40 El segundo banco de borneras (pines 21 al 40) provee las siguientes conexiones:

16 conexiones de entrada/salida digital (PortA0 a PortA7, y PortB0 a PortB7). Una conexión de voltaje (PC+5 V) Tres conexiones de tierra (GND)

Conector Principal y Pines de Salida

Tipo de Conector: Bornera. Rango de Indicación del cable: 16 AWG a 30 AWG.

Los pines de salida son en modo individual y diferencial (figura E.7).


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Pines de Salida en modo 4 Canales Diferenciales Pines de Salida en modo 8 Canales Individuales

Figura. 3.7. Diagrama de Pines de la PMD-1208LS


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Terminales de Entradas Análogas (CH0 IN – CH7 IN) Es posible realizar hasta ocho conexiones de entrada análoga a las borneras de los pines 1 al 20 (CH0 IN hasta CH7 IN). (Refiérase a la figura 3.7 para la ubicación de estos pines). Se puede configurar los canales de entradas análogas como ocho canales individuales, o cuatro canales diferenciales. Cuando se configura para el modo diferencial, cada entrada análoga tiene una resolución de 12 bits. Cuando se configura en el modo individual, cada entrada análoga tiene una resolución de 11 bits, debido a las restricciones impuestas por el conversor Análogo/Digital. Configuración Individual Cuando todos los canales de entrada análoga están configurados como modo de entrada individual, ocho canales análogos están disponibles. La señal de entrada está en referencia a la señal de tierra (GND), y es entregada a través de dos cables:

El cable que lleva la señal a ser medida, conecta a CH# IN El segundo cable conecta a tierra (GND)

El rango de entrada para una señal en modo individual es de ±10 VDC. No existen otros rangos con que la tarjeta pueda trabajar en modo individual. La figura E.8 ilustra una conexión para una medición en modo individual.

Figura. E.8. Conexión básica para una medición en modo de entrada individual

Medidas en Modo Individual usando Canales Diferenciales Para realizar una medición en modo individual usando canales diferenciales, conecte la señal a la entrada CH# IN HI, y conecte a tierra (GND) la entrada asociada CH# IN LO.


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Configuración Diferencial Cuando todos los canales de entrada análoga están configurados para el modo de entrada diferencial, cuatro canales análogos están disponibles. En modo diferencial, la señal de entrada es medida con respecto a la entrada en bajo. La señal de entrada es entregada a través de tres cables:

El cable que lleva la señal a ser medida conecta a CH0 IN HI, CH1 IN HI, CH2 IN HI o CH3 IN HI.

El cable que lleva la señal de referencia conecta a CH0 IN LO, CH1 IN LO, CH2 IN LO o CH3 IN LO.

El tercer cable conecta a GND.

Un amplificador de ganancia de precisión programable de bajo ruido está disponible en los canales diferenciales para proveer ganancias de hasta 20 veces y un rango dinámico de hasta 16 bits. Los rangos de voltaje de entrada en modo diferencial son ±20 V, ±10 V, ±5 V, ±4 V, ±2.5 V, ±2.0 V, ±1.25 V y ±1.0 V. En modo diferencial, los siguientes dos requisitos deben ser cumplidos para una operación lineal:

Cualquier entrada análoga debe permanecer en el rango -10 V a +20 V con respecto a tierra todo el tiempo.

El voltaje máximo diferencial en cualquier par de entradas análogas dadas debe permanecer dentro de los rangos de voltaje seleccionados.

La entrada [voltaje en modo común + señal] del canal diferencial debe estar en el rango de -10 V a +20 V con el fin de proporcionar un resultado útil. Por ejemplo, se ingresa una onda senoidal de 4 Vpp a CH HI y se aplica la misma señal senoidal 180º desfasada a CH LO (figura E.9). El voltaje en modo común es 0 V. El voltaje diferencial de entrada oscila desde 4 V – (-4 V) = 8 V. Ambas entradas satisfacen el requisito de rango de entrada de -10 V a +20 V, y el voltaje diferencial está hecho para el rango de entrada de ±10 V.

Figura. E.9. Ejemplo de Voltaje Diferencial: Voltaje en modo común de 0 V


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Si se incrementa el voltaje en modo común a 11V (figura E.10), el diferencial permanece en ±8 V. Aunque el [voltaje en modo común + señal] en cada entrada ahora tiene un rango de +7 V a +15 V, ambas entradas aún satisfacen el requisito de entrada de -10 V a +20V.

Figura. E.10. Ejemplo de Voltaje Diferencial: Voltaje en modo común de 11 V Si se reduce el voltaje en modo común a -7 V (figura E.11), el diferencial permanece en ±8 V. Sin embargo, la solución ahora infringe la condición de rango de entrada de -10 V a +20 V. El voltaje en cada entrada análoga ahora oscila de -3 V a -11 V. Los voltajes entre -10 V y -3 V cumplen, pero aquellos por debajo -10V están cortados.

Figura. E.11. Ejemplo de Voltaje Diferencial: Voltaje en modo común de -7 V Ya que las entradas análogas están restringidas a una oscilación desde -10 V a + 20 V con respecto a tierra, todos los rangos, excepto ±20 V pueden producir una salida lineal para cualquier señal diferencial con un voltaje en modo común de cero y entradas de señal a fondo de escala. El rango ±20 V es la excepción. No es posible poner -20 V en CH HI y 0 V en CH LO ya que esto infringe el criterio de rangos de entrada. La tabla E.2 muestra algunas entradas posibles y el resultado esperado.


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Tabla. E.2. Ejemplos de entrada y resultados diferenciales en la PMD-1208LS

Terminales Digitales de Entrada/Salida (Port A0 a A7 y Port B0 a B7) Se puede conectar hasta 16 líneas digitales de entrada/salida a las borneras en los pines 21 al 40. (Port A0 al Port A7 y Port B0 al Port B7). (Refiérase a la figura E.7 para la ubicación de estos pines). Se puede configurar cada puerto digital sea para entrada o salida. Cuando está configurado como entrada, se puede usar los terminales digitales de entrada/salida del dispositivo para detectar el estado de cualquier entrada de nivel TTL. Refiérase al switch de la figura E.12. Si el switch está colocado en la entrada de +5 V, el Port A0 lee VERDADERO (1). Si se mueve el switch a GND, el Port A0 lee FALSO (0).

Figura. E.12. Conexión digital en Port A0 detectando el estado de un switch


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Figura. E.13. Esquemático mostrando el estado del switch conectado al Port A0 Terminal de VCC La conexión PC +5 V está localizada en el pin 30 de las borneras (refiérase a la figura 3.7 para la ubicación de estos pines). Este terminal entrega voltaje desde el conector USB. El terminal +5 V es una salida de 5 V que suministra la computadora, no se debe conectar una fuente externa de poder al terminal porque puede dañar el dispositivo y posiblemente el puerto de la computadora. La corriente total máxima que puede ser suministrado a las conexiones (Vcc, salidas análogas y digitales) de la tarjeta PMD-1208LS es 500 mA. Este máximo aplica a la mayoría de computadoras personales y hubs USB auto-alimentados. Los hubs alimentados externamente y las computadoras portátiles pueden limitar la corriente total de salida disponible a 100 mA. El solo hecho de conectar la tarjeta PMD-1208LS a la computadora utiliza 20 mA de corriente desde el suministro de +5 V del USB. Una vez que ha empezado a ejecutarse aplicaciones con el dispositivo, cada bit digital de entrada/salida puede utilizar hasta 2.5 mA, y cada salida análoga puede utilizar 30 mA. La cantidad máxima de corriente disponible en +5 V disponible para el usuario es la diferencia entre el requerimiento total de corriente de la PMD (basado en la aplicación) y la corriente disponible utilizada de la plataforma de la PC (de nuevo, 500 mA para PCs de escritorio y hubs USB auto-energizados, o 100 mA de hubs alimentados externamente y computadoras portátiles). Con todas las salidas a su máxima corriente de salida, se puede calcular el requerimiento de corriente total del dispositivo PMD-1208LS del puerto USB como se indica: (PMD-1208LS @ 20 mA) + (16 entradas/salidas digitales @ 2.5 mA cada una) + (2 Salidas análogas @ 30 mA cada una) = 120 mA. Para una aplicación que se ejecuta en una PC o en un hub auto-energizado este valor proporciona una corriente máxima al usuario de 500 mA – 120 mA = 380 mA. Esta es la corriente máxima total disponible en los terminales tipo PC +5 V. Measurement Computing recomienda ampliamente que se fije un valor de factor de seguridad de 20% por debajo de este máximo de carga de corriente para las aplicaciones. En este caso sería de un rango de 300 – 320 mA.


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Debido a que las computadoras portátiles típicamente permiten una corriente de hasta 100 mA, la tarjeta PMD-1208LS en una configuración de máxima carga puede estar por encima de lo que permite la computadora. En este caso, debe determinar la carga por pin en la aplicación para asegurar que el criterio de máxima carga se cumpla. La carga por pin es calculada simplemente dividiendo los +5 V por la impedancia de la carga del pin en cuestión. Terminales de Tierra Hay 10 conexiones idénticas de tierra que proveen una tierra común para todas las funciones de la PMD-1208LS. (Refiérase a la figura E.7 para la ubicación de estos pines). Terminal de Calibración La conexión CAL está localizada en el pin 16 de las borneras (refiérase a la figura E.7 para la ubicación de este pin). Este terminal es usado solamente para propósitos de calibración. La calibración de la PMD-1208LS es controlada por software por medio de InstaCal. Terminal Contador La entrada del contador de eventos externo es por medio del pin 20 CTR en las borneras (refiérase a la figura 3.7 para la ubicación de este pin). El contador interno incrementa su valor cuando una entrada de voltaje en CTR cambia de menos de 1 V a más de 4 V. El contador puede contar frecuencias de hasta 1 MHz. Precisión de la Tarjeta PMD-1208LS La precisión, en general de cualquier instrumento, está limitada por el error de los componentes dentro de un sistema. Muy a menudo, la resolución es incorrectamente usada para cuantificar el rendimiento de un equipo de medición. Mientras que “12 bits” o “1 parte en 4096” no indica qué puede ser determinado, este provee una pequeña indicación acerca de la calidad de la medición absoluta. Las especificaciones de precisión describen los resultados actuales que pueden ser realizados por un dispositivo de medición. Existen tres clases de tipos de error, los cuales afectan la precisión de un sistema de medición:

Offset Ganancia No linealidad

Las fuentes primordiales de error en la PMD-1208LS son el offset y la ganancia. La no linealidad es pequeña en la PMD-1208LS y no es una fuente significativa de error comparada con el offset y la ganancia.


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La figura E.14 muestra una función de transferencia ideal, sin errores, de la PMD-1208LS. La precisión de la calibración de la PMD-1208LS es dependiente del rango. Se usa un rango de ±10VDC como ejemplo de que se puede esperar cuando se realiza una medición en este rango.

Figura. 3.14. Función de transferencia ideal del ADC

El error de offset en la PMD-1208LS es medida a media escala. Idealmente, una entrada de cero voltios debería producir un código de salida de 2048. Cualquier desviación de esto es un error de offset. La figura E.15 muestra la función de transferencia de la PMD-1208LS con un error de offset. Un típico error de offset en el rango de ±10VDC va en el orden de ±9.77 mVDC. El error de offset afecta todos los códigos por igual al desviar toda la función de transferencia hacia arriba o abajo a lo largo del eje de entrada de voltaje.

Figura. 3.15. Función de transferencia del ADC con error de offset


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El error de ganancia es un cambio en la pendiente de la función de transferencia desde lo ideal y es típicamente expresado como un porcentaje de toda la escala. La figura E.16 muestra una función de transferencia de la PMD-1208LS con un error de ganancia. El error de ganancia es fácilmente convertido a voltaje al multiplicar la escala total de entrada por el error.

Figura. E.16. Función de transferencia del ADC con error de ganancia

Por ejemplo, la PMD-1208LS exhibe un típico error de ganancia de ±0.2% en todos sus rangos. Para el rango de ±10VDC, esto resultaría en 10VDC x ±0.002 = ±20mVDC. Esto significa que, a escala total, olvidando el efecto de offset por el momento, la medición sería de hasta 20mVDC del valor actual. Nótese que el error de ganancia es expresado como una proporción. Los valores cercanos a ± la escala total son más afectados desde un voltaje absoluto que lo que son los valores cercanos a media escala, los cuales tienen poco o nada de error de voltaje. Combinando estas dos fuentes de error, en la figura E.17 abajo, se tiene un gráfico de la banda de error de la PMD-1208LS para el rango de ±10VDC. Esta es una versión gráfica de la típica precisión de este producto.

Figura. 3.17. Gráfico de la banda de error


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ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LA TARJETA PMD-1208LS Las especificaciones de las señales de entrada/salida tanto digitales como analógicas de la Tarjeta PMD-1208LS son las siguientes: Entradas Analógicas

Tabla. 3.3. Especificaciones Técnicas de las entradas analógicas

Salidas Analógicas

Tabla. 3.4. Especificaciones Técnicas de las salidas analógicas


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Entradas / Salidas Digitales

Tabla. 3.5. Especificaciones Técnicas de las entradas/salidas digitales

Lenguajes de Programación Los lenguajes de programación que soporta el software Universal Library para facilitar el acceso a las funciones de la tarjeta PMD-1208LS deben ser de 32 bits bajo Windows. Entre los principales tenemos:

LabVIEW Visual Basic Visual C/C++ Borland C++ Microsoft C Quick C Delphi

Este documento fue extraído de:

“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL Y ADQUISICIÓN DE DATOS POR PUERTO USB PARA EL ROBOT HIDRÁULICO HYD-2800”

AUTOR: NIKOLAI ALEXANDER BANDA POMA

SANGOLQUÍ – ECUADOR 2


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memoria_titulo felipe calderón

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