Antes de llegar al diseño final, se tiene que probar con dispositivos que parecía que cumplían con las necesidades que teníamos. Dentro de todo el sistema, la etapa que resulto más difícil de conseguir, fue la del control del motor, pues aunque no era mucha la potencia que se maneja, resulta difícil encontrar integrados que cumplan con la tarea y además atiendan a la necesidad de ser económicos.
Dentro del mercado electrónico existen diversos dispositivos capaces de controlar la velocidad y sentido de giro de ciertos motores de DC, pero la mayoría manejan corrientes relativamente pequeñas, el motor con el que se piensa trabajar es de una corriente continua nominal de 3.5 amperes, a una tensión de 24 volts, en lo que respecta al voltaje no hubo problema encontrar integrados que cumplieran este requisito, pero en lo que respecta a la corriente, que mayor se acerco a estas características fue el L6203, en la siguiente figura se muestra el diagrama de bloques.
Figura 4.1 Diagrama interno del dispositivo L6203.
Del diagrama podemos ver que, es puente H completo conformado con 4 mosfet, cuenta con dos entradas digitales, las son utilizadas para tener el control del sentido de giro del motor, dependiendo de la combinación que se tenga entre
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modificar la velocidad del motor, y por ultimo cuenta con dos salidas en las cuales generalmente se conectan las terminales del motor. Dentro de los rangos que este driver permite, es un voltaje máximo de 48 volts y una corriente directa de hasta 4 amperes, y como características adicionales tiene.
Conducción de protección cruza, es decir tiene un generador de tiempo muerto entre las señales generadas, para evitar corto circuito entre las ramas de puente.
RDS(ON)0.3 en condiciones normales de temperatura, este punto es
relevante, pues nos indica en lo que respecta a los MOSFET internos del dispositivo, la resistencia con la que trabajan al momento de conducción, ya que entre más pequeña mejor, debido a que el MOSFET, tendrá que disipar menor potencia, cuando esté trabajando, lo cual es crucial para su mayor desempeño y tiempo de trabajo.
Compatible con tecnología TTL. Es decir que acepta valores lógicos comprendidos desde 0.2 hasta 0.8 para el nivel lógico bajo, y 2.4 para el nivel lógico alto.
Suministro lógico interno, para poder tener referencia con los valores de entrada del exterior
Frecuencias de operación de hasta de 100 KHz, esto es con referencia al periodo máximo de PWM con el cual puede trabajar, para tener un optimo desempeño, y para evitar posibles aumentos de temperatura Apagado térmico, el cual sirve como protección del dispositivo, por
posibles cortos circuitos, o incremento excesivo de la temperatura Alta Eficiencia.
Como sabemos el motor con el que se quiere trabajar, tiene valores un poco menores a los máximos permitidos por el dispositivo, al parecer hasta el momento, es un buen candidato para poder cumplir con la tarea de, controlar el motor, pues como sabemos el motor al momento del arranque tiene un transitorio de corriente mayor al nominal, conforme a las mediciones adquiridas por cuenta propia, alcanzaba una corriente pico de 5 amperes.
El circuito con el que hicimos pruebas iníciales fue el que se muestra en la figura, y el cual estaba compuesto por el circuito mencionado al principio
Dentro de las pruebas iníciales con un ancho de pulso positivo de 50% del periodo total del PWM, trabajaba en condiciones normales, y el dispositivo adquiría un calentamiento moderado y aceptable.
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Pero conforme se fue incrementando el ancho de pulso positivo del PWM generado, el integrado se fue calentando a una mayor velocidad, hasta llegar al punto en el que el dispositivo dejaba de funcionar correctamente.
Dentro de los resultados a destacar, son prioridad mostrar las señales obtenidas, por medio de un osciloscopio, las señales de la generación de PWM, que a continuación se mostraran detalles e imágenes que sustenten los datos proporcionados.
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En primera instancia se presenta los valores de un ciclo de trabajo útil dominante. Tabla 4.1 Valores obtenidos de PWM con un ciclo de trabajo útil dominante.
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En segunda instancia se presenta los valores de un PWM, casi equilibrado entre el ciclo de encendido y el ciclo de trabajo.
Tabla 4.2 Valores obtenidos de PWM con un ciclo de trabajo equilibrado, entre apagado y encendido
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En el tercer caso ponemos un periodo del PWM en donde el ciclo de trabajo, es mayormente apagado.
Tabla 4.3 Valores obtenidos de PWM con un ciclo de trabajo mayormente apagado.
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En las figuras y tablas anteriores, observamos que se realiza adecuadamente la variación del ancho de pulso, es cual se modifica por medio del potenciómetro que se encuentra en el panel de, gracias al microcontrolador, que es el que hace posible esto.
Después de haber obtenido todas las etapas del sistema, el resultado del circuito integrado y diseñado en altium se muestra a continuación, el resultado final de la tarjeta de control y además el precio de lo que constaría fabricar una solo tarjeta, pues como recordamos, uno de los motivos expuestos al principio, era la obtención de una tarjeta que realizara la tarea y además fuera viable económicamente.
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En esta etapa de pruebas y resultados ya teniendo el circuito que controla el motor se llevo acabo una prueba para conocer la relación que existe entre la variación del ciclo del trabajo del PWM y la velocidad del motor. Para llevar acabo esta prueba se requiere de medir la velocidad del motor, el recurso que utilizamos fue la adaptación de un sensor de efecto hall al engrane que el motor mueve, aquí se muestra el circuito del sensor este es un circuito adicional que utilizamos para que levar acabó esta medición.
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Este sensor como su nombre lo indica funciona de acuerdo a las leyes de este efecto. El sensor, se alimenta con 5V DC se hace uso de un imán el cual al cuando el diente del engrane se acerca se censa la presencia del campo magnético, y se manda una señal digital de 5V DC. En la siguiente imagen se ilustra esto.
Figura 4.7 sensor de efecto Hall con campo magnético.
En esta figura se ve que el diente del engrane pasa por encima del imán y del sensor, se crea un campo magnético y es cuando se manda la seña.
Figura 4.8 sensor de efecto Hall sin campo magnético.
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En las siguientes tablas y graficas que se muestran a continuación hacen referencia al PWM y a la señal del sensor de efecto hall con la siguiente correspondencia, las graficas amarilla y los valores mostrados en CH1 corresponden a la señal obtenida del sensor de efecto Hall; y las graficas de color azul y valores que se muestran en CH2 corresponden al PWM.
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Figura 4.9 Grafica comparativa máxima velocidad.
En la tabla e imagen anterior se tiene al motor en su máxima velocidad con el ciclo de trabajo más bajo del PWM pero recordemos que estamos utilizando el complemento de este; ya que el driver del MOSFET tiene dos salidas que son LVG y HVG, la salida HVG se puede decir que es un seguidor de la señal de entrada y el LVG que es terminal que nosotros estamos ocupando, la cual genera una señal complemento, de la entrada, por esto se tiene que a la entrada del dispositivo excitador de la terminal gate, se manda un PWM con el ciclo de trabajo más bajo, pero a la salida del driver se tiene, el PWM con el ciclo de trabajo completo. Se puede observar que este tiene una frecuencia de 91.41 Hz pulsos medidos en 1s, pero se considera que el engrane consta de 20 dientes entonces se tiene que
, se entiende que el engrane da 4.57 vueltas por segundo, es decir 283 rpm.
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Figura 4.10 Grafica comparativa en velocidad media.
En esta grafica y tabla se muestra que el ciclo de trabajo del PWM se encuentra exactamente a la mitad es decir el motor está trabajando a la mitad de su velocidad media, a esta velocidad el engrane del motor da 269rpm.
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Figura 4.11 Grafica comparativa en velocidad mínima.
En la grafica y tabla anterior se manda el ciclo de trabajo más grande el cual, hace que el motor trabaje a si velocidad mínima, pues hay que recordar, que el dispositivo que nos excita la terminal gate del MOSFET maneja dos salidas, las cuales se complementan entre sí, que son LVG y HVG, en donde HVG se puede decir que es un seguidor de señal mientras que LVG es su complemento de la señal de entrada de PWM, y para que este pueda funcionar se obtuvo una frecuencia de 54.41 que de acuerdo al cálculo se tiene 163 rpm.
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Por último se tiene la tabla 4.7, en la cual se enumeran la lista de los componentes, y el precio, para así sacar la cotización final de la tarjeta de control.
Tabla 4.7 Cotización de componentes
*CW PRO SUITE; ANNL SUB este corresponde al precio de la licencia del software que se ocupara para llevar acabo la programación del microcontrolador, con la cual se puede llevar acabó la programación de varios microcontroladores. En esta cotización solo se cotiza el precio de los componentes y software sin sumar las horas de ingeniería y el costo de la manufactura en serie.
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5 CONCLUSIONES
El uso de un switch de alta frecuencia o de estado sólido, en este caso un MOSFET, es un dispositivo eficaz y eficiente, para el control de velocidad de un motor de corriente directa, pues además de cumplir con la tarea, es de tamaño compacto, el cual nos permite reducir el tamaño del circuito y además de ser relativamente barato.
Encontramos varios métodos, para realizar el frenado del motor de DC, existen unos más complejos que otros, en nuestro caso optamos por el frenado dinámico, el cual resulto más cómodo de realizar además de que se adecuo más a las características mecánicas del sistema y requerimientos de funcionamiento, el cual resulto efectivo en nuestro caso. Consideramos que este tipo de frenado es recomendable para cargas pequeñas, pues en el proceso del frenado, se realiza un corto circuito, ese corto lo deberá de soportar el dispositivo que realice la conmutación, para el frenado.
En la actualidad, el uso de microcontroladores ha incrementado exponencialmente, ahora se entiende el motivo, pues son capaces de realizar varias funciones simultáneamente, y sin duda en los sistemas de control, son imprescindibles, como en nuestro sistema este realiza la función de control del circuito.
Un punto relevante en el desarrollo del proyecto, es que se pudieron aplicar conocimientos previos que se obtuvieron a lo largo de la carrera, adquirir otros tantos nuevos y comprender mejor otros tantos que no se tenían bien digeridos. Por último, es de bueno mencionar que esta tarjeta puede tener mejoras en lo que respecta a su desempeño práctico, pues se considera en un futuro, realizar un puente completo, para que además de realizar el control de velocidad del motor, también se tenga el control de giro, teniendo como base la tarjeta actual.
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6 BIBLIOGRAFIA.
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Octava edición México Pearson Prentice Hall.
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Tercera edición, Inglaterra John Wiley & sons.
Joseph Vithayathil. Power elerctronic.
Estados unidos de Norteamérica McGraw Hill. INFRA.
Manual de conceptos básicos en soldadura y corte. http://www.infra.com.mx/
Arturo Bastías. Sistema MIG.
Apuntes por la universidad tecnológica metropolitana de chile. http://www.elprisma.com/