CONTROL DE UN MOTOR DC Y UN SERVOMOTOR MEDIANTE PWM (VHDL) William Cañar, Héctor Segura, Dario Manobanda Universidad Nacional De Chimborazo Facultad de Ingeniería Escuela De Electrónica Y Telecomunicaciones Telecomunicaciones
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Abstract — This This report aims to provide the basic concepts of PWM (pulse width modulation) made in the program and xiling card and connected to a H-BRIDGE in order to reverse the direction of a motor, using npn and pnp transistors to power To control the speed and position of DC motors, in addition to analyzing and demonstrating their operation in the laboratory to be able to apply them in the chair of digital systems.
artículos. En esta etapa final, abordaremos los métodos más apropiados para controlar mediante la modulación de ancho de pulsos (PWM) la velocidad, el sentido sentido de rotación y el frenado frenado de un motor CC. Haciendo un breve repaso de los conceptos elementales elementales a tener en cuenta en nuestro desarrollo, donde será necesario controlar la velocidad, el sentido de giro y el frenado de un motor de corriente continua, podemos citar los principales fundamentos fundamentos:: La velocidad será controlada mediante modulación de ancho de pulsos (PWM). La inversión de giro será supervisada por un puente H. Para un frenado dinámico del motor, utilizaremos los transistores de las ramas inferiores del puente H con inclusión de PWM para variar la intensidad del frenado. •
Index Terms — Modulation By Width Of Wrists, Comparators, Counters, Decoders.
Resumen — Este Este informe tiene como objetivo proporcionar los conceptos básicos de PWM (modulación mediante el ancho de pulsos ) realizado en el programa programa y tarjeta xiling xiling y conectado a un PUENTE H con el fin de invertir el sentido de un motor, mediante transistores npn y pnp para poder hacer el control de velocidad y posición de motores DC, además de analizar y demostrar su funcionamiento en el laboratorio para poder aplicarlos en la catedra de sistemas sistemas digitales. digitales. Índice De Términos — Modulación Modulación Por Ancho De Pulsos, Comparadores, Contadores, Decodificadores.
I. INTRODUCCIÓN Un circuito Lógico es cualquier circuito que se comporta de acuerdo con un conjunto de reglas lógicas. Maneja la información en forma de "1" y "0", dos niveles lógicos de voltaje fijos. "1" nivel alto o "high" y "0" nivel bajo o "low". Los circuitos lógicos están compuestos por elementos digitales como las compuertas lógicas, que son una serie de condiciones que ayudan a manejar el flujo de la información. Más adelante se detallarán. Cuando trabajamos con motores de corriente continua no siempre las aplicaciones se limitan a una función de marcha plena en alguno de los dos sentidos posibles. En la mayoría de los diseños debemos controlar las revoluciones por minuto de los motores de acuerdo al desarrollo efectuado y el sentido de giro que esta rotación debe tener. Es por esto que, cuando necesitamos invertir el movimiento mecánico del sistema debemos apelar a utilizar un puente H, en consecuencia, consecuencia, utilizaremos el mismo sistema sistema que comenzamos a delinear en la segunda parte de esta serie de
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II. MARCO TEÓRICO A. Control de Velocidad PWM y puente H de un motor DC Control de velocidad PWM
Para poder nosotros controlar la velocidad de un motor DC se utiliza un término que nosotros conocemos como PWM que se describe como la Regulación por Ancho de Pulso de un motor DC y está basada en el hecho de que si se recorta la corriente continua de alimentación en forma de una onda cuadrada, la energía que recibe el motor disminuirá de manera proporcional a la relación entre la parte alta, en la cual circula corriente, y baja en donde la corriente es cero, del ciclo de la onda cuadrada. Controlando esta relación se logra variar la velocidad del motor de una manera bastante aceptable. La modulación por ancho de pulsos también conocida como PWM, de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal, 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. Es una técnica utilizada para regular la velocidad de giro de los motores eléctricos de inducción o asíncronos. Mantiene el motor constante y no supone un desaprovechamiento de la energía eléctrica. Se utiliza tanto en corriente continua como en
alterna, como su nombre lo indica, al controlar: un momento alto (encendido) y un momento bajo (apagado), controlado mediante el uso de contadores y compradores de una señal de ADC y una señal CLOCK. [1]
Puente H de un motor DC
Un puente H es un circuito electrónico que permite a un motor eléctrico DC girar en ambos sentidos. Son ampliamente usados en robótica y como convertidores de potencia. Los puentes H están disponibles como circuitos integrados, pero también pueden construirse a partir de componentes discretos. Un puente H se construye con 4 interruptores mecánicos o mediante transistores. Estos transistores permiten aplicar una tensión positiva en el motor, haciéndolo girar en un sentido o invertir el voltaje, permitiendo el giro en sentido inverso del motor.
Figura 1. Modulación de ancho de pulso Comparador
Un comparador realiza la prueba entre dos palabras binarias del mismo formato y código, y determina si el resultado es mayor, menor o igual. Al no ser conmutativa la comparación, se debe especificar el orden de la comparación. Este activa la salida de mayor, menor o igual dependiendo de los dos valores de entrada. Dispone de bit de habilitación.
Figura 3. Representación del funcionamiento de giro de un motor.
Tabla 1. Puertos de I/O de un comparador de 1 bit. Cuando la entrada de habilitación esta en ‘0’ lógico, las
salidas estarán desactivadas, dando nivel bajo en todas sus salidas. Cuando se activa la ha bilitación el sistema compara ‘a’ con ‘b’ y dependiendo del caso el sistema entregará un ‘1’
lógico en la salida correspondiente.
Figura 4. Puente H simulado en Proteus
El sentido de giro del motor DC depende de los niveles de voltaje que existan en los puntos del circuito etiquetados como: “Avance” y “Retroceso”. Sólo uno de estos dos puntos
Figura 2. Comparador de un 1 bit
Para realizar nuestro trabajo se utilizó 8 comparadores de 1 bit en cascada ya que poseemos números que contienen 8 bits que son aquellos que se van a comparar. [2]
puede estar a nivel alto para activar los transistores correspondientes. Si el nivel de voltaje en una posición del switch está en nivel alto se satura los transistores Q2 y Q5. Estos dos transistores permiten la circulación de corriente por el motor DC en un sentido. Y si el nivel de voltaje la otra posición del switch está en nivel alto entonces se saturan los transistores Q3 y Q4. Estos dos transistores permiten la circulación de corriente por el motor DC en el sentido contrario. A nuestro circuito podemos aumentarle unos diodos para proteger los transistores, porque se cambia la polaridad en las
bobinas del motor DC, lo cual podría quemar nuestros transistores. [3]
B. Control de un servomotor Un Servomotor es un tipo especial de motor que permite controlar la posición del eje en un momento dado. Esta diseñado para moverse determinada cantidad de grados y luego mantenerse fijo en una posición., entre otros muchos, que puede manejarse inyectándole una señal PWM. La electrónica del servo coloca al motor en cada posición dependiendo del tiempo en que el pulso que le inyectamos permanece en alto. Si el tiempo que dura en estado alto dura exactamente 1.5 milisegundos entonces el Servo va y se coloca en el centro de su recorrido, si dura exactamente 0.5 milisegundos el servo retrocede desde el punto medio unos 90º y se coloca en su extremo izquierdo y si, por último, dura exactamente 2.5 milisegundos el servo avanza desde el punto medio unos 90º y se coloca en su extremo derecho. Al tiempo en que permanece en alto un pulso le llamamos Duty Cicle. Decir que los pulsos están separados unos de otros 20 milisegundos es exactamente lo mismo que decir que se envían con una frecuencia de 50 Herzios, ya que 50 hz son 50 pulsos por segundo y por lo tanto 1000 milisegundos (que tiene un segundo) dividido entre 50 son exactamente eso: 20 milisegundos. O sea aplicamos la formula f (frecuencia en Herzios) = 1 / t (Periodo en Segundos). [4]
ejemplo, asumiremos de 0.5 a 2.5ms.
que
la
frecuencia
va
¿Cómo empezamos a desarrollar los dos divisores de frecuencia necesarios para esta señal? Primero que nada, es necesario encontrar el rango de operación:
Ahora es necesario saber la resolución del servomotor, o cantidad de posiciones que puede tomar. Por lo tanto, la frecuencia mínima necesaria es:
Si nuestro servomotor puede tomar 256 posiciones tenemos que :
Por tanto con el valor obtenido se procede a realizar el contador, para realizar este proceso se toma en cuenta la frecuencia calculada, en este caso los 128000 Hz equivalen a 1ms, pero como se mencionó anteriormente el servomotor funciona con periodos de 20ms, entonces se procede a multiplicar la frecuencia de reloj por 20ms dándonos un valor de 2560, este valor será el valor máximo al cual debe llegar nuestro contador. [5] Con estos valores calculados se procede a realizar el diseño de controlador PWM para servomotor. Para realizarlo tuvimos que utilizar comparador de 8bits, de esta manera obtenemos los dos números de longitudes iguales y se puede lograr la comparación entre sí. También fue necesario realizarle al controlador la suma de un número “x” para compensar y poder obtener un estado inicial
Figura 5. Trenes de pulsos para las posiciones 180º, 90º y 0º en el eje de un servomotor
C. Diseño del control La señal de control para el servomotor se compone de dos frecuencias:
de 0.5ms. Esto se logró sabiendo que el máximo rango de operación es 2.5ms y que para comenzar a operar necesitamos que se encuentre en la posición 0° el cual es un valor de 0.5ms lo cual nos faltaría 2ms para llegar a su máximo valor, entonces de esta manera sabemos que necesitamos 4 periodos de 0.5ms más. Para ello se dividió el valor del control para 4 periodos que necesitamos dándonos un valor de 64, por lo tanto este es valor “x” que necesitamos para comenzar a operar
el servomotor. •
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Frecuencia de actualización de 20ms. Ancho de pulso que controla la posición del servomotor, provista por el fabricante. Para este
Por lo que nuestro PWM contendrán los parámetros del contador y la frecuencia de operación del mismo.
D. Contador Es todo circuito o dispositivo que genera una serie de combinaciones a sus salidas sincronizadas por una señal de reloj externa. Clasificaciones: Según el comportamiento con la señal de reloj: Contadores asincrónicos. Contadores sincrónicos. Según el formato de salida del conteo: Binario. BCD (Decimal Codificado en Binario) Arbitrario. Según sentido de conteo: Conteo ascendente ó progresivo. Conteo descendente ó regresivo.
Por lo tanto, el contador para el divisor de frecuencia tiene como función generar la señal de salida de 1KHz cada 60000 ciclos. [6]
III. DESARROLLO EXPERIMENTAL
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Después de haber investigado como funciona un servomotor procedemos a construir la programación en nuestra plataforma de xiling para la tarjeta ARTIX 7, el programa que corresponde a la tarjeta antes mencionada utiliza VIVADO.
Implementación de un divisor de frecuencia de 1khz.
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E. Divisor de frecuencia Dividir la frecuencia de una señal entre 2 es muy sencillo: colocamos un prescaler de 1 bit. En general, para dividir entre cualquier potencia de 2 (2, 4, 8, 16...2^N) nos basta con un prescaler de N bits. Para el resto de frecuencias necesitamos el divisor de frecuencias
Figura 6. Esquema de bloques del divisor de frecuencia
Es un componente que tiene una señal de entrada (clk_in), con frecuencia fin y periodo Tin. Como salida tiene otra señal (clk_out) cuya frecuencia es la de la entrada dividida entre M. O si lo vemos con el periodo, el de la señal de salida es M veces mayor que el de la entrada. [6]. 1)
Cálculos para la frecuencia deseada.
El divisor de frecuencia es un componente simple, cuyo objetivo es reducir la frecuencia de entrada. Éste se implementa con ayuda del factor de escalamiento y un contador. Primeramente, el factor de escalamiento es la relación entre la frecuencia de entrada y la frecuencia de salida deseada:
Asumiendo que tenemos una frecuencia de 12MHz y deseamos una salida de 1kHz, tenemos que:
Figura 7. Esquema de bloques del divisor de frecuencia de 1khz
Implementación de un contador de 0 – 255
a)
Componente Divisor de frecuencia de 128 khz
Finalmente, sabemos que con un reloj de 128 kHz tenemos 1ms cada 128 iteraciones. Para tener la frecuencia de 20 ms basta multiplicar 128 * 20, implementado con un contador de 0 a 2560. Para poder implementar la variación de ancho de pulso debemos crear dos entidades, una que realice la división de frecuencia y la otra que nos permita variar la salida por medio de los valores de entrada q a esta entidad llegan.
Figura 8. Esquema de bloques de un contador de 0 – 255.
Implementación del control PWM para el servomotor. Para la implementación en VHDL tenemos tres entradas: reloj de 128kHz, reset, y un vector que puede tomar valores de 0 a 256. La única salida es la señal de control para el servomotor.
El divisor de frecuencia está hecho para que nos permita obtener una frecuencia de 45hz a partir de la frecuencia de 12Mhz de la tarjeta Artix7. Este código describe el funcionamiento del pwm, lo que hace es que toma los valores de entrada de la entidad y dependiendo de la frecuencia de reloj va contando estos números y asignándolos a una variable de salida llamada pwm_out la cual se va se va actualizando por cada ciclo de reloj. Después de haber realizado estas dos entidades y instanciarlas en una entidad total para que funcionen de acorde con las especificaciones necesarias se debe comprobar el funcionamiento de estas por medio de la simulación. completo ya que el máximo valor que toma el ADC es 255, en ese caso el ancho de pulso será total, y el motor estará a su mayor.
b)
Componente contador de 0 - 2560
Figura 9. Componente U1 - Control del servomotor
Implementación del U2 comparador de 8 bits Para realizar este comparador se ha utilizado comparadores de 1 bit en cascada. d)
c)
Comparador de 1 bit.
Componente U1 manejo del servo
Figura 10. Comparador de 1 bit
e)
Comparador completo de 8 bits
Figura 1. Componente U2- Comparador completo de 8 bits.
Implementación del U3 decodificador para mostrar el numero en el display f)
Decodificador de binario a hexadecimal
a)
b)
Divisor de frecuencia para el PWM motor
c)
Contador de 0-254 para motor DC
Decodificador completo para dos display
Figura 12. Componente U3- Decodificador de 7 segmentos de BCD- HEXADECIMAL
Implementación del U4 control para motor DC.
d)
Control PWM para motor DC
Figura 15. Banco de pruebas del controlador de PWM mediante el contador
Figura 16. Banco de pruebas del controlador de PWM del motor DC.
Figura 13. Componente U4- control para motor DC
IV. SIMULACIONES REALIZADAS Para la frecuencia de 20 ms se obtuvo una frecuencia de 19.9936 ms, para la frecuencia mínima se obtuvo 0.4920 ms y para la frecuencia máxima se obtuvo una frecuencia de 2.4835 ms.
Figura 14. Banco de pruebas del controlador de PWM para servomotores .
Figura 17. Banco de pruebas del comparador de 8bits.
V. CONCLUSIÓNES Uno de los problemas más críticos en este proyecto es el contador que tiene muchas restricciones que impiden que la sinterización, implementación y hasta el funcionamiento en hardware, ya que el contador debe actualizarse cada segundo y al ser valores demasiado rápidos tiende a dar errores. que nos permitirá no perder tanta información ya que la lectura de los pulsos del motor se realiza de una forma asincrónica que simula un reloj de entrada a la tarjeta La tarjeta Artix 7 tiene pines específicos que permiten tener un ingreso de reloj externos, estos pines son exclusivamente asignados por el usuario, si se asignan a diferentes pines sin estas especificaciones la implementación no se realizará porque tendrá fallas en el funcionamiento de la tarjeta
llegando a ser críticos cuando se utilizan de una forma no adecuada. Debemos tomar en cuenta que para que un motor DC gire debe vencer la inercia en la que esta, por lo cual debemos tener en cuenta esto en nuestro circuito para que este sea eficiente y funcione de una forma correcta. El puente H es un circuito se utiliza para controlar el sentido de giro de un motor de corriente continua. El sentido de giro del motor DC depende de los niveles de voltaje que existan en los puntos del circuito. Algo importante que debemos resaltar de esta experiencia es que el Duty Cicle de un servomotor según el datasheet es 0.5 ms y la frecuencia que opera será de 50-60 Hz.Por esta razón alimentamos el motor directamente desde el pwm del motor DC.
VI. RECOMENDACIONES Estabilizar el efecto de parada del motor para que este no trabaje cuando no haya pulsos. Acoplar adecuadamente el PWM y el puente H mediante resistores y transistores. Observar en el osciloscopio la onda generada por el PWM para así verificar su correcto funcionamiento.
VII. REFERENCIAS [1] DIGILENT, «Digilent A National Instrument Company,» 14 06 2017. [En línea]. Available: http://store.digilentinc.com/cmod-a7- breadboardableartix-7-fpga-module/. [2] M. M. Mano, Diseño digital, Mexico: PEARSON EDUCATION, 2003. [3] Thomas L. Floyd, Fundamentos de Sistemas Digitales, Ed. Prentice Hal, 2000. [4] R. E. y. H. Haskell, Learning by Example Using VHDL - Basic Digital Design with a Basys FPGA Boa, Darrin M.: Michigan: LBE Books., 2008. [5] J. C., «Github,» 11 12 2016. [En línea]. Available: https://github.com/Obijuan/open-fpga-verilogtutorial/wiki/Cap%C3%ADtulo-15:-Divisor-defrecuencias. [Último acceso: 15 06 2017]. [6] C. Ramos, «ESTADOFINITO,» 26 07 2012. [En línea]. Available: http://www.estadofinito.com/divisorfrecuencia-vhdl /. [Último acceso: 06 14 2017].
VIII. BIOGRAFÍA Hèctor Segura Medranda nació en EsmeraldasEcuador el 29 de mayo de 1994. Realizo sus estudios secundarios en el colegio Tecnico Fiscomisional “Monseñor Angel Barcidotti” de la cuidad de Esmeraldas donde obtuvo el título bachiller en Tecnico Electricista. Actualmente estudia en la Universidad Nacional de Chimborazo en la carrera de Ingeniería Electrónica Y Telecomunicaciones. 4er Semestre. Willian Cañar nació en Ambato en 1994 ubicado en la provincia de Tungurahua, sus estudios primarios los realizó en la escuela “Unidad Nacional “ se graduó en el Instituto Superior Tecnológico Docente “Guayaquil “donde obtuvo
su título en Electrónica de Consumo actualmente está cursando el cuarto semestre de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones en la Universidad Nacional de Chimborazo de la ciudad de Riobamba, ha participado en los programas de Aprender a Emprender de la Cámara de Comercio de Ambato . Dario J. Manobanda Pilco, Nació en Ambato-Ecuador el 19 de Agosto de 1993. Realizo sus estudios secundarios en la Instituto Superior Tecnológico Docente “Guayaquil” de la ciudad de Ambato donde obtuvo el título de Bachiller en Electrónica de consumo. Ahora estudia en la Universidad Nacional de Chimborazo, Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones, 4to Semestre.
IX. ANEXOS
Figura 18. Visualización del estado 0 en que se encuentra el PWM (servo y motor)
Figura 19. Onda de salida del PWM en estado 0 (servo canal 1 y motor canal 2).
Figura 20. Visualización del estado medio en que se encuentra el PWM (servo y motor).
Figura 21. Onda de salida del PWM en estado medio (servo canal 1 y motor canal 2).
Figura 22. Visualización del estado final FF en que se encuentra el PWM (servo y motor).
Figura 23. Onda de salida del PWM en estado final FF (servo canal 1 y motor canal 2).
Figura 24. Onda de salida del PWM del servomotor con un periodo de 2.5 ms.
Figura 25. Onda de salida del PWM del servomotor con un periodo de 1 ms.
Figura 26. Firma de revisión
