Universidad de Nariño. Arévalo, Bastidas, Mera. Cambio de Sentido de un Motor.
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Cambio de Sentido de Giro de un Motor DC por Conteo Arévalo, Sebastián., Bastidas, Alejandro y Mera, Andrés. {juanarevalo93; alejobaztidas; andresfe_mera}@hotmail.com andresfe_mera}@hotmail.com
Universidad de Nariño
Resumen — El El
nombre concreto y completo de la práctica de laboratorio es: Diseño de un Sistema de Control Digital para el Cambio de Sentido de Giro de un Motor DC por conteo, la cual fue desarrollada con el objetivo de mostrar en una aplicación práctica, cómo se forma un sistema digital completo a partir de funciones básicas que hemos venido estudiando. El diseño del sistema digital realizado lleva consigo cuatro grandes etapas como son: la etapa de “Actuador”, la etapa de “Sensor”, la etapa de “Control” y por último la etapa de “Interfaz con el Usuario” que llevan articuladas dentro de sí varias fases las cuales serán expuestas a lo largo del informe, entre ellas tenemos el ciclo de conteo, el ciclo de decodificación, los pulsos generados por el motor, el control de la velocidad del motor, la visualización, entre otras, las cuales cumplen una función individual, puntual y muy importante en el sistema, para que luego sean acopladas y constituyan un sistema digital co mpleto.
Índice de Términos — Actuador, Circuito Integrado, Control, Estado Lógico, Opto transistor, Sensor, Sistema de control digital.
I. INTRODUCCIÓN
E
L siguiente informe es un documento que evidencia el desarrollo de la segunda práctica de laboratorio de la asignatura de Circuitos Digitales I. Después de haber estudiado y aprendido conceptos básicos de la electrónica digital, estando un poco más inmersos en el ámbito de los sistemas digitales y teniendo muy claros los conocimientos, podemos desarrollar esta práctica de laboratorio no sin antes rescatar algunas nociones importantes que pueden ser útiles en el transcurso del laboratorio. El término digital procede de la forma en que las computadoras realizan las operaciones, es decir contando dígitos. Hoy en día la electrónica digital no está simplemente ligada a los sistemas informáticos como lo era hace algún tiempo, sino también en una amplia variedad de áreas. Se sabe muy bien que un
sistema de control digital es la combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen un determinado objetivo. La finalidad de un sistema de control es conseguir, mediante la manipulación de las variables de control, un dominio sobre las variables de salida, de modo que estas alcancen unos valores establecidos. Un modelo claro es el diseño e implementación del sistema de control digital para el cambio de giro de un motor, que de una forma amplia y muy general cambia el sentido de giro del motor, dependiendo del número de vueltas del mismo, sensadas por un sistema óptico y representadas para el usuario por medio de un visualizador de 7 segmentos. Como es normal, el sistema desarrollado también está ligado a los elementos básicos que conforman un sistema de control digital y permiten su manipulación, como lo son: Sensor; el cual permite conocer los valores de las variables medidas del sistema, dichas variables medidas son el número de vueltas que efectúa el motor, las cuales se convierten en pulsos. Controlador; utilizando los valores determinados por los sensores y la consigna impuesta, calcula la acción que debe aplicarse para modificar las variables de control en base a cierta estrategia, es decir es la etapa en la cual se realiza un conteo de los pulsos generados en la fase de sensado. Actuador; es el mecanismo que ejecuta la acción calculada por el controlador y que modifica las variables de control, siendo este el ciclo de accionamiento del motor usando un control de velocidad en el sistema de control diseñado. II. DESARROLLO DE CONTENIDOS A) Descripción y Desarrollo de la Práctica. i) ii)
Materiales y Componentes. Diseño y Funcionamiento.
B) Resultados. Universidad de Nariño Ingeniería Electrónica
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C) Conclusiones. Bibliografía. A) Descripción y Desarrollo de la Práctica.
i)
Materiales y Componentes.
A continuación, se lleva a cabo una breve descripción de los materiales y componentes electrónicos usados en la práctica, teniendo en cuenta su funcionamiento tanto individual como colectivo. Diodo 1N4007: Se utilizaron 4 diodos de este tipo, formando un rectificador de onda completa es decir un puente de diodos con el objetivo de que actúen como protección para el motor DC. Circuito Integrado 74HC00: Es un circuito compuesto por compuertas NAND capaces de negar la multiplicación de las entradas. En el sistema se lo encuentra en la implementación de un circuito de memoria. Circuito Integrado 74HC14: Este circuito está formado por compuertas NOT encargadas de negar la entrada. Este integrado fue usado en la salida del opto transistor, también en la fase de conteo para tener un eficiente control de las vueltas del motor. Circuito Integrado 74LS08: Este circuito lleva compuertas AND capaces de multiplicar las entradas. Fue de gran utilidad en la etapa de control de revoluciones del motor ya que con ayuda de este circuito se logra limitar las vueltas que ejecuta el motor. Display LMS-5161AS : Es un visualizador de 7 segmentos capaz de mostrar los dígitos del 0 al 9. En la elaboración del sistema se usó dos de la misma referencia en la etapa de Interfaz con el usuario. Opto transistor RPI-579N1E : Es un dispositivo que se activa y entrega corriente a través de sus terminales solo cuando recibe una emisión de luz en su base, cuando su base recibe la señal luminosa el transistor
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comienza a emitir su corriente. El opto transistor se utiliza para aislar etapas de un circuito cuando nos interesa tener una etapa separada de la otra, pero que requiere que exista comunicación entre ellas, aquí es donde aparece el opto transistor y permite ejecutar esa tarea sin inconvenientes. Motor DC 5V PPN7PA12C1: Se encuentra en la etapa de Actuador, siendo el principal protagonista ya que es el encargado de efectuar las vueltas que serán captadas por el opto transistor en el cual las convertirá en pulsos, generando una señal para que el circuito continúe con su proceso. Puente “H” L293D: Es un circuito electrónico integrado que generalmente es utilizado para controlar el sentido de giro de un motor, es decir permitir al motor girar en ambos sentidos usando básicamente el sentido de la corriente. Circuito Integrado NA555: Es un dispositivo electrónico comúnmente usado para el control de velocidad de un motor DC. En la implementación este circuito funciona como un PWM (modulador de ancho de pulso), el cual para poder variar la velocidad del motor hace uso de un potenciómetro. Decodificador 74HCT4511: En el sistema de control este circuito es el encargado de activar el display de 7 de segmentos ya que cuando las entradas del decodificador presentan un determinado código binario, se activan las líneas de salida y se iluminan los correspondientes segmentos para mostrar el número decimal. Contador 74HC190: La función más importante del contador en la implementación es la de contar sucesos representados por cambios de nivel o impulsos que son generados en el procedimiento por la etapa de sensado es decir, el opto transistor. Potenciómetro 100KΩ: Dispositivo utilizado para variar la velocidad de las vueltas del motor. Resistencias 180Ω, 1MΩ y 1KΩ: Usadas en la conexión del opto transistor, el dip-switch y el circuito de control de giro.
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ii)
Diseño y Funcionamiento.
En esta sección se realizará una explicación detallada y adecuada de cada una de las etapas que compone el sistema de control, resaltando el funcionamiento de cada módulo del circuito por separado y de sus fases internas, para que así sea más comprensible el desarrollo y entendimiento del mismo. Las 3 etapas generales en las que está dividido el sistema de control son: Actuador, Sensor y Control. El sistema realizado tiene una etapa adicional llamada Interfaz con el Usuario como lo podemos ver en la Fig. 1, las cuales en conjunto serán desarrolladas a continuación:
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este se realiza con un circuito integrado NA555, usando dos condensadores de 100nF conectados a los pines 2, 6 y 5 llevados al nodo común o tierra, también se utiliza un potenciómetro de 100K Ω conectado al pin 6 como se puede apreciar en la Fig. 2. El funcionamiento del 555 en este ciclo es muy similar al funcionamiento del mismo en configuración astable, con la característica adicional de que se puede modificar el ancho del pulso a la salida de 555 usando el pin 3. El propósito de este grupo de componentes es regular los tiempos de carga y descarga de condensador que está conectado a los pines 2 y 6 y así establecer el tiempo que el 555 tiene su salida en alto y en bajo, variando el potenciómetro de un extremo a otro para pasar de un motor sin movimiento a un motor a máxima velocidad, facilitando que el opto transistor de la siguiente etapa, pueda generar los pulsos.
Fig. 1 Diagrama de bloques que representa en flujo de señal del sistema de control. 1. Actuador : El diseño e implementación de
esta etapa es de gran importancia así como lo son el resto de etapas. Dentro de este ciclo, se encuentra un dispositivo realmente indispensable para el desarrollo, como lo es el motor DC. Esta sección se podría dividir internamente en dos, la fase del control de la velocidad del motor cuando efectúa las vueltas y la fase que facilita cambiar el sentido de giro del motor. Se prueba el circuito por separado para facilitar el ensamble de estos dos ciclos. Primero se implementa el ciclo de cambio de velocidad, Universidad de Nariño Ingeniería Electrónica
Fig. 2 Conexión del circuito integrado 555 mostrando número de los pines más importantes, usados para la implementación de esta fase.
A hora se continúa con la fase de cambio de sentido de giro del motor. Para ello se usó un circuito integrado L293D, mejor conocido como puente “h”, del cual se conectó los pines 3 y 6 al motor, la energización de este integrado se la hace en los pines 16 y 8 como se hace comúnmente en la mayoría de integrados con 16 pines, aunque existen algunos con una configuración distinta. El pin 1 de este
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integrado controla la activación y desactivación del motor por lo que la salida del pin 3 del 555 es decir la modificación del ancho de pulso la conectamos a este pin 1 del L293D y de esta manera completamos la implementación de esta etapa. Para mayor c o m p r e n s i ó n sFig.3 Implementación de circuito integrado L293D especificación de los pines conectados para el eycambio del sentido de giro del motor. puede ver la Fig. 3 en seguida la cual muestra el desarrollo de esta etapa. 2. Sensor : El diseño de esta etapa se lleva a
cabo usando un opto transistor siendo este el aparato primordial como ya se había
advertido.
Fig. 5 Etapa de sensado de las vueltas ejecutadas por el motor usando un opto transistor. EFig. 4 Modelo simulado en el programa lMultisim de un opto transistor teniendo en cuenta sus conexiones a tierra y su energización también las resistencias adecuadas para ocomo un óptimo funcionamiento.
p to transistor es un dispositivo óptico demasiado útil en el desarrollo del sistema, ya que gracias a su mecanismo de acción que consiste en que cuando su base recibe una señal luminosa, el transistor comienza a emitir corriente, se logra producir un pulso usando el giro del motor. En la figura 4 se puede apreciar la conexión adecuada y usada en la implementación de la etapa de sensado. Todo este funcionamiento lo podemos ajustar en nuestro circuito de la siguiente manera; Se sabe que en la etapa de Actuador se encuentra el motor DC, el cual está ejecutando un número de vueltas que serían casi imposibles de contar sin usar un sistema de sensado, por esta razón y usando la cualidad del opto transistor antes referida, se coloca en el eje del motor de forma perpendicular una banda o lazo fijo, con el fin de que corte instantáneamente la señal cuando se están sensando las vueltas, lo que nos producirá un pulso que llega a la entrada d e u n c i
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rcuito integrado 74HC14 el cual actúa como negador y desde su salida enviar el pulso hasta el contador 74CH190, quien como su nombre lo dice contará este número de pulsos o cambios de nivel generados por el número de vueltas del motor. Se puede observar la Fig. 5 la cual muestra la implementación real del circuito. 3. Control : Esta etapa inicia justo en el
momento en el cual se activa el contador 74HC190 con el pulso generado desde el sensor. Este pulso es recibido en el pin 14 “CLK ” del contador y transmitido desde los pines 3, 2, 6 y 7 hasta un decodificador BCD a 7 segmentos 74HCT4511. Para la implementación de esta etapa es muy importante tener en cuenta los pines utilizados por el contador. El pin 4 llamado “Enable” sirve para habilitar o deshabilitar
el circuito integrado, por esta razón como es activo bajo, debe estar conectado a la tierra o común del circuito. El pin 5 de este mismo integrado llamado “UP/DOWN” es el encargado de cambiar el sentido de conteo, por esta razón está conectado con el L293D y la salida del circuito de memoria. Existe otro
pin
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“PL”
el
cual
para
la
implementación fue conectado a un dipswitch con el objetivo de que el contador comience a contar desde 0. Los pines 1, 4, 15, 16 deben estar conectados a OV es decir a la tierra del circuito para una mejor implementación. Después de que el primer display es decir el de las unidades cuenta de 0 a 9, el contador genera un pulso o señal que es transmitida desde el pin 13 “RCO” la
cual será recibida por el otro contador en el pin 14 “CLK” con el fin de activar el segundo decodificador y este a su vez impulsa al segundo display para que continúe el conteo normal. Esta etapa de control aun continúa con el control DC, es decir usando los pines de salida del contador para efectuar un cambio de sentido de giro del motor en un número indicado de revoluciones, en este caso 86. En primera instancia fue necesario crear la forma en cómo se usarían esas revoluciones; tomando Universidad de Nariño Ingeniería Electrónica
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como punto de partida el hecho de que el sentido de giro y la forma de conteo cambiarían cuando en los displays se pudieran visualizar el 86 y el 00, usando esta idea, se estipulo que al momento de que el primer display mostrase el numero 6 (display encargado de mostrar las unidades), y el segundo display mostrase el numero 8(display encargado de mostrar las decenas),o que ambos displays mostrasen al mismo tiempo el número 0, será el momento que deberá ser usado; para ello se usaron las salidas provenientes del contador. Cuando estos mostraran el número 86 se tendría que 810 = 10002 y 6 10 = 01102, por tanto se busca la forma de que cuando esto ocurra se obtenga de salida el estado lógico "1" para ello se hace uso de los min-términos obteniendo así que en caso del 6 se nieguen el bit más significativo y el menos significativo multiplicándose a su vez con los bits restantes que no han sido negados, en el caso del 8 el bit más significativo sería el único que no se negase y también seria multiplicado con los bits negados, debido a que el 6 y el 8 se muestran en más de una ocasión, las salidas de estos dos números deben multiplicarse para que muestre el estado lógico "1" solamente en el número 86; en el caso de que los displays muestren el 00, todas las entradas deberán ser negadas para su respectivo display y como en el caso anterior multiplicadas entre sí para que solamente funcione en 00.
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Después de estipular la forma donde sucedería el cambio de sentido de giro y forma de conteo el siguiente inconveniente es que al llegar 86 el cambio sucede, pero en el número 85 vuelve a suceder el cambio ya que se está cambiando de estado por lo cual se encontraría en un ciclo infinito, para resolver el problema se hace uso del circuito de memoria en el cual se requieren dos estados, en el cual un estado depende del otro y no de el mismo por lo cual se usa en esta ocasión usando como estados la salida correspondiente a la representación del número 86 y la representación del número 00 que se visualizan en los displays. Finalmente una de las dos salidas del circuito de memoria seria aquella que estableciera el cambio de sentido del giro del motor y la forma de conteo que se visualiza en los contadores. La Fig. 6 muestra la conexión adecuada del circuito, para obtener los números 86 y 00 en los displays usando un conjunto de compuertas ubicadas en forma conveniente para la implementación.
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Fig. 7 Implementación de la etapa de interfaz con el usuario y la etapa de control. Se redujo el número de pines indicados por motivos de saturación de la imagen.
4. Interfaz Con El Usuario: Esta etapa tiene un
grado igual de relevancia que las anteriores. En este ciclo se trabaja con un decodificador 74HCT4511, el cual recibe en sus entradas es decir los pines 7, 1, 2 y 6 las salidas del contador. Como se sabe un decodificador lleva la señal de un sistema numérico a otro, de esta manera la señal que es recibida desde el contador, el decodificador la transmite por medio de sus salidas es decir los pines desde el 9 hasta el 15 activando el display 7 segmentos LMS-5161AS de cátodo común. En la implementación, se tiene en cuenta que los pines 3, 4 y 5 del decodificador deben estar simultáneamente conectado a tierra del circuito. El display es de cátodo común, es decir que los pines 3 y 8 se encuentran conectados a tierra. Las entradas del display vienen dadas por letras desde la
para una apropiada conexión de los circuitos integrados.
B) Resultados
Después de haber hecho una explicación detallada del diseño y del funcionamiento del sistema de control, en esta sección del informe se “a” hasta la “g” las cuales se conectan van a discutir y analizar los resultados de la siguiendo las condiciones establecidas en el práctica, tanto de forma experimental como en la datasheet. La Fig. 7 es un ejemplo claro y simulación. muestra los pines más importantes usados Universidad de Nariño Ingeniería Electrónica
Fig. 6 Diagrama de bloques de la conexión apropiada en el proceso de obtención de los números 86 y 00 para el conteo limitado de las vueltas del motor.
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En primera instancia se realizara una implementación experimental, en primera instancia, comparación cualitativa entre la simulación del se montó el circuito de memoria usando dos LED a sistema y la implementación experimental. Al igual las salidas y un dip-switch en las entradas para como lo hicimos experimentalmente la simulación poder cambiar de estado, esto nos trajo resultados fue realizada parte a parte para así poder entender satisfactorios. mejor el funcionamiento y el cableado de cada componente. En la simulación, primero se conecta A continuación, se probó el cambio de sentido un contador de la misma referencia del usado en la usando la memoria ya simulada antes, en esta etapa implementación experimental, en seguida el dispositivo encargado de esta función es el puente conectamos un decodificador pero este de distinta “h” conectado al motor DC, el cual tiene la mayor referencia 74LS48 pero que cumple con la misma parte de su conexión igual a la experimental, función y por último el display de 7 segmentos de simplemente que la energización en la simulación cátodo común. Para poder generar los cambios de se hace por separado, mientras en la experimental, nivel en el contador, se conecta en el pin 14 un se energiza todo el circuito con 5V. generador de pulso y de esta manera se puede observar como el display muestra los números del 0 Por ultimo viene el cambio del ancho de pulso al 9. Se debe tener en cuenta también el pin de con un circuito integrado 555, es decir el control de habilitación número 4 y el pin que nos permite la velocidad del motor, el cual tiene un proceso de cambiar de sentido el conteo pin número 5, tanto en conexión idéntico al experimental. Al tener la simulación y en la parte experimental. Ahora, en funcionando cada circuito por aparte se procede a la parte experimental se usa un dip-switch para ensamblar todo con los pines respectivos de cada poder mostrar los números del 0 hasta el 9, mientras integrado. En este punto se presenta un problema en la simulación el pin número 11 “PL” se debe que no se presentó en la parte experimental que fue encontrar en estado lógico “1” para que las entradas el del cambio de velocidad del motor ya que al estén deshabilitadas, en la parte experimental conectar la salida del ancho de pulso pin 3 del 555 debemos colocarlo a OV, es decir a tierra para que al pin 1 “Enable” del puente “h” en la simulación el las entradas del contador 15, 1, 10 y 9 se encuentren motor no prende, en este caso los resultados no habilitadas para conectar el ya nombrado dip- fueron los requeridos, pero por el contrario en la switch. Luego, en la simulación se intenta implementación experimental obtuvimos resultados sincronizar el segundo contado por medio del pin 13 satisfactorios en el control de la velocidad y el resto “RCO” del primer contador que transmite la señal, de fases. este proceso se realiza de manera similar en la implementación experimental. Existen puntos en los C) Conclusiones cuales la simulación y la implementación difieren, uno de ellos radica en la conexión de pines; ya que Durante la implementación del sistema de muchas veces en la simulación los circuitos control, siempre se tuvo en mente intentar integrados no cuentan con la totalidad de ellos para lograr un sistema ideal, pero en el proceso se hacer un proceso más fácil, pero esto puede traer presentan inconvenientes que no permiten problemas en la implementación ya que en la garantizar la estabilidad. conexión la mayoría de pines son importantes para Como se ha comprobado en muchas un buen desarrollo. ocasiones, el montaje experimental no siempre da los resultados esperados, lo cual En la simulación se procede establecer el demuestra el hecho que, a pesar de saber qué funcionamiento del circuito de memoria la cual es lo que se debe hacer y cuál es el objetivo cumple la función de guardar el estado proveniente que se quiere lograr, siempre se debe estar de las funciones de los números 86 y 00 las cuales atento a los problemas que se puedan al llegar a esos números debía cambiar el sentido de presentar y buscar alternativas para conteo de ascendente al llegar al número 00 a solucionarlo, tomando como partida, que un descendente al llegar al número 86. Para la
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simple cable puede cambiar todos los Queremos presentar un gran reconocimiento al Ph resultados de un experimento. D. Javier Revelo ya que gracias a su apoyo y su El hecho de que un circuito alterne entre excelente cualidad para explicar la temática, varios estados y se desee usar solamente pudimos realizar una buena práctica de laboratorio. algunos de ellos implica un problema. Un circuito de memoria permite no preocuparse de ello ya que este depende de los estados BIBLIOGRAFIA que se tienen como prioridad, proporcionando así la opción de utilizar estos según como se crea conveniente respecto al circuito que se esté montando. Thomas L. Floyd, “Fundamentos de Para facilitar una simulación y por ende una Sistemas Digitales” Séptima Edición. buena implementación, se prueba cada PEARSON EDUCATION, SA, Madrid módulo del circuito por separado y luego se 2000. acopla en un circuito completo. En el montaje del circuito encargado del Páginas Web cambio de velocidad del motor, se necesita http://www.unicrom.com/cir_control-motorespecíficamente un potenciómetro igual a dc-555.asp mayor a 100KΩ para poder ver los cambio de velocidad, un potenciómetro de menor http://electronicavm.files.wordpress.com/20 capacidad no produce un resultado 11/04/c-i-555.pdf adecuado. http://upcommons.upc.edu/pfc/?locale=es Para un sistema de control digital como el realizado en esta práctica, se debe tener en cuenta los elementos que pueden realmente influir en el funcionamiento, es decir que una buena manipulación de las variables de control, traerá como resultado que las variables de salida alcancen los valores requeridos por el sistema. Otro aspecto importante establece que se debe tener muy presente las conexiones de los circuitos integrados usando el datasheet de cada uno de ellos, para así tener un excelente resultado. Es muy importante realizar el diseño de los circuitos usando un cable a ras, es decir a nivel de la protoboard para que así sea mucho más fácil su comprensión. Antes de iniciar con la práctica de laboratorio, se debe tener muy claro el funcionamiento de cada uno de los circuitos integrados y demás dispositivos usados, para realizar un buen uso de ellos y no tener percances en el desarrollo.
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