UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
Laboratorio de Diseño de Sistemas Mecatrónicos
Practica #4 Control de Servomotores
M.C. Dante Ferreyra Mendez Emmanuel Pablo García Muñoz 1594897 Jueves: V4 Brigada: 415 Oscar Eduardo Medellin Cuellar 1598578 Miercoles: V5 Brigada: Brigada: 306 3 06
Ciudad Universitaria San Nicolás de los Garza N.L. a 12 de abril del 2017
ÍNDICE Contenido Marco Teórico ............................................................................................................................................. 3 Funcionamiento ...................................................................................................................................... 4 Introducción ................................................................................................................................................ 5 Procedimiento.............................................................................................................................................
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Experimentación y Reporte ........................................................................................................................ 7 Bibliografía .................................................................................................................................................. 9 Conclusiones ............................................................................................................................................... 8
Control de Servomotores Una vez que el estudiante ha aprendido a utilizar el entorno de LabView, debe estar preparado para crear un sistema mecatrónico elemental. El desarrollo de algunas habilidades de pensamiento crítico y creatividad es fundamental y deben lograr ser puestas en práctica. Además es necesario para ello poder entender el uso de cada parte del sistema; es decir hardware (sistema mecánico), software PC (sistema computo) y componentes eléctricos para poder llevar a cabo la práctica de laboratorio. Esta práctica corresponde al primer acercamiento de los estudiantes con un sistema mecatronico. Se usar a LabView para crear un instrumento virtual VI, el cual control de el movimiento de un sevo- motor simple. Este ejercicio tiene aplicaciones diversas en muchas disciplinas que permitir ‘a al estudiante entender y aprender sobre un dispositivo de control ampliamente usado en equipo industrial. El equipo necesario consiste de la computadora con LabView, tarjeta de adquisición, servomotor, cables y conectores. Marco Teórico Un servomotor es un motor eléctrico que consta con la capacidad de ser controlado, tanto en velocidad como en posición. Un servomecanismo es un actuador mecánico —generalmente un motor, aunque no exclusivamente—, que posee los suficientes elementos de control como para que se puedan monitorizar los parámetros de su actuación mecánica, como su posición, velocidad, torque, etc. Un Servo es un dispositivo pequeño que tiene un eje de rendimiento controlado. Este puede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Con tal de que una señal codificada exista en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje. Cuando la señala codificada cambia, la posición angular de los piñones cambia. En la práctica, se usan servos para posicionar superficies de control como el movimiento de palancas, pequeños ascensores y timones. Ellos también se usan en radio control, títeres, y por supuesto, en robots. Los Servos son sumamente útiles en robótica. Los motores son pequeños, tiene internamente una circuitería de control interna y es sumamente poderoso para su tamaño. Un servo normal o Standard como el HS-300 de Hitec tiene 42 onzas por pulgada o mejor 3kg por cm. De torque que es bastante fuerte para su tamaño. También potencia proporcional para cargas mecánicas. Un servo, por consiguiente, no consume mucha energía. Se muestra la composición interna de un servo motor en el cuadro de abajo. Podrá observar la circuitería de control, el motor, un juego de piñones, y la caja. También puede ver los 3
alambres de conexión externa. Uno es para alimentación Vcc (+5volts), conexión a tierra GND y el alambre blanco es el alambre de control. Funcionamiento El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro (una resistencia variable) esta es conectada al eje central del servo motor. En la figura se puede observar al lado derecho del circuito. Este potenciómetro permite a l a circuitería de control, supervisar el ángulo actual del servo motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuito chequea que el ángulo no es el correcto, el motor girará en la dirección adecuada hasta llegar al ángulo correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero varía según el fabricante. Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180. La cantidad de voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que éste necesita viajar. Así, si el eje necesita regresar una distancia grande, el motor regresará a toda velocidad. Si este necesita regresar sólo una pequeña cantidad, el motor correrá a una velocidad más lenta. A esto se le llama control proporcional. ¿Qué convierte un motor en servomotor? O mejor dicho ¿por qué se considera que algunos motores son servomotores y otros no? La respuesta no es demasiado complicada: un servomotor tiene integrado o adosado al menos un detector que permita conocer su posicionamiento y/o velocidad. A los detectores de posición se les llama "encoders". Aclarado esto, pasaré a esos servos a los que se refieren en los sitios que dije antes. Hablo de los servos para radiocontrol de modelos, como los de marca Futaba, Hitec, etc. Se trata de elementos para control de posición de alerones, timón, dirección (en autos), alimentación de combustible, etc, para modelos a escala, que se han vuelto populares en robótica porque entre los disponibles en el comercio hay algunos bastante económicos, lo que los hace de más fácil acceso cuando se trata de la construcción de proyectos personales de robótica y automatización casera.
Introducción El objetivo de este laboratorio es combinar sistemas mecánicos, eléctricos y el uso de la computadora con la finalidad de construir un sistema mecatrónico simple. Se construirá un instrumento virtual para controlar un servomotor, usado comúnmente como dispositivo de hardware industrial. Entre las habilidades a desarrollar por parte del alumno están la creatividad para usar LABVIEW con el fin de realizar diferentes tareas de aplicación. En esta práctica, cada estudiante deberá entender la forma de usar LABVIEW para controlar el servomotor y observar que existen distintas formas de efectuarlo. Un servomotor es básicamente un de motor de corriente directa, el cual tiene la capacidad de ubicar la posición de su eje en cualquier posición angular dentro de cierto rango de operación. Generalmente consiste de un mecanismo que mueve un eje de salida, mediante un arreglo de circuitos de conexión y engranes. El control de un servomotor se describe mediante una señal cuadrada de voltaje la cual indica la posición angular del eje. El ángulo de ubicación del motor depende de la duración de la señal en el nivel encendido. Su alimentación está dada por tres cables los que se utilizan para energizar y controlar el servomotor, con los cuales se proporciona el voltaje de energización y tierra, además del cable donde se da la entrada de control. La posición y el movimiento del eje de salida se realiza por un proceso llamado PCM (pulse code modulation) modulación por impulsos codificados. Este proceso se refiere a mandar pulsos de cierta longitud correspondientes a las posiciones angulares del eje de salida. Los servomotores se utilizan frecuentemente en sistemas de radiocontrol y en robótica, pero su uso no está limitado a estas aplicaciones.
Procedimiento Para realizar la práctica, se sugiere al alumno seguir los siguientes pasos:
En el panel frontal coloque un botón o switch de encendido para el instrumento virtual del servomotor mediante un control 0/1. Coloque un instrumento de medición en el panel frontal que muestre los datos del instrumento virtual. Este servirá como interfaz de comunicación con el servomotor por medio de la modulación por pulsos codificados. Coloque un graficador de señal en el panel frontal. Este elemento se usará para observar los pulsos que son enviados al servomotor. En el diagrama de bloques, mostrado en la figura 4.1, coloque un ciclo while con la finalidad de repetir la acción a realizar un cierto número de veces, dentro del cual se colocarán los demás elementos o bloques del sistema. Coloque un bloque de señal de onda cuadrada dentro del ciclo while. La frecuencia y amplitud de la señal de onda cuadrada deben ser constantes. Estas además de la frecuencia de muestreo se proporcionan como entradas por medio de bloques de entrada constantes. Es importante resaltar que el valor de la frecuencia correspondiente a la posición del eje depende del motor. Por lo tanto, debe ser considerada de antemano para efectuar la operación necesaria. También conecte el instrumento de medición que muestra los datos a la terminal del ciclo de operación. Coloque un elemento que envíe la salida hacia un puerto digital en el diagrama a bloques. Conecte la terminal de salida de la señal cuadrada a la terminal de entrada de forma de onda del puerto digital. Ejecute el programa y realice pruebas del movimiento del servomotor. Cambie la frecuencia y el ciclo de operación y observe como dichos parámetros afectan el movimiento y posición del eje de salida del servomotor.
Diagrama de Bloques
Interfaz Gráfica – Panel Frontal
Experimentación y Reporte Incluya una sección en la que se describan con detalle los pasos efectuados para realizar esta práctica. Escriba sus anotaciones en una lista enumerando las dificultades que tuvo para completar el procedimiento. Para verificar o validar el funcionamiento del código grafico del instrumento virtual, haga pruebas con datos específicos y compare a las hojas de especificación de datos.
Posteriormente se implementó el diagrama de bloques mostrado en la figura 5.2. Para el armado de dicho diagrama, se utilizó un generador de onda cuadrada, ya que la señal que ingresará al servomotor tiene que ser una onda de este tipo, con un intervalo de 0 a 5 V y con una variación en el ciclo de trabajo, además aparecerán los controles de Waveform Graph y Knoob. También es necesario agregar el DAQ ASSISTANT para la generación de la señal.
Una vez implementado el diagrama de bloques mostrado en la figura 5.2, se procederá a realizar la conexión del servomotor. Para esto se conectará Vcc en 5 V, GND y el puerto DAC0 como se muestra en la figura 5.3. Es necesario verificar que los puertos usados sean salidas analógicas, ya que es muy distinta la función de una salida analógica de una salida digital.
Al correr el programa, y variar el ciclo de trabajo en la gráfica mostrada, se logró observar el comportamiento de los pulsos. Entre más grande es el ciclo de trabajo, más ancho será el pulso activo. También fue posible observar que, al incrementar el ancho de pulso, el servomotor avanza y, al disminuir el ciclo de trabajo, el servomotor regresa a su posición inicial. Responda como se relaciona un cambio en frecuencia o en el valor del ciclo de operación a la modulación por pulsos codificados. Mencione algunas de las observaciones que tuvo al realizar las pruebas, así como los detalles específicos del comportamiento del motor, i.e. movimiento del eje, posiciones de inicio y finalización. El rango de operación dentro del ciclo de trabajo es de 1 a 3 ms, ya que en la posición 0° corresponde a 1 ms de ancho de pulso de 30 ms y 180° corresponde a 3 ms de ancho de una onda de 30 ms, por lo cual el ciclo de trabajo no varía en mucho, pues tiene un rango pequeño de operación. Conclusiones Se tiene que analizar el datasheet del motor, ya que es posible que el servomotor soporte cierto rangos normalmente, ya que a partir de ciertos rangos comienza a tener vibraciones, llegando a los datos de que el rango de frecuencia utilizado es de 50 Hz y el rango de funcionamiento es de 1ms a 3ms.
Bibliografía -
http://robots-argentina.com.ar/MotorServo_basico.htm