LABORATORIO Nº2 CONTROL DE VELOCIDAD Y GIRO DIGITAL DE UN MOTOR C.C
1.- Objetivos.El objetivo de este laboratorio es el de controlar la velocidad con la que gira un motor de corriente continua mediante la técnica de Modulación por Ancho de Pulso (PWM: Pulse Width Modulation ) y además controlar el sentido de giro del motor a través de un (microcontrolador, microprocesador, Arduino)
2.-Marco Teórico.-
PWM en Arduino
Modulación de ancho de pulso o PWM, es una técnica para obtener resultados análog os con medios digitales. Control digital se utiliza para crear una onda cuadrada, una señal de conmutación entre encendido y apagado. Este patrón de encendido y apagado puede simular tensiones en el medio completo en (5 voltios) y desactivación (0 voltios) cambiando la parte de las veces la señal pasa en comparación con el tiempo que la señal pasa fuera. La duración del "tiempo" se llama el ancho de pulso. Para conseguir variando los valores analógicos, se cambia, o modular, que el ancho de pulso.
En el siguiente gráfico, las líneas verdes representan un período de tiempo regular. Esta duración o período es la inversa de la frecuencia PWM. En otras palabras, con frecuencia PWM del Arduino a aproximadamente 500 Hz, las líneas verdes medirían 2 milisegundos cada uno. Una llamada a analogWrite () es en una escala de 0 - 255, de tal manera que analogWrite (255) solicita un ciclo de trabajo del 100% (siempre encendido), y analogWrite (127) es un ciclo de trabajo del 50% (la mitad del tiempo) para ejemplo.
3.-Desarrollo.Señal PWM con Arduino UNO La modulación por ancho de pulsos más conocida como PWM, es una técnica mediante la cual se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica, esta modificación se puede hacer para controlar la cantidad de energía que le va a ser entregada a una carga o para comunicación.
Esta señal PWM por lo general es producida por un circuito digital como por ejemplo un microcontrolador, dicho circuito genera una señal cuadrada a la que le puede variar el ciclo útil y con lo cual emular una señal análoga de diferentes amplitudes de voltaje con la cual controlar la carga que desee, algunas de las aplicaciones en las que más se usa el PWM es el control de velocidad de motores o el control de intensidad de brillo de un bombillo.
El ciclo útil o ciclo de trabajo de la señal viene determinado por los tiempos que dura en estado alto la señal cuadrada, respecto al periodo de la señal.
Donde: D= Ciclo útil o ciclo de trabajo t1= Tiempo que la señal dura en valor alto (en un periodo) T= Periodo de la señal
(Señal PWM generada por Arduino con ciclo util del 50%)
El resultado de ese ciclo útil es un valor de porcentaje que representará el porcentaje del valor máximo de la señal que le será entregado a la carga que se quiere controlar. Por ejemplo si se tiene un ciclo útil del 50% y un valor máximo de señal de 5 voltios, el valor análogo emulado es de 2,5 voltios.
Arduino cuenta con la posibilidad de generar señales PWM, la cantidad ue puede generar depende de la tarjeta que se esté utilizando, por ejemplo la tarjeta Arduino UNO puede generar hasta 6 señales PWM (Pines 3, 5, 6, 9, 10, 11)
El comando utilizado para generar dicha señal PWM es el comando analogWrite(pin, valor) donde pin representa el terminal en el cual se va a generar la señal y valor representa el valor de ciclo útil que se le quiere asignar al PWM. Los PWM de Arduino tienen una resolución de 8 bits, ósea que puede representar 256 valores (0 a 255), estos valores entre 0 y 255 son los que acepta el comando analogWrite en el parámetro de valor para especificar el ciclo útil, lo que quiere decir que si se quiere ajustar un ciclo útil del 100% se deberá colocar 255 en el espacio del parámetro que antes indicamos comovalor.
En la línea de código anterior se está configurando una señal PWM que va a ser generada por el pin 13 del Arduino y que va a tener un ciclo útil de 49.8%, se puede calcular de forma sencilla el ciclo útil del PWM o el valor que se debe colocar en la instrucción analogWrite mediante una sencilla regla de 3, teniendo en cuenta que un ciclo útil del 100% debe ser representado como un 255 dentro del comando analogWrite.
Es importante tener claro ya que es algo que suele confundir a quienes están comenzando en electrónica, que aunque la traducción literal del comando analogWrite sea “Escritura análoga”, en ningún momento se está generando una señal análoga por el arduino, la señal PWM que se genera es una señal de tipo digital que puede emular de cierta forma a una señal análoga sin llegar a serlo.
Una de las formas de hacer control de velocidad de motores o de luminosidad de bombillos por medio de un PWM es utilizar como valor de referencia del ciclo útil del PWM un valor de entrada análogo, con el cual dependiendo de ese valor de entrada se pueda variar el ciclo útil del PWM.
Hay que tener en cuenta que si se va a utilizar una lectura de un canal análogo del Arduino como medio de control del ciclo útil del PWM, que ambos dispositivos (ADC y PWM) trabajan con resoluciones diferentes, mientras el convertidor análogo a digital del arduino trabaja por defecto con una resolución de 10 bits (1024 valores), el PWM de Arduino trabaja con una resolución de 8 bits (256 valores), por lo cual es necesario implementar alguna estrategia para que los valores del ADC de 10 bits puedan ser utilizados para controlar el ciclo útil del PWM de 8 bits. Para el caso específic o del código anterior se optó por usar la función:
MAP (variable, a, b, c, d) a=Valor mínimo de la variable b=Valor máximo de la variable c=Valor mínimo que deseamos obtener d=Valor máximo que deseamos obtener
Con esta función podemos calcular una regla de tres. Podemos transformar el rango leído de desde una entrada analógica (0-1023) a un valor de una salida pwm (0-255) o a cualquier valor que deseemos obtener.
Almacenamos el valor del potenciómetro en la variable valorpot=analogRead(2); //Como la entrada analógica del Arduino es de 10 bits, el rango va de 0 a 1023.//En cambio, la salidas del Arduino son de 8 bits, quiere decir, rango entre 0 a 255. //Por esta razón tenemos que mapear el número de un rango a otro usando este código. pwm1 = map(valorpot, 0, 1023, 0, 255);
analogRead () Descripción Lee el valor del pin analógico especificado. La placa Arduino contiene un canal 6 (8 canales en el Mini y Nano, 16 en el Mega), análogo de 10-bit al convertidor digital. Esto significa que mapeará tensiones de entrada entre 0 y 5 voltios en valores enteros entre 0 y 1023. Esto produce una resolución entre las lecturas de: 5 voltios / 1024 unidades o, .0049 voltios (4,9 mV) por unidad. El intervalo de entrada y la resolución se pueden cambiar usando analogReference ().
Se tarda aproximadamente 100 microsegundos (0.0001 s) para leer una entrada analógica, por lo que la velocidad de lectura máxima es de alrededor de 10.000 veces por segundo.
analogWrite () Descripción Escribe un valor analógico ( onda PWM ) a un pin. Puede ser utilizado para encender un LED a diferentes brillos o conducir un motor a diferentes velocidades. Después de una llamada a analogWrite () , el pin generará una onda cuadrada constante del ciclo de trabajo especificado hasta la siguiente llamada a analogWrite () (o una llamada a digitalRead () o digitalWrite () en el mismo pin). La frecuencia de la señal PWM en la mayoría de los pines es de aproximadamente 490 Hz. En las placas Uno y similares.
El analogWrite función tiene nada que ver con los pines analógicos o la analogRead función. Sintaxis analogWrite (pin, valor) parámetros pin: el pin a escribir .valor : el ciclo de trabajo: entre 0 (siempre apagado) y 255 (siempre encendido).
Control de dirección de giro mediante el Puente H L293B
El integrado L293D incluye cuatro circuitos para manejar cargas de potencia media, en especial pequeños motores y cargas inductivas, con la capacidad de controlar corriente hasta 600 mA en cada circuito y una tensión entre 4,5 V a 36 V. Los
circuitos
individuales
se
pueden
usar
de
manera
independiente para controlar cargas de todo tipo y, en el caso de ser motores, manejar un único sentido de giro. Pero además, cualquiera de estos cuatro circuitos sirve para configurar la mitad de un puente H. El integrado permite formar, entonces, dos puentes H completos, con los que se puede realizar el manejo de dos motores. En este caso el manejo será bidireccional, con frenado rápido y con posibilidad de implementar fácilmente el control de velocidad.
Como controlar el giro del Motor
Un motor de continua determina su dirección de giro en función de la tensión entre sus terminales, es decir si conectamos el terminal 1 del motor al Positivo de la fuente y el terminal 2 del motor al Negativo de la fuente, obtendremos un sentido de giro determinado, si lo conectamos en forma opuesta obtendremos el sentido de giro contrario. Para lograr este cambio controlado de polaridad nos apoyamos en un circuito integrado conocido como Puente H(es una disposición circuital de transistores y diodos que nos permite controlar la polaridad de dos terminales de salida en función de unas entradas lógicas ), como caso particular hablare del Puente H L293D.
Diagrama de conexión del puente H L293D
Este solo integrado nos permite controlar dos motores en simultaneo. los terminales del Motor M1 conectados a los Pines 3 y 6 y los terminales del motor M2 a los terminales 11 y 14, como se ilustra en la figura. El pin 16 corresponde a la alimentación propia del integrado, 5V, el Pin 16 deberá estar conectado a la tensión que alimentara los motores, puede variar en el rango de (5 a 36) V. Es importante tener en cuenta que este integrado se alimenta con dos niveles de tensión diferente, uno corresponde a la alimentación propia de integrado, que no debe ser superior a 7V ( VCC1) y otra es la tensión con la que alimentaremos los motores, pudiendo en este último hacerlo con hasta 36V(VCC2).
El
movimiento
de
giro
corresponderá
a
la
siguiente
tabla
de
verdad
Colocando Niveles Altos y bajos en los Pines 2 y 7 Logramos controlar la tensión de salida de los terminales 3 y 6.
Las salidas tienen un diseño que permite el manejo directo de cargas inductivas tales como relés, solenoides, motores de corriente continua y motores por pasos, ya que incorpora internamente los diodos de protección de contracorriente para cargas inductivas. Las entradas son compatibles con niveles de lógica TTL. Para lograr esto, incluso cuando se manejen motores de voltajes no compatibles con los niveles T TL, el chip tiene patas de alimentación separadas para la lógica (VCC1, que debe ser de 5V) y para la alimentación de la carga (VCC2, que puede ser entre 4,5V y 36V). Las salidas poseen un circuito de manejo en configuración "totem-pole" (término en inglés que se traduce como "poste de tótem", nombre que, gráficamente, nos remite a un "apilamiento" de transistores, como las figuras en los famosos totems indígenas).
En esta estructura, unos transistores en configuración Darlington conducen la pata de salida a tierra y otro par de transistores en conexión seudo Darlington aporta la corriente de alimentación desde VCC2. Las salidas tienen diodos incorporados en el interior del chip para proteger al circuito de manejo de potencia de las contracorrientes de una carga inductiva.
4.- Programación
5.- Materiales
Arduino UNO
Transistor BC548
Juego de Cables
Protoboard
Motor DC
L293D
DIPSwich
Resistencia 4.7k
6.- Circuito
7.- Conclusión Luego de realizar la programación del arduino y la implementación del circuito y se pudo controlar la la velocidad del motor de corriente continua y la posibilidad de inversión de giro del mismo.
