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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica
HMR/hmr.
INGENIERIA DE EJECUCIÓN EN MECANICA
PLAN 2001
GUIA DE LABORATORIO
ASIGNATURA
15065 AUTOMATIZACIÓN
NIVEL 07
EXPERIENCIA ATM-L05
“MOTORES DE CORRIENTE CONTÍNUA Y
DRIVERS CC”
HORARIO: JUEVES: 9-10-11-12
MARTES: 9-10-11-12
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica
HMR/hmr.
MOTORES DE CORRIENTE CONTÍNUA Y DRIVERS CC
1.
OBJETIVO GENERAL
Familiarizar al alumno con los motores eléctricos corriente continua, los
servomotores cc y los drivers cc. Con la finalidad fundamental que comprenda y
pueda implementar actuadores electromecánicos basados en motores cc
totalmente controlables y con buena dinámica.
2.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
2.1
Que el alumno comprenda el principio de funcionamiento de los motores
eléctricos corriente continua, e interprete adecuadamente la relación entre
las variables eléctricas y mecánicas vinculadas al motor y a la carga
aplicada al eje del mismo.
2.2
Familiarizar al alumno con la mantención requerida por las partes
constitutivas de los motores eléctricos corriente continua.
2.3
Que el alumno comprenda las formas de controlar la velocidad y sentido de
giro de los motores cc según el tipo de motor cc a usar.
2.4
Que el alumno comprenda el principio de funcionamiento de los
amplificadores de potencia o drivers cc y la forma de controlar el nivel
energético entregado por el driver al motor cc conectado a él.
2.5
Basado en los requerimientos de un proyecto especificado por el profesor,
que el alumno pueda seleccionar los servomotor y driver cc comercial mas
adecuados.
2.6
Que el alumno se familiarice con los sistemas de medición de velocidad
angular, (tacogenerador y tacómetros digitales), y la respectiva función
dentro de un sistema controlador de velocidad.
2
3.
INTRODUCCIÓN TEÓRICA
3.1
MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA
Un motor de corriente continua está compuesto de un estator y un rotor. En
muchos motores c.c., generalmente los más pequeños, el estator está compuesto
de imanes para crear un campo magnético. En motores c.c. más grandes este
campo magnético se logra con devanados de excitación de campo.
El rotor es el dispositivo que gira en el centro del motor y está compuesto de
arrollados de cable conductores de corriente continua. Esta corriente continua es
suministrada al rotor por medio de las "escobillas" generalmente fabricadas de
carbón.
Principio de funcionamiento.
Cuando un conductor por el que fluye una corriente continua es colocado
bajo la influencia de un campo magnético, se induce sobre él (el conductor) una
fuerza que es perpendicular tanto a las líneas de campo magnético como al
sentido del flujo de la corriente. Ver la figura.
Campo
magnético
Corriente
continua
Dirección
de
la
fuerza
- Imanes: N (norte) y S (sur)
en
en
en
azul
rojo
violeta
Ver como se tiene que colocar este conductor con respecto al eje de
rotación del rotor para que exista movimiento. En este caso la corriente por el
conductor fluye introduciéndose en el gráfico.
3
Par
motor
en
azul
Fuerza
en
violeta
- Conductor con corriente entrante en el gráfico
azul
y
rojo
- Imanes: N (norte) y S (sur)
Pero en el rotor de un motor cc no hay solamente un conductor sino
muchos. Si se incluye otro conductor exactamente al otro lado del rotor y con la
corriente fluyendo en el mismo sentido, el motor no girará pues las dos fuerzas
ejercidas para el giro del motor se cancelan.
Par
motor
en
azul
Fuerza
en
violeta
- Conductor con corriente entrante en el gráfico
azul
y
rojo
- Imanes: N (norte) y S (sur)
Es por esta razón que las corrientes que circulan por conductores opuestos
deben tener sentidos de circulación opuestos. Si se hace lo anterior el motor girará
por la suma de la fuerza ejercida en los dos conductores.
Para controlar el sentido del flujo de la corriente en los conductores se usa
un conmutador que realiza la inversión del sentido de la corriente cuando el
conductor pasa por la línea muerta del campo magnético.
La fuerza con la que el motor gira (el par motor) es proporcional a la
corriente que hay por los conductores. A mayor tensión, mayor corriente y mayor
par motor.
Fuerza contraelectromotriz de un motor cc
Cuando un motor de corriente continua es alimentado, el voltaje de
alimentación se divide entre la caída que hay por la resistencia de los arrollados
del motor y una tensión denominada fuerza electromotriz (FCEM). Ver el siguiente
diagrama.
- Vm = tensión de entrada al motor (voltios)
- Ra = resistencia del devanado de excitación
(ohmios)
- Ia = corriente de excitación (amperios / amperes)
- Vb = FCEM debido al giro del motor (voltios)
4
Aplicando la ley de tensiones de Kirchoff:
Vm = Vb + (Ia x Ra) o Vb = Vm - (Ia x Ra)
Nota: Observar de la última ecuación que cuando sube el valor de la corriente de
armadura “Ia”, disminuye el Valor de Vb.
La FCEM es proporcional a la velocidad del motor y a la intensidad del
campo magnético. Si el motor tiene rotor con imán permanente, esta constante es:
K = Vb / Nd.
Donde:
- K = constante de FCEM del motor y se expresa en Voltios / rpm.
- Nd = Velocidad de giro del motor en rpm
Nota: rpm = revoluciones por minuto
Debido a que la velocidad de rotación controla el flujo de la corriente en el
rotor, deben usarse actuadores o drivers CC para comandar los motores de
corriente continua. La velocidad a la que funciona un motor depende de la
intensidad del campo magnético que actúa sobre el rotor, de la corriente de ésta y
del par aplicado al eje del motor, además de las ecuaciones eléctrica y mecánica.
5
3.2
Servomotores
Estos motores poseen la menor constante mecánica de tiempo, (menor
tiempo de respuesta). Teniendo en cuenta que “m = Ra · J / KT · KE”, se puede
apreciar que para obtener pequeños valores de “m”, se deben tener bajos
valores de resistencia de armadura y de inercia, o altos valores de constantes de
par y fuerza electromotriz. En la figura de la izquierda se puede apreciar un corte
del motor perpendicular a su eje, donde se observa el inducido como un cuerpo
negro hueco. Por su parte, la figura de la derecha muestra una vista en
perspectiva de un servomotor de este tipo ya montado y con un taco generador
acoplado.
3.3
Control de Sentido de giro para motores-cc
Existen varias formas de lograr que estos motores inviertan su sentido de
giro, una es utilizando una fuente simétrica o dos fuentes de alimentación con un
interruptor simple de dos contactos y, otra es utilizar una fuente común con un
interruptor doble, es decir uno de 4 contactos, en todos los casos es bueno
conectar también un capacitor en paralelo entre los bornes del motor, éste para
amortiguar la inducción que generan las bobinas internas del motor.
Con Fuente Simétrica o Doble Fuente
Con una Fuente Simple
6
Lo ideal es disponer de un circuito basado en componentes de estado
sólido, quitando los relés y haciendo uso de transistores, estos últimos conectados
en
modo
corte
y
saturación,
así
actúan
como
interruptores.
En este caso será necesario el uso de dos transistores complementarios, es decir
uno PNP y otro NPN, de este modo sólo es necesario un terminal de control, el
cual puede tomar valores lógicos "0" y "1", el esquema de conexiones es el que
sigue
Si se desea utilizar una fuente de alimentación simple, se puede implementar un
circuito del siguiente modo.
7
Estos circuitos, son conocidos como puente en H o H-Bridge, en realidad son más
complejos de lo que describí aquí, pero esta es la base del funcionamiento de los
Drivers
para
motores.
Ahora bien, estos Driver's, son circuitos integrados que ya traen todo incorporado,
lo cual facilita el diseño de los circuitos, tales como el UCN5804, el BA6286, el
L293B, L297, L298 o con el ULN2803 o el ULN2003, estos dos últimos son arrays
de transistores.
3.4
Drivers Para Motores c.c.
Entre los Drivers mencionados anteriormente, el más conocido es el L293B. Se
trata de un Driver para motores de 4 canales, cada canal es capaz de entregar
hasta 1A de corriente.
8
Posee una entrada de alimentación independiente que alimenta los 4 Drivers, es
decir la que requieren los motores.
El control de los Drivers es compatible con señales TTL, es decir con 5 voltios.
Cada uno de los 4 Drivers, puede ser activado de forma independiente (por su
terminal de entrada), o habilitado de dos en dos con un sólo terminal (Enable).
Aquí una imagen del integrado y su tabla de verdad.
En esta tabla de Verdad la entrada EN1-2 habilita dos de los canales de este
integrado, cuando se encuentra a nivel H (alto), de tal modo que la salida OUTn
tomará
el
valor
de
la
entrada
INn.
Por otro lado OUTn quedará en alta impedancia (X) si el terminal EN1-2 se
encuentra a nivel bajo (L), es decir que en este caso, ya no tiene importancia el
valor de INn, y por lo tanto OUTn quedará totalmente libre.
Cave destacar que VS y VSS son los pines de alimentación, VS para los 4 Drivers,
que según el Datasheet puede tomar valores desde VSS hasta 36V, y VSS es el
terminal
de
alimentación
TTL,
sería
+VCC
Aplicación para el control de Motores-CC.
Hay dos posibilidades de control, una es controlar los motores en un sólo sentido
de giro, es decir, hacer que gire o detenerlo, en este caso tienes posibilidad de
controlar hasta 4 motores.
9
Finalmente, la forma de control es como se ve en la siguiente tabla.
+Vcc es el terminal de alimentación compatible con la señal de control A y B, o
sea +5V, Vs tiene los niveles de tensión requeridos por el motor (12, 15, 20, hasta
36v).
D1 y D2, son los capacitores incorporados para proteger al integrado de las
tensiones generadas por la inducción de las bobinas del motor.
Se puede observar que un motor (M1) esta unido a +Vs, mientras que el otro (M2)
esta a GND, puedes utilizar cualquiera de las dos configuraciones. La forma de
conexión seria como sigue.
10
Y la tabla de verdad de este circuito queda así.
Esta tabla indica claramente como se controla el motor, en un sentido o en otro,
detenerlo o dejarlo libre, esto último de dejarlo libre, se refiere a que cualquier
señal en los terminales de control A, B, C y D no tendrán efecto alguno sobre el
motor,
es
decir
que
ha
quedado
liberado
totalmente.
3.5
Control de Velocidad de Motores cc.
Modulación por Ancho de Pulso (PWM):
Control de velocidad por Modulación de Ancho de Pulso, conocido como
PWM, básicamente consiste en enviar un tren de pulsos a los terminales de
control, los cuales varían en mayor o menor medida el tiempo en que se mantiene
el nivel alto de esos pulsos, manteniendo la frecuencia constante,
11
Con esta forma de control,, la cantidad de corriente sigue siendo la misma, la
tensión no varía y en consecuencia el torque del motor se mantiene, que es
justamente
lo
que
se
busca.
Un circuito de ejemplo es el siguiente.
Reemplazando R1 por un potenciómetro, se puede controlar los tiempos de los
niveles
de
salida.
Modulación por Frecuencia de Pulsos (PFM)
Se trata de eso mismo, variar la frecuencia de pulsos en los terminales de control,
lo cual se puede lograr fácilmente con un circuito estable, que bien podría ser un
555, y utilizar un potenciómetro para variar la frecuencia de los pulsos.
12
Para las máquinas de corriente continua se define una velocidad base, que
corresponde a una condición de funcionamiento en la cual la máquina entrega
potencia y par nominales.
El modo más simple de regular la velocidad de un motor es variando la tensión de
armadura debido a que la velocidad de un motor de corriente continua es
directamente proporcional a ella.
Aumentando la tensión de armadura y manteniendo el flujo, la velocidad del motor
puede incrementarse continuamente desde el reposo hasta alcanzar la velocidad
base. En particular la alimentación mediante convertidores a tiristores, permite
satisfacer varios requerimientos de regulación, como ser:
Operar como motor en un solo sentido de rotación, o como freno (girando en
sentido contrario). Se requiere un simple convertidor, cuya tensión de salida
permite la circulación de corriente en un solo sentido.
4.
METODO A SEGUIR:
4.1 Reconocer los componentes constitutivos de los motores eléctricos corriente
continua, disponibles en el laboratorio, y se comentan los elementos más
propensos a fallas; se identifican las características de acuerdo a la
información disponible en catálogos o en la propia placa de los motores.
4.2 Usando una fuente de voltaje regulable, se energiza el motor cc con
tacogenerador incorporado y carga mecánica ajustable aplicada al eje del
motor, y se somete a ensayos midiendo: Torque, velocidad, voltaje del
tacogerenador, corriente de armadura, voltaje de alimentación del motor, etc.
4.3 Relacionar las variables medidas con el modelo matemático del motor cc y
determinar el valor de las constantes o propiedades del motor cc.
4.4 El profesor define los requerimientos operacionales del sistema formado por
el driver cc y el motor cc más su carga aplicada al eje del mismo; para que
los alumnos propongan los circuitos de potencia y de comando requeridos
para implementar un sistema electromecánico con control de velocidad.
4.6 El profesor revisa los circuitos propuestos, (haciendo las correcciones
correspondientes), para luego ser implementados por los alumnos y asistidos
por el profesor.
13
4.7 Se energiza el sistema y los alumnos realizan los ensayos definidos por el
profesor, tomando datos y evaluando la calidad del control de velocidad
resultante.
5.-
VARIABLES A CONSIDERAR
5.1. Al ser accionado el motor cc mediante la fuente de voltaje ajustable, medir el
consumo de potencia eléctrica del motor a la partida y a plena carga, y
evaluar el comportamiento dinámico en el eje del motor al encenderlo y
apagarlo.
5.3. Al ser accionado el motor cc formando parte de un sistema controlador de
velocidad, cuantificar el consumo de corriente del motor en el tiempo,
(medición dinámica), al momento de la partida, de detención y de inversión
del sentido de giro.
6.-
TEMAS DE INTERROGACIÓN
6.1. Tipos de motores eléctricos de corriente continua y sus características
funcionales fundamentales.
6.2. Formas de controlar los motores eléctricos cc.
6.3 Diferencia entre motores cc y servomotores cc.
6.4. Criterios de selección de los componentes constitutivos de un sistema
electromecánico, (basado en motores cc), para tener bajo control la
velocidad.
6.5. Circuitos de potencia y de comando del sistema controlador de velocidad y el
diagrama de bloques correspondiente.
6.6 Función transferencia de sistema ya citado, y efectos de la parametrización
del controlador de velocidad, (filtro de control de velocidad).
14
7.-
EQUIPOS E INSTRUMENTOS A UTILIZAR
7.1 Motores y servomotores de corriente continua con y sin tacogenerador
incorporado.
7.2 Amplificadores de potencia CC o drivers cc.
7.3 Osciloscopio.
7.4 Tres multitesters.
7.5 Fuente de voltaje cc y corriente ajustable.
7.6 Fuentes en 5vcc, 12vcc, -12vcc
7.7 Tacómetro
7.8 Amplificadores operacionales, transistores, optotransistores, diodos,
resistencias, fusibles, tarjetas de prueba, etc.
7.9 Otros elementos, (botones push-button, selectores, botón de emergencia,
luces piloto, cables, regletas, herramientas para hacer conexiones eléctricas,
material fungible, etc.).
8.
LO QUE SE PIDE EN EL INFORME:
8.1 Las características técnicas de los elementos y subsistemas empleados en el
laboratorio.
8.2 Especificar técnicamente la funcionalidad de los elementos empleados en el
desarrollo del laboratorio.
8.3. Redactar técnicamente el requerimiento de accionamiento electromecánico
con control de velocidad, especificado por el profesor en el laboratorio.
8.4 El diagrama físico y de alambrado de los circuitos de potencia y de control, y
la parametrización del filtro de control de velocidad usado en el laboratorio.
8.5 Seleccionar los elementos pertenecientes a los circuitos de potencia y de
comando existentes en el mercado para ser empleados en una aplicación
especificada por el profesor.
8.6. Un análisis de los resultados de los ensayos estáticos y dinámicos,
comentarios y conclusiones personales.
8.7. La referencia bibliográfica.
8.8 El apéndice con:
a.1.
Características técnicas de los componentes empleados.
a.2.
Alternativas comerciales de: Motores corriente continua, drivers cc,
15
tacogeneradores, ENCODERS y controladores de velocidad y
posición.
a.3.
Desarrollo de los cálculos.
a.4.
Presentación de resultados.
a.5.
Gráficos.
9.-
BIBLIOGRAFÍA
9.1
9.2
Apuntes de cátedra de la asignatura de Automatización (15065). Héctor
Muñoz R. DIMEC-USACH.
Catalogo de motores cc y drives cc,
9.3
Guías e informes de los laboratorios anteriores.
Sitios web:



http://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza_electromotriz
http://www.unicrom.com/Tut_MotorCC.asp
http://automatica.li2.uchile.cl/exp/motor_cc.htm
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