Control Motor DC Con PWM

7/21/2019 Control Motor DC Con PWM

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1INSTITUTO TECNOLGICO DE QUERTARO.

Departamento de Ingeniera Mecatrnica

Robes Robles Mario [11140389]

Profesor: Castellanos Galindo Joaqun

Marzo 13 de 2015

Sntesis.

Los motores son una herramientafundamental para realizar procesosindustriales, como el transportar unproducto de una estacin a otra, se uti li zantambin en proyectos de robti ca,mecatrni ca, entre otros. En este trabajo seimplementa el control simple de un motor

DC (variacin de potencia) mediante unaseal PWM (modul acin de ancho de pulso)proveni ente de un microcontrolador.

I. OBJETIVOS

Construir un sistema microcrontrolado, para variar

la potencia de un motor de corriente directa.

a)

Comprender los conceptos de potencia,

torque, funcionamiento y construccin del

motor DC.

b) Comprender y aplicar los fundamentos de la

modulacin de ancho de pulso y su aplicacin

en el control de motores.

c) Aplicar conocimientos sobre transistores de

unin bipolar y diodos para el manejo

adecuado de la corriente del motor DC.

II. INTRODUCCIN TERICA.

El principal medio para transformar la energa

elctrica en energa mecnica es el motor elctrico.

Los motores elctricos se fabrican con distintas

capacidades de potencia, desde fraccionarias en bajo

voltaje, hasta potencias en alta tensin, en corriente

alterna y corriente directa. Esta fuerza mecnica

rotatoria es descrita mediante el par, que es una

tendencia de un acoplamiento mecnico a producir

giro.

1 M otores DC:

Los motores DC se han utilizado desde hace

tiempo en las aplicaciones industriales, debido a que

producen un control muy preciso de velocidad,

pueden ser usados en transportadores, elevadores,

extrusoras, manejo de materiales, y muchas ms.

Electrnica de Potencia Aplicada


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De los componentes del motor DC es importante

entender las caractersticas elctricas de los

bobinados del campo principal, conocido como

estator y los bobinados rotatorios, conocido como

armadura. La relacin de los componentes elctricos

de un motor DC es mostrado en las ilustraciones

siguientes:

Los devanados de campo estn montados en las

piezas polares o imanes del estator, para formar los

electroimanes. En los motores DC ms pequeos el

campo puede ser un imn permanente. Sin embargo

en los campos de DC ms grandes, el campo es

tpicamente un electroimn.

La armadura se inserta entre los bobinados de

campo, se apoya en los baleros de los extremos, y se

sostienen las escobillas o carbones contra el

conmutador. La armadura gira entre los polos de los

bobinados de campo, y est hecha de un rbol o eje,

un ncleo, bobinados de la armadura y unconmutador. Los bobinados de la armadura

normalmente son colocados en las ranuras del

ncleo.

Los carbones descansan sobre el conmutador para

proporcionar el voltaje del suministro al motor. El

motor de DC es mecnicamente complejo y puede

causar problemas en ambientes adversos, por lo cual

hay que tener cuidado por ejemplo, al usar los

motores de DC en ciertas aplicaciones industriales,

donde haya exposicin a corrosivos, que pueden

daar el conmutador. Adems la accin de friccin

del carbn contra el conmutador causa chispas que

pueden ser problema en ambientes arriesgados a

explosiones.

Un motor DC gira como resultado de los campos

magnticos que actan recprocamente entre s. El

primer campo es el campo principal que existe en

los bobinados del estator. El segundo campo existe

en la armadura. Siempre que la corriente circula a

travs de un conductor, se genera un campo

magntico alrededor del conductor. En los motoresDC, la energa elctrica es absorbida a travs de las

escobillas o carbones, y circula al devanado (rotor de

la armadura) y si ste devanado est contenido en un

campo permanente, se produce un par motriz que

hace girar al rotor. Apenas el rotor entra en accin,


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en la armadura se induce una fuerza que se llama

contra electromotriz, debido a que tiene la direccin

opuesta a la corriente de la armadura.

En la posicin horizontal no circula corriente por la

bobina, pues las escobillas o carbones se encuentran

situados sobre el aislante. Sin embargo, la espira

conductora continuar girando por inercia. A

continuacin el colector invertir el sentido de la

corriente que circula por la espira. Por tanto, las

corrientes que circulan por los conductores situados

bajo los polos tendrn los mismos sentidos que

antes, con lo que el par actuar siempre en el mismo

sentido. Estos fenmenos se van repitiendo

mientras exista una tensin aplicada a las escobillas.

El par M depende de la fuerza que acta sobre los

conductores recorridos por la corriente elctrica. La

potencia puede calcularse de la frmula:

() = () ()

= /Para alcanzar el objetivo de controlar la velocidad de

giro de un motor utilizando un microcontrolador

hay que tener en cuenta que una lnea de puerto de

un microcontrolador slo es capaz de proporcionar

unas pocas decenas de mili-amperes, mientras que

un motor de corriente continua, incluso siendo de

pequea potencia, consume varias centenas de mili

amperes, o incluso uno o varios amperes, lo cual

hace que se tenga que utilizar circuitera que

funcione como interfaz o driver entre el

microcontrolador y el motor, lo que se conoce en la

bibliografa como etapa de potencia.

De esta manera, para poder pasar de las decenas de

mili amperes que proporciona un microcontrolador,

a las varias centenas o incluso amperes que puede

consumir un motor, se recurre al uso de transistores,

o bien etapas de amplificacin consistentes en

transistores en configuracin Darlington, para

amplificar la corriente.

La potencia de rotacin de un motor de corriente

continua es directamente proporcional a la tensin

de alimentacin del mismo. Para controlar la

velocidad, se vara dicha tensin, siempre sin

superar la tensin nominal, generalmente mediante

una tcnica conocida como modulacin por anchura

de pulso PWM (Pulse Width Modulation).

2 Seal PWM :

La tcnica PWM consiste en variar el tiempo en

que el driver del motor esta energizado, es decir, la

proporcin de tiempo que est el motor encendido


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respecto de un determinado periodo de tiempo, as

pues, con la inercia que el motor tiene, ste no es

capaz de seguir los cambios de la seal a la

frecuencia de funcionamiento del PWM y lo que

vara es la potencia en funcin de una tensin media

de alimentacin. La modulacin por ancho de pulso

(pulse width modulation, PWM) est basada en el

hecho de que si se recorta la corriente continua de

alimentacin en forma de una onda cuadrada, la

energa que recibe el motor disminuir de manera

proporcional a la relacin entre la parte alta (habilita

corriente) y baja (corriente cero) del ciclo de onda

cuadrada.

Controlando esta relacin se logra variar la

velocidad del motor de una manera bastante

aceptable.

=

=

=

=

( + )=

Relacin entre Vout, Vin, D.

=

Frecuencia PWM

= /total


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En los microcontroladores PIC, Vin=5V; por lo

cual si se ha programado el mdulo PWM, por

ejemplo con una seal cuadrada con Duty Cycle

D=50 (%), se tendr un voltaje de salida promedio

Vout de 2.5V. En general, las frecuencias que se

aplican a los motores CC suelen estar comprendidas

entre los 50 y los 1000 Hz. Dentro de este rango

(hay motores que soportan frecuencias mucho

mayores), lo importante no es la frecuencia en s,

sino la relacin entre el tiempo que el motor est

encendido y el periodo, obteniendo para frecuencias

distintas una relacin Ton/Tperiodo los mismos

resultados.

Ahora se puede controlar la potencia del motor DC

variando el parmetro Duty Cycle de la seal del

microcontrolador.

III. DESARROLLO

Generacin de la seal PWM.

La seal se generar a partir de la salida del mdulo

CCP1 de un PIC16F876A funcionando con una

seal de reloj externa de 8MHz. La frecuencia de la

seal PWM es de 1MHz.

void main(){

unsigned short CU=0;OPTION_REG = 0;// Resistencias PULL-UP.PWM1_Init( 1000 );// Mdulo PWM a 1MHz.PWM1_Set_Duty(CU);PWM1_Start();while(1)//Bucle infinito.{while( Button( &PORTB, 1, 10, 0 ))//Incrementa Duty C. si se pulsa RB1.{

CU++; if( CU==0 )CU=255;PWM1_Set_Duty(CU);delay_ms(10);

}while( Button( &PORTB, 0, 10, 0 ))//Decrementa Duty C. al pulsar RB0.{

CU--; if( CU==255 )CU=0;PWM1_Set_Duty(CU);delay_ms(10);

}}

}


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Amplificacin de corriente de acuerdo a lo

requerido por el motor DC.

Calculo de la resistencia de base para el transistor de

activacin de carga (Q1), considerando un motor

DC que consume 250mA a 12 V se tiene el

siguiente arreglo Darlington:

= = 250

=

=

250

(10)= 2.5

=

=12 0.7

2.5= 2

Los motores de DC son dispositivos

electromecnicos, que tienen un electroimn con el

cual se cierra o se abre un circuito elctrico, y son denaturaleza inductiva por los bobinados que los

conforman.

El uso de cargas inductivas como motores,

relevadores y solenoides tienen la propiedad de

almacenar energa en forma de campo

electromagntico, esto implica que cuando las cargas

inductivas son des-energizadas estas devuelven parte

de su energa por medio de una corriente inversa,

este fenmeno puede causar daos en los

componentes del sistema de control y en la carga.

Para evitar este problema se debe usar un diodo

rectificador polarizado en inverso para descargar las

cargas inductivas, como se muestra en el diagrama:

En los diodos rectificadores comunes como los

mostrados en el diagrama, la juntura PN posee una

capacidad elctrica en picofaradios, que resulta ser

de aproximadamente 30 en los diodos 1N400X,responden a frecuencias de conmutacin de unos

50/60 Hz como mximo, y tienen especificado un

tiempo de recuperacin inverso (TRR) que expresa

el tiempo que tarda la unin P-N en desalojar la

carga elctrica acumulada (efecto similar a la carga


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de un condensador) y recibe sbitamente un cambio

de tensin que la polariza en sentido directo.

Pueden ser considerados rpidos aquellos diodos

con un TRR inferior a 400 nanosegundos, en

modelos de baja potencia TRR es del orden de los

5ns.

Los diodos Schottky de alta frecuencia se emplean

en aplicaciones de conmutacin en las que se

requiere drenar rpidamente las pequeas cargas

almacenadas en la unin, tpicamente en

aplicaciones con frecuencias superiores a 1 MHz,

por lo que se consideran diodos Schottky en caso de

sistemas controlados mediante seales PWM,

debido a la alta frecuencia de conmutacin ON-

OFF.

IV. RESULTADOS

A continuacin se muestra la forma de onda

visualizada en el osciloscopio.

V. CONCLUSIONES

El control de potencia de un motor DC es

requerido ampliamente en diversas aplicaciones, y

una de las maneras ms sencillas de implementarlo

es por medio de una seal de disparo PWM que

activa un transistor (en este caso un arreglo

Darlington) que maneja la corriente adecuada para

el motor.

VI. BIBLIOGRAFA Y REFERENCIAS

L ibros:

[1] R Hambley Allan "Electrnica" 2a ed. Pearson, 2009.

Hojas de Datos:

[2] Fairchild Semiconductor "TIP122"

[3] Microchip "PIC16F876A"

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