Post on 10-Feb-2019
Lic. José H. Moyano – Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Computación – Universidad Nacional del Sur
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CLASE 8: CONVERSIÓN D/A, ACTUADORES Y CONTROL DE MOTORESSistemas Embebidos 2018
Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Computación
Universidad Nacional del Sur
Conversión Digital/Analógica
Conversión Digital/Analógica Conversión Digital/Analógica
Los DAC son más económicos que los ADC: no suele haber multiplexado de los canales.
Filtrado: para eliminar el ruido/suavizar la señalAmplificación (analógica): para ajustar señal y operar en potenciaTransductor: el actuador a controlar
Ej: mostrartemperatura:
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Conversión Digital/Analógica
Conversor Digital/Analógico (DAC): a partir de valores digitales provistos por el microcontrolador genera una señal analógica.
Varios tipos de técnicas:Pulse Width Modulation (PWM)Usando amplificadores sumadores analógicos
Amplificador sumador convencional
DACs de resistencias en escalera
Usando decodificadoresCodificación de Termómetro (notación unaria).Híbridos: combinan las técnicas anteriores.
Conversión Digital/AnalógicaPWM: Uno de los métodos más simples.
Conversión Digital/Analógica
Amplificadores sumadores analógicos:Amplificador sumador convencional(peso binario a cada bit)DACs de resistencias en escalera
Conversión Digital/Analógica
Amplificadores sumadores analógicos:Amplificador sumador convencional(peso binario a cada bit)DACs de resistencias en escalera
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Conversión Digital/Analógica
Usando decodificadores:
Conversión Digital/AnalógicaCodificación de Termómetro (notación unaria):
Interfaces y actuadores
Actuadores
Actuar sobre entorno: tarea usual en Sistemas Embebidos:Producir movimiento: lineal (solenoides), angular (servo motores), etc.Accionar válvulas y/o mecanismos neumáticosControlar termostatosImplementar herramientas de Control Numérico Computarizado (CNC): (ej: tornos, fresadoras, etc.).etc.
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Motores de corriente continua
Motores de corriente continua (DC)
Simples de manejar.
Giran mientras se les aplica corriente.
Útiles cuando se requiere alta velocidad y eficiencia (en relación al consumo) del motor pero no tanta precisión en el control.
Motores de corriente continua (DC)Dos tipos principales:
con escobillas (brushed DC motors): conmutación mecánicasin escobillas (brushless DC motors): conmutación electrónica
Controlando Motores DC
En motores DC principalmente se efectúan dos tipos de control :control del sentido de rotación.control de la velocidad/torque del motor.
Se les pueden incorporar encoders (mecanismos de medición de la posición del eje) para lograr un control más preciso (control realimentado).
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Controlando Motores DCPuente H (H-Bridge): switching reversible – controlando el sentido de giro.
Controlando Motores DCPuente H (H-Bridge): switching reversible
Puente H y cuestiones eléctricasPuente H de control:
Hay que controlar el temporizado de laconmutación para evitar cortocircuitos.
Hay que evitar que las líneas de controlfloten libremente al inicializar el sistema
Puente H y cuestiones eléctricasPuente H de control:
Las propiedades constructivas de lostransistores también pueden desencadenar un corto (capacidades parásitas).
Se atenúa el efecto, minimizando la impedancia del driver.
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Controlando Motores DCEj. L293D ASIC dual H-Bridge
Controlando Motores DCPWM – controlando la velocidad de giro
Controlando Motores DCPWM – controlando la velocidad de giro:
La respuesta ante la señal PWM no es instantánea (inercia).La velocidad alcanzada no es lineal en función del PWM duty cycle: se requiere calibración
Controlando Motores DCPueden requerir realimentación para facilitar el control (giran libremente mientras reciben tensión)
shaft encoders ópticosshaft encoders magnéticos (sensores de efecto hall)
Esta es la única manera de conocer la velocidad de giro de manera precisa: ante cargas variables.para compensar las no linealidades y los errores.
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Controlando Motores DC Controlando Motores DC
Existen ASICs de control realimentado de motores de corriente continua:
Ej: LM628: DAC + PowAmp
Ej: LM629: H-Bridge (PWM)
Controlando Motores DC
Para frenar motor:Desconectar el motor del circuito y que gire libremente hasta detenerseFrenar el motor conectando las señales 2 y 4 o 1 y 3.Poner la velocidad a cero (señal PWM nula)
La única forma de ejercer un control preciso es utilizando realimentación (vía encoders) para medir velocidad y posición.
Motores paso a paso
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Motores paso a paso (steppers)
Se mueven un ángulo prefijado (gran control de la posición angular del eje, en teoría).
Pueden controlarse sin realimentación (control de lazo abierto), pero:tienen características de inicio difíciles de manejarmuestran resonancia mecánica a ciertas velocidadesbuen torque a bajas velocidades, pero decrece al acelerar (velocidad máxima limitada).
Esto puede hacer perder la sincronización entre el stepper y el sistema de control.
Más complejos de manejar que los motores DC.
Motores paso a paso (steppers)
Crean un campo magnético en el estator, al cual se alinea el rotor
Varios tipos:reluctancia variablemagneto permanente (más torque que RV)híbridos (añaden dientes a los de MP)
Motores paso a paso (steppers)Varios tipos:
unipolares: bobinados conectados a V+ en el centrobipolares: bobinados sin conexiones comunes
Motores paso a paso (steppers)
Varios tipos:unipolares:
bobinados conectados a V+ en el centro
más simple invertir el sentido de rotación
la lógica de control es más simple
bipolares: bobinados sin conexiones comunes
requieren puentes H para invertir el sentido de marcha
lógica de control más compleja
más potentes a igualdad de voltaje y corriente.
Existen múltiples combinaciones de bobinados y conexionados...
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Controlando motores paso a pasoPuente H de control:(stepper bipolar)
cada bobinado se controla de manera separada.
Controlando motores paso a pasoProblemas con la resonancia mecánica:
Si el campo magnético se establece en el estator, el rotor se alinea con cierta inercia que introduce oscilaciones hasta alcanzar la alineación final.La frecuencia de dichas oscilaciones depende de las características constructivas del motor y de la carga asociada.
Si la tasa de stepping se aproxima a la frecuencia de resonancia del motor, este pierde torque (puede causar salteo de pasos y pérdida de sincronización).
Controlando motores paso a pasoProblemas con la resonancia mecánica:
En aplicaciones con una única tasa de stepping, es sencillo evitar la resonancia. En aplicaciones donde la tasa de steppingvaría, hay que estudiar este aspecto cuidadosamente (evitar operar el motor en las tasas problemáticas).
Esto puede requerir introducir en el diseño algún encoder que realimente al sistema de control con información acerca de la posición angular del eje del motor.
Controlando motores paso a pasoProblemas con la resonancia mecánica:
Pérdida de torquePérdida de sincronización
Ej: Variar la aceleración para evitar las frecuencias de stepping resonantes.
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Controlando motores paso a pasoHalf-stepping:
Incrementa la precisión en la rotación.Consiste en colocar el rotor en posiciones intermedias entre dos pasos consecutivos.Se logra energizando simultáneamente más de un bobinado.
Controlando motores paso a pasoHalf-stepping:
Controlando motores paso a paso
Microstepping:Llevar el esquema más allá para lograr más posiciones intermedias (mayor precisión).Señal de driving obtenida a partir de un DAC (aproximación discreta de una curva continua de control).Reduce problemas de resonancia (pasos más cortos, menos oscilaciones).
Controlando motores paso a pasoEj: ASICs para controlar motores paso a paso.
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Controlando motores paso a paso
Control Chopperen motores stepper:
para alcanzar másrápidamente eltorque deseado.
Vref fijo o proveniente de un DAC (software)
Controlando motores paso a paso
Control Chopper:
Ej: L297 ASIC
Servomotores
Servos
Tipo particular de servomecanismo(actuador mecánico controlado – con sensor/encoder y realimentación).
Hay servomotores de diferentes calidades. Los más simples, usados en modelismo (motores DC c/lógica que permite posicionamiento angular preciso del eje en rango aprox. de 180º).
Potenciómetro a la salida del eje (encoder)Caja de reducción (mayor torque)Lógica de comparación de ancho de pulsos (PWM)
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Controlando Servos
Permiten posicionamiento angular preciso.
Dado un tren de pulsos de entrada (PWM), en función del ancho de cada pulso se obtiene una posición angular en el eje del motor.
Controlando Servos
A diferencia de PWM p/controlar un motor DC, donde la amplitud del pulso define la velocidad del motor, en el caso de los servos, la amplitud del pulso define la posición angular del eje.
Hay que mantener la señal PWM para mantener el servo en posición fija.
Servos
duración del pulso colores de los cables
fabricante min medio max hz positivo negativo pwm
Futaba 0.9 1.5 2.1 50 rojo negro blanco
Hitech 0.9 1.5 2.1 50 rojo negro amarillo
JR 0.8 1.5 2.2 50 rojo marron naranjaMultiplex 1.05 1.6 2.15 40 rojo negro amarillo
Robbe 0.65 1.3 1.95 50 rojo negro blanco
Simprop 1.2 1.7 2.2 50 rojo azul negro
Servos
Diferentes adaptadores para servos:
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Referencias
Bräunl, T. Embedded Robotics: Mobile Robot Design and Applications with Embedded Systems 3rd Edition. Springer. 2008. ISBN: 978-3540705338. Capítulo 4.
Ganssle, J. Embedded System - World Class Designs. Newnes. 2007. ISBN: 978-0750686259. Capítulos 1 y 11.
Wilmshurst, T. Designing Embedded Systems with PIC Microcontrollers: Principles and Applications. Newnes. 2006. ISBN: 978-0750667555. Capítulo 8.