Clase 07: Conversi on Digital/Anal ogica, actuadores y control ...Clase 07: Conversi on Digital/Anal...

Clase 07: Conversion Digital/Analogica, actuadores y control

de motoresSistemas Embebidos

Prof: Lic. Jose H. Moyano

Departamento de Ciencias e Ingenierıa de la Computacion

2019

Prof: Lic. Jose H. Moyano (Departamento de Ciencias e Ingenierıa de la Computacion)Clase 07: Conversion Digital/Analogica, actuadores y control de motores 2019 1 / 49

Conversion Digital/Analogica





Los DAC son mas economicos que los ADC: no suele haber multiplexado de loscanales.

Filtrado: para eliminar el ruido/suavizar la senal

Amplificacion (analogica): para ajustar senal y operar en potencia

Transductor: el actuador a controlar

Ej: Mostrar temperatura:



Conversor Digital/Analogico (DAC): a partir de valores digitales provistos por elmicrocontrolador genera una senal analogica.

Varios tipos de tecnicas:I Pulse Width Modulation (PWM)I Usando amplificadores sumadores analogicosI Amplificador sumador convencionalI DACs de resistencias en escaleraI Usando decodificadoresI Codificacion de Termometro (notacion unaria).I Hıbridos: combinan las tecnicas anteriores.


PWM


Amplificadores sumadores analogicosAmplificador sumador convencional (peso binario a cada bit)

DACs de resistencias en escalera


Amplificadores sumadores analogicos

Amplificador sumador convencional(peso binario a cada bit)

DACs de resistencias en escalera


DAC con decodificadores


Interfaces y actuadores


ActuadoresActuar sobre entorno: tarea usual en Sist. Emb.:

Producir movimiento: lineal (solenoides), angular (servo motores), etc.

Accionar valvulas y/o mecanismos neumaticos

Controlar termostatos

Implementar herramientas de Control Numerico Computarizado (CNC): (ej: tornos,fresadoras, etc.).

etc.


Motores de corriente continua



Simples de manejar.

Giran mientras se les aplica corriente.

Utiles cuando se requiere alta velocidad y eficiencia (en relacion al consumo) delmotor pero no tanta precision en el control.



Dos tipos principales:

Con escobillas (brushed DC motors): Conmutacion mecanica

Sin escobillas (brushless DC motors): Conmutacion electronica


Controlando Motores DC

En motores DC principalmente se efectuan dos tipos de control:I Control del sentido de rotacion.I Control de la velocidad/torque del motor.

Se les pueden incorporar encoders (mecanismos de sensado de la posicion del eje)para lograr un control mas preciso (control realimentado).


Puente HControl de sentido de giro




Puente H y cuestiones electricas

Puente H de control:

Hay que controlar eltemporizado de laconmutacion para evitarcortocircuitos.

Hay que evitar que las lıneasde control floten libremente alinicializar el sistema.


Puente H y cuestiones electricas

Puente H de control:

Las propiedades constructivasde los transistores tambienpueden desencadenar un corto(capacidades parasitas).

Se atenua el efecto,minimizando la impedanciadel driver.


Controlando Motores DCL293D ASIC Dual H-Bridge


Controlando giro con PWM


Controlando giro con PWMControlando la velocidad

La respuesta ante la senal PWM no es instantanea (inercia).La velocidad alcanzada no es lineal en funcion del PWM duty cycle: se requierecalibracion


Controlando Motores DCPueden requerir realimentacion para facilitar el control (giran libremente mientrasreciben tension)

I Shaft encoders opticosI Shaft encoders magneticos (sensores de efecto hall)

Esta es la unica manera de conocer la velocidad de giro de manera precisa:I Ante cargas variables.I Para compensar las no linealidades y los errores.




Controlando motores DCExisten ASICs de control realimentado de motores de corriente continua:

Ej: LM628: DAC +PowAmp

Ej: LM629: H-Bridge(PWM)



Para frenar motor:I Desconectar el motor del circuito y que gire libremente hasta detenerseI Frenar el motor conectando las senales 2 y 4 o 1 y 3.I Poner la velocidad a cero (senal PWM nula)

La unica forma de ejercer un control preciso es utilizando realimentacion (vıaencoders) para medir velocidad y posicion.


Motores paso a paso


Motores paso a paso

Se mueven un angulo prefijado (gran control de la posicion angular del eje, enteorıa).

Pueden controlarse sin realimentacion (control de lazo abierto), pero:I Tienen caracterısticas de inicio difıciles de manejarI Muestran resonancia mecanica a ciertas velocidadesI Buen torque a bajas velocidades, pero decrece al acelerar (velocidad maxima

limitada).

Esto puede hacer perder la sincronizacion entre el stepper y el sistema de control.

Mas complejos de manejar que los motores DC.


Motores paso a paso


Motores paso a pasoCrean un campo magnetico en el estator, al cual se alinea el rotorVarios tipos:

I Reluctancia variableI Magneto permanente (mas torque que RV)I Hıbridos (anaden dientes a los de MP)


Motores paso a paso

Varios tipos:

Unipolares: Bobinadosconectados a V+ en el centro

Bipolares: Bobinados sinconexiones comunes


Motores paso a paso

Varios tipos:I Unipolares:

F Bobinados conectados a V+ en el centroF Mas simple invertir el sentido de rotacionF La logica de control es mas simple

I Bipolares:F Bobinados sin conexiones comunesF Requieren puentes H para invertir el sentido de marchaF Logica de control mas complejaF Mas potentes a igualdad de voltaje y corriente.

Existen multiples combinaciones de bobinados y conexionados. . .


Controlando motores paso a paso

Varios tipos:

Unipolares: Bobinadosconectados a V+ en el centro

Bipolares: Bobinados sinconexiones comunes


Controlando motores paso a pasoProblemas con la resonancia mecanica:

Si el campo magnetico se establece enel estator, el rotor se alinea con ciertainercia que introduce oscilaciones hastaalcanzar la alineacion final.

La frecuencia de dichas oscilacionesdepende de las caracterısticasconstructivas del motor y de la cargaasociada.

Si la tasa de stepping se aproxima a la frecuencia de resonancia del motor, este pierdetorque (puede causar salteo de pasos y perdida de sincronizacion).


Controlando motores paso a pasoProblemas con la resonancia mecanica:

En aplicaciones con una unica tasa destepping, es sencillo evitar laresonancia.

En aplicaciones donde la tasa destepping varıa, hay que estudiar esteaspecto cuidadosamente (evitar operarel motor en las tasas problematicas).

Esto puede requerir introducir en el diseno algun encoder que realimente al sistema decontrol con informacion acerca de la posicion angular del eje del motor.


Controlando motores paso a paso

Problemas con la resonancia mecanica:

I perdida de torqueI Perdida de sincronizacion

Ej: Variar la aceleracion para evitar lasfrecuencias de stepping resonantes.


Half-stepping

Incrementa la precision en la rotacion.

Consiste en colocar el rotor enposiciones intermedias entre dos pasosconsecutivos.

Se logra energizando simultaneamentemas de un bobinado.


Half-stepping


Microstepping

Llevar el esquema mas alla para lograrmas posiciones intermedias (mayorprecision).

Senal de driving obtenida a partir deun DAC (aproximacion discreta de unacurva continua de control).

Reduce problemas de resonancia (pasosmas cortos, menos oscilaciones).


Driver para stepper


Control chopper


Control chopper

Control Chopper en motores stepper: Para alcanzar mas rapidamente el torque deseado.


Control chopperL297 ASIC


Servomotores


Servos

Tipo particular de servomecanismo (actuador mecanicocontrolado – con sensor/encoder y realimentacion).

Hay servomotores de diferentes calidades. Los massimples, usados en modelismo (motores DC c/logica quepermite posicionamiento angular preciso del eje en rangoaproximado de 180).

I Potenciometro a la salida del eje (encoder)I Caja de reduccion (mayor torque)I Logica de comparacion de ancho de pulsos (PWM)


Controlando servos

Permiten posicionamiento angularpreciso.

Dado un tren de pulsos de entrada(PWM), en funcion del ancho de cadapulso se obtiene una posicion angularen el eje del motor


Controlando servos

A diferencia de PWM p/controlar un motor DC, donde la amplitud del pulso definela velocidad del motor, en el caso de los servos, la amplitud del pulso define laposicion angular del eje.

Hay que mantener la senal PWM para mantener el servo en posicion fija.


Servos


Servos


Referencias

Braunl, T. Embedded Robotics: Mobile Robot Design and Applications withEmbedded Systems 3rd Edition. Springer. 2008. ISBN: 978–3540705338. Capıtulo 3.

Ganssle, J. Embedded System — World Class Designs. Newnes. 2007. ISBN:978–0750686259. Capıtulo 11.

Wilmshurst, T. Designing Embedded Systems with PIC Microcontrollers: Principlesand Applications. Newnes. 2006. ISBN: 978–0750667555. Capıtulos 8 y 11.


Clase 07: Conversi on Digital/Anal ogica, actuadores y control ...Clase 07: Conversi on Digital/Anal...

Documents

Transcript of Clase 07: Conversi on Digital/Anal ogica, actuadores y control ...Clase 07: Conversi on Digital/Anal...