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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE QUERÉTARO. Departamento de Ingeniería Mecatrónica

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Electrónica de Potencia Aplicada

Robes Robles Mario [11140389]

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Profesor: Castellanos Galindo Joaquín Marzo 13 de 2015

Síntesis. Los motores son una herramienta fundamental para realizar procesos industriales, como el transportar un producto de una estación a otra, se utilizan también en proyectos de robótica, mecatrónica, entre otros. En este trabajo se implementa el control simple de un motor DC (variación de potencia) mediante una señal PWM (modulación de ancho de pulso) proveniente de un microcontrolador.

II. INTRODUCCIÓN TEÓRICA. El principal medio para transformar la energía eléctrica en energía mecánica es el motor eléctrico. Los motores eléctricos se fabrican con distintas capacidades de potencia, desde fraccionarias en bajo voltaje, hasta potencias en alta tensión, en corriente alterna y corriente directa. Esta fuerza mecánica rotatoria es descrita mediante el par, que es una tendencia de un acoplamiento mecánico a producir

I. OBJETIVOS

giro.

Construir un sistema microcrontrolado, para variar la potencia de un motor de corriente directa.

1 Motores DC: Los motores DC se han utilizado desde hace

a) Comprender los conceptos de potencia, tiempo en las aplicaciones industriales, debido a que torque, funcionamiento y construcción del

producen un control muy preciso de velocidad,

motor DC.

pueden ser usados en transportadores, elevadores, extrusoras, manejo de materiales, y muchas más.

b) Comprender y aplicar los fundamentos de la modulación de ancho de pulso y su aplicación en el control de motores. c) Aplicar conocimientos sobre transistores de unión bipolar y diodos para el manejo adecuado de la corriente del motor DC.

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De los componentes del motor DC es importante entender

las

características

eléctricas

de

los

bobinados del campo principal, conocido como estator y los bobinados rotatorios, conocido como armadura. La relación de los componentes eléctricos de un motor DC es mostrado en las ilustraciones siguientes: Los carbones descansan sobre el conmutador para proporcionar el voltaje del suministro al motor. El Los devanados de campo están montados en las

motor de DC es mecánicamente complejo y puede

piezas polares o imanes del estator, para formar los

causar problemas en ambientes adversos, por lo cual

electroimanes. En los motores DC más pequeños el

hay que tener cuidado por ejemplo, al usar los

campo puede ser un imán permanente. Sin embargo

motores de DC en ciertas aplicaciones industriales,

en los campos de DC más grandes, el campo es

donde haya exposición a corrosivos, que pueden

típicamente un electroimán.

dañar el conmutador. Además la acción de fricción del carbón contra el conmutador causa chispas que pueden ser problema en ambientes arriesgados a explosiones.

Un motor DC gira como resultado de los campos La armadura se inserta entre los bobinados de magnéticos que actúan recíprocamente entre sí. El campo, se apoya en los baleros de los extremos, y se

primer campo es el campo principal que existe en

sostienen las escobillas o carbones contra el

los bobinados del estator. El segundo campo existe

conmutador. La armadura gira entre los polos de los

en la armadura. Siempre que la corriente circula a

bobinados de campo, y está hecha de un árbol o eje,

través de un conductor, se genera un campo

un núcleo, bobinados de la armadura y un

magnético alrededor del conductor. En los motores

conmutador. Los bobinados de la armadura

DC, la energía eléctrica es absorbida a través de las

normalmente son colocados en las ranuras del

escobillas o carbones, y circula al devanado (rotor de

núcleo.

la armadura) y si éste devanado está contenido en un campo permanente, se produce un par motriz que hace girar al rotor. Apenas el rotor entra en acción,

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en la armadura se induce una fuerza que se llama un microcontrolador sólo es capaz de proporcionar contra electromotriz, debido a que tiene la dirección

unas pocas decenas de mili-amperes, mientras que

opuesta a la corriente de la armadura.

un motor de corriente continua, incluso siendo de pequeña potencia, consume varias centenas de mili amperes, o incluso uno o varios amperes, lo cual hace que se tenga que utilizar circuitería que funcione

como

interfaz

o

driver

entre

el

microcontrolador y el motor, lo que se conoce en la bibliografía como etapa de potencia.

De esta manera, para poder pasar de las decenas de En la posición horizontal no circula corriente por la

mili amperes que proporciona un microcontrolador,

bobina, pues las escobillas o carbones se encuentran

a las varias centenas o incluso amperes que puede

situados sobre el aislante. Sin embargo, la espira

consumir un motor, se recurre al uso de transistores,

conductora continuará girando por inercia. A

o bien etapas de amplificación consistentes en

continuación el colector invertirá el sentido de la

transistores en configuración Darlington, para

corriente que circula por la espira. Por tanto, las

amplificar la corriente.

corrientes que circulan por los conductores situados bajo los polos tendrán los mismos sentidos que

La potencia de rotación de un motor de corriente

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

continua es directamente proporcional a la tensión

sentido. Estos fenómenos se van repitiendo

de alimentación del mismo. Para controlar la

mientras exista una tensión aplicada a las escobillas.

velocidad, se varía dicha tensión, siempre sin superar la tensión nominal, generalmente mediante

El par M depende de la fuerza que actúa sobre los

una técnica conocida como modulación por anchura

conductores recorridos por la corriente eléctrica. La

de pulso PWM (Pulse Width Modulation).

potencia puede calcularse de la fórmula:

2 Señal PWM: 𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂(𝑷) = 𝑻𝒐𝒓𝒒𝒖𝒆(𝑻) × 𝑽𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅(𝑺) 𝑻 = 𝑷/𝑺 Para alcanzar el objetivo de controlar la velocidad de giro de un motor utilizando un microcontrolador hay que tener en cuenta que una línea de puerto de

La técnica PWM consiste en variar el tiempo en que el driver del motor esta energizado, es decir, la proporción de tiempo que está el motor encendido

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respecto de un determinado periodo de tiempo, así pues, con la inercia que el motor tiene, éste no es

Relación entre Vout, Vin, D.

capaz de seguir los cambios de la señal a la

𝑽𝒐𝒖𝒕 = 𝑫 × 𝑽𝒊𝒏

frecuencia de funcionamiento del PWM y lo que varía es la potencia en función de una tensión media de alimentación. La modulación por ancho de pulso (pulse width modulation, PWM) está basada en el hecho de que si se recorta la corriente continua de alimentación en forma de una onda cuadrada, la energía que recibe el motor disminuirá de manera proporcional a la relación entre la parte alta (habilita corriente) y baja (corriente cero) del ciclo de onda cuadrada.

Controlando esta relación se logra variar la velocidad del motor de una manera bastante aceptable.

𝑻𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐 𝒄𝒐𝒏 𝒆𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊𝒂 = 𝑻𝒐𝒏 𝑻𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐 𝒔𝒊𝒏 𝒆𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊𝒂 = 𝑻𝒐𝒇𝒇 𝑪𝒊𝒄𝒍𝒐 𝒐 𝑷𝒆𝒓𝒊𝒐𝒅𝒐 = 𝑻𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝑻𝒐𝒏 𝑻𝒐𝒏 𝑫𝒖𝒕𝒚 𝑪𝒚𝒄𝒍𝒆 𝑫 = = ( 𝑻𝒐𝒏 + 𝑻𝒐𝒇𝒇 ) 𝑻𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍

Frecuencia PWM 𝑭 = 𝟏/𝑻total

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En los microcontroladores PIC, Vin = 5V; por lo cual si se ha programado el módulo PWM, por

III. DESARROLLO

ejemplo con una señal cuadrada con Duty Cycle

Generación de la señal PWM.

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

La señal se generará a partir de la salida del módulo

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

CCP1 de un PIC16F876A funcionando con una

aplican a los motores CC suelen estar comprendidas

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

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

señal PWM es de 1MHz.

(hay motores que soportan frecuencias mucho mayores), lo importante no es la frecuencia en sí, sino la relación entre el tiempo que el motor está encendido y el periodo, obteniendo para frecuencias distintas una relación Ton/Tperiodo los mismos resultados.

Ahora se puede controlar la potencia del motor DC variando el parámetro Duty Cycle de la señal del microcontrolador.

void main() { unsigned short CU=0; OPTION_REG = 0;// Resistencias PULL-UP. PWM1_Init( 1000 );// Módulo 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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Amplificación de corriente de acuerdo a lo

almacenar

energía

en

forma

de

campo

requerido por el motor DC.

electromagnético, esto implica que cuando las cargas

Calculo de la resistencia de base para el transistor de activación de carga (Q1), considerando un motor DC que consume 250mA a 12 V se tiene el siguiente arreglo Darlington:

𝐼𝑐2 = 𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 250𝑚𝐴 𝐼𝐶2 250𝑚𝐴 𝐼𝐵1 = 2 = = 2.5𝑚𝐴 𝛽 (10)2 𝑉𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 12𝑣 − 0.7𝑣 𝑅𝐵 = = 𝐼𝐵1 2.5𝑚𝐴 = 2 𝐾𝛺

inductivas son des-energizadas estas devuelven parte de su energía por medio de una corriente inversa, este

fenómeno

puede

causar

daños

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 Los

motores

de

DC

son

dispositivos mostrados en el diagrama, la juntura PN posee una

electromecánicos, que tienen un electroimán con el

capacidad eléctrica en picofaradios, que resulta ser

cual se cierra o se abre un circuito eléctrico, y son de

de aproximadamente 30 en los diodos 1N400X,

naturaleza inductiva por los bobinados que los

responden a frecuencias de conmutación de unos

conforman.

50/60 Hz como máximo, y tienen especificado un tiempo de recuperación inverso (TRR) que expresa

El uso de cargas inductivas como motores,

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

relevadores y solenoides tienen la propiedad de

carga eléctrica acumulada (efecto similar a la carga

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de un condensador) y recibe súbitamente un cambio

una de las maneras más sencillas de implementarlo

de tensión que la polariza en sentido directo.

es por medio de una señal de disparo PWM que

Pueden ser considerados rápidos aquellos diodos

activa un transistor (en este caso un arreglo

con un TRR inferior a 400 nanosegundos, en

Darlington) que maneja la corriente adecuada para

modelos de baja potencia TRR es del orden de los

el motor.

5ns.

Los diodos Schottky de alta frecuencia se emplean en aplicaciones de conmutación en las que se

VI. BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS

requiere drenar rápidamente las pequeñas cargas almacenadas

en

la

unión,

típicamente

en

aplicaciones con frecuencias superiores a 1 MHz,

Libros: [1] R Hambley Allan "Electrónica" 2a ed. Pearson, 2009.

por lo que se consideran diodos Schottky en caso de Hojas de Datos:

sistemas controlados mediante señales PWM, debido a la alta frecuencia de conmutación ONOFF. IV. RESULTADOS A continuación 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

[2]

Fairchild Semiconductor "TIP122"

[3]

Microchip "PIC16F876A"