Conversión Digital/Analógica. Lic. José H. Moyano Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Computación Universidad Nacional del Sur

Transcripción

1 CLASE 8: CONVERSIÓN D/A, ACTUADORES Y CONTROL DE MOTORES Sistemas Embebidos 2018 Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Computación Universidad Nacional del Sur 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 señal Amplificación (analógica): para ajustar señal y operar en potencia Transductor: el actuador a controlar Ej: mostrar temperatura: 1

2 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 decodificadores Codificación de Termómetro (notación unaria). Híbridos: combinan las técnicas anteriores. PWM: Uno de los métodos más simples. Amplificadores sumadores analógicos: Amplificador sumador convencional (peso binario a cada bit) DACs de resistencias en escalera Amplificadores sumadores analógicos: Amplificador sumador convencional (peso binario a cada bit) DACs de resistencias en escalera 2

3 Codificación de Termómetro (notación unaria): Usando decodificadores: Actuadores Interfaces y actuadores Actuar sobre entorno: tarea usual en Sistemas Embebidos: Producir movimiento: lineal (solenoides), angular (servo motores), etc. Accionar válvulas y/o mecanismos neumáticos Controlar termostatos Implementar herramientas de Control Numérico Computarizado (CNC): (ej: tornos, fresadoras, etc.). etc. 3

4 Motores de corriente continua (DC) Motores de corriente continua 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 mecánica sin escobillas (brushless DC motors): conmutación electrónica 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). 4

5 Puente H (H-Bridge): switching reversible controlando el sentido de giro. Puente H (H-Bridge): switching reversible Puente H y cuestiones eléctricas Puente H de control: Hay que controlar el temporizado de la conmutación para evitar cortocircuitos. Hay que evitar que las líneas de control floten libremente al inicializar el sistema Puente H y cuestiones eléctricas Puente H de control: Las propiedades constructivas de los transistores también pueden desencadenar un corto (capacidades parásitas). Se atenúa el efecto, minimizando la impedancia del driver. 5

6 Ej. L293D ASIC dual H- Bridge PWM controlando la velocidad de giro PWM 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 Pueden requerir realimentación para facilitar el control (giran libremente mientras reciben tensión) shaft encoders ópticos shaft 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. 6

7 Existen ASICs de control realimentado de motores de corriente continua: Ej: LM628: DAC + PowAmp Ej: LM629: H-Bridge (PWM) Para frenar motor: Desconectar el motor del circuito y que gire libremente hasta detenerse Frenar 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 7

8 Motores paso a paso (steppers) 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 manejar muestran resonancia mecánica a ciertas velocidades buen 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. Crean un campo magnético en el estator, al cual se alinea el rotor Varios tipos: reluctancia variable magneto 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 centro bipolares: 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... 8

9 Puente H de control: (stepper bipolar) cada bobinado se controla de manera separada. Problemas 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). Problemas con la resonancia mecánica: En aplicaciones con una única tasa de stepping, es sencillo evitar la resonancia. En aplicaciones donde la tasa de stepping varía, 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. Problemas con la resonancia mecánica: Pérdida de torque Pérdida de sincronización Ej: Variar la aceleración para evitar las frecuencias de stepping resonantes. 9

10 Half-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. Half-stepping: 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). Ej: ASICs para controlar motores paso a paso. 10

11 Control Chopper en motores stepper: para alcanzar más rápidamente el torque deseado. Control Chopper: Ej: L297 ASIC V ref fijo o proveniente de un DAC (software) Servos Servomotores 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) 11

12 Controlando Servos 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. 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 Servos Diferentes adaptadores para servos: duración del pulso colores de los cables fabricante min medio max hz positivo negativo pwm Futaba rojo negro blanco Hitech rojo negro amarillo JR rojo marron naranja Multiplex rojo negro amarillo Robbe rojo negro blanco Simprop rojo azul negro 12

13 Referencias Bräunl, T. Embedded Robotics: Mobile Robot Design and Applications with Embedded Systems 3rd Edition. Springer ISBN: Capítulo 4. Ganssle, J. Embedded System - World Class Designs. Newnes ISBN: Capítulos 1 y 11. Wilmshurst, T. Designing Embedded Systems with PIC Microcontrollers: Principles and Applications. Newnes ISBN: Capítulo 8. 13