CONTROL ELECTRÓNICO DE UN ALTERNADOR DE CARGA AUTOMÁTICO

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1 CONTROL ELECTRÓNICO DE UN ALTERNADOR DE CARGA AUTOMÁTICO Luis M. Peña Luz M. Ceneno Luis O. Becerra Cenro Nacional de Merología (CENAM) Km 4,5 Carreera a Los Cués, Municipio del Marqués, Queréaro, México Resumen: En el Laboraorio del Parón Nacional de Densidad del CENAM se esá llevando a cabo la auomaización de las mediciones uilizando un sisema para pesada en aire y en agua. El presene rabajo expone el diseño y la solución a los problemas enconrados en el conrol elecrónico de los moores (a pasos) encargados del movimieno verical y angular de un alernador de carga para las mediciones de pesada en el aire. INTRODUCCIÓN En la División de Masa y Densidad del CENAM se esá llevando a cabo la implemenación de dos esferas de zerodur como Parón Nacional de Densidad de México. La ransferencia de la exaciud de las esferas hacia sólidos y líquidos se realiza mediane pesada hidrosáica, realizando diferenes mediciones en aire y agua, y comparar los diferenes valores de empuje en el cual esá inmersa la esfera uilizando un insrumeno para pesar. El objeivo de ese rabajo en el laboraorio del Parón Nacional de Densidad es auomaizar las mediciones de pesada en el aire uilizando un sisema elecromecánico y mejorar la desviación esándar de las mediciones de masa en el aire y con eso, mejorar la inceridumbre en la deerminación de la densidad. DESARROLLO Acualmene, las pesadas en el aire para deerminar la masa de las esferas parón se realizan manualmene, por lo ano, la desviación esándar de las mediciones es grande debido a facores humanos ales como los periodos de iempo diferenes enre pesada y pesada, la vibración y fuerza de colocación de los parones en el insrumeno para pesar (balanza). Con el alernador de carga auomáico, se preende disminuir el facor humano en las mediciones de pesada en el aire obeniendo periodos de iempo iguales enre pesada y pesada, reducir la vibración y manener una fuerza de colocación consane de los parones en el insrumeno para pesar. El alernador de carga es un sisema elecromecánico el cual es uilizado para colocar e inercambiar de manera auomáica las esferas parón sobre el plao recepor de un insrumeno para pesar; las lecuras del insrumeno se regisran para su poserior análisis. Caracerísicas Mecánicas del Alernador: El alernador de carga consa de un disco giraorio sobre el cual serán colocadas las esferas. El maerial del cual esá hecho el alernador es de acero inoxidable T-304; los recepáculos donde esán monados los parones son de eflón para eviar que sean rayados o malraados. En cuano a su movimieno, el alernador endrá dos grados de liberad: uno para movimieno verical y oro para movimieno angular o giraorio. El disco del alernador esá monado sobre unos baleros de carga radial y en su cenro iene un ornillo de bolas sin fin de ala precisión. Los movimienos del disco serán ejecuados por dos moores a pasos ipo bipolar; uno de ellos esá acoplado al ornillo de bolas, el cual se encarga del movimieno verical del disco del alernador; el oro moor posee una polea denada en su flecha, que a su vez, uilizando una banda denada se acopla a ora polea ubicada en el disco del alernador para ejecuar el movimieno giraorio del disco (ver Figura 1). Caracerísicas Elécricas del Alernador: Los movimienos del alernador serán ejecuados, como se dijo aneriormene, por dos moores a pasos bipolares. Esos moores ofrecen un excelene orque a bajas velocidades, son de bajo coso y facilian la area de conrol de su posición. 1

2 Los moores a pasos (BLOQUE 3, Figura 2) esán consiuidos por dos pares: a) Una fija llamada esaor, consruida a base de cavidades en las que van deposiadas las bobinas y b) por un roor de imán permanene con el mismo número de pares de polos que en el esaor. El movimieno del roor se consigue exciando las bobinas del esaor en una secuencia conveniene, dando como resulado un campo magnéico giraorio. Para conseguir la adecuada secuencia de exciación de las bobinas del esaor, se debe implemenar un circuio elecrónico que sea capaz de generar el campo magnéico giraorio [2]. Comercialmene exisen circuios inegrados especializados para el manejo de moores a pasos, más aún, exisen módulos llamados drivers que facilian la area de conrol, sin embargo, su coso es sumamene elevado. Figura 1. Alernador de carga. El moor encargado del movimieno verical requiere de una poencia de enrada de 8,2 W ofrece un orque de 0,883 N m. Por su pare, el moor del movimieno angular del disco requiere de una poencia de enrada de 4,8 W y proporciona un orque de 0,255 N m [1]. Ambos moores ienen una resolución angular de 1,8 por paso en modo paso compleo (0,9 por paso en modo medio paso ). Cada moor iene cuaro bobinas en su inerior, las cuales pueden ser conecadas en un arreglo serie o paralelo. El alernador cuena ambién con sensores que son uilizados para definir la posición exaca del disco del alernador, ano angular como verical. Desarrollo del conrol elecrónico: El esquema de conrol uilizado es el que se muesra en la siguiene figura: PC BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 µc CI s de conrol para moores. Reroalimenación Moor 1 Moor 2 Sensores Figura 2. Diagrama de conrol de los moores del alernador de carga. En el diagrama de conrol de la figura 2 se represenan en el BLOQUE 2 los circuios inegrados dedicados a mover los moores a pasos, cuyo número de idenificación son el L297 y L298. El L297 inegra oda la circuiería de conrol requerida para manipular moores a pasos. Dado que se raa de un circuio inegrado digial TTL 1, requiere de un acuador de poencia (en ese caso el c.i. 2 L298), logrando así una inerface complea microconrolador-moor a pasos. El L297 recibe señales de conrol, generalmene provenienes de un microconrolador, y suminisra odas las señales necesarias para la eapa de poencia. Es por eso que al L297 se le conoce como circuio raducor. Además, incluye dos circuios PWM (Pulse Widh Modulaion) para regular la corriene a ravés de las bobinas del moor [3]. El L298 es un c.i. diseñado para acepar señales con niveles lógicos TTL y manejar cargas inducivas como relevadores, solenoides, moores de c.d. 3 y moores a pasos. Puede manejar ensiones elécricas de 0 hasa 46V de c.d. y una corriene máxima de salida de 4A. Ofrece ala inmunidad al ruido y cuena con proección conra sobre calenamieno [4]. Cuena ambién con ora erminal adicional para una fuene de alimenación digial TTL. Como caracerísica exra, el L298 ienen dos 1 TTL (Transisor-Transisor Logic). Se refiere a señales digiales donde un 0 lógico equivale a 0V y un 1 lógico equivale a 5V. 2 c.i. significa circuio inegrado. 3 c.d. significa corriene direca 2

3 erminales de habiliación o enable, y dos erminales para conecar una resisencia denominada resisencia exerna de sensado, En el BLOQUE 1 se encuenra el microconrolador el cual coniene el programa que se encarga de generar los señales de conrol que recibe el c.i. L297 para mover los moores; a su vez, ese programa ambién puede recibir señales provenienes de una compuadora personal (PC) para ejecuar alguna ruina de movimieno especificada. El alernador de carga cuena con sensores de proximidad inducivos, los cuales se uilizan para deerminar la posición exaca del disco del alernador, ano verical como angular. Cuando los sensores son acivados, la señal que proviene de ellos se reroalimena al microconrolador y de acuerdo al algorimo del programa de ése úlimo los moores ejecuan alguna acción (de movimieno o de paro). La Figura 3 ilusra una ípica inerface complea microprocesador-moor bipolar a pasos uilizando los c.i. s L297 y L298. Se hace noar en dicha figura un arreglo de diodos conecados enre las bobinas del moor a pasos y el c.i. L298. Los diodos sirven para ofrecer un camino de descarga de la energía almacenada en las bobinas del moor al momeno de cambiar su polaridad de exciación. Esos diodos se encuenran encapsulados en un c.i. cuyo número de idenificación es el L6210. Problemas enconrados durane la realización de pruebas de movimieno del alernador de carga: Durane la realización de pruebas de movimieno del alernador se deecaron varios problemas los cuales se enumeran a coninuación: i. Inercia mecánica. El disco del alernador de carga, juno con el peso de las esferas parón ienen en conjuno un peso aproximado de 6kg. El moor encargado del movimieno angular realizaba en el arranque y en el paro movimienos indeseables (movimienos de vaivén y vibraorios). ii. Insuficiencia de orque. El moor del movimieno verical carecía de la suficiene fuerza para realizar el desplazamieno verical del disco del alernador. iii. Sobre calenamieno de los moores. Uno de los problemas más comunes en los moores a pasos en general es el calenamieno que presenan debido a su principio de funcionamieno. Para mejorar el orque de los moores a pasos es necesario incremenar la corriene a ravés del embobinado del esaor, pero eso genera pérdidas de energía en forma de calor por efeco Joule. Solución a los problemas de movimieno del alernador de carga: Solución i. Para conrarresar el movimieno no deseado en el moor de giro del alernador se sugirieron las siguienes alernaivas de solución: a) Colocar un reducor de velocidad en la flecha del moor para aumenar el orque del moor y disminuir la inercia de la carga. b) Aumenar la inensidad de corriene que circula en las bobinas del moor y lograr un aumeno de orque en el moor, conrarresando el efeco de la inercia. c) Programar en el microconrolador una rampa de velocidad, ano para el arranque como para el paro del movimieno del moor. Figura 3. Configuración ípica del uso de los c.i. s L297 y L298, para formar una inerface complea microconrolador-moor a pasos. El problema se solucionó incremenando la corriene en el moor pero a su vez, se programaron las rampas de velocidad de arranque y de paro. Con eso se consiguió hacer un movimieno suave en el desplazamieno angular del disco del alernador; la colocación de un reducor de velocidad implicaba cambios mayores en el diseño mecánico. 3

4 enonces el c.i. L297 manda una señal al c.i. L298 para que se dejen de energizar la bobinas del moor; una vez que la corriene en las bobinas del moor disminuye, se vuelven a energizar las bobinas para que alcance el valor de corriene deseado. A esa écnica se le conoce como regulación de corriene con modulación de ancho de pulso (PWM) (Figuras 5 y 6). Figura 4. Ejemplo de gráfica de velocidad conra el número de pasos del moor para movimieno angular del alernador. Solución ii. Para obener el orque necesario en el moor del desplazamieno verical del alernador, se modificó el circuio de poencia incremenando la corriene que circula a ravés de las bobinas del moor. Eso ofrece una desvenaja, el calenamieno excesivo del moor, sin embargo, ése se encuenra alojado denro de una caja de acero inoxidable que por conducción favorece la disipación del calor del moor. Solución iii. Una de las desvenajas que presenan los moores a pasos es el excesivo calenamieno que generan en su inerior. Los c.i. s L297 y L298 incluyen una écnica de regulación de corriene con un circuio comparador de ensión elécrica y un modulador de ancho de pulso. La corriene que circula por las bobinas del moor pasa ambién a ravés de una resisencia de sensado (generalmene de un valor no mayor a los 10Ω), que va enre una de las erminales del c.i. L298 y ierra. La caída de ensión en esa resisencia se dirige hacia una de las erminales del c.i. L297, donde se encuenra un comparador de ensión elécrica. El comparador de ensión hace una diferencia enre la ensión de la resisencia de sensado y un ensión de referencia exerna (definido según la canidad de corriene que se desee). Cuando la ensión en la resisencia de sensado es mayor a la ensión de referencia, quiere decir que la corriene que circula por las bobinas del moor es mayor a la deseada, Figura 5. Circuio para la regulación de corriene por la écnica PWM (Modulación de ancho de pulso). V Rsens V ref V moor I moor Señal PWM Figura 6. Señales que inervienen en la regulación de corriene del moor a pasos por PWM. RESULTADOS Después de realizar las pruebas de movimieno del alernador de carga haciendo las modificaciones mencionadas propuesas en las soluciones i, ii e iii 4

5 se consiguió un desempeño ópimo de los moores, reduciendo su calenamieno excesivo y obeniendo movimienos suaves en el alernador (eso es, sin vibración excesiva y sin movimienos de vaivén). La circuiería de poencia fue modificada para aumenar la corriene a ravés del embobinado de los moores, sin embargo, fue necesario además colocar un arreglo de capaciores como filros en el circuio de conrol (microconrolador y c.i. L297) para disminuir el ruido elecromagnéico generado por las bobinas de los moores. espera ener una inceridumbre en las mediciones de densidad del orden del ±1x10-6 o mejor. El alernador de carga auomáico será acoplado al sisema de auomáico de pesada hidrosáica, el cual ambién fue desarrollado en la División de Masa y Densidad del CENAM. CONCLUSIONES Una adecuada combinación de las soluciones presenadas en ese rabajo, para mejorar el desempeño de los moores del alernador, permiió obener los resulados esperados. Un aumeno en la corriene de las bobinas de los moores rae como beneficio un aumeno en su orque de salida, sin embargo ambién se genera un calenamieno excesivo en el mismo, además de la inducción de ruido elecromagnéico que afeca la circuiería de conrol. Uilizando las rampas de velocidad de arranque y de paro, así como el arreglo de capaciores, el calenamieno y el ruido elecromagnéico fueron reducidos considerablemene. No hubo necesidad de modificar el diseño mecánico del alernador como se proponía en el inciso a) de la Solución i.- ya que eso genera cosos en cuano a iempo y dinero. Es imporane desacar que ano el diseño mecánico como el elecrónico fueron desarrollados por el personal de la División de Masa y Densidad del CENAM. Ese proyeco es pare de la auomaización del Laboraorio del Parón Nacional de Densidad, con ese sisema se preende obener mayor calidad en las mediciones de masa en el aire reduciendo los facores humanos que incremenan la desviación esándar en las mismas [5]. Los valores de desviación esándar obenidos con las pesadas en el aire realizadas manualmene esán alrededor de los 500µg. Con el alernador de carga auomáico se preende eliminar por compleo el facor de influencia humano y obener desviaciones esándar de 30 ó 40 µg en las mediciones, aunado a ésas, las mediciones de pesada hidrosáica con el sisema auomáico ilusrado en la figura 7, se Figura 7. Sisema auomáico para pesada hidrosáica del Laboraorio del Parón Nacional de Densidad. REFERENCIAS [1] Servo Sysems Co., Caalog, Sepper Moors-Applied Moion Producos, pp. 23,26. [2] Moores paso a paso, página de inerne <hp:// 31 de enero de [3] SGS-Thompson Microelecronics, The L297 Sepper Moor Conroller, pp [4] SGS-Thompson Microelecronics, L298 Dual Full-Bridge Driver, pp [5] Mario Mosca, Giancarlo Birello, Alessandro Cappa, Savino Peorruso, Anna Peuo, Calibraion of a 1 kg auomaic weighing sysem for densiy measuremens, pp