CAPÍTULO 3 ETAPA ELECTRÓNICA. 3.1 Introducción

Transcripción

1 CAPÍTULO ETAPA ELECTRÓNICA En este capítulo se presenta el estudio de la conmutación en el sentido de los motores de corriente continua, así como la naturaleza de las señales que proceden de los sensores.. Introducción La mayoría de los brazos robot en la industria presentan una arquitectura cerrada y un hardware electrónico de control con arquitectura también cerrada. Debido a esto se hace imposible acceder a controladores internos de dicho hardware. Por todo esto es importante crear arquitecturas abiertas que permitan cambiar o incorporar nuevas estrategias de control sobre los brazos robot. Para ello, en la parte I del proyecto se crea una placa electrónica de potencia y acondicionamiento de señal, que interactuará entre el brazo robot y el computador, y ahora se propone la utilización de dicha placa para llevar a cabo el control de posición de dos motores del brazo robot

2 Proyecto Control e implementación en tiempo real de un brazo robot antropomórfico en entorno Matlab/Simulink desde el entorno Matlab/Simulink. Se propone y plantea como objetivo de este capítulo detallar los principios de funcionamiento de los diferentes elementos de dicha placa de control. Así se detallará los principios de funcionamiento del puente de conmutación interno del LM800, la naturaleza de las señales de los sensores y el modo de conexión entre la placa y el computador, para el envío y recepción de señales.. Componentes de la placa electrónica de potencia y de acondicionamiento de señal. Para llevar a cabo el control del brazo robot SCORBOT-ER III, será necesario interactuar entre un programa de control, creado en entorno Matlab/Simulink, y el propio brazo robot. Para ello en la Parte I del proyecto se lleva a cabo el diseño de la placa que deberá interactuar. La placa se puede observar en la Figura.: Fig.. Placa electrónica de potencia y acondicionamiento de señal 4

3 Capítulo Etapa electrónica La placa está formada por diferentes subetapas como son: Estabilizador de tensión. Driver de potencia LM800. Conector DB50. Acondicionamiento de señal para encoders. Acondicionamiento de señal para microinterruptores. Regletas de entrada y salida de señales. El circuito integrado LM800 posee un puente en H de control interno, el cual permite el control de la dirección de los motores de corriente continua, en función de la señal de entrada de dirección y la señal de entrada PWM. (véase anexo I, especificación técnica del LM800). Por ello se analizará el funcionamiento de dicho puente. En cuanto a la etapa de acondicionamiento de señal, tanto de encoders como de microinterruptores, se reflejará la naturaleza de dichas señales. Así se mostrará los niveles de tensión que los microinterruptores y los encoders envían a través de la placa electrónica, una vez acondicionada la señal, al computador, para su posterior tratamiento en la etapa de control. En cuanto a la regleta de entradas y salidas a la placa, se mostrará una tabla con dichas entradas y salidas, y a su vez la conexión de está regleta con la tarjeta de adquisición de datos, para así lograr la comunicación correcta entre el SCORBOT_ER III y el computador, y poder realizar el control en tiempo real de la maqueta del brazo robot... Puente en H en el amplificador de potencia LM800 El LM800 es un circuito integrado muy utilizado para el control de motores de corriente continua, tanto para el control de la velocidad, como dirección. La estructura interna de este integrado se puede observar en la Figura.: 5

4 Proyecto Control e implementación en tiempo real de un brazo robot antropomórfico en entorno Matlab/Simulink Fig.. Esquemático interno del LM800 Se puede observar en la Figura. que internamente posee una etapa amplificadora con puente en H. Este puente está formado por cuatro transistores, de manera que, controlando la señal en la base de dichos transistores, se puede controlar su estado. Los estados en los que basculará el transistor serán los estados de corte y saturación. El estado referente a corte se producirá cuando se introduzca señal nula en la base del transistor y provocará que el transistor equivalga a un interruptor abierto, mientras que el estado referente a saturación se producirá cual haya una señal de nivel alto en la base del transistor y provocará que el transistor equivalga a un interruptor cerrado. Por lo tanto, en función de una señal de entrada se está produciendo un cambio en el transistor a modo de conmutador o interruptor. El funcionamiento del puente en H facilita la basculación en la dirección del motor fácilmente. La Figura. representa la estructura de un puente en H basándose en el funcionamiento de los transistores como interruptores. 6

5 Capítulo Etapa electrónica VCC A B motor A B Fig.. Puente en H Los transistores de la Figura. se corresponden con los interruptores del puente en H de la Figura.. Se observa en la Figura. la conexión del motor en el puente puente en H y a continuación se detalla el método de inversión de giro. La técnica que se emplea para producir la basculación deseada en la dirección de los motores es la de excitar la base de los transistores en modo conmutación dos a dos, utilizando una lógica interna a partir de una señal de dirección y una señal de PWM, de manera que solamente pase corriente por dos de ellos a la vez. Así la corriente pasará por los bornes del motor en un sentido si están dos transistores excitados y en el otro sentido si los que están excitados son los otros dos transistores, como se puede ver en la Figura.4 7

6 Proyecto Control e implementación en tiempo real de un brazo robot antropomórfico en entorno Matlab/Simulink VCC VCC B A motor motor A corriente corriente B giro en un sentido giro en otro sentido Fig..4 Inversión del sentido de giro La Tabla. expresa claramente la activación de los transistores y el sentido de la corriente en los bornes del motor: Tabla.. Inversión de sentido de giro en puente en H. PWM Nota: H nivel alto. L nivel bajo. transistor activado. 0 transistor desactivado. Dirección A A B B H H 0 0 H L 0 0 L H L H Cabe destacar que, si la señal de PWM está a nivel bajo, todos los transistores quedarían en corte, por el funcionamiento de la lógica interna que más adelante se detallará. 8

7 Capítulo Etapa electrónica Las señales de control de tensión de base en los transistores del puente en H, dependerán de las señales de control de entrada al integrado, es decir, de las señales de PWM y dirección. Estas señales de dirección y PWM tendrán un valor de nivel alto (5 voltios) o nivel bajo (0 voltios) en cada momento. La Figura.5 representa el modo de conmutación en los transistores del puente en H, en función de los valores de dirección y PWM: Dirección PWM Transistor Puerta AND Fig..5 Control de base con señales de dirección y PWM Se observa en la Figura.5 la lógica interna que produce la señal de nivel alto o nivel bajo en la base de los transistores del puente en H. Está lógica interna está basada en introducir las señales de dirección y PWM a una puerta lógica AND. El funcionamiento de la puerta AND se expresa mediante la Tabla.: Tabla. Puerta AND. Entrada Entrada Salida Nota: nivel alto. (5 voltios). 0 nivel bajo. (0 voltios). De manera que sólo se enviará una salida de nivel alto cuando ambas señales de entrada también estén a nivel alto. Se observa en la Figura.5 que la salida de esta puerta AND está conectada a la base de los transistores, por lo que se enviará una señal de nivel alto o nivel bajo a la base de los transistores, en función de las señales de PWM y dirección y así se producirá la basculación entre corte y saturación. Puesto que se requiere controlar cuatro transistores, dos transistores (A y B) cuando la dirección es nivel alto y los otros dos (A y B) cuando la dirección es nivel 9

8 Proyecto Control e implementación en tiempo real de un brazo robot antropomórfico en entorno Matlab/Simulink bajo, se utilizará la señal PWM común para los cuatro transistores y la señal de dirección será igual en cada par de transistores. En la Figura.6 se observa el control del puente en H completa a partir de las señales PWM y dirección: VCC A Dirección PWM B MOTOR CC Puerta AND NOT A B Puerta AND Fig..6 Control puente en H Se puede observar en la Figura.6 que cuando la señal de dirección es un nivel alto se pueden controlar los transistores A y B, debido a que la puerta lógica AND que los controla tendría la entrada de dirección a nivel alto y sólo dependería de la señal PWM. Cuando la dirección es nivel bajo se podrían controlar los transistores A y B, debido a que la señal de dirección se invertiría a la entrada de la puerta de control AND y por consiguiente la activación y desactivación de los transistores A y B sólo dependería de la señal PWM. Se observa también que, si la señal de PWM es nula, todos los transistores recibirían una señal en la base nula (por el funcionamiento de la puerta AND, si una entrada es nula, la salida es nula), y por lo tanto todos estarían en estado de corte o desconectados... Entradas/salidas en la regleta de la placa de control A continuación se presenta la disposición de las entradas/salidas de la placa en la regleta de control, para posteriormente realizar el correcto conexionado entre la placa 40

9 Capítulo Etapa electrónica de control y la tarjeta de adquisición de datos, y así poder realizar el control de los motores del brazo robot con éxito. La Figura.7 representa las regletas de la placa de control y la Tabla. las señales de entrada/salida asociadas a cada terminal de la regleta: REG REG REG REG4 REG5 REG6 REG7 REG8 REG9 REG0 REG REG REG Fig..7 Disposición de las regletas en la placa Tabla. Señales asociadas a la regleta. Número de regleta Reg Reg Reg Reg4 Reg5 Reg6 Reg7 Reg8 Reg9 Reg0 Reg Reg Reg Señal de entrada/salida Salida de ª señal de encoder (articulación del hombro). Motor D. Salida de ª señal de encoder (articulación del hombro). Motor D. Salida de ª señal de encoder (articulación del codo). Motor E. Salida de ª señal de encoder (articulación del codo). Motor E. Entrada de dirección de motor D (articulación del hombro). Entrada de PWM de motor D (articulación del hombro). Entrada de PWM de motor E (articulación del codo). Entrada de dirección de motor E (articulación del codo). Alimentación de voltios. Gnd de la placa. Gnd de la tarjeta de adquisición de datos, Salida de señal de microinterruptor (articulación del hombro). Motor D. Salida de señal de microinterruptor (articulación del codo). Motor E. Así mismo se incluye también la Tabla.4, la cual relaciona las señales de la regleta de la placa electrónica de potencia y acondicionamiento de señal, con las señales de la tarjeta de adquisición de datos: 4

10 Proyecto Control e implementación en tiempo real de un brazo robot antropomórfico en entorno Matlab/Simulink Tabla.4 Conexiones placa tarjeta Regleta de placa Reg Reg Reg Reg4 Reg5 Reg6 Reg7 Reg8 Reg9 Reg0 Reg Reg Reg Regleta de tarjeta ACH0 (entradas analógicas). Entrada de encoder. (articulación del hombro). * Al aire. ACH (entradas analógicas). Entrada de enconder. (articulación del codo). * Al aire. DIO0 (salidas digitales). Salida de dirección. (articulación del hombro). DAC0 OUT (salidas del conversor A/D). Salida PWM. (articulación del hombro). DAC OUT (salidas del conversor A/D). Salida de PWM. (articulación del codo). DIO (salidas digitales). Salida de dirección. (articulación del codo). Alimentación placa ( voltios). GND placa. GND de tarjeta. ACH (entradas analógicas). Entrada de microinterruptor. (articulación del hombro). ACH (entradas analógicas). Entrada de microinterruptor. (articulación del codo)... Las señales de los sensores En este apartado se determinará los niveles de las señales en los sensores en función del acondicionamiento de señal producido por la placa, acondicionamiento detallado en la parte I del proyecto.... Las señales en los encoders Como ya se mencionó en la parte I del proyecto, se realiza en la placa un acondicionamiento de la señal obtenida en el encóder al producirse un giro en el eje del motor. Este acondicionamiento provocará una oscilación de la señal de salida del encóder entre 0 y 5 voltios, con lo cual habrá que realizar una aplicación de lectura de encoders, en entorno Matlab/Simulink, capaz de distinguir el nivel bajo de 0 voltios y el nivel alto de 5 voltios. Pero cabe hacer una aclaración al respecto, y es que las señales 4

11 Capítulo Etapa electrónica no serán exactamente de 0 y 5 voltios, sino que tendrán un nivel determinado de ruido, y por consiguiente, esto se debe de tener en cuenta a la hora de realizar la aplicación. La señal de salida del encóder se representa en la Figura.8, en función del movimiento del motor y del aspa del encóder acoplada al eje del motor: Tensión Tiempo Fig..8 Señal de salida en encoder Se observa que con esta etapa de acondicionamiento de señal se consigue hacer oscilar la señal del encoder como un tren de pulsos de 0 y 5 voltios. Puesto que de la placa electrónica de potencia posee salidas de dos encoders diferentes, la aplicación se deberá crear para el control de dos articulaciones solamente.... Las señales en los microinterruptores Al igual que para los encoders, la etapa de acondicionamiento provocará una oscilación de la señal de salida del microinterruptor entre 0 y 5 voltios, con lo cual habrá que realizar una aplicación de lectura de microinterruptores, en entorno Matlab/Simulink, capaz de distinguir el nivel bajo de 0 voltios y el nivel alto de 5 voltios. Pero cabe hacer una aclaración al respecto, y es que, al igual que en los encoders, las señales de los microinterruptores, tras el acondicionamiento de señal, no serán exactamente de 0 y 5 voltios, sino que tendrán un nivel determinado de ruido, y por consiguiente, esto se debe de tener en cuenta a la hora de realizar la aplicación. La señal de salida del microinterruptor se representa en la Figura.9a y en la Figura.9b. En la Figura.9a se representa el microinterruptor cuando pasa de estado inactivo a 4

12 Proyecto Control e implementación en tiempo real de un brazo robot antropomórfico en entorno Matlab/Simulink estado activo. En la Figura.9b se representa lo contrario, cuando pasa de estado activo a estado inactivo. Tensión Tiempo Fig..9a Señal de salida en microinterruptor Tensión Tiempo Fig..9b Señal de salida en microinterruptor. Resumen En este capítulo se ha detallado el funcionamiento del puente en H interno al LM800, la utilidad de este tipo de puente en control de sentido de giro en motores de corriente continua, las conexiones entre la placa electrónica y la tarjeta de adquisición de datos para una correcta comunicación con el brazo robot y el tipo y nivel de las señales que generan los sensores, para su posterior tratamiento software. Se adjunta el 44

13 Capítulo Etapa electrónica Anexo en el que se puede observar la estructura interna del LM800, y por consiguiente la estructura de control del puente en H. 45

14 Proyecto Control e implementación en tiempo real de un brazo robot antropomórfico en entorno Matlab/Simulink 46