UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

Transcripción

1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA DISEÑO, CONSTRUCCION Y FUNCIONAMIENTO ELECTRONICO DE UN CENTRO DE MAQUINADO DE CNC DE 4 EJES TRABAJO PRÁCTICO TÉCNICO Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA PRESENTA: OCTAVIO LOPEZ CRUZ DIRECTOR: ING. SIMON LEAL ORTIZ XALAPA, VER. ENERO 2015

2 ii

3 AGRADECIMIENTOS Gracias a todos los que me apoyaron a terminar este trabajo, ya sea moral o físicamente, mis padre y mis hermanas que me apoyaron toda mi carrera, mis amigos y compañeros, como también a los ingenieros que me ayudaron y me apoyaron a que este trabajo se llevara a cabo con éxito, y sobre a todo a dios quien hiso posible que todo esto ocurriera, muchas gracias. iii

4 INTRODUCCION 1 Capítulo1.-CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS DISPOSITIVOS DE CONTROL ENTRADA DE SEÑALES O CÓDIGOS DE PROGRAMACIÓN Tarjeta de desbloqueo (Breakout Board) Códigos de programación CONTROLADORES PARA CNC Drivers Unipolares Bipolares PUENTE H INTEGRADO L El puente H doble L Variador de frecuencia Principio de funcionamiento Descripción del VFD Motor del VFD Controlador del VFD Actuadores Conceptos básicos de un motor pasó a paso Control de motores paso a paso Motor asíncrono 22 Capítulo 2.-CARACTERISTICAS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS DISPOSITIVOS DE POTENCIA FUENTES CONMUTADAS Rectificación y filtro de entrada Pico de arranque Protección contra transitorios De retroceso (Flyback) FLYBACK de salidas múltiples Directo (FORWARD) FORWARD de salidas múltiples Contrafase (PUSH-PULL) Semipuente Puente (Bridge) Control de modo corriente Fuentes Resonantes 34 iv

5 Capítulo 3.-INTERFAZ DEL CPU PUERTO PARALELO DEL PC Descripción del conector físico PUERTO SERIE Estándar RS Características eléctricas Características mecánicas Señales del puerto PUERTO USB Funcionamiento Controlador Periféricos ETHERNET 53 CAPITULO 4.-CARACTERISTICAS Y FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES DE PASOS DESCRIPCIÓN DE LOS MOTORES PASO A PASO Holding torque Detent torque Clasificación de los motores paso a paso Motores de reluctancia variable Motores de imán permanente Motores híbridos Motores de imanes permanentes Claw-Poles Características de los motores paso a paso Modos de excitación Modo paso entero Fases excitadas alternativamente Fases siempre excitadas Modo medio paso 77 Capítulo 5.- DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL SISTEMA ELECTRONICO CARACTERÍSTICAS DE LOS DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS Dispositivos de control H Microstep driver DM860A Tarjeta de interfaz de puerto paralelo (DB ) Implementación de la tarjeta electrónica para el control de los motores paso a paso _ Transmisión de datos a través de puerto paralelo Variador de uso general serie HY (HY04D043B) 93 v

6 Dispositivos de potencia Fuentes de alimentación S , S , S Interruptor Automático Termo-magnético de caja moldeada 100A Características Transformador reductor 120v-12v Tarjeta de rectificador de señal Diagrama de conexión CONEXIÓN DE LOS DISPOSITIVOS ELECTRONICOS Distribución de los dispositivos electrónicos Caja contenedora de los dispositivos de potencia Caja contenedora de los dispositivos de control Montado de los motores a la estructura Montado de los dispositivos electrónicos las cajas de acero Conexión del variador Mach CONCLUCIONES 121 BIBLIOGRAFIA 122 vi

7 Índice de ilustraciones Figura i: maquina textil automática 1 Figura ii : Control de fresadora con tarjeta perforada 2 Figura iii : Transistor y válvula 2 Figura iv: Microprocesador 286 (1982) 2 Figura1: Ordenador personal como sistema CNC 6 Figura 1.1: tarjeta DB Figura 1.2: Tarjeta Interface Puerto Serial 7 Figura 1.3: tarjeta USB mach3 8 Figura 1.4: tarjeta interfaz Ethernet 8 Figura1.5: Dibujos técnicos. 9 Figura 1.6: controladores para motores a paso (driver) 10 Figura1.7: Driver unipolar de 20ª para motores a paso 11 Figura1.8: driver bipolar KL Figura1.9: Puente H 13 Figura1.10: Circuito integrado L Figura1.11: Doble puente H L Figura1.12: Variador de frecuencia Siemens 15 Figura1.13: Diagrama de un sistema del VFD 17 Figura1.14: Diagrama de Variador de Frecuencia Modulada 19 Figura1.15: Motores PaP 20 Figura1.16: Motor asíncrono/ de husillo 22 Figura2.1: Diagrama topológico Rectificador-Filtro de red 26 Figura2.2: Diagrama topológico Retroceso o Flyback 27 Figura2.3: Diagrama topológico Flyback salidas múltiples 28 Figura2.4: Diagrama topológico Directo o Forward 29 Figura2.5: Diagrama topológico Forward salidas múltiples 30 Figura2.6: Diagrama topológico Contrafase o Push-Pull 30 Figura2.7: Diagrama Topológico Semipuente o Half Bridge 31 Figura2.8: Diagrama topológico Puente o Bridge 32 Figura2.9: Diagrama topológico de Control en Modo Corriente 33 Figura2.10: Diagrama topológico Tanque Resonante 34 Figura2.11: Diagrama topológico de Tanques Resonantes Serie y Paralelo 35 Figura3.1: Puerto paralelo de computadora 37 Figura3.2: Diagrama del puerto paralelo de 25 pines 38 Figura : Conector DB25 hembra y Conector macho de un dispositivo 39 Figura3.5: Descripción de los pines de este conector DB25 39 Figura 3.6: Dos puertos serie en una computadora 41 vii

8 Figura3.7: Conexión RS-232 y otros puertos de una pc 42 Figura3.8: Estándar de 25 y 9 pines 44 Figura3.9: Diagrama del conector DB25 44 Figura3.10: Diagrama del conector DB9 44 Figura 3.11: Puertos USB del CPU 49 Figura3.12: Estructura de capas del bus USB 51 Figura3.13: Esquema de un concentrador 52 Figura3.14: Posible esquema de conexiones del Bus USB 53 Figura3.15: Dispositivos USB conectados aun pc 53 Figura3.16: Cable de conexión Ethernet 53 Figura4.1: Esquema básico de funcionamiento de un motor pasó a paso 58 Figura4.2: Embobinado de un motor a pasos 59 Figura4.3: Sección de un motor pasó a paso de reluctancia variable 61 Figura4.4: Líneas de flujo 62 Figura4.5: disposición de líneas de flujo al aplicarse un par externo 63 Figura4.6: El rotor se desplaza un paso al cambiar la excitación de la Fase I a la Fase II 64 Figura4.7: Comparación de las líneas de flujo para dos entrehierros diferentes 64 Figura4.8: Motor pasó a paso de imán permanente de cuatro fases 65 Figura4.9: Sección de un motor pasó a paso híbrido 66 Figura4.10: Estructura del rotor en un motor híbrido 67 Figura4.11: Líneas de flujo producidas por el imán permanente del rotor 67 Figura4.12: Operación de una fase activa de un motor híbrido de dos fases 68 Figura4.13: Sección de un motor de imán permanente claw-pole 69 Figura4.14: Curva característica de par de mantenimiento para varias intensidades. 70 Figura4.15: Ejemplo de característica par/intensidad. (a) Motor de reluctancia variable de cuatro fases y 1,8º, y (b) motor híbrido 72 Figura4.16: Curva de características dinámicas 73 Figura4.17: Ejemplo de curvas de característica con dips y islands 74 Figura4.18: esquema base para comentar los modos de excitación 75 Figura5.1: Fresadora de puente 80 Figura5.2: Fresadora de 3 ejes 81 Figura5.3: torno fresadora 81 Figura5.4: Cortador Foam 82 Figura5.5: fresadora de puente con mesa móvil 83 Figura5.6: Componentes electrónicos de un CNC de 4 ejes 83 Figura5.7: Driver DM860A LONGS 85 Figura5.8: Diagrama de conexión del DM860A 86 Figura5.9: Configuración programable del DM860A (interruptores DIP) 87 viii

9 Figura5.10: Tarjeta interfaz DB Figura5.11: Conector macho de puerto paralelo 92 Figura 5.12: variador serie HY (HY04D043B) 93 Figura5.13: fuente de alimentación de única salida Longs motor 96 Figura 5.14: Interruptor Automático G-Marco 100 A 101 Figura5.15: transformador reductor 120v-12v 102 Figura5.16: Tarjeta rectificadora de señal 103 Figura5.17: conexión de la tarjeta rectificadora 104 Figura5.18: conexión en 3D de la tarjeta rectificadora 105 Figura5.19: Diagrama de conexión de los dispositivos electrónicos del CNC 4ejes 105 Figura5.20: distribución de los dispositivos de potencia (AutoCAD) 106 Figura5.21: caja contenedora de los dispositivos de control (AutoCAD) 107 Figura 5.22: Estructura del cnc de 4 ejes 108 Figura5.23: dispositivos de control en una caja de acero 109 Figura5.24: jaula de Faraday 110 Figura5.25: Esquema de cableado del variador 111 Figura5.26: dispositivos de potencia montados 113 Figura5.27: Mach3 114 ix

10 Índice de tablas Tabla3.1: Nomenclatura y descripción de los pines DB25 40 Tabla3.2: Niveles de voltaje del estándar 43 Tabla3.3: Descripción de los pines de los conectores DB25 y DB9 45 Tabla4.1: Secuencia modo paso entero. Fases excitadas alternativamente 76 Tabla4.2: Secuencia modo paso entero. Fases excitadas simultáneamente 76 Tabla4.3: Secuencia modo medio paso 77 Tabla5.1: Configuración Microstep 87 Tabla5.2: configuración de la corriente pico y RMS 88 Tabla5.3: configuración del conector P1 88 Tabla5.4: configuración del conector P2 90 Tabla5.5: Especificaciones eléctricas 90 Tabla5.6: Especificaciones generales del variador 93 Tabla5.7: Datos técnicos serie S Tabla5.8: Datos técnicos serie S Tabla5.9: Datos técnicos serie S Tabla5.10: Especificaciones Interruptor Automatico G 102 x

11 INTRODUCCION La introducción del CNC en el control de las máquinas ha sido paulatina a lo largo de los últimos 50 años. A continuación se destacan los principales hitos hasta la fecha. 1808: Joseph M. Jaquard inventó una máquina textil automática. Hasta mediados del siglo XX: Intentos en guardar información en tarjetas perforadas y utilizarlas en automatismos mecánicos. Figura i: maquina textil automática 1942: Bendix Corporation realiza el cálculo de todos los puntos de una trayectoria para mecanizar una leva 3D. 1947: John Parsons desarrolla el sistema DIGITON para la fabricación de hélices de helicóptero. Contrato con la USAF y apoyo del MIT. 1953: Nace el término CNC. Desarrollado por el MIT en una fresadora de 3 ejes. La entrada de datos era mediante tarjetas perforadas. La USAF pide 170 máquinas de control numérico. Página 1

12 Figura ii: Control de fresadora con tarjeta perforada 1960: Los controles basados en la tecnología de transistores comenzaron a sustituir a los basados en válvulas de vacío. Figura iii: Transistor y válvula 1969: Primeros ensayos de DNC (Control Numérico Directo). Hoy en día estas siglas tienen el significado más amplio de Control Numérico Distribuido. 1976: Los microprocesadores revolucionaron el mundo de los controles numéricos. Aparece la programación gráfica, comunicación digital con accionamientos, etc. Figura iv: Microprocesador 286 (1982) Página 2

13 1992: Se empezó a hablar de controles numéricos abiertos que posibilitan su personalización y la incorporación de los conocimientos propios. Hoy: Integración CNC-PC. Apertura real del CNC. Nuevos algoritmos de control. Conexión en LAN, tele-mantenimiento, etc. El control numérico o CNC es un conjunto de elementos que permiten gobernar los ejes de una máquina de forma automática. Para gobernar el movimiento de los ejes, el CNC precisa de diferentes elementos que se pueden agrupar en tres grupos: Parte Mecánica: servomotores, husillos,... actuadores en general. Parte electrónica: Encargada de calcular las posiciones y gobernar a los motores. Programa: Definido por el usuario. Software que es leído e interpretado por el CNC. El ámbito de la electrónica es muy influida por componentes de toda índole, diversos, diferentes que son necesarios reconocer para realizar adecuadamente algún trabajo de revisión, mantenimiento, reparación o así mismo tener la propia persona que hacer unos cambios en las mismas placas o circuitos que está revisando en el momento. A lo largo de este trabajo conoceremos como se diseñó y construyó el sistema electrónico de un cnc de 4 ejes, así como su funcionamiento y características en sus dispositivos de control y de potencia, como también se conocerá sobre los motores de pasos que se utilizaron en el cnc. Página 3

14 Capítulo1.-CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS DISPOSITIVOS DE CONTROL Página 4

15 Básicamente las máquinas herramienta son máquinas de potencia diseñadas para cortar. Normalmente es capaz de sujetar y apoyar la pieza de trabajo, sujetar y apoyar una herramienta de corte, impartir movimiento a la herramienta de corte o a la pieza de trabajo y de avanzar la herramienta de corte o la pieza de trabajo de forma que se logre la acción de corte y la precisión requerida. El control numérico puede definirse como un método para controlar con precisión la operación de una máquina, mediante una serie de instrucciones codificadas formadas por números, letras y símbolos que la unidad de control pueda comprender. Para lograr todo esto el CNC necesita de un sistema de control, los sistemas de control, se aplican en esencia para los organismos vivos, las máquinas y las organizaciones. Un sistema de control está definido como un conjunto de componentes que pueden regular su propia conducta o la de otro sistema con el fin de lograr un funcionamiento predeterminado, de modo que se reduzcan las probabilidades de fallos y se obtengan los resultados buscados. Estos sistemas se usan típicamente en sustituir un trabajador pasivo que controla un determinado sistema (ya sea eléctrico, mecánico, etc.) con una posibilidad nula o casi nula de error, y un grado de eficiencia mucho más grande que el de un trabajador. Los sistemas de control más modernos en ingeniería automatizan procesos en base a muchos parámetros y reciben el nombre de controladores de automatización programables (PAC). Un controlador de automatización programable, o PAC (del inglés Programmable Automation Controller), es una tecnología industrial orientada al control automatizado, al diseño de prototipos y a la medición. El PAC se refiere al conjunto formado por un controlador (una CPU típicamente), módulos de entradas y salidas, y uno o múltiples buses de datos que lo interconectan todo. Página 5

16 Figura1: Ordenador personal como sistema CNC Los elementos que conforman los sistemas de control son: Entrada de señales o códigos de programación. Controlador. Actuador 1.1.-ENTRADA DE SEÑALES O CÓDIGOS DE PROGRAMACIÓN El elemento que se encargue de la transmisión de los datos debe poseer características de altas prestaciones y se detallan a continuación las siguientes tarjetas de interfaz. Para su conexión debe utilizar el puerto paralelo DB25 de la computadora personal. Debe ser compatible con el software de manufactura. Compatibilidad con los controladores de los motores (servomotores o motores a pasos). Debe ser confiable y de fácil manejo. Disponibilidad en el mercado Tarjeta de desbloqueo (Breakout Board) También llamada "breakout board" (aislada) o "interface board" (normal), es el elemento que conecta con el ordenador y hace de frontera. Una característica muy interesante es que sea optoacoplada lo que garantiza el aislamiento entre los motores, circuitos de potencia, etc. y la delicada electrónica del ordenador. Página 6

17 Así mismo, hay varias formas de conectar al ordenador. Las más utilizadas: Puerto Paralelo: aun siendo un interfaz de los años 70, sigue siendo utilizado hoy en día por su sencillez. Programas CNC como Mach3 son el que utilizan. Figura 1.1: tarjeta DB Puerto Serie: no es muy habitual pero existen controladoras para este tipo. Tiene la ventaja de ser un estándar reconocido y permite distancias relativamente grandes. Figura 1.2: Tarjeta Interface Puerto Serial Puerto USB: es la tendencia actual y terminará siendo el estándar, pero aún no todos los programas lo soportan y hay que revisar su compatibilidad. Página 7

18 Figura 1.3: tarjeta USB mach3 Ethernet: es una solución profesional que incorporan algunas tarjetas. Figura 1.4: tarjeta interfaz Ethernet A la interfaz se conectan las entradas y salidas, por lo que es conveniente que cuente con entradas para sensores de finales de carrera, parada de emergencia o incluso encoders de posición. En cuanto a las salidas, es frecuente contar con al menos un relé para activar elementos como un motor y en el caso de fresadoras, bombas de refrigeración, etc. Es en cualquier caso un aspecto a tener en cuenta también Códigos de programación La programación es la base del control numérico, es importante que el operario conozca esta técnica para indicarle a la máquina las operaciones que realizará para obtener la pieza deseada. El control numérico es el método para controlar con precisión la operación de las máquinas CNC mediante un lenguaje (código G) conformado por una serie Página 8

19 de instrucciones codificadas, formadas por números, letras y símbolos que la unidad de control de la máquina pueda interpretar. El código G se puede escribir en la computadora línea a línea pero es un trabajo muy tardado y de mucho cuidado, puede haber códigos de miles de líneas que una persona tardaría en escribir días incluso semanas. Afortunadamente existen programas como Sheetcam y Vectric Aspire que automáticamente generan el código de la pieza que se desee maquinar. En la actualidad existen los programas de CAD (diseño asistido por computadora) y CAM (manufactura asistida por computadora), cuya finalidad es utilizar las computadoras para automatizar la producción de dibujos o diagramas y elaborar listas o proyectos de materiales en un diseño, con un nivel más avanzado. Estos programas brindan al diseñador capacidades para facilitar el proceso del diseño y al fabricante para producir piezas más rápido, a menor costo y de mayor calidad. Para llevar a cabo el maquinado de la pieza deseada, primero se necesita realizar el diseño de ésta en alguno de los programas CAD o CAM, después generar las instrucciones (código G) con ayuda de algún software y finalmente trasladar estas instrucciones al programa controlador de la máquina para que vaya indicando al controlador de ejes y accesorios de la máquina cuándo ejecutarlas. Figura1.5: Dibujos técnicos. Sin embargo, todavía existen talleres en los que se programa a pie de máquina, es decir, se traza el boceto de la figura en papel (Figura1.5), se indican las dimensiones requeridas y se empieza a crear la lista de Página 9

20 instrucciones que se introducirán línea a línea desde el teclado de la máquina CONTROLADORES PARA CNC Son elementos importantes dentro de un sistema de control a continuación se describen las características de los controladores de motores a pasos y de los servo controladores. En general en el modo micropaso, el ángulo por defecto de un motor puede ser dividido en ángulos muchos menores, por ejemplo un motor estándar de 1.8 tiene 200 pasos/revolución. Pero si el motor es movido por micropasos con una división entre 10, entonces el motor se moverá a 0.18 /paso y por consiguiente debería dar 2000 pasos/revolución teniendo más opciones de resolución del motor. El rango de división en el modo micropasos está entre 10 y 256 pasos/revolución para motores de 1.8 ; los micropasos son producidos alimentando corriente en los dos embobinados de acuerdo a las funciones seno o coseno. Esta característica se la utiliza cuando se requiere un movimiento liso o se requiere más resolución, eliminar la resonancia, reduciendo el ruido y la vibración Drivers Figura 1.6: controladores para motores a paso (driver) Es el elemento que maneja directamente los motores y por tanto habrá uno por cada motor. Los diferentes tipos que suelen utilizarse y sus características más significativas a tener en cuenta: Página 10

21 Unipolares Para máquinas no se suelen utilizar demasiado porque desaprovechan el torque del motor. Sin embargo son las de más fácil construcción y se encuentran circuitos "caseros" para manejar motores Paso a Paso con esta técnica. También suelen carecer de gestión corriente y por ello limitan la intensidad de los bobinados con resistencias de potencia y voltajes muy bajos, lo cual repercute en un rendimiento pobre. Figura1.7: Driver unipolar de 20ª para motores a paso Bipolares Son las más utilizadas actualmente y hacen uso de distintos "chips" especializados que implementan técnicas para incrementar el rendimiento. Importante que cuenten con: - Gestión PWM de corriente para regular la intensidad de los bobinados de forma eficiente reduciendo la disipación de calor. Por supuesto ha de ser capaz de manejar intensidad que requiera el motor. - Voltajes elevados gracias a la gestión PWM permite aplicar mayores voltajes al motor y obtener mayores velocidades de conmutación (ver Motores). - Micropasos con lo que obtienen aumentos de resolución del motor de hasta 1/256 (también se les llama "reductora electrónica"), aunque si no disponemos de encoder que nos asegure la posición no conviene más de 1/8 para mantener una cierta seguridad de que no hay perdidas de pasos. - Control de resonancia todos los motores por naturaleza tienen una frecuencia a la que el bobinado entra en resonancia y el motor puede perder hasta un 40% de potencia en ese punto si no se evita. - Gestión de StandBy que reduce la corriente del motor cuando lleva un cierto tiempo parado para que no se sobrecalienten al tiempo que se mantiene el par Página 11

22 de retención. - Protección contra sobrecorriente y sobretemperatura del driver. Los driver utilizan dos circuitos integrados, uno para el manejo de la corriente y el otro para el control de la secuencia de conmutación y el control de la corriente de bobinado para el motor paso a paso. Figura1.8: driver bipolar KL PUENTE H Los motores paso a paso requieren del cambio de dirección del flujo de corriente a través de sus bobinas en la secuencia apropiada. Dicha corriente es muy elevada con respecto a lo que un microcontrolador puede soportar. Dado lo anterior, es necesario un puente H por cada bobina del motor. Un puente H es un dispositivo capaz de soportar el flujo bidireccional de corriente. A continuación se presenta la configuración y función de un puente H. Un puente H, es básicamente un arreglo de cuatro interruptores acomodados como se muestra en la figura1.9. Página 12

23 Figura1.9: Puente H Estos interruptores (A, B, C y D) pueden ser de transistores bipolares, mosfets, jfets, relevadores o cualquier combinación de elementos. Los puentes H se utilizan para hacer funcionar el elemento central (en este caso el motor) en dos sentidos (adelante y atrás) sin tener que manejar voltajes negativos. Si se cierran solamente los contactos A y D la corriente circulará en un sentido a través del motor (o del relevador o de cualquier sistema que esté conectado), y si se cierran solamente los contactos B y C la corriente circulará en sentido contrario. Siempre se debe tener cuidado en no cerrar los contactos A y B o C y D al mismo tiempo, porque se ocasionaría un corto circuito. Es recomendable colocar diodos de protección para el motor para asegurar que la corriente no regrese, debido al efecto inductivo de sus bobinas. Existen en el mercado diversos circuitos integrados que son controladores para motores a pasos. Estos ya incluyen en su interior los puentes H necesarios para manejar las bobinas de los motores a pasos. La cantidad de puentes que contiene así como características específicas, varían entre diversos dispositivos. Página 13

24 INTEGRADO L297 Figura1.10: Circuito integrado L297 El L297 integra toda la circuitería de control necesaria para controlar motores paso a paso bipolares y unipolares. Usado con un driver de puente H doble como el L298N forma una completa interfaz entre un microprocesador y un motor paso a paso bipolar. El controlador de motores paso a paso L297 está principalmente destinado para ser utilizado con un puente L298N o L293E en aplicaciones de accionamiento de motor paso a paso. Se reciben señales de control desde el controlador del sistema, normalmente un chip de microordenador, y proporciona todas las señales de accionamiento necesarias para la etapa de potencia. Además, incluye dos circuitos de choppeo PWM para regular la corriente en los devanados del motor. Con un actuador de potencia adecuado el L297 controla las dos fases en motores bipolares de imanes permanentes, cuatro fases en motores unipolares de imanes permanentes y cuatro fases en motores de reluctancia variable. Además, maneja modos de funcionamiento normal, onda media y medio paso. Para los motores bipolares con corrientes de devanado de hasta 2ª el L297 se debe utilizar con el L298N; para corrientes de bobinado de hasta 1A se recomienda el L293E (el L293 también será útil si no es necesario chopeo) El puente H doble L298 Figura1.11: Doble puente H L298 Página 14

25 El L298 es un circuito integrado monolítico en un empaquetado Multiwatt 15 y PowerSO20. Se trata de un doble puente completo para controlar alto voltaje y alta corriente diseñada para aceptar estándares niveles lógicos TTL y manejar cargas inductivas tales como relés, solenoides, motores paso a paso y de corriente continua. Dos entradas de habilitación se proporcionan para activar o desactivar el dispositivo de forma independiente de las señales de entrada. Los emisores de los transistores inferiores de cada puente están conectados entre sí y el terminal externo correspondiente se puede utilizar para la conexión de una resistencia externa de detección (sensor de corriente). Una entrada de alimentación adicional se proporciona para que la lógica trabaje a un voltaje menor. Un motor bipolar de 2 fases que necesite hasta 2A por fase puede ser accionado por un único circuito integrado con doble puente H L298N. Este C.I. contiene dos puentes H con todas las combinaciones de alimentación de bobinas y las entradas de control necesarias para interactuar directamente bajo nivel de señales lógicas de entrada. Como se explicó anteriormente, un completo driver de chopeo se puede construir mediante la adición de un chip controlador de corriente y los diodos de protección necesarios, una red RC para definir la frecuencia del oscilador y un divisor de tensión de referencia (o potenciómetro) para seleccionar el nivel de corriente deseado. Cuatro señales de fase desde el controlador son proporcionadas por el control de un microcomputador o por otro chip de control dedicado: el controlador de motor paso a paso L Variador de frecuencia Figura1.12: Variador de frecuencia Siemens Página 15

26 Un variador de frecuencia (siglas VFD, del inglés: Variable Frequency Drive o bien AFD Adjustable Frequency Drive) es un sistema para el control de la velocidad rotacional de un motor de corriente alterna (AC) por medio del control de la frecuencia de alimentación suministrada al motor. Es un dispositivo electrónico que modifica la velocidad. Estas son también conocidas como drivers de frecuencia ajustable (AFD), drivers de CA, microdrivers o inversores. Dado que el voltaje es variado a la vez que la frecuencia, a veces son llamados drivers VVVF (variador de voltaje variador de frecuencia) Principio de funcionamiento En definitiva, estos dispositivos entregan voltaje y frecuencia variable conforme a la necesidad del motor y la carga a él conectada. Para tal efecto, toma la alimentación eléctrica de la red, cual tiene voltaje y frecuencia fija, la transforma en un voltaje continuo (Rectificador más Filtro) y luego lo transforma en voltaje alterno trifásico de magnitud y frecuencia variable por medio de un Inversor. Contando sólo con esta última etapa (Inversor) es posible también alimentar estos motores a partir de un suministro de corriente continua (por ejemplo baterías). También se puede contar con un rectificador monofásico de modo de poder alimentar un motor trifásico a partir de una fuente de alimentación monofásica. La forma de onda del voltaje de salida en estricto rigor no es una sinusoide perfecta, toda vez que entregan una señal de pulso modulada a partir de una frecuencia de conmutación alta. En todo caso con los equipos actuales, donde podemos encontrar frecuencias de conmutación del orden de los 50 KHz, los contenidos de armónica son bastante bajos, por lo que agregando filtros pasivos cumplen las exigencias normativas impuestas por muchos países. La relación frecuencia voltaje es configurada por el usuario según la aplicación, siendo las más usuales una relación lineal, cual produce un torque constante en todo el rango de velocidad, o una relación cuadrática, la que el torque disminuye a medida que baja la velocidad. En definitiva, conforme a la consigna de frecuencia que se le otorgue al equipo, la cual puede ser un comando en el mismo equipo o una señal externa, se entregará al motor un voltaje de magnitud según la relación V/F configurada y de frecuencia conforme a la consigna. Esto hará que el motor gire a una velocidad proporcional a la frecuencia. Los dispositivos variadores de frecuencia operan bajo el principio de que la velocidad síncrona de un motor de corriente alterna (CA) está determinada por Página 16

27 la frecuencia de alimentación suministrada al motor y el número de polos en el estator, de acuerdo con la relación: RPM = 120 x f / p Donde RPM = Revoluciones por minuto f = frecuencia de alimentación suministrada (Hertz) p = Número de polos Las cantidades de polos más frecuentemente utilizadas en motores síncronos o en motor asíncrono son 2, 4, 6 y 8 polos que, siguiendo la ecuación citada, resultarían en 3000 RPM, 1500 RPM, 1000 RPM y 750 RPM respectivamente para motores sincrónicos únicamente y a la frecuencia de 50 Hz. Dependiendo de la ubicación geográfica funciona en 50Hz o 60Hz. En los motores asíncronos las revoluciones por minuto son ligeramente menores por el propio asincronismo que indica su nombre. En estos se produce un desfase mínimo entre la velocidad de rotación (RPM) del rotor (velocidad "real" o "de salida") comparativamente con la cantidad de Rpm del campo magnético (las cuales si deberían cumplir la ecuación arriba mencionada tanto en Motores síncronos como en motores asíncronos) debido a que sólo es atraído por el campo magnético exterior que lo aventaja siempre en velocidad (de lo contrario el motor dejaría de tener par en los momentos en los que alcanzase al campo magnético) Figura1.13: Diagrama de un sistema del VFD Página 17

28 Descripción del VFD Un sistema de variador de frecuencia (VFD) consiste generalmente en un motor de CA, un controlador y una interfaz operadora Motor del VFD El motor usado en un sistema VFD es normalmente un motor de inducción trifásico. Algunos tipos de motores monofásicos pueden ser igualmente usados, pero los motores de tres fases son normalmente preferidos. Varios tipos de motores síncronos ofrecen ventajas en algunas situaciones, pero los motores de inducción son más apropiados para la mayoría de propósitos y son generalmente la elección más económica. Motores diseñados para trabajar a velocidad fija son usados habitualmente, pero la mejora de los diseños de motores estándar aumenta la fiabilidad y consigue mejor rendimiento del VFD. (Variador de frecuencia) Controlador del VFD El controlador de dispositivo de variación de frecuencia está formado por dispositivos de conversión electrónicos de estado sólido. El diseño habitual primero convierte la energía de entrada CA en CC usando un puente rectificador. La energía intermedia CC es convertida en una señal quasisenoidal de CA usando un circuito inversor conmutado. El rectificador es usualmente un puente trifásico de diodos, pero también se usan rectificadores controlados. Debido a que la energía es convertida en continua, muchas unidades aceptan entradas tanto monofásicas como trifásicas (actuando como un convertidor de fase, un variador de velocidad). Tan pronto como aparecieron los interruptores semiconductores, estos fueron introducidos en los Variadores de Frecuencia, ellos han sido aplicados para los inversores de todas las tensiones que hay disponibles. Actualmente, los transistores bipolares de puerta aislada (IGBTs) son usados en la mayoría de circuitos inversores. Las características del motor CA requieren la variación proporcional del voltaje cada vez que la frecuencia es variada. Por ejemplo, si un motor está diseñado Página 18

29 para trabajar a 460 voltios a 60 Hz, el voltaje aplicado debe reducirse a 230 volts cuando la frecuencia es reducida a 30 Hz. Así la relación voltios/hertzios deben ser regulados en un valor constante (460/60 = 7.67 V/Hz en este caso). Para un funcionamiento óptimo, otros ajustes de voltaje son necesarios, pero nominalmente la constante V/Hz es la regla general. El método más novedoso y extendido en nuevas aplicaciones es el control de voltaje por Modulación de la Anchura de Pulso (PWM). Figura1.14: Diagrama de Variador de Frecuencia Modulada Actuadores Un actuador es un dispositivo capaz de transformar energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre un proceso automatizado. Este recibe la orden de un regulador o controlador y en función a ella genera la orden para activar un elemento final de control como, por ejemplo, una válvula. Existen varios tipos de actuadores como son: Electrónicos Hidráulicos Neumáticos Eléctricos Los actuadores hidráulicos, neumáticos y eléctricos son usados para manejar aparatos mecatrónicos. Página 19

30 Conceptos básicos de un motor pasó a paso Figura1.15: Motores PaP En periféricos de ordenador y aplicaciones de equipos de oficina, los motores paso a paso más populares utilizados son los de tipos de imanes permanentes con dos embobinados bipolares o motores unipolares bobinados de forma bifilar. Refiriéndose a lo esencial, ambos tipos constan de un rotor de imán permanente rodeado de polos en el estator formados por bobinados. Un motor de dos polos tiene un ángulo de paso de 90. Sin embargo, la mayoría de los motores tienen múltiples polos para reducir el ángulo de paso a unos pocos grados Control de motores paso a paso. Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos. 1) Las ventajas de un motor paso a paso son los siguientes: Control de posicionamiento preciso. Torque elevado. Velocidad de respuesta rápida. Bajo costo de equipo. Dispositivos digitales. 2) Las desventajas de los motores paso a paso son: Fricción y pérdidas de posicionamiento debido a los componentes mecánicos desgastados. Existe problemas del fenómeno de resonancia si el sistema de control no Página 20

31 es adecuado. El motor paso a paso puede controlarse mediante un gran número de secuencias diferentes. Las más comunes son las siguientes: Control de onda. Control total del paso (Full Stop). Control de la Mitad de Paso (Half Step). Microstepping. Un motor paso a paso bipolar de imanes permanentes tiene un solo bobinado de cada fase y la corriente debe ser invertida para invertir el campo del estator. Los motores unipolares bifilar/híbrido, sin embargo, tiene dos devanados enrolladas en direcciones opuestas para cada fase, de manera que el campo se puede revertir con una unidad de polaridad única. Los motores unipolares antiguamente fueron más populares porque el control era más simple. Sin embargo, con los circuitos integrados doble puente de hoy (puente H), es igual de fácil conducir un motor bipolar. En la técnica más popular de control (dos fases encendidas) ambas fases están siempre energizadas. En otro método (llamado controlador de onda) una fase es energizada a la vez. Una tercera técnica combina las dos secuencias y acciona el motor medio paso a la vez (Half-Stepping). Controlar medios pasos es muy útil porque los motores mecánicamente diseñados para ángulos de pasos muy pequeños son mucho más complejos (y costosos) de construir. Es más económico utilizar un motor paso a paso de 100 pasos en configuración de medios pasos en lugar de un motor paso a paso de 200 pasos utilizando paso completo (Full-stepping). Recientemente diseñadores han comenzado a generar mayores micropasos (Microstepping), o accionar el motor a un cuarto de paso o menos. Este tipo de operación pueda obtener finos pasos sin usar motores mecánicamente complejos con ángulos pequeños de paso. Página 21

32 Motor asíncrono Figura1.16: Motor asíncrono/ de husillo Los motores asíncronos o de inducción son un tipo de motor de corriente alterna en el que la corriente eléctrica, en el rotor, necesaria para producir torsión es inducida por inducción electromagnética del campo magnético de la bobina del estator. Por lo tanto un motor de inducción no requiere una conmutación mecánica aparte de su misma excitación o para todo o parte de la energía transferida del estator al rotor, como en los universales, DC y motores grandes síncronos. El primer prototipo de motor eléctrico capaz de funcionar con corriente alterna fue desarrollado y construido por el ingeniero Nikola Tesla y presentado en el American Institute of Electrical Engineers (en español, Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos, actualmente IEEE) en El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla; b) bobinado, y un estator, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º en el espacio. Según el Teorema de Ferrari, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas equilibradas, cuyo desfase en el tiempo es también de 120º, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor según la Ley de inducción de Faraday: La diferencia entre el motor a inducción y el motor universal es que en el motor a inducción el devanado del rotor no está conectado al circuito de excitación del motor sino que está eléctricamente aislado. Tiene barras de conducción en todo su largo, incrustadas en ranuras a distancias uniformes alrededor de la periferia. Las barras están conectadas con anillos (en cortocircuito como dicen los Página 22

33 electricistas) a cada extremidad del rotor. Están soldadas a las extremidades de las barras. Este ensamblado se parece a las pequeñas jaulas rotativas para ejercitar a mascotas como hámster y por eso a veces se llama "jaula de ardillas", y los motores de inducción se llaman motores de jaula de ardilla. Entonces se da el efecto Laplace (o efecto motor): todo conductor por el que circula una corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético experimenta una fuerza que lo tiende a poner en movimiento. Simultáneamente se da el efecto Faraday (o efecto generador): en todo conductor que se mueva en el seno de un campo magnético se induce una tensión. El campo magnético giratorio, a velocidad de sincronismo, creado por el bobinado del estator, corta los conductores del rotor, por lo que se genera una fuerza electromotriz de inducción. La acción mutua del campo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor, originan una fuerza electrodinámica sobre dichos conductores del rotor, las cuales hacen girar el rotor del motor. La diferencia entre las velocidades del rotor y el campo magnético se denomina deslizamiento o resbalamiento. Página 23

34 Capítulo 2.-CARACTERISTICAS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS DISPOSITIVOS DE POTENCIA Página 24

35 La expresión electrónica de potencia se utiliza para diferenciar el tipo de aplicación que se le da a dispositivos semiconductores, en este caso para transformar y controlar voltajes y corrientes de niveles significativos. Se diferencia así este tipo de aplicación de otras de la electrónica denominadas de baja potencia o también de corrientes débiles. En este tipo de aplicación se reencuentran la electricidad y la electrónica, pues se utiliza el control que permiten los circuitos electrónicos para controlar la operación (encendido y apagado) de semiconductores de potencia para el manejo de corrientes y voltajes en aplicaciones de potencia. Esto al conformar equipos denominados convertidores estáticos de potencia. De esta manera, la electrónica de potencia permite adaptar y transformar la energía eléctrica para distintos fines tales como alimentar controladamente otros equipos, transformar la energía eléctrica de continua a alterna o viceversa, y controlar la velocidad y el funcionamiento de máquinas eléctricas, etc. mediante el empleo de dispositivos semiconductores, principalmente semiconductores. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control, sistemas de compensación de factor de potencia y/o de armónicos como para suministro eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión de eléctricos de potencia de distinta frecuencia. El principal objetivo de esta disciplina es el manejo y transformación de la energía de una forma eficiente, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos, potenciales generadores de pérdidas por efecto Joule. Los principales dispositivos utilizados por tanto son bobinas y condensadores, así como semiconductores trabajando en modo corte/saturación (on/off, encendido y apagado). Un cnc necesita de un sistema de electrónica de potencia para poder suministrar la energía requerida a los motores de pasos o servomotores por lo que básicamente utilizan fuentes conmutadas para realizar dicha acción FUENTES CONMUTADAS Las fuentes conmutadas fueron desarrolladas inicialmente para aplicaciones militares y aeroespaciales en los años 60, por ser inaceptable el peso y volumen de las lineales, se han desarrollado desde entonces diversas Página 25

36 topologías y circuitos de control, algunas de ellas exponemos ya que son de uso común en fuentes conmutadas para aplicaciones industriales y comerciales. Figura2.1: Diagrama topológico Rectificador-Filtro de red Rectificación y filtro de entrada Las fuentes conmutadas son convertidores cc-cc, por lo que la red debe ser previamente rectificada y filtrada con una amplitud de rizado aceptable. La mayoría de las fuentes utilizan el circuito de la Fig.1 para operar desde 90 a 132 Vac o de 180 a 260 Vac según sea la posición del conmutador. En la posición de abierto se configura como rectificador de onda completa obteniéndose aproximadamente 310 Vcc desde la red de 220 Vac. En la posición de cerrado el circuito funciona como rectificador doblador de tensión, obteniéndose también 310 Vcc a partir de 110 Vac. Para evitar sobrecalentamientos los condensadores electrolíticos de filtro (C1 y C2) deben ser de bajo ESR (baja resistencia interna) y de la tensión adecuada. Es conveniente conectar en paralelo con estos otros condensadores tipo MKP para mejor desacoplo de alta frecuencia de conmutación. Los rectificadores deben soportar una tensión inversa de 600v Pico de arranque Al arrancar una fuente conmutada, la impedancia presentada a la red es muy baja al encontrarse los condensadores descargados, sin una resistencia en serie adicional la corriente inicial sería excesivamente alta. En la Fig.2.1, TH1 y Página 26

37 TH2 son resistencias NTC (coeficiente negativo de temperatura), que limitan esta corriente a un valor aceptable. Las fuentes de media y gran potencia disponen de circuitos activos con resistencia limitadora que se cortocircuita por medio de relés o de conmutadores estáticos cuando ya están los condensadores cargados Protección contra transitorios Además del filtrado de ruidos reinyectados a la red que incorporan las fuentes conmutadas, es aconsejable la utilización de un varistor conectado a la entrada para proteger contra picos de tensión generados por la conmutación en circuitos inductivos de las proximidades o por tormentas eléctricas De retroceso (Flyback) Figura2.2: Diagrama topológico Retroceso o Flyback Dada su sencillez y bajo costo, es la topología preferida en la mayoría de los convertidores de baja potencia (hasta 100 w). En la Fig.2.2 se muestran los principios de esta topología de fuente conmutada. Cuando «T» conduce, la corriente crece linealmente en el primario del transformador, diseñado con alta inductancia para almacenar energía a medida que el flujo magnético aumenta. La disposición del devanado asegura que el diodo «D» está polarizado en sentido inverso durante este período, por lo que no circula corriente en el secundario. Cuando «T» se bloquea, el flujo en el transformador cesa generando una corriente inversa en el secundario que carga el condensador a Página 27

38 través del diodo alimentando la carga. Es decir, en el campo magnético del transformador se almacena la energía durante el período «ON» del transistor y se transfiere a la carga durante el período «OFF» (FLYBACK). El condensador mantiene la tensión en la carga durante el período «ON». La regulación de tensión en la salida se obtiene mediante comparación con una referencia fija, actuando sobre el tiempo «ON» del transistor, por tanto la energía transferida a la salida mantiene la tensión constante independientemente del valor de la carga o del valor de la tensión de entrada. La variación del período «ON» se controla por modulación de ancho de pulso (PWM) a frecuencia fija, o en algunos sistemas más sencillos por autooscilación variando la frecuencia en función de la carga FLYBACK de salidas múltiples Figura2.3: Diagrama topológico Flyback salidas múltiples La Fig.2.3 muestra la simplicidad con que pueden añadirse salidas aisladas a un convertidor Flyback. Los requisitos para cada salida adicional son un secundario auxiliar, un diodo rápido y un condensador. Para la regulación de las salidas auxiliares suele utilizarse un estabilizador lineal de tres terminales a costa de una pérdida en el rendimiento. Página 28

39 Directo (FORWARD) Figura2.4: Diagrama topológico Directo o Forward Es algo más complejo que el sistema Flyback aunque razonablemente sencillo y rentable en cuanto a costes para potencias de 100 a 250w.Cuando el transistor conmutador «T» está conduciendo «ON», la corriente crece en el primario del transformador transfiriendo energía al secundario. Como quiera que el sentido de los devanados el diodo D2 está polarizado directamente, la corriente pasa a través de la inductancia L a la carga, acumulándose energía magnética en L. Cuando «T» se apaga «OFF», la corriente en el primario cesa invirtiendo la tensión en el secundario. En este momento D2 queda polarizado inversamente bloqueando la corriente de secundario, pero D3 conduce permitiendo que la energía almacenada en L se descargue alimentando a la carga. El tercer devanado, llamado de recuperación, permite aprovechar la energía que queda en el transformador durante el ciclo «OFF» devolviéndola a la entrada, vía D1. Contrariamente al método Flyback, la inductancia cede energía a la carga durante los períodos «ON» y «OFF», esto hace que los diodos soporten la mitad de la corriente y los niveles de rizado de salida sean más bajos. Página 29

40 FORWARD de salidas múltiples Figura2.5: Diagrama topológico Forward salidas múltiples Por cada salida adicional es necesario un secundario auxiliar, dos diodos rápidos, una inductancia y un condensador de filtro. Esto hace que sea más costoso que el Flyback. Para mejorar la regulación en las salidas auxiliares se utilizan estabilizadores lineales Contrafase (PUSH-PULL) Figura2.6: Diagrama topológico Contrafase o Push-Pull Página 30

41 Esta topología se desarrolló para aprovechar mejor los núcleos magnéticos. En esencia consisten en dos convertidores Forward controlados por dos entradas en contrafase. Los diodos D1 y D2 en el secundario, actúan como dos diodos de recuperación. Idealmente los períodos de conducción de los transistores deben ser iguales, el transformador se excita simétricamente y al contrario de la topología Forward no es preciso prever entrehierro en el circuito magnético, ya que no existe asimetría en el flujo magnético y por tanto componente continua. Ello se traduce en una reducción del volumen del núcleo del orden del 50% para una misma potencia. Una precaución que debe tenerse en cuanta en este tipo de circuitos es que las características de conmutación de los transistores deben ser muy similares, y los devanados tanto en primario como en secundario han de ser perfectamente simétricos, incluso en su disposición física en el núcleo. También se ha de tener en cuenta, que los transistores conmutadores soportan en estado «OFF» una tensión doble de la tensión de entrada Semipuente Figura2.7: Diagrama Topológico Semipuente o Half Bridge Es la topología más utilizada para tensiones de entrada altas (de 200 a 400v) y para potencias de hasta 2000w. En la Fig.27 se aprecia que el primario del transformador está conectado entre la unión central de los condensadores del desacoplo de entrada y la unión de la fuente de T1 y el drenado de T2. Si se dispara alternativamente los transistores T1 y T2 conecta el extremo del primario a +300v y a 0v según corresponda, generando una onda cuadrada de 155v de valor máximo, la cual con una adecuada relación de espiras, Página 31

42 rectificada y filtrada se obtiene la tensión de salida deseada. Una ventaja de este sistema es que los transistores soportan como máximo la tensión de entrada cuando están en «OFF», mientras que en los sistemas Flyback, Push-Pull y Forward, esta tensión es cuando menos el doble. Ello permite, cuando la tensión de entrada es la red rectificada, la utilización de transistores de 400 a 500v, mientras que en las otras configuraciones se requerirían transistores de 800 a 1000v.La regulación se logra comparando una muestra de la salida con una tensión de referencia para controlar el ancho del estado de conducción de los transistores. Algunas de las ventajas del semipuente son: Núcleos más pequeños. Baja dispersión de flujo magnético. La frecuencia en los filtros de salida es el doble de la frecuencia de conmutación. Filtro de reducidas dimensiones. Bajo ruido y rizado de salida. Fácil configuración como salidas múltiples. Ruido radiado relativamente bajo. La mayor desventaja consiste en que el primario del transformador trabaja a la mitad de la tensión de entrada y por tanto circula el doble de corriente por los transistores que en el caso de topología puente que se verá a continuación Puente (Bridge) Figura2.8: Diagrama topológico Puente o Bridge Página 32

43 Para potencias superiores a 2000w, las corrientes en los transistores de conmutación son excesivas. La Fig.2.8 muestra la topología básica de un convertidor puente, donde los transistores en ramas opuestas del puente T1 y T4 son disparados en fase y T2 y T4 en contrafase. La amplitud de la onda cuadrada en el primario del transformador es por tanto de 310v, doble que en la topología semipuente y por tanto mitad de corriente para una misma potencia. El empleo de cuatro transistores que deben ser excitados por separado, hace que el circuito de disparo sea más complejo. Si la conmutación en ambas ramas está algo desbalanceada hace que aparezca una componente continua en el transformador produciendo la saturación del núcleo magnético, se evita con la introducción del condensador C1 en serie con el primario del transformador Control de modo corriente Figura2.9: Diagrama topológico de Control en Modo Corriente Este método de control de fuentes se ha incrementado últimamente al disponer de circuitos integrados que incluyen PWM y control en modo corriente en el mismo encapsulado. El sistema de control en modo corriente utiliza doble bucle de realimentación. Uno es el clásico vía amplificador de error y el segundo bucle toma una muestra de la corriente de la inductancia de salida en el primario del transformador y la compara con la salida del amplificar de error. El transistor de conmutación se activa mediante pulso de reloj interno pero deja de conducir cuando la corriente de la inductancia anula la salida del amplificar de error. Las ventajas de esta topología son: Una mejor respuesta a demandas transitorias. Página 33

44 Mayor estabilidad dinámica. Fácil limitación de la corriente Reparto de carga en configuraciones en paralelo. Un control regulado solo en tensión es un sistema de tercer orden que requiere compensación para limitar la ganancia del bucle a altas frecuencias por lo que las prestaciones dinámicas son pobres con tendencia a oscilaciones cuando están sometidos a transitorios importantes. Con el complemento del control en modo corriente, el bucle abierto se convierte en un sistema de primer orden, facilitando la estabilización y el control. Al mismo tiempo se reduce el problema de las Interferencias Electro Magnéticas (EMI) al evitarse las oscilaciones que se generan en condiciones transitorias. El control en modo corriente es de fácil aplicación en tipologías Flyback y Forward pero caso complejo en sistemas Push-Pull, Puente y Semipuente, en especial si se requiere disponer de salidas múltiples Fuentes Resonantes Figura2.10: Diagrama topológico Tanque Resonante Para mejorar la relación Potencia/Volumen de los equipos, se han incrementado las frecuencias de conmutación. Por encima de los 100KHz las pérdidas en la conmutación así como las interferencias electromagnéticas suponen problemas difíciles de resolver a un coste razonable. Los problemas e inconvenientes en las conmutaciones se reducen considerablemente usando Página 34

45 técnicas resonantes. Las dos características más destacables en esta topología son: Conmutación a paso por cero de corriente, o sea, sin pérdidas en la conmutación. La forma de onda de corriente es senoidal, es decir, menor fatiga de los componentes y eliminación del EMI en banda ancha. Figura2.11: Diagrama topológico de Tanques Resonantes Serie y Paralelo Cuando el procedimiento se combina con control PWM a frecuencia constante el sistema se denomina «Cuasi-resonante», aunque la mayoría de los diseños regulan fijando los tiempos ON-OFF del conmutador y modulando en frecuencia. Como puede apreciarse en las Fig.2.11, existen dos topologías fundamentales: Serie y Paralelo. La combinación R-C es conocida como tanque resonante y puede estar en el primario o en el secundario del transformador. En la Fig.2.11 el tanque resonante está colocado en el primario que es lo más común. Las ventajas de las técnicas resonantes comienzan a partir de 200KHz hasta 2 MHz. Es una desventaja a la hora de fijar salidas múltiples. Un buen compromiso es la topología cuasi-resonante configurada como semipuente controlando el tanque L-C en el primario. Permite salidas múltiples conservando las ventajas de la conmutación de corriente a paso por cero, la onda senoidal y operar a alta frecuencia. Página 35

46 Capítulo 3.-INTERFAZ DEL CPU Página 36

47 En electrónica, telecomunicaciones y hardware, una interfaz es el puerto (circuito físico) a través del que se envían o reciben señales desde un sistema o subsistemas hacia otros. No existe una interfaz universal, sino que existen diferentes estándares (Interfaz USB, interfaz Serie, Interfaz paralela, Ethernet.) que establecen especificaciones técnicas concretas (características comunes), con lo que la interconexión sólo es posible utilizando la misma interfaz en origen y destino. Así también, una interfaz puede ser definida como un intérprete de condiciones externas al sistema, a través de transductores y otros dispositivos, que permite una comunicación con actores externos, como personas u otros sistemas, a través de un protocolo común a ambos. Una interfaz es una Conexión física y funcional entre dos aparatos o sistemas independientes PUERTO PARALELO DEL PC Figura3.1: Puerto paralelo de computadora Hace años, IBM diseñó el puerto paralelo para manejar impresoras desde su gama de microcomputadores PC/XT/AT. Un conector estándar macho de 25 pines aparecía en la parte trasera del PC con el solo propósito de servir de interfaz con la impresora. El sistema operativo DOS cargado en dichos PC soporta hasta tres puertos paralelos asignados a los identificadores LPT1, LPT2 y LPT3, y cada puerto requiere tres direcciones consecutivas del espacio de E/S (entrada-salida) del procesador para seleccionar todas sus posibilidades. Desde el punto de vista del hardware, el puerto consta de un conector hembra Página 37

48 DB25 con doce salidas latch (poseen memoria/buffer intermedio) y cinco entradas, con ocho líneas de tierra. Desde el punto de vista del software, el puerto paralelo consta de tres registros (datos, estado y control) de 8 bits cada uno, que ocupan tres direcciones de E/S (I/O) consecutivas de la arquitectura x86. Figura3.2: Diagrama del puerto paralelo de 25 pines La función normal del puerto consiste en transferir datos a una impresora mediante 8 líneas de salida de datos, usando las señales restantes como control de flujo. Sin embrago, puede ser usado como un puerto E/S de propósito general por cualquier dispositivo o aplicación que se ajuste a sus posibilidades de entrada/salida Descripción del conector físico La conexión del puerto paralelo al mundo exterior se realiza mediante un conector hembra DB25. Observando el conector de frente y con la parte que tiene mayor número de pines hacia arriba, se numera de derecha a izquierda y de arriba a abajo, del 1 al 13 (arriba) y del 14 al 25 (abajo). Página 38

49 Figura : Conector DB25 hembra y Conector macho de un dispositivo Figura3.5: Descripción de los pines de este conector DB25 En este conector: 8 líneas (pines) son para salida de datos (bits de DATOS). Sus valores son únicamente modificables a través de software, y van del pin 2 (dato 0, D0) al pin 9 (dato 7, D7). 5 líneas son de entrada de datos (bits de ESTADO), únicamente modificables a través del hardware externo. Estos pines son: 11, 10, 12, 13 y 15, del más al menos significativo. 4 líneas son de control (bits de CONTROL), numerados del más significativo al menos: 17, 16, 14 y 1. Habitualmente son salidas, aunque se pueden utilizar también como entradas y, por tanto, se pueden modificar tanto por software como por hardware. las líneas de la 18 a la 25 son la tierra. Página 39

50 En la siguiente tabla se detallan la nomenclatura y descripción de cada línea. La columna "Centronics pin" se refiere a las líneas del conector tipo Centronics usado en las impresoras. La columna E/S se refiere al dato visto desde el lado del PC. Tabla3.1: Nomenclatura y descripción de los pines DB25 DB25 Centronics Tipo pin pin (E/S) Señal Descripción 1 1 S Strobe Si está bajo más de 0.5 µs, habilita a la impresora para que reciba los datos enviados. 2 2 S D0 Bit 0 de datos, bit menos significativo (LSB) 3 3 S D1 Bit 1 de datos 4 4 S D2 Bit 2 de datos 5 5 S D3 Bit 3 de datos 6 6 S D4 Bit 4 de datos 7 7 S D5 Bit 5 de datos 8 8 S D6 Bit 6 de datos 9 9 S D7 Bit 7 de datos, bit más significativo (MSB) E Ack Un pulso bajo de ~11µs indica que se han recibido datos en la impresora y que la misma está preparada para recibir más datos E Busy En alto indica que la impresora está ocupada E PaperEnd En alto indica que no hay papel E SelectIn En alto para impresora seleccionada S AutoFeed E Error S Init S Select Si está bajo, el papel se mueve una línea tras la impresión. En bajo indica error (no hay papel, está fuera de línea, error no det.). Si se envía un pulso en bajo > 50 µs la impresora se reinicia. En bajo selecciona impresora (en gral. no se usa, ya que SelectIn se fija a alto) ,33 GND Masa retorno del par trenzado. Página 40

51 Masa lógica 17 Masa chasis El nombre de cada señal corresponde a la misión que cumple cada línea con relación a la impresora, el periférico para el que fue diseñado el puerto paralelo. Las señales activas a nivel bajo aparecen con la barra de negación (por ejemplo, Strobe). Cuando se indica alto o bajo se refiere a la tensión en el pin del conector. Alto equivale a ~5V en TTL y bajo a ~0V en TTL PUERTO SERIE Figura 3.6: Dos puertos serie en una computadora Considerada como una de los más básicas conexiones externas a una computadora, el puerto serie ha sido una parte integral de todas las computadoras por más de 20 años. A pesar de que muchos sistemas nuevos han abandonado el puerto serie completamente y adoptado conexiones por USB, muchos módems aun usan el puerto serie, así como algunas impresoras, PDAs y cámaras digitales. Pocas computadoras tienen más de 2 puertos serie. Esencialmente, los puertos serie proveen un conector estándar y un protocolo que te permite conectar dispositivos, tales como módems, microcontroladores, etc., a tu computadora. Todos los sistemas operativos en uso hoy en día suportan los puertos serie, porque estos puertos se han usado por décadas. Los puertos paralelos son un invento más reciente y más rápidos que los puertos serie. Los puertos USB tienen solo algunos años y en un futuro reemplazaran tanto a los serie como a los paralelos. Página 41

52 El término "serial" viene del hecho de que el puerto serie "serializa" los datos. Esto quiere decir que toma un byte de datos y transmite los 8 bits del byte uno a la vez. La ventaja del puerto serie es que necesita únicamente 1 solo cable para transmitir los 8 bits (mientras que un puerto paralelo necesita 8). La desventaja es que dura 8 veces más para transmitir el dato que si tuviéramos 8 cables. Antes de cada byte de información, el puerto serial manda un bit de comienzo (start bit), el cual es un bit con valor de 0. Después de cada byte de datos, este manda un bit de parada (stop bit) para indicar que el byte ha sido completado. Algunas veces también se manda un bit de paridad. Los puertos serie, también llamados puertos de comunicación (COM), son bidireccionales. La comunicación bidireccional permite a cada dispositivo recibir datos, así como también transmitirlos. Los dispositivos seriales usan distintos pines para recibir y transmitir datos. Usando el mismo pin, limitaría la comunicación a half-dúplex, esto quiere decir que la información solamente podría viajar en una dirección a la vez. Usando distintos pines, permite que la comunicación sea full-dúplex, en la cual la información puede viajar en ambas direcciones al mismo tiempo Estándar RS-232 Figura3.7: Conexión RS-232 y otros puertos de una pc El puerto serie del PC es un dispositivo de entrada/salida compatible con el estándar RS-232-C. Casi todos los PC tienen uno o dos puertos serie. Cada Página 42

53 uno de estos puertos tiene un conector de nueve pines (algunas veces veinticinco) en la parte trasera del ordenador. Los programas de ordenador pueden enviar y recibir datos a través del puerto serie. El estándar RS-232-C describe un interfaz entre un DTE (Data Terminal Equipment) y un DCE (Data Communications Equipment) que emplea un intercambio en serie de datos binarios. En él se definen características eléctricas, mecánicas, funcionales del interfaz y modos de conexión comunes. Las características eléctricas incluyen parámetros tales como niveles de voltaje e impedancia del cable. La sección mecánica describe los pines. La descripción funcional define las funciones de las señales eléctricas que se usan Características eléctricas Los niveles de voltaje descritos en el estándar son los siguientes: Tabla3.2: Niveles de voltaje del estándar Señales de datos "0" "1" Emisor (necesario) de 5 a 15 de -5 a -15 Voltios Receptor (esperado) de 3 a 25 de -3 a -25 Voltios Señales de control "Off" "On" Emisor (necesario) de -5 a -15 de 5 a 15 Voltios Receptor (esperado) de -3 a -25 de 3 a 25 Voltios Puede verse que los voltajes del emisor y el receptor son diferentes. Esta definición de los niveles de voltaje compensa las pérdidas de voltaje a través del cable. Las señales son atenuadas y distorsionadas a lo largo del cable. Este efecto es debido en gran parte a la capacidad del cable. En el estándar la capacidad máxima es de 2500 pf (picofaradios). La capacidad de un metro de cable es normalmente de 130 pf. Por lo tanto, la longitud máxima del cable está limitada a unos 17 metros. Sin embargo, esta es una longitud nominal definida en el estándar y es posible llegar hasta los 30 metros con cables de baja capacidad o utilizando velocidades de transmisión bajas y mecanismos de corrección. Página 43

54 Características mecánicas En el estándar no se hace referencia al tipo de conector que debe usarse. Sin embargo los conectores más comunes son el DB-25 (25 pines) y el DB-9 (9 pines). El conector hembra debe estar asociado con el DCE y el macho con el DTE. Figura3.8: Estándar de 25 y 9 pines Figura3.9: Diagrama del conector DB25 Figura3.10: Diagrama del conector DB9 Página 44

55 En la siguiente tabla puede verse la señal asociada a cada pin. Tabla3.3: Descripción de los pines de los conectores DB25 y DB9 DB25 Pin DB9 Pin Nombr DTE- EIA CCITT e DCE Nombre Formal 1 FG AA 101 Frama Ground 2 3 TD BA > Transmitted Data 3 2 RD BB 104 <-- Received Data 4 7 RTS CA > Request To Send 5 8 CTS CB 106 <-- Clear To Send 6 6 DSR CC 107 <-- Data Set Ready 7 5 SG AB 102 Signal Ground 8 1 DCD CF 109 <-- Data Carrier Detect 9 + P 10 - P 11 No asignado 12 SDCD SCF 122 <-- Secondary Data Carrier 13 SCTS SCB 121 <-- Secondary Clear To Send 14 STD SBA > Secondary Transmitted 15 TC DB 114 <-- Transmission Signal 16 SRD SBB 119 <-- Secondary Received Data 17 RC DD > Receiver Signal Element Timing 18 No asignado 19 SRTS SCA > Secondary Request To Send 20 4 DTR CD > Data Terminal Ready 21 SQ CG 110 <-- Signal Quality Detector 22 9 RI CE 125 <-- Ring Indicator 23 CH/CI 111/112 <--> Data Signal Rate Selector 24 DA 113 <-- Transmitter Signal 25 No asignado Página 45

56 Señales del puerto Cada una de las señales pertenece a un tipo de circuito distinto. En el nombre EIA de la señal se hace referencia al circuito al que pertenece. (A) Tierra (B) Datos (C) Control (D) Tiempo (S) Canal secundario Protective Ground (AA) Esta línea está conectada a la tierra de la fuente del adaptador en serie. No debe ser utilizado como tierra de la señal. Conecte esta línea a la pantalla del cable (si es aplicable). Mediante la conexión de esta línea en ambos lados a asegurarse de que no hay grandes corrientes fluyen a través de la tierra de la señal en caso de un defecto de aislamiento u otro defecto en cualquiera de los lados. Por otro lado, cuando dos dispositivos están separados por grandes distancias es posible que no desee utilizar la señal, debido a diferente potencial de tierra y es posible que pueda llevar a una corriente sustancial como un bucle de tierra. Si es lo suficientemente grande, puede causar interferencias eléctricas. Transmitted data (BA) Esta señal es usada para transmitir datos del DTE al DCE. Se mantiene con un 1 lógico cuando no hay nada que transmitir. El terminal empieza a transmitir cuando un uno lógico está presente en las siguientes líneas: Clear To Send, Data Terminal Ready, Data Set Ready, Data Carrier Detect Received data (BB) La señal es usada por el DTE para recibir datos desde el DCE. El terminal empieza a transmitir cuando un 1 lógico está presente en las siguientes líneas: Request To Send, Data Terminal Ready, Data Set Ready, Data Carrier Detect. Request To Send (CA) El DTE utiliza esta señal cuando quiere transmitir al DCE. En combinación con la señal Clear To Send coordina la transmisión de datos entre el DTE y el DCE Un cero lógico en esta línea mantiene al DCE en modo de transmisión, es Página 46

57 decir, el DCE recibe datos del DTE y los transmite. Una transición On-Off en esta línea hace que el DCE complete la transmisión de datos y cambie al modo de recepción (el DCE recibe datos y los transmite al DTE). En una línea halfdúplex, cuando el DTE tiene que enviar datos activa la señal Request To Send y entonces espera hasta que el DCE cambia del modo de recepción al modo de transmisión. Cuando la transmisión es posible el DCE activa la señal Clear To Send y la transmisión puede empezar. En una línea full dúplex las señales Request To Send y Clear To Send están activadas permanentemente Clear To Send (CB) Se trata de una señal de respuesta al DTE. Cuando esta señal esta activa, indica al DTE que puede empezar a transmitir. Por ejemplo, cuando un modem se conecta a otro modem por la red telefónica. Cuando esta señal esta activa junto con las señales Request To Send, Data Set Ready y Data Terminal Ready, el DTE puede estar seguro de que los datos serán enviados por el enlace de comunicación. Sin embargo, cuando si las señales Data Set Ready y Data Terminal Ready no están implementadas, como en una conexión local que no involucra la red telefónica, las señales Clear To Send y Request To Send son suficientes para controlar la transmisión de datos. Data Set Ready (CC) En esta línea el DCE le indica al DCE que el canal de comunicación está disponible. Por ejemplo, cuando un modem ha establecido una conexión con un modem remoto y está en modo de transmisión. Signal ground Esta señal es la tierra usada como punto de referencia para todas las señales recibidas o transmitidas. Es muy importante y debe de estar presente en toda comunicación. Data Carrier Detect (CF) Esta señal es utilizada por el DCE para indicarle al DTE que se ha establecido una portadora con el dispositivo remoto. +P Este pin se mantiene a +12 Voltios para test -P Este pin se mantiene a -12 Voltios para test Secondary Receive Line Signal Detect (SCF) Página 47

58 Esta señal esta activa cundo el canal de comunicación secundario recibe una portadora. Es análoga a la señal Receive Line Signal Detect. Secondary Clear To Send (SCB) Cuando está activa le indica al DTE que puede empezar a transmitir por el canal secundario. Equivalente a la señal Clear To Send. Secondary Transmitted Data (SBA) Por esta línea se envían los datos del canal secundario del DTE al DCE. Esta señal es equivalente a la señal Transmitted Data. Transmission Signal Element Timing (DB) En esta línea el DCE envía una señal de reloj al DTE. Lo que permite al DTE introducir esta señal de reloj en el circuito de transmisión de datos. Una transición On-Off marca el centro de cada elemento de señal (bit) en la línea Transmitted Data. La frecuencia de la señal de reloj es la misma a la que se envían los datos. Secondary Receive Data (SBB) La señal es usada por el DTE para recibir datos del canal secundario desde el DCE. Cuando se utiliza el canal secundario para diagnostico o para interrumpir el flujo de datos en el canal primario, esta señal no está implementada. Receiver Signal Element Timing (DD) En esta línea el DCE envía una señal de reloj al DTE. Lo que permite al DTE introducir esta señal de reloj en el circuito de recepción de datos. Una transición On-Off marca el centro de cada elemento de señal (bit) en la línea Transmitted Data. La frecuencia de la señal de reloj es la misma a la que se reciben los datos. Secondary Request To Send (SCA) El DTE utiliza esta señal cunado quiere transmitir al DCE por el canal secundario. Es equivalente a la señal Request To Send Data Terminal Ready (CD) Cuando está activa le indica al DCE que el DTE está listo para recibir datos. Esta señal debe estar activa antes de que el DCE pueda activar la señal Data Set Ready indicando que está conectado al enlace de comunicación. Cuando la línea pasa a estar desactivada, el DCE finaliza la comunicación. Signal Quality Detector (CG) Esta línea es utilizada por el DCE para indicar si existe una alta probabilidad de Página 48

59 error en los datos recibidos. Cuando hay una probabilidad alta de error, la señal está en Off. No es muy utilizada. Ring Indicador (CE) En esta línea el DCE avisa al DTE que se ha recibido una llamada. Esta señal está en Off hasta que el DCE recibe una señal de llamada. Data Signal Rate Selector (CH) El DTE utiliza esta señal para seleccionar la velocidad de transmisión del DCE. Data Signal Rate Selector (CI) Esta señal es la misma que la señal anterior (CH) pero en este caso es el DCE quien selecciona la velocidad. Transmitter Signal Element Timing (DA) En esta línea el DTE envía al DCE una señal de reloj. Esto solo sucede cuando el reloj maestro está en el DTE. Una transición On-Off marca el centro de cada elemento de señal (bit) en la línea Transmitted Data PUERTO USB Figura 3.11: Puertos USB del CPU En un principio teníamos la interfaz serie y paralelo, pero era necesario unificar todos los conectores creando uno más sencillo y de mayores prestaciones. Así nació el USB (Universal Serial Bus), es una nueva arquitectura de bus o un nuevo tipo de bus desarrollado por un grupo de siete empresas (Compaq, Digital Equipment Corp, IBM PC Co., Intel, Microsoft, NEC y Northern Telecom) que forma parte de los avances plug-and-play y permite instalar periféricos sin tener que abrir la máquina para instalarle hardware, es decir, basta con que se conecte dicho periférico en la parte posterior del computador y listo. Página 49

60 Funcionamiento Trabaja como interfaz para transmisión de datos y distribución de energía, que ha sido introducida en el mercado de PC y periféricos para mejorar las lentas interfaces serie (RS-232) y paralelo. Esta interfaz de 4 hilos, 12 Mbps y "plug and play", distribuye 5V para alimentación, transmite datos y está siendo adoptada rápidamente por la industria informática. Es un bus basado en el paso de un testigo, semejante a otros buses como los de las redes locales en anillo con paso de testigo y las redes FDDI. El controlador USB distribuye testigos por el bus. El dispositivo cuya dirección coincide con la que porta el testigo responde aceptando o enviando datos al controlador. Este también gestiona la distribución de energía a los periféricos que lo requieran. Emplea una topología de estrellas apiladas que permite el funcionamiento simultáneo de 127 dispositivos a la vez. En la raíz o vértice de las capas, está el controlador anfitrión o host que controla todo el tráfico que circula por el bus. Esta topología permite a muchos dispositivos conectarse a un único bus lógico sin que los dispositivos que se encuentran más abajo en la pirámide sufran retardo. A diferencia de otras arquitecturas, USB no es un bus de almacenamiento y envío, de forma que no se produce retardo en el envío de un paquete de datos hacia capas inferiores. El sistema de bus serie universal USB consta de tres componentes: Controlador Hubs o Concentradores Periféricos Página 50

61 Figura3.12: Estructura de capas del bus USB Controlador Reside dentro del PC y es responsable de las comunicaciones entre los periféricos USB y la CPU del PC. Es también responsable de la admisión de los periféricos dentro del bus, tanto si se detecta una conexión como una desconexión. Para cada periférico añadido, el controlador determina su tipo y le asigna una dirección lógica para utilizarla siempre en las comunicaciones con el mismo. Si se producen errores durante la conexión, el controlador lo comunica a la CPU, que, a su vez, lo transmite al usuario. Una vez se ha producido la conexión correctamente, el controlador asigna al periférico los recursos del sistema que éste precise para su funcionamiento. El controlador también es responsable del control de flujo de datos entre el periférico y la CPU. Concentradores o hubs Son distribuidores inteligentes de datos y alimentación, y hacen posible la conexión a un único puerto USB de 127 dispositivos. De una forma selectiva reparten datos y alimentación hacia sus puertas descendentes y permiten la comunicación hacia su puerta de retorno o ascendente. Un hub de 4 puertos, por ejemplo, acepta datos del PC para un periférico por su puerta de retorno o ascendente y los distribuye a las 4 puertas descendentes si fuera necesario. Los concentradores también permiten las comunicaciones desde el periférico hacia el PC, aceptando datos en las 4 puertas descendentes y enviándolos hacia el PC por la puerta de retorno. Además del controlador, el PC también contiene la concentradora raíz. Este es Página 51

62 el primer concentrador de toda la cadena que permite a los datos y a la energía pasar a uno o dos conectores USB del PC, y de allí a los 127 periféricos que, como máximo, puede soportar el sistema. Esto es posible añadiendo concentradores adicionales. Por ejemplo, si el PC tiene una única puerta USB y a ella le conectamos un hub o concentrador de 4 puertas, el PC se queda sin más puertas disponibles. Sin embargo, el hub de 4 puertas permite realizar 4 conexiones descendentes. Conectando otro hub de 4 puertas a una de las 4 puertas del primero, habremos creado un total de 7 puertas a partir de una puerta del PC. De esta forma, es decir, añadiendo concentradores, el PC puede soportar hasta 127 periféricos USB. La mayoría de los concentradores se encontrarán incorporados en los periféricos. Por ejemplo, un monitor USB puede contener un concentrador de 7 puertas incluido dentro de su chasis. El monitor utilizará una de ellas para sus datos y control y le quedarán 6 para conectar allí otros periféricos. Figura3.13: Esquema de un concentrador Periféricos USB soporta periféricos de baja y media velocidad. Empleando dos velocidades para la transmisión de datos de 1. 5 y 12 Mbps se consigue una utilización más eficiente de sus recursos. Los periféricos de baja velocidad tales como teclados, ratones, joysticks, y otros periféricos para juegos, no requieren 12 Mbps. Empleando para ellos 1,5 Mbps, se puede dedicar más recursos del sistema a periféricos tales como monitores, impresoras, módems, scanner, equipos de audio..., que precisan de velocidades más altas para transmitir mayor volumen de datos o datos cuya dependencia temporal es más estricta. En las figuras 3.13 y 3.14 se pueden ver cómo los hubs proporcionan conectividad a toda una serie de dispositivos periféricos Página 52

63 Figura3.14: Posible esquema de conexiones del Bus USB Figura3.15: Dispositivos USB conectados aun pc 3.4.-ETHERNET Figura3.16: Cable de conexión Ethernet Cuando muchas veces hablamos de Redes, más precisamente de conexiones de Redes de Área Local (LAN, por sus siglas en inglés) aparece el término que es conocido como Ethernet, siendo un estándar de redes que emplea el Página 53

64 método CSMA/CD (Acceso Múltiple por Detección de Portadora con Detector de Colisiones) que mejora notoriamente el rendimiento de dicha conectividad. Se trata de un estándar que define no solo las características de los Cables que deben utilizarse para establecer una conexión de Red, sino también todo lo relativo a los niveles Físicos de dicha conectividad, además de brindar los formatos necesarios para las tramas de datos de cada nivel. El estándar que rige algunas las conexiones Ethernet es el IEEE 802.3, de alcance a nivel internacional, por lo que a veces es frecuente encontrar que éste es nombrado directamente de esta forma, aunque difieren justamente en las tramas de datos y sus respectivos campos aplicados. El desarrollo de esta conectividad ha tenido un fuerte apoyo de las compañías Digital, Intel y Xerox, siendo actualmente el método más popular que es empleado en el mundo para establecer Conexiones de Red de Área Local teniendo como una de las ventajas de que puede alcanzar una conexión de hasta 1024 nodos a una velocidad de 10 Mbps (Megabits Por Segundo) y pudiendo utilizar desde un Cable Coaxial hasta la tecnología de Fibra Óptica para establecer un enlace. Entre las distintas tecnologías que están controladas y permitidas por esta norma, encontramos las siguientes: 10 Base 5 Standard Ethernet - Cable coaxial con una longitud de segmento con un máximo de 1,640 pies 10 Base 2 Thin Ethernet - Cable coaxial con hasta 607 pies por cada segmento 10 Base T - Pares trenzados con una longitud de segmento con un máximo de 328 pies Como hemos dicho antes, la diferencia fundamental que distingue al Ethernet por sobre otros estándares es la del formato de su trama, pero también encontramos distintas tecnologías que definen su calidad y su aptitud para alcanzar distintas conectividades, a saberse: Velocidad: Es un valor en el cual se puede distinguir la capacidad máxima de la tecnología, respectiva a la Transmisión de Datos Cable: Como la conexión se realiza a través de cables, tenemos que tener en cuenta qué material se empleará Página 54

65 Longitud: El máximo de distancia que puede haber entre dos nodos, descartándose la medición de repetidoras o estaciones Topología: Habiendo ya analizado la tecnología que está siendo empleada para establecer la red Ethernet, los insumos necesarios y el rendimiento que se tiene, lo último que queda por verificar entonces es el Diseño de la misma, considerándose la utilización de Switches, Hubs o concentradores, o bien los antiguos y todavía vigentes Conectores en forma de T Página 55

66 CAPITULO 4.- CARACTERISTICAS Y FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES DE PASOS Página 56

67 El motor paso a paso es el convertidor electromecánico que permite la conversión de una información en forma de energía eléctrica, en una energía mecánica y una información de posición. Está constituido por un estator cuyos devanados se llaman fases y un rotor de un elevado número de polos. Su funcionamiento es síncrono y la alimentación cíclica de sus fases debe originar en cambio de configuración un giro elemental del rotor, constante, llamado paso. Existe una gran diversidad de modelos de estos motores dependiendo del número de fases de su estator, de si la alimentación de estas es unipolar o bipolar, del número de paso por vuelta y de si su rotor es de reluctancia variable, imanes permanentes o híbridos. En cuanto al control, existen tres modos de realizarlos, paso entero, medio paso y micropaso. En el paso entero, cada vez que se modifica la alimentación de las fases del estator se avanza un paso disponiendo de par nominal del rotor. En el medio paso se avanza sólo medio paso con lo que se dispone de mejor resolución, pero el par en las posiciones situadas entre pasos regulares se reduce a la mitad. Estos dos tipos de funcionamiento disponen en el mercado de gran variedad de integrados para su control. El funcionamiento en micropaso consiste en alimentar al mismo tiempo varias fases a la vez con corrientes medias distintas, de modo que la posición media del flujo en el entrehierro se puede fijar en cualquier posición. Con este funcionamiento se consigue una resolución inmejorable y existen en el mercado distintas tarjetas de control basadas en microprocesador. Merece la pena comentar que el motor paso a paso es la primera de las máquinas eléctricas que sin el uso de la electrónica no tiene razón de ser. El control de posición de motores paso a paso se puede efectuar en lazo abierto siempre que se tomen las precauciones necesarias para no perder ningún paso. Indicaremos que utilizando técnicas de PWM para el control de la corriente, asegurando de esta manera un aprovechamiento máximo de par y con la programación adecuada de aceleración y deceleración, se puede trabajar perfectamente en lazo abierto siempre que las variaciones que el par de carga sean conocidas de antemano. Es en estas aplicaciones de carga Página 57

68 conocida donde el motor paso a paso tiene sus posibilidades industriales. En el caso de tener que accionar cargas desconocidas, su funcionamiento en lazo cerrado sería del todo perfecto, pero el coste del transductor de realimentación generalmente no justifica esta aplicación DESCRIPCIÓN DE LOS MOTORES PASO A PASO La siguiente figura representa la sección de un típico motor paso a paso. Se estudiara de forma sencilla el funcionamiento de esta máquina. Figura4.1: Esquema básico de funcionamiento de un motor pasó a paso El estator tiene seis polos salientes, mientras que el rotor solamente dispone de cuatro. Ambos se suelen construir generalmente de acero blando. Los polos del estator se han bobinado para formar tres fases, cada una de las cuales consta de dos bobinas conectadas en serie y situadas físicamente en polos opuestos. Página 58

69 La corriente se aplica desde una fuente de potencia DC a través de los interruptores I, II y III. Estando el motor en el estado (1) es la fase I que está excitada. El flujo magnético que cruza el entrehierro debido a esta excitación se indica con flechas. En este estado los dos polos del estator pertenecientes a la fase I están alineados con dos de los cuatro polos del rotor, permaneciendo este en posición de equilibrio. Continuamos con el estado (2). Para ello cerramos el interruptor II. Primeramente se establece el flujo representado en (2), creándose un par en sentido anti-horario, debido a las tensiones Maxwell, que obliga al rotor a alcanzar la posición de equilibrio del estado (3), girando para ello 15º. Figura4.2: Embobinado de un motor a pasos Cada vez que realizamos una apertura o cierre de un interruptor se produce un giro de 15o de rotor. Este ángulo fijo se denomina ángulo de paso y es una característica básica dentro de este tipo de motores. Existen motores paso a paso con una extensa variedad de ángulos de paso dependiendo de la mayor o menor resolución que necesite. Así existen motores con ángulos que van desde las décimas de grado hasta los 90º. Si ahora abrimos el interruptor I, el rotor alcanza la posición de equilibrio representada en el estado (4). Página 59

70 Siguiendo una secuencia correcta de control de la apertura y cierre de los interruptores, podremos girar el motor en el sentido y a la velocidad que deseemos con la ventaja de no tener que utilizar ningún tipo de realimentación, Además el error de posición que puede tener este tipo de motores no es acumulativo y tiende a cero en cuatro pasos, es decir cada 360o eléctricos. Cada cuatro pasos el rotor vuelve a la misma posición con respecto a la polaridad magnética y a la trayectoria del flujo. La precisión en el posicionado es un factor que mide la calidad de estos motores. Se diseñan de modo que tras recibir una señal eléctrica pasen de una situación de equilibrio a otra posición de equilibrio diferente separada de la anterior un determinado ángulo. Esta precisión depende en gran manera del mecanizado del rotor y estator con lo que su fabricación es delicada. Cuando una carga se aplica sobre el eje, se produce un par elevado que trata de posicionar el rotor en su posición natural de equilibrio. La responsabilidad de que este par sea mayor o menor recae en el entrehierro. Cuanto más pequeño sea, y esto depende de la calidad de la fabricación, el par que presente el motor a la carga y su precisión serán mayores. Existen dos conceptos que sirven para diferenciar el comportamiento del motor paso a paso en cuanto al par mencionado anteriormente Holding torque Definido como el máximo par estático que se le puede aplicar al eje de un motor excitado sin causarle rotación continua Detent torque Definido como el máximo par estático que se le puede aplicar al eje de un motor no excitado sin causarle rotación continua. En general cuanto mayor sea el holding torque menor es el error de posición debido a la presencia de una carga externa sobre el eje. El detent torque aparece solamente en los motores paso a paso de imanes permanentes que se discutirán posteriormente. Página 60

71 Clasificación de los motores paso a paso Anteriormente se ha dedicado un breve apartado para explicar el principio general de funcionamiento de estos motores de una manera sencilla. Se va a profundizar un poco más ya que dependiendo de su estructura física se puede hacer una clasificación en función del principio de funcionamiento Motores de reluctancia variable Pertenecen a esta categoría la mayoría de los motores paso a paso que se encuentran en el mercado. La figura mostrada a continuación servirá para indicar su funcionamiento: Figura4.3: Sección de un motor pasó a paso de reluctancia variable En esta figura se representa un motor de tres fases con seis dientes salientes en el estator. Cada par de polos separados 180º entre sí constituyen una fase. Las bobinas de cada fase arrolladas sobre los correspondientes polos se conectan en serie. El rotor consta de cuatro polos. Tanto el rotor como el estator deben de estar construidos con materiales de alta permeabilidad magnética y ser capaces de permitir el paso de un gran flujo magnético incluso cuando se aplique una pequeña fuerza magnetomotriz. Aun cuando no siempre tiene por qué ser así, vamos a asumir que las polaridades de los polos pertenecientes a la misma fase son opuestas. Por Página 61

72 tanto, en la figura 4.3 constituirán el polo norte y los polos I_, II_ y III_ el polo sur cuando circule corriente por sus devanados. La corriente de cada fase se controla mediante la apertura y cierre de los diferentes interruptores. Si una corriente se aplica a las bobinas de la Fase 1º, dicho de otro modo, si excitamos las Fase 1, se establecerán unas líneas de flujo similares a las representadas en la figura 4.4 Figura4.4: Líneas de flujo El rotor se posicionará de modo que queden alineados dos polos opuestos suyos con los polos I y I del estator. Cuando los polos del rotor y del estator quedan alineados se minimiza la reluctancia magnética del circuito magnético y el motor se encuentra entonces en una posición de equilibrio. Si el rotor tiende a moverse de su posición de equilibrio debido al par generado por la presencia de una carga externa, internamente se genera un par en sentido contrario que intenta conducir al rotor a su posición de equilibrio original. La figura 4.5 ilustra esta situación. Página 62

73 Figura4.5: disposición de líneas de flujo al aplicarse un par externo En esta figura el par externo se aplica en el sentido horario y el rotor se desplaza en esa misma dirección. Como resultado de este desplazamiento las líneas de flujo magnético que atraviesan el entrehierro y que inicialmente, antes de aplicar ningún par externo, eran rectilíneas se curvan en los bordes de los polos del estator y rotor. Estas líneas magnéticas tienden a ser cortas y rectilíneas como sea posible, creando una tensión, conocida como tensión de Maxwell, que provoca un par de sentido contrario al par inicial que había distorsionado estas líneas de flujo. Se puede ver en la misma figura como cuando los polos del rotor y del estator están desalineados la reluctancia magnética es mayor, de modo que el motor de reluctancia variable trabaja siempre en condiciones de reluctancia mínima. Veamos ahora qué ocurre cuando la Fase 1 se desconecta y se conecta las Fase 2. La reluctancia magnética del motor vista desde la fuente de potencia DC se incrementará súbitamente justo después de la conmutación de los interruptores. El resultado se puede ver en la figura 4.6, el rotor girará 30º en sentido anti-horario con el fin de restablecer las condiciones de reluctancia mínima. Página 63

74 Figura4.6: El rotor se desplaza un paso al cambiar la excitación de la Fase I a la Fase II El entrehierro debe ser tan pequeño como sea posible para producir pares grandes a partir de pequeños volúmenes de rotor y poder alcanzar gran precisión en el posicionado. La figura 4.7 muestra dos entre-hierros diferentes. Para el mismo valor de fuerza magnetomotriz un entrehierro pequeño proporcionará mayor flujo magnético, lo que se traduce en un par mayor. Figura4.7: Comparación de las líneas de flujo para dos entrehierros diferentes Está claro que el desplazamiento a partir de la posición de equilibrio cuando se aplica un par externo es más pequeño cuanto menor sea el entrehierro. Bajo otro punto de vista y olvidándonos de la figura 4.7 es posible también afirmar la necesidad de que el entrehierro sea el menor posible. El citado entrehierro es también el lugar donde se almacena prácticamente toda la energía en un circuito magnético. Pero en los motores paso a paso no deseamos que la energía suministrada por la fuente de potencia se almacene en ningún entrehierro sino que lo que se pretende es convertir la mayor parte de ella en trabajo mecánico de movimiento del rotor. Por tanto, toda la energía que se Página 64

75 almacene en el entrehierro es energía de pérdidas que hay que minimizar construyendo entrehierros con el menor espesor posible. Actualmente los entrehierros van desde los 30 hasta las 100µm. Para disminuir el ángulo de paso es necesario aumentar los polos del estator y el rotor. En el estator se suelen incluir una serie de dientes en cada polo, todos con la misma polaridad cuando se excita la fase correspondiente, para conseguir ángulos de paso menores Motores de imán permanente Se denominan así a los motores paso a paso que poseen un imán como rotor. Para explicar el funcionamiento de este tipo de motores estudiaremos la figura 4.8 que representa un motor paso a paso de imán permanente de cuatro fases. Figura4.8: Motor pasó a paso de imán permanente de cuatro fases El imán cilíndrico se utiliza como rotor. El estator, por el contrario, está formado por cuatros polos bobinados constituyendo cada uno de ellos una fase diferente. Cuatro interruptores conectando cada fase con una fuente de potencia DC completan el esquema de control del motor. Si las fases se excitan con la secuencia Fase 1-> 2-> 3-> 4 el motor girará en sentido horario girando en cada paso 90º. Para disminuir el ángulo de paso es necesario aumentar los polos del estator y los polos magnéticos del rotor. Una característica destacable de este tipo de motores es que el rotor permanece en posiciones fijas aunque se desconecte la fuente de potencia. Estas posiciones coinciden con las posiciones que va alcanzando el motor si es excitado con una secuencia tal que en todos los casos es una sola fase la que está excitada. Página 65

76 Una desventaja importante de este tipo de motores es que la máxima densidad de flujo viene limitada por el magnetismo remanente del rotor Motores híbridos Este tipo de motores también tiene por rotor un imán permanente. Se le denomina híbrido porque su funcionamiento se basa en los dos tipos de motores explicados anteriormente. Figura4.9: Sección de un motor pasó a paso híbrido La figura 4.9 ilustra un motor típico de estas características con cuatros fases. La estructura del estator coincide con la de un motor de reluctancia variable, no así los arrollamientos, ya que en este caso los dientes de los polos pueden corresponder a fases diferentes. En el caso de la figura, las bobinas de dos fases diferentes se arrollan en el mismo polo con lo cual según qué fase esté excitada en cada momento el polo pertenecerá a una fase o a otra. Otra característica importante es la estructura del rotor Página 66

77 Figura4.10: Estructura del rotor en un motor híbrido La figura 4.10 ilustra como un imán permanente de forma cilíndrica se aloja en el núcleo del rotor. Está magnetizado longitudinalmente. Cada polo de este imán está recubierto de una estructura cilíndrica dentada construida generalmente de acero blando. Los dientes de las dos secciones están desalineados medio diente unos respecto otros. Figura4.11: Líneas de flujo producidas por el imán permanente del rotor El campo magnético generado por las bobinas del estator se representa en la figura El funcionamiento para una secuencia de una fase activa lo muestra la figura En el estado 1 los polos de la fase A están excitados, y los dientes del polo 1 atraen a los dientes del rotor del polo norte, mientras que los del polo 3 atraen de igual forma a los dientes del polo sur del rotor. Cuando la corriente (i) es conmutada a la fase B (estado 2), el rotor se desplaza un cuarto de espacio Página 67

78 de un diente, quedando alineados el polo norte del rotor con el polo 2 del estator y el polo sur del rotor con el polo 4 del estator. De nuevo la corriente (-i) se conmuta a la fase A (estado 3) produciéndose un nuevo desplazamiento del rotor en un cuarto de espacio de diente, quedando alineado en sentido opuesto (polo 1 con polo sur y polo 3 con polo norte). Otra conmutación de la corriente (-i) en la fase B (estado 4) produce un nuevo desplazamiento y una nueva alineación inversa de los polos de esta fase con el rotor. Retornando al estado 1 (i), el rotor ha dado 4 pasos de un cuarto del espacio de un diente Figura4.12: Operación de una fase activa de un motor híbrido de dos fases Motores de imanes permanentes Claw-Poles Con la explicación de los tres tipos de motores anteriores se tiene ya un conocimiento básico del principio por el que operan la gran mayoría de los motores paso a paso. A la hora de su construcción, estos motores difieren ligeramente del modelo teórico al que deberían pertenecer y otro tanto ocurre con su modo de operación. Este es el caso del motor utilizado en este proyecto, Página 68

79 Figura4.13: Sección de un motor de imán permanente claw-pole que se puede encuadrar dentro de la categoría de motores de imanes permanentes, pero que su especial construcción lleva a dedicarle un apartado exclusivo con el fin de comprender mejor su funcionamiento. La figura 4.13 muestra la sección de uno de estos motores. Se observa como el estator está formado por dos partes. Cada una de estas partes está formada a su vez por dos estructuras provistas de dientes afilados que se entrelazan. Por el interior de estas estructuras dentadas se sitúan las bobinas necesarias para crear el campo magnético en el estator; en nuestro motor el número de bobinas es dos, una en cada parte del estator. Los dientes entre cada parte del estator están desalineados, una distancia correspondiente a medio diente. En este tipo especial de motores paso a paso, el rotor los constituye un imán permanente magnetizado con polaridad norte y sur tantas veces como pares de dientes entrelazados tiene el estator. El movimiento se produce por la tensión de Maxwell originada en cada cambio de excitación de las fases debido a las polaridades magnéticas en rotor y estator. En cada paso el motor se desplaza medio diente hacia un sentido u otro, dependiendo del sentido de la corriente por las bobinas. Un motor bifásico con doce pares de dientes entrelazados en cada parte del estator dará cuarenta y ocho pasos por revolución lo que supone un ángulo de paso de 7.5º. Página 69

80 Características de los motores paso a paso Vamos a estudiar a continuación los conceptos fundamentales que caracterizan a todo motor paso a paso. Características estáticas Características con el motor en reposo Características T/θ El motor paso a paso permanece en una posición de equilibrio alcanzada por medio de la excitación de las correspondientes fases. Si en estas condiciones aplicamos al eje del motor un par externo, el rotor se desplazará un determinado ángulo respecto de la posición de equilibrio. La figura 4.14 muestra la relación entre el valor del par externo aplicado y este desplazamiento angular del rotor. Figura4.14: Curva característica de par de mantenimiento para varias intensidades. A la curva resultante se le denomina genéricamente Curva característica T/θ. El máximo de esta curva se denomina holding torque y ocurre en θ=θ M. Para desplazamientos mayores a los que marca el pico, el par aplicado externamente no tiende a llevar el motor a su posición de equilibrio inicial sino a la siguiente. El holding torque se define rigurosamente como el máximo par estático que puede ser aplicado al eje de un motor paso a paso excitado sin causarle una Página 70

81 rotación continua. La construcción de esta curva se realiza en dos partes. Primeramente se excita el motor y se van aplicando pares externos gradualmente mayores hasta llegar al holding torque. Si aplicamos un par mayor, el motor no será capaz de oponer la resistencia necesaria para contrarrestar ese par y comenzará a girar de forma continua en la dirección del par externo mientras este no cese. Para realizar la segunda parte de la curva es necesario estacionar el motor en la posición de equilibrio siguiente a la que se encontraba inicialmente. Para ello habrá que excitar correctamente el motor y naturalmente de forma diferente a la inicial. Si aplicamos ahora un par externo T, el motor, respecto a esta nueva posición de equilibrio girará un ángulo θ1. Si en esta posición modificamos las fases que están excitadas y volvemos a la misma excitación inicial, el motor se desplazará hasta θ con lo que ya tenemos construido un punto de la segunda parte de la curva. Significa que inicialmente, el motor, para un para externo T1, gira u ángulo θ2. Características T/I El holding torque aumenta con la corriente de excitación de las fases. La figura 4.15 muestra la relación entre estos dos parámetros para dos tipos de motores paso a paso diferentes, uno de reluctancia variable y otro híbrido. Se puede observar como el par no se anula para corriente de excitación nula en el caso de motor híbrido debido a la presencia del imán permanente en el rotor. Página 71

82 Figura4.15: Ejemplo de característica par/intensidad. (a) Motor de reluctancia variable de cuatro fases y 1,8º, y (b) motor híbrido Características dinámicas Las característica de comportamiento dinámico del motor que nos relacionan la velocidad y el par, pudiéndose derivar de éstas el arranque, el paro, y la aceleración. Curvas características par/frecuencia Los motores paso a paso son usados para el posicionamiento en sistemas mecánicos que requieren un control preciso del paso, el par que generan tiene que ser suficiente para arrastrar las cargas a las que están sometidos, en secuencias de aceleración, desaceleración o trabajando a velocidad constante. Las condiciones de trabajo, las necesidades de velocidad y aceleración condicionan la elección del motor que debe cumplir con los requisitos de par/velocidad necesarios. Para llevar a cabo la elección, nos tenemos que basar en las curvas de par/velocidad que proporciona el fabricante. Éstas están formadas por dos curvas características; la primera denominada pull in' nos indica el par de arranque o paro sin pérdida de pasos en función de la velocidad de arranque o paro, con el motor en estado de reposo, la segunda pull out' nos da el par máximo de trabajo cuando el motor se encuentra en funcionamiento. Página 72

83 Figura4.16: Curva de características dinámicas Entre las curva de pull in' y la de pull out' tenemos el área de aceleración desaceleración que se conoce como campo de giro o zona de arrastre. La figura 4.16 nos muestra las curvas típicas de un motor paso a paso, la curva pull in' queda delimitando la zona de arranque/paro, indicándonos en sus extremos la máxima frecuencia de arranque y el par máximo de arranque. Para que el motor pueda arrancar, se tiene que confrontar la curva de arranque pull in' con la del par resistente del sistema y encontrar la frecuencia máxima de arranque, por encima de éste el par que entrega el motor es inferior al de la carga, quedando bloqueado. La curva pull out' establece el par máximo de trabajo y la máxima frecuencia de trabajo. Si la relación par/frecuencia cae fuera de los límites de la curva pull out' el rotor pierde el sincronismo del campo magnético generado por la excitación, provocando la pérdida de pasos o el paro completo, dejando el motor en un estado de oscilación sin movimiento. Página 73

84 Figura4.17: Ejemplo de curvas de característica con dips y islands Las curvas de par/frecuencia presentan una serie de inestabilidades en la zona de bajas frecuencia, de 10Hz a 100Hz, variando según el tipo de motor. L figura 4.17 muestra los denominados dips' valles o inclinaciones hacia abajo de la curva característica pull out'. Éstos ocurren por la resonancia mecánica que experimenta el motor a estas frecuencias, pudiendo ser variados por la acción de la carga del sistema mecánico que esté acoplado al eje del motor. Estos dips' producen una disminución drástica del par generado por el motor incluso la anulación total, provocando el paro de éste con cargas mínimas o trabajando en vacío. Otro tipo de inestabilidades son las denominadas islands' islas que forman parte de la curva de pull in'. En estas zonas el motor no es capaz de arrancar y se pone a oscilar mientras tenga aplicado al eje un mínimo de par de fricción. Por encima de una frecuencia de 100Hz y hasta el límite de la velocidad del motor, las curvas de características pull in' y pull out' son más o menos uniformes y no suelen presentar este tipo de irregularidades, por lo que el motor se suele arrancar y parar a una frecuencia mínima de 100Hz, manteniendo el régimen de giro siempre por encima de ésta. No obstante estos efectos se pueden minimizar mediante volantes de inercia dampers' acoplados al eje del motor. Otra forma de solventar este problema es trabajar en medios pasos half stepping' o mejor en micropasos, ya que en este tipo de operaciones el movimiento del rotor no es incremental paso a paso con saltos angulares Página 74

85 bruscos, sino que es prácticamente lineal, eliminándose las resonancias mecánicas que causan los problemas de inestabilidad Modos de excitación Hasta ahora y con el único objetivo de simplificar las explicaciones, la excitación de los motores paso a paso siempre ha sido la misma. En cada paso del motor solamente una fase estaba excitada. Obviamente esto no tiene por qué ser así siempre. Según el número de fases que tenga el motor, la secuencia de éstas, necesaria para hacerlo girar, varía. Nos centraremos en un motor bifásico bipolar, ya que este tipo de motor es con el que se ha llevado a cabo la realización práctica de este proyecto. El término bipolar hace referencia al hecho de que la corriente por las bobinas de cada fase puede ser bidireccional dependiendo que pareja de interruptores estén abiertos o cerrados. La figura 4.18 servirá para comentar los diferentes modos de excitación de este tipo de motor. Figura4.18: esquema base para comentar los modos de excitación Página 75

86 Modo paso entero Fases excitadas alternativamente En este modo de excitación, en cada secuencia de comunicación solamente una fase está excitada. Para realizar una secuencia completa es necesario realizar cuatro conmutaciones, en cada una de las cuales el motor se desplazará un ángulo de paso. Este modo de excitación suele recibir por esto el nombre de Secuencia de 4 pasos. La tabla 4.1 muestra esta secuencia. El término + indica que la corriente por la fase circula en un determinado sentido y el término - indica que lo hace en sentido contrario. El término off indica que no circula corriente alguna por la fase. Tabla4.1: Secuencia modo paso entero. Fases excitadas alternativamente En este caso los dientes del estator y rotor están alineados para cada paso oposición Fases siempre excitadas En este modo de excitación después de cada conmutación siempre resultan estar excitadas las dos fases. La tabla 4.2 muestra este modo de excitación. Como en el caso anterior, la secuencia completa se compone de cuatro conmutaciones en cada una de las cuales el motor gira un ángulo de paso. Tabla4.2: Secuencia modo paso entero. Fases excitadas simultáneamente En este caso los dientes de estator y rotor están desalineados medio paso en Página 76

87 cada posición de equilibrio con respecto a cada posición de equilibrio alcanzada con el modo de excitación anterior. Esta diferencia es la base fundamental para realizar el modo de excitación que se expondrá a continuación, el modo medio paso. Existen otras dos diferencias importantes entre estos dos modos de excitación. Una se refiere al par denominado anteriormente holding torque que puede proporcionar el motor. En este caso al estar siempre las dos fases excitadas el par resultante es mayor que en el caso anterior. La otra diferencia estriba en las oscilaciones que se producen antes de alcanzar cada posición de equilibrio. Sin entrar con mayor profundidad en este tema diremos solamente que las oscilaciones son muchos menores en este caso que en el caso de que excitemos las fases alternativamente como resultado de los diferentes circuitos magnéticos que se producen en cada modo de excitación Modo medio paso Como su propio nombre indica, en este modo de excitación el motor se desplaza en cada conmutación la mitad del ángulo de paso. La secuencia de conmutación se basa en combinar las secuencias de los modos de excitación anteriores. La tabla 4.3 muestra la secuencia para este modo de funcionamiento que necesita de ocho conmutaciones para completar una secuencia completa. Tabla4.3: Secuencia modo medio paso Página 77

88 En las aplicaciones que utilicen este tipo de movimiento hay que tener en cuenta que el holding torque variará para cada paso ya que sólo se excitará una fase para una posición de paso, pero en el próximo paso se excitan las dos fases. Esto da el efecto de un paso fuerte y otro débil. Página 78

89 Capítulo 5.- DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL SISTEMA ELECTRONICO Página 79

90 Básicamente las máquinas herramienta son máquinas de potencia diseñadas para cortar. Normalmente una máquina herramienta es capaz de sujetar y apoyar la pieza de trabajo, sujetar y apoyar una herramienta de corte, impartir movimiento a la herramienta de corte o a la pieza de trabajo y de avanzar la herramienta de corte o la pieza de trabajo de forma que se logre la acción de corte y la precisión requerida. El control numérico puede definirse como un método para controlar con precisión la operación de una máquina, mediante una serie de instrucciones codificadas formadas por números, letras y símbolos que la unidad de control pueda comprender. El control numérico (CN) y la computadora han aportado cambios significativos en la industria metal-mecánica. Nuevas máquinas herramienta en combinación con CNC, le permiten a la industria producir de manera consistente componentes y piezas, tal que, se puede producir la misma pieza con el mismo grado de precisión cualquier cantidad de veces. Existen diferentes tipos de CNC como: Router o fresadora de puente: Es el modelo más recurrido entre las fresadoras caseras o cuando las distancias son grandes. Las estructuras se equilibran entre el compromiso de la ligereza y la robustez. Son adecuadas para movimientos rápidos, grabado y/o mecanizados de piezas relativamente blandas. Figura5.1: Fresadora de puente Página 80

91 Fresadora 3 ejes Son las más habituales entre las comerciales, tienen una estructura robusta adecuada para mecanizar elementos duros que requieren de esfuerzos y precisión. Por contra son más pesadas y por tanto de movimientos más lentos. Figura5.2: Fresadora de 3 ejes Torno y torno fresadora Para las piezas de rotación, la máquina adecuada es el torno. Una combinación que suele darse es la de un cabezal de fresadora sobre el eje del torno que permite mecanizados de chaveteros y pequeñas figuras. Figura5.3: torno fresadora Página 81

92 Cortadora Foam Son un tipo especial de máquinas CNC cuyo mecanismo de corte es un hilo de Nicrom caliente que se mueve entre dos ejes XY paralelos. Es un sistema específico para cortar EPP/EPS muy utilizado en aeromodelismo, grandes rotulaciones y decorados. Figura5.4: Cortador Foam Tipos de estructuras como: Pórtico de cabezal móvil Un puente con los ejes Y+Z se desplaza a lo largo del eje X. Suele utilizarse dos mecanismos de tracción en los laterales del eje X para evitar que se desalinee el puente. Pórtico de mesa móvil La estructura es similar a la anterior, solo que el puente es fijo y es la mesa la que se desplaza a lo largo del eje X. Es una solución para mecanizados robustos de grandes dimensiones. Página 82

93 Figura5.5: fresadora de puente con mesa móvil Bancada móvil o multiejes Es el tipo clásico de las fresadoras de 3 ejes. Cuando las figuras a mecanizar se complican con figuras redondeadas en 3D se necesitan más grados de libertad de movimientos que los clásicos X/Y/Z. Un cuarto eje todavía suele verse en máquinas caseras para grabado de anillos y piezas circulares. Más ejes no es frecuente verlo más que en máquinas industriales pues requieren de estructuras complicadas y la programación de esos movimientos necesita de programas CAM muy potentes. Figura5.6: Componentes electrónicos de un CNC de 4 ejes Página 83

94 El diseño y construcción del sistema electrónico necesario para el cnc de 4 ejes se divide en tres fases concretas: Diseño e implementación de los dispositivos de control, diseño y construcción de los dispositivos de potencia, instalación de los motores a paso para los carros. Adicionalmente, se requiere un módulo maestro que sirva de interfaz con el PC y coordine el funcionamiento de las otras etapas CARACTERÍSTICAS DE LOS DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS El diseño electrónico de este proyecto se divide en dos grupos que son el sistema de potencia y el sistema de control. La separación de estos sistemas es por la razón, de que el sistema de potencia produce campos electromagnéticos, afectando e interfiriendo el sistema de control, por lo que es necesario separarlos en el CNC, para no haya error en algunos dispositivos de control, por lo que el diseño, construcción e instalación fue en la misma estructura, pero separados de dos sistemas Dispositivos de control Los dispositivos de control que se utilizaron para la construcción de este cnc de 4 ejes fueron los siguientes: 4 driver (2H Microstep driver DM860A) 1 tarjeta de interfaz de puerto paralelo (DB ) Variador de uso general serie HY (HY04D043B) A continuación se presentan sus características. Página 84

95 H Microstep driver DM860A Figura5.7: Driver DM860A LONGS DM860A es un tipo de controlador de motor paso a paso híbrido de dos fases, la tensión de accionamiento de los cuales es de 24VDC a 80VDC. Está diseñado para su uso con 2-fase del motor de pasos híbrido de todo tipo con 57 mm a 110 mm de diámetro exterior y la corriente de fase de menos de 8.0A. Este circuito que adopta es similar al circuito de servo control que permite que el motor funcione sin problemas casi sin ruido y la vibración. Par de torsión cuando DM860A correr a alta velocidad también es significativamente más alto que el otro conductor en dos fases, lo que es más, la exactitud de colocación es también más alto. Es ampliamente utilizado en dispositivos de control de medios y grandes de tamaño numéricos tales como curvar la máquina, máquina de CNC, y la computadora bordan, máquinas de embalaje y así sucesivamente. Detalles Características: alto rendimiento, precio bajo control actual medio, de 2 fases de salida sinusoidal unidad actual La tensión de alimentación de 24VDC a 80VDC aislado Opto-señal de E / S sobretensión, bajo voltaje, sobrecorriente, protección del cortocircuito Página 85

96 fase 14 subdivisión de canales y reducción ocioso-actual 8 canales de fase de salida ajuste actual terminal de entrada Desconectado comando par del motor se relaciona con velocidad, pero no se relaciona con paso / la revolución Alta velocidad de inicio Alto par de torsión a alta velocidad Figura5.8: Diagrama de conexión del DM860A Selección de Resolución Microstep y Drive Corriente de salida Resoluciones Microstep y corriente de salida son programables, el primero se puede fijar de paso total a pasos / Rev. y este último se puede configurar desde 2.4A a 7.2A. Página 86

97 Sin embargo, cuando no está en modo de software configurado, esta unidad utiliza un conmutador DIP de 8 bits para definir la resolución Microstep, y la corriente de funcionamiento del motor, como se muestra a continuación: Figura5.9: Configuración programable del DM860A (interruptores DIP) Microstep Resolución Selección Cuando no está en modo de software configurado, resolución Microstep se establece por SW 5, 6, 7, 8 del interruptor DIP como se muestra en la siguiente tabla: Tabla5.1: Configuración Microstep Configuración actual Cuando no está en modo de software configurado, los tres primeros bits (SW1, Página 87

98 2, 3) del interruptor DIP se utilizan para fijar la corriente dinámica. Seleccione un valor más cercano a la corriente requerida de su motor. Tabla5.2: configuración de la corriente pico y RMS Notas: Debido a la inductancia del motor, la corriente real en la bobina pueden ser menores que la configuración actual dinámica, particularmente bajo condiciones de alta velocidad. Conector P1 Configuraciones Tabla5.3: configuración del conector P1 Pin PUL + PUL - detalles Señal de pulso: En un solo pulso (pulso / dirección) el modo, esta entrada representa la señal de pulso, cada flanco ascendente o descendente activo (software configurable); 4-5V cuando PUL- ALTO, 0-0.5V cuando PUL-LOW. En el modo de doble pulso (pulso / pulso), esta entrada representa las Página 88

99 DIR+ DIR- ENA+ ENA- agujas del reloj (CW) de pulso, activa tanto a nivel alto y bajo nivel (configurable por software). Para una respuesta confiable, ancho de pulso debe ser más largo de 2.5μs. Serie conectar resistencias de limitación de corriente cuando +12 V o +24 V utilizó. Al igual que las señales de DIR y ENA. Señal DIR: En el modo de un solo pulso, esta señal tiene niveles bajo / alto voltaje, lo que representa dos sentidos de giro del motor; en el modo de doble pulso (configurable por software), esta señal es contra-reloj (CCW) de pulso, activa tanto a nivel alto y bajo nivel (configurable por software). Para una respuesta de movimiento confiable y de DIR debe estar por delante de la señal PUL por 5μs por lo menos. 4-5V cuando DIR- HIGH, 0-0.5V cuando DIR-LOW. Tenga en cuenta que la dirección de giro también se relaciona con el partido cableado del motor de tracción. El intercambio de la conexión de dos cables de una bobina a la unidad cambiará la dirección de movimiento. Señal de Permiso: Esta señal se utiliza para activar / desactivar la unidad. Alto nivel (señal de control NPN, PNP y señales de control Página 89

100 diferenciales son por el contrario, a saber, de bajo nivel para habilitación.) Para permitir la unidad y bajo nivel para desactivar la unidad. Por lo general, deja sin conectar (HABILITADO). Conector P2 Configuraciones Tabla5.4: configuración del conector P2 Pin Detalles + Vdc Fuente de alimentación 20 ~ 80 VDC, incluyendo la fluctuación de la tensión y la tensión de los CEM GND Alimentación Tierra A +, A- Motor Fase A B +, B- Motor Fase B Especificaciones eléctricas temperatura general = 25 centígrados/77 grados fareheir. Tabla5.5: Especificaciones eléctricas Página 90

101 Tarjeta de interfaz de puerto paralelo (DB ) La tarjeta DB , esta tarjeta se utiliza solo para el control de motores paso a paso y consta de todos los elementos necesarios para las conexiones tanto para los controladores como para los motores y por ser tan versátil y fácil su implementación la recomendación sería emplear este tipo de tarjetas en el sistema de control. Figura5.10: Tarjeta interfaz DB Implementación de la tarjeta electrónica para el control de los motores paso a paso La tarjeta DB , utiliza del acoplamiento entre las etapas de control y potencia, constituida de optoacopladores logrando un aislamiento en la parte física y brindado protección al sistema de control si existiera alguna falla. Funciones de la tarjeta electrónica de control (DB ). Proporcionar rapidez de respuesta a las señales emitidas desde el computador hacia la tarjeta electrónica y los controladores. Distribuir las señales de pulso de paso y dirección que necesitan los driver de cada motor. Recibir las señales de control emitidas desde los elementos (limit switch, Estop, etc.) y devolverlas al programa CAM, para tener un control del proceso de manufactura de una forma más eficiente. Características de la tarjeta electrónica de control DB Compatible con: MACH3 Página 91

102 Conector DB25 macho incluido. DB25 pin de salida: P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8, P9, P14, P16, P17. DB25 pin de entrada: P10, P11, P12, P13, P15. DB25 GND Pin: P18-P25. Fuente de alimentación: +5 V DC Transmisión de datos a través de puerto paralelo La transmisión de datos se los realiza a través del conector DB25 el cual es un conector analógico de 25 clavijas, este conector DB25 se utiliza principalmente para conexiones en serie. También se utiliza para conexiones por el puerto paralelo. En un principio se utilizó para conectar impresoras y por este motivo, se le conoce como el "puerto de impresora", pero también en la actualidad se lo utiliza para el control de máquinas-herramienta como por ejemplo Router cnc. Puerto de datos (Pin 2 al 9): Corresponde al PORT 888; solo de escritura, por este registro se envían datos al exterior de la pc. Puerto de estado (Pin 15, 13, 12, 10 y 11): Corresponde al PORT 889; solo de lectura, es utilizado para enviar señales eléctricas al ordenador, de este registro solo se utilizan los cinco bits de más peso, que son el bit 7, 6, 5, 4 y 3 teniendo en cuenta que el bit 7 funciona en modo invertido. Puerto de control (Pin 1, 14, 16 y 17): correspondiente al PORT 890, y es de lectura/escritura, desde estos pines se puede enviar o recibir señales eléctricas, según los requerimientos. De los 8 bits de este registro solo se utilizan los cuatro de menor peso o sea el 0, 1, 2 y 3, con un pequeño detalle, los bits 0, 1, y 3 están invertidos. Figura5.11: Conector macho de puerto paralelo Página 92

103 Variador de uso general serie HY (HY04D043B) Figura 5.12: variador serie HY (HY04D043B) Especificaciones: - modelo: hy04d043b - voltaje: 380v - potencia: 3.4kw - corriente eléctrica: 9a - tamaño del producto: 220& veces; 150& veces; 175mm - peso neto (kg): 1.6kg Tabla5.6: Especificaciones generales del variador Serie Inverter HY-A Modo de control SPWM Potencia de Entrada Poder V for 380V; for 220V 5-dígitos Display & Indicador de estado Viendo frecuencia, corriente, revolución, tensión, contador, la temperatura, adelante o reserva de marcha, y la culpa, etc. Lámpara Comunicación RS-485 Control Página 93

104 Operación -10~40 Temperatura Humedad 0-95% de humedad relativa (sin condensación) Vibración Debajo de 0,5 G C o Alcance 0.10~400.00Hz n t r o l F r e Precisión Ajuste Resolución Salida Resolución Digital: 0.01% (-10~40 ), analógico: 0,1% (25 ± 10 ) Digital: 0,01 Hz, analógica: 1 de Max. Frecuencia de operación 0.01Hz q Método Presione directamente para u Ajuste Operador ajustar. e n c i a Método Selección analógica Externa Voltaje 0-5V, 0-10V, 4-20mA, 0-20mA. Otras funciones Frecuencia límite inferior, frecuencia de arranque, la frecuencia de parada, tres de salto frecuencias se pueden ajustar respectivamente. C o n t Rampa de control Seleccionable de 4 velocidades medidas de aceleración y el tiempo de inactividad (0,1-6500s). r o V / F Curva Set curva V / F a voluntad l G Control de Torque Incremento de par es configurable por max. 10,0%. El par de arranque puede Página 94

105 E n llegar a 150% a 1,0 Hz. e r a l Multi-Entradas 6 terminales de entrada multifunción para el control de los pasos de 8 velocidades, el funcionamiento del programa, conmutación de rampa de 4 velocidades, la función UP / DOWN, contador, parada externa de emergencia y otras funciones. Multi-salidas 5 terminales de salida multifunción para la visualización de la marcha, velocidad cero, contador, la anomalía externa, la operación del programa y otra información y advertencias. Otras funciones AVR (regulación de voltaje automático), deceleración de parada o sin parada, freno de CC, auto restablecer y reiniciar, pista de frecuencia, control del PLC, la función de desplazamiento, dibujo control, auto ahorro de energía, soporte ajustable max. 16KHz, etc F u n c i Protección Sobrecarga Motor electrónico del relé de protección Drive (para par constante de 150% / 1 min. para las clases de ventilador 120% / 1min.) o n Protección FUSIBLE FUSIBLE roto, motor se detiene. e s P r El exceso de tensión DC Tensión> 400V para la clase 220V DC Tensión> 800V para la clase 380V o t e Baja Tensión DC Voltaje <200V para la clase 220V DC Voltaje <400V para la clase 380V c Página 95

106 c i o Detener instantánea y Reanudar Reiniciado por pista frecuencia después de la parada instantánea. n Prevención de bloqueo anti-bloqueo durante la Acc/Dec ejecución Fin de salida corta protegiendo Circuito electrónico Otras funciones Alerta protección del sobrecalentamiento, la restricción de funcionamiento inverso, el arranque directo después de la energía en adelante, la restauración de fallos, bloqueo de parámetros PID, de una sola unidad de más, etc Dispositivos de potencia Los dispositivos de potencia que se utilizaron para la construcción de este cnc de 4 ejes fueron los siguientes: fuentes de alimentación S S S interruptor automático termo- magnético caja moldeada 100A transformador reductor 120v-12v tarjeta rectificadora de señal Fuentes de alimentación S , S , S Figura5.13: fuente de alimentación de única salida Longs motor Características Individual 200W de salida Página 96

107 Tabla5.7: Datos técnicos serie S-200 Tipo Índice S S-200 a 7,5 S S-200 a S S S S ,5 Tensión DC 5V 7.5V 12V 13.5V 15V 24V 27V 48V Tolerancia Voltaje ± 2% ± 2% ± 1% ± 1% ± 1% ± 1% ± 1% ± 1% Calificación actual 40A 26.5A 16.5A 14.7A 13 A 8.3A 7.4A 4.2A Corriente Alcance 0-40Â A A A 0-13A 0-8.3A 0-7.4A 0-4.2A Ripple & Noise (máx.) 150mVp-p 150mVp-p 150mVp-p 150mVp-p 150mVp-p 150mVp-p 200mVp-p 240mVp-p Regulación de línea ± 0,5% ± 0,5% ± 0,5% ± 0,5% ± 0,5% ± 0,5% ± 0,5% ± 0,5% Regulación de carga ± 1% ± 1% ± 0,5% ± 0,5% ± 0,5% ± 0,5% ± 0,5% ± 0,5% Potencia nominal 200W W 198W W 198W 199.2W 199.8W 201.6W Potencia nominal 74% 79% 80% 80% 81% 83% 83% 84% La tensión Ajuste Rango V 6-9V V 12-15V V V 26-32V 41-56V Voltaje Alcance Corriente AC 90 ~ 132VAC / VAC 47 ~ 63Hz; 255 ~ 370VDC 4,5 A/ 115V 2.5A/ 230V Irrupción de corriente 25A/ 115V 50A/ 230V (máx.) Corriente de fuga <3.5mA / 240VAC Protección de la % TIPO : SALIDA DEL RECORTE AC Restart sobrecarga De protección contra... sobretensiones Sobrecalentamiento de la... protección Temp.Coefficient ± 0,03% / (0 ~50 ) Setup.Rise, Tiempo de 200ms, 100ms, 20ms retención Vibración Soportar Voltaje Resistencia aislada Temp.Humidity Trabajo Almacenamiento 10 ~ 500 Hz,2G / 10 min, 11cycle, 60min, cada uno de los ejes E / PO / P: 1.5KvACI / P-FG: 1.5KvACI / P-FG: 0.5KvAC E / PO / P, I / P-FG, I / P-FG: 500VDC / 100M -10 ~ +50, 20% ~ 90RH -20 ~ +85, 10% ~ 95% RH Página 97

108 Temp.Humidity Dimensión Peso Normas de Seguridad mm 0.9Kgs UL1950 EMC FCC part1.5j clase A Individual 350W de salida Tabla5.8: Datos técnicos serie S-350 Tipo Índice S S-350 a S ,5 S-350 a S S S S ,5 Tensión DC 5V 7.5V 12V 13.5V 15V 24V 27V 48V Tolerancia Voltaje ± 2% ± 2% ± 1% ± 1% ± 1% ± 1% ± 1% ± 1% Calificación actual 50A 40A 29A 26A 23A 14.6A 13 A 7.3A Corriente Alcance 0-50A 0-40Â 0-29A 0-26A 0-23A A 0-13A 0-7.3A Ripple & Noise 150mVp-p 150mVp-p 150mVp-p 150mVp-p 150mVp-p 150mVp-p 200mVp-p 240mVp-p (máx.) Regulación de línea ± 0,5% ± 0,5% ± 0,5% ± 0,5% ± 0,5% ± 0,5% ± 0,5% ± 0,5% Regulación de carga ± 1% ± 1% ± 0,5% ± 0,5% ± 0,5% ± 0,5% ± 0,5% ± 0,5% Potencia nominal 250W 300W 348W 351W 348W 350.4W 351W 350.4W Potencia nominal 74% 79% 74% 80% 78% 83% 83% 84% La tensión Ajuste V 6-9V V 12-15V V V 26-32V 41-56V Rango Voltaje Alcance Corriente AC 90 ~ 132VAC / VAC 47 ~ 63Hz; 255 ~ 370VDC 4,5 A/ 115V 2.5A/ 230V Irrupción de corriente 25A/ 115V 50A/ 230V (máx.) Corriente de fuga <3.5mA / 240VAC Protección de la % TIPO : SALIDA DEL RECORTE AC Restart sobrecarga De protección contra 115% -135% sobretensiones Página 98

109 Sobrecalentamiento de la protección RTH3 50 FAN ON, 45 FAN OFF, 80 RECORTE DE SALIDA (5-15V) RTH3 60 FAN ON, 50 FAN OFF, 85 RECORTE DE SALIDA (24-48V) Temp.Coefficient ± 0,03% / (0 ~50 ) Setup.Rise, de retención Vibración Tiempo 200ms, 100ms, 20ms 10 ~ 500 Hz,2G / 10 min, 11cycle, 60min, cada uno de los ejes Soportar Voltaje E / PO / P: 3KVACI / P-FG: 1.5KVACI / P-FG: 0.5KVAC Resistencia aislada E / PO / P, I / P-FG, I / P-FG: 500VDC / 100M Temp.Humidity Trabajo Almacenamiento Temp.Humidity Dimensión Peso Normas Seguridad -10 ~ +50, 20% ~ 90RH -20 ~ +85, 10% ~ 95% RH mm 0.9kg de UL1950 EMC FCCpart1.5J clase A Individual 400W de salida Información Básica Modelo No.: S Tipo de salida: Triple Potencia de salida: W Voltaje de entrada: V Modo de regulación de voltaje: modulación de ancho Tipo Modo de conexión: Paralelo Fuente de alimentación conmutada Modo de inicio: Independiente-excitado Fuente de alimentación conmutada Tabla5.9: Datos técnicos serie S-400 S S S S S Salida DC 5V, 60A 12V, 33A 24V, 17A 36V, 11A 48V, 8.3A Página 99

110 Onda y ruido 100 mv pp 150 mv pp 150 mv pp 150 mv pp 200 mv pp Estabilidad Inlet +/- 0,5% Estabilidad de la carga +/- 1,0% +/- 0,5% +/- 0,5% +/- 0,5% +/- 0,5% Eficiencia 73% 74% 81% 82% 83% Voltaje de salida Rango de ajuste +/- 10% Rango de voltaje de entrada de CA 85V - 132VAC / 170V - 264VAC (Seleccionar rango por el interruptor), Hz AC Corriente de entrada Protección de la sobrecarga 25A a 115VAC / 50A 230VAC 105% - 135% de la corriente nominal De protección contra sobretensiones 115% - 150% del voltaje nominal Configure, Rise, soporta tiempo Soportar Voltaje Resistencia de aislamiento 200ms, 50ms, 20ms 1.5KVAC 1 minuto 500 VCC / 100 M Ω Temperatura de trabajo Normas de Seguridad Normas EMC Peso -10C A + 50C GB4943, UL60950, EN60950 GB9254, EN55022, Clase B 2.0 libras Página 100

111 Interruptor Automático Termo-magnético de caja moldeada 100A Figura 5.14: Interruptor Automático G-Marco 100 A Un interruptor magneto-térmico, interruptor termo-magnético o llave térmica, es un dispositivo capaz de interrumpir la corriente eléctrica de un circuito cuando ésta sobrepasa ciertos valores máximos. Su funcionamiento se basa en dos de los efectos producidos por la circulación de corriente eléctrica en un circuito: el magnético y el térmico. El dispositivo consta, por tanto, de dos partes, un electroimán y una lámina bimetálica, conectadas en serie y por las que circula la corriente que va hacia la carga. Página 101

112 Características Tabla5.10: Especificaciones Interruptor Automatico G Transformador reductor 120v-12v Figura5.15: transformador reductor 120v-12v El transformador permite disminuir el voltaje del tomacorriente (el cual es de 120VAC 60Hz en cualquier hogar) a un voltaje menor con la misma frecuencia Página 102

113 para un mejor manejo (en este caso el transformador disminuye a 12VAC 60Hz). Un transformador está constituido por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce, el primer devanado se conoce como primario y el segundo devanado se conoce como secundario. Sus especificaciones son las siguientes: Primario: V AC Secundario con center tap, algunos transformadores lo tiene otros no, la diferencia reside en que podemos obtener 12VAC o 24VAC en el secundario debido al center tap Tarjeta de rectificador de señal Figura5.16: Tarjeta rectificadora de señal Componentes 8 1 capacitor 50v 3300µF 1 capacitor 50v 100µF 4 reguladores de voltaje positivo de tres terminales DPAK, 12V, 12W (KIA7812A) 1 regulador de voltaje positivo de tres terminales (7805CT) 4 resistencias 33k Ohms 5% 2 resistencias 1.6k Ohms 5% 3 leds Página 103

114 2 transistores silicón NPN de tres terminales (DB135N) 2 transistores epitaxial de pequeña señal NPN (BC547A) 2 relé inversor de potencia 10A-15A (HR702NH-DC12V) 2 diodos rectificadores (1N4002) Transformador 120v-12v 3A Diagrama de conexión Figura5.17: conexión de la tarjeta rectificadora Diagrama de conexión en 3d Página 104

115 Figura5.18: conexión en 3D de la tarjeta rectificadora 5.2.-CONEXIÓN DE LOS DISPOSITIVOS ELECTRONICOS Figura5.19: Diagrama de conexión de los dispositivos electrónicos del CNC 4ejes El diagrama mostrado anteriormente indica la conexión de los dispositivos electrónicos antes vistos que se usaran para el CNC de 4 ejes. Página 105

116 Para distribuir estos dispositivos, se dividieron en dos grupos: dispositivos de potencia y dispositivos de control, estos se dispositivos se distribuirán en dos cajas de lámina de acero, que se colocaran en la máquina-herramienta. Lo primero hacer fue diseñar las cajas que contendrán los dispositivos de control y de potencia, así como también la distribución de estos dispositivos en el interior da cada caja de acero Distribución de los dispositivos electrónicos Caja contenedora de los dispositivos de potencia Figura5.20: distribución de los dispositivos de potencia (AutoCAD) Esta caja tiene las dimensiones para poder colocarse en la estructura de la máquina-herramienta y contener los diferentes dispositivos de potencia antes mencionados. Página 106

117 La caja va ser puesta en un lugar de la estructura, para que los dispositivos que contiene sean de fácil acceso y se tenga a la mano el tablero de botones, los cuales irán en la tapa de esta caja Caja contenedora de los dispositivos de control Figura5.21: caja contenedora de los dispositivos de control (AutoCAD) La caja para los dispositivos de control, también fue diseñada para poder estar en la estructura de la máquina-herramienta, así también poder tener acceso a estos dispositivos de control fácilmente. Esta será instalada en la parte derecha de la estructura, aun lado de la caja contenedora de los dispositivos de potencia. Una vez hecho los diseños se procede a instalar las cajas en la estructura y se comienza con la instalación de los dispositivos, siempre y cuando los motores están ya montados en la estructura. Página 107

118 Montado de los motores a la estructura Figura 5.22: Estructura del cnc de 4 ejes La estructura está diseñada para un CNC de 4 ejes, lo que significa que utiliza 4 motores de pasos en diferente posición y colocados en diferentes lugares de la estructura, estos motores se moverán en los 4 diferentes ejes (X, Y, Z, A). Una vez montados en la estructura se conectaran a los drivers, y este a su vez a la tarjeta del puerto paralelo. Página 108

119 Montado de los dispositivos electrónicos las cajas de acero Figura5.23: dispositivos de control en una caja de acero Antes de montar los dispositivos de control, se le construyo una jaula de Faraday a la tarjeta interfaz de puerto paralelo DB , ya que el variador al ser trifásico y la terminar de cables de potencia estaban en un solo lugar, provocaban un campo electromagnético, que afectaba a la tarjeta del puerto paralelo, ocasionando interferencia en el manejo de los motores. Esta situación provocaba que el programa Mach3 reconociera un paro de emergencia interno, que significa esto, que los drivers se paraban, por lo cual también los motores que controlan se detenían. La jaula de Faraday es conocido como el efecto por el cual el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio es nulo, anulando el efecto de los campos externos. Esto se debe a que, cuando el conductor está sujeto a un campo electromagnético externo, se polariza, de manera que Página 109

120 queda cargado positivamente en la dirección en que va el campo electromagnético, y cargado negativamente en el sentido contrario. Puesto que el conductor se ha polarizado, este genera un campo eléctrico igual en magnitud pero opuesto en sentido al campo electromagnético, luego la suma de ambos campos dentro del conductor será igual a 0. En otras palabras la tarjeta de interfaz queda aislada de los campos electromagnéticos gracias a esto. Por lo que se le construyo una jaula de Faraday y se conectó a tierra para que todo ese campo se fuera a tierra directa. Una vez esto se siguió con el montaje de los demás dispositivos en su respectiva caja. Figura5.24: jaula de Faraday Conexión del variador La conexión del variador fue independiente a los dispositivos de control, ya que el variador es manual y en él se puede manejar al spindle, sin necesidad alguna de un programa de computadora. Diagrama de Conexión básica del variador El cableado del inversor se divide en dos partes principales, conexiones de los Página 110

121 terminales del circuito de control y conexiones de los terminales del circuito. El usuario puede ver los terminales del circuito principal y el circuito de control terminales después de quitar la tapa de la caja. Los terminales deben estar conectados correctamente como el siguiendo esquemas de cableado. Figura5.25: Esquema de cableado del variador Precauciones de cableado 1) Para el cableado del circuito principal: Mientras que el cableado de los tamaños y especificaciones de los cables debe ser seleccionado y el cableado debe ser ejecutado de acuerdo con las normas de ingeniería eléctrica para garantizar la seguridad. Es mejor usar cable blindado o cable y conducto para cable de corriente y conectar a tierra la apantallada capa o dos extremos de conducto de alambre. Asegúrese de instalar un disyuntor no fusible (NFB) entre la fuente de alimentación y la entrada terminales (RST). (Si se utiliza interruptor de circuito por falla a tierra, por favor elija uno correspondiente de alta frecuencia) Nunca conecte la alimentación de CA al terminal de salida (UVW) del Página 111

122 inversor. Cables de salida no deben estar al día de la parte metálica de la carcasa del inversor, o que se traducirá en tierra de cortocircuito. Condensadores de desfasaje, LC, filtros de ruido de RC, etc., nunca se pueden conectar a la salida terminales del inversor. El cable del circuito principal debe estar lo suficientemente lejos de otros equipos de control. Cuando la distancia entre el variador y el motor es superior a 15 metros para la clase 220 V o 30 metros para la clase 380V, mucho más alta dv / dt se producirán dentro de la bobina del motor, lo que hará que la destrucción de la interlay o aislamiento del motor. Por favor, use un dedicado motor de CA para el inversor o añadir un reactor en el inversor. Por favor, baje la frecuencia portadora cuando hay una distancia mayor entre el inversor y el motor. Esto es a que mientras más alta es la frecuencia de la portadora es más grande la corriente de fuga armónica de alto orden en los cables. La corriente de fuga tendrá efecto desfavorable en el inversor y otros equipos. 2) Para el cableado del circuito de control (línea de señales) La línea de señal debe ser hecha separadamente en un conducto diferente con el cable del circuito principal evitar cualquier posible interferencia. Utilice el cable blindado con el tamaño de 0,5 a 2 mm^2 para líneas de señal. Utilice las terminales del panel de control correctamente de acuerdo a sus necesidades. 3) Puesta a tierra Terminal de conexión a tierra E. Asegúrese de hacer conexión a tierra correcta, Clase 220V: El tercer método de puesta a tierra (conexión a tierra de resistencia debe ser 100Ω o inferior.) Clase 380V: resistencia El método especial tercera de puesta a tierra (puesta a tierra debe ser 10Ω o inferior.) Elija los cables de puesta a tierra de acuerdo con la longitud y el tamaño de los requisitos técnicos básicos del equipo eléctrico. Página 112

123 Evitar compartir alambre a tierra con otros equipos de potencia de gran tamaño como soldador eléctrico, máquina de poder, etc. El cable a tierra debe mantenerse alejado de los cables de alimentación para equipos de gran potencia. El método de puesta a tierra para varios convertidores juntos debe hacerse como la primera y segundo diagramas de abajo. Evite el tercer bucle. El cable a tierra debe ser lo más corto posible. (1) Bien (2) Bueno (3) No es bueno Figura5.26: dispositivos de potencia montados 5.3.-Mach 3 Una vez conectado el variador y los demás dispositivos electrónicos junto a los motores, se procede a conectar el puerto paralelo a la computadora la cual debe tener configurado el programa de Mach3, para así poder dar diferentes órdenes a los motores y ver que cumplan con lo ordenado. Mach 3 es un sistema de control computarizado que permite la comunicación con los servo motores o motores a pasos usando una computadora. Página 113

124 Este sistema es accesible y muy fácil de aprender, permitiéndole a muchas empresas automatizar sus máquinas convencionales a CNC o crear sus propias máquinas de control numérico a un bajo costo. Figura5.27: Mach3 Primero conoceremos la interfaz de Mach3 (Figura 5.28). Figura 5.28: La ventana superior izquierda, es la parte de la interfaz donde se muestra el código G para maquinar la pieza deseada. Página 114

125 Figura 5.29: Ventana donde se muestra el código G. La ventana superior central muestra las posiciones actuales de los ejes X, Y, Z y 4 ejes (Figura 5.30). Figura5.30: Ventana de coordenadas de los ejes. La ventana superior derecha (Figura 5.31) muestra una pantalla en la que se puede visualizar la simulación de la herramienta cortando el material. Pero también muestra las rutas de corte justo cuando se está realizando el corte. Figura5.31: Pantalla para ver la simulación de corte en tiempo real Página 115