UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO

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1 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO Nombre del proyecto: Construcción de un Actuador lineal. Empresa: CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN CIENCIA APLICADA Y TECNOLOGÍA AVANZADA IPN. Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de Técnico Superior Universitario en Mecatrónica Área Automatización. Presenta Martínez Navarrete Ricardo Gustavo Ortiz González Asesor de la UTEQ Eduardo Morales Sánchez Asesor de la Empresa Santiago de Querétaro, Qro. Noviembre de 2012

2 RESUMEN En este documento se presenta la construcción de un actuador lineal, dispositivo que será desarrollado e implementado en las instalaciones del centro de investigación en ciencia aplicada y tecnología avanzada (CICATA). Se construirá el dispositivo con base en actuadores lineales electromecánicos que tienen la posibilidad de ser controlados por circuitos electrónicos digitalesanalógicos y acondicionados por el usuario. Ya que el dispositivo es de fácil uso, el usuario puede visualizar en la pantalla de este los siguientes datos; la velocidad a la que se encuentra el motor antes de su reducción 131:1, el valor deseado por el usuario y el acondicionamiento automático de la modulación de ancho de pulso proveniente del microcontrolador (PIC 18F2520). En la parte frontal de la caja del dispositivo el usuario podrá observar los controles, la pantalla (LCD), una perilla que representara el valor deseado por el usuario con un intervalo de 0 a 19 revoluciones por minuto después de la reducción del motor, un interruptor que controla la habilitación o deshabilitación del proceso y por ultimo un switch de encendido y apagado del dispositivo. Básicamente el dispositivo es un control proporcional con realimentación (KP), que consiste de un algoritmo lineal y proporcional que tiene como objetivo reducir la magnitud del error para poder estabilizar el proceso mediante el ascenso y descenso del valor de ciclo útil del PWM (modulación de ancho de pulso). El dispositivo se aplicará en un sistema de lazo cerrado llamado electrospinning (dispositivo que se utiliza en la industria farmacéutica), que está compuesto de dos actuadores lineales: uno de base y otro para el aplicado del polímero sintético mediante una aguja con una alta tensión en la punta, para controlar las moléculas del polímero al momento de que son rociadas sobre un rodillo giratorio en posición horizontal. La estructura del dispositivo está hecha de aluminio y se conforma con baleros y tornillos allen (para seguridad), y dos limit switch en los extremos para cambiar el sentido de carrera del actuador. La carrera de este en la estructura será de 30cm, ya que el rodillo donde se rociará el polímero sintético tiene esa longitud. 1

3 ABSTRACT The construction of a linear actuator is presented in this document, which will be developed and implemented in the applied science and advanced technology research center (CICATA). The device will be built based on electromechanical linear actuators which have the possibility of being controlled by analog-digital electronic circuits and conditioned by the user. Since the device is easy to use, the user can observe some information in the display like: the motor velocity before a 131:1reduction, the value needed by the user and the automatic conditioning of a pulse modulation from a microcontroller (PIC18F2520). In the front side of the box the user can observe the controls, one display (LCD), an adjust lever to set the value needed by the user within an interval from 0 to 19 revolutions per minute after the motor reduction, a process enable - disable switch, and finally a switch to turn on and off the device. The device is a feedback proportional control (Kp), consisting of a proportional linear algorithm which has the objective to reduce the error and stabilize the process by the rise or fall of the pulse with modulation (PWM). The device will be applied in a closed loop system called electrospinning (device that is used for the pharmaceutic industry), which is composed by two linear actuators: one in the base and the other for synthetic polymer application by a high voltage needle at the tip, to control polymer molecules sprayed on a moving roller. The structure of the device is made of aluminum with iron allen screws (for security), bearings and two limit switches to change the actuator shift direction. The shift length is of 30 centimeters because the roller has the same length. 2

4 I N D I C E Página Resumen 1 Abstract 2 Índice 3 I. INTRODUCCION 4 II. ANTECEDENTES 5 III. JUSTIFICACIÓN 6 IV. OBJETIVOS 6 V. ALCANCES 6 VI. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA 6 VII. PLAN DE ACTIVIDADES 8 VIII. RECURSOS MATERIALES 9 IX. DESARROLLO DEL PROYECTO 9 X. RESULTADOS OBTENIDOS 25 XI. ANÁLISIS DE RIESGOS 25 XII. CONCLUSIONES 26 XIII. RECOMENDACIONES 26 XIV. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 26 ANEXO A 28 3

5 I. INTRODUCCIÓN Un actuador mecánico lineal es un dispositivo que transforma un movimiento rotativo en un movimiento lineal. Se utilizan para aplicaciones de elevación, traslación y posicionamiento lineal. Existen varias clases de actuadores lineales de acuerdo a la energía usada: neumáticos, hidráulicos y eléctricos. Los actuadores hidráulicos se utilizan cuando se quiere una gran potencia en el movimiento, los actuadores eléctricos se utilizan para aplicaciones de velocidad y posicionamiento de precisión y los neumáticos para posicionamiento simple. La estructura de un actuador eléctrico es simple en comparación con la de los actuadores hidráulicos y neumáticos, ya que sólo requieren de energía eléctrica como fuente de poder. Como se utilizan cables eléctricos es altamente versátil y prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia entre la fuente de poder y el actuador. Además existen una gran cantidad de modelos y es fácil utilizarlos con motores o servomotores eléctricos estandarizados según la aplicación. En la mayoría de los casos es necesario utilizar reductores, debido a que los motores son de operación continua. El presente proyecto se trata del diseño, construcción y automatización de un actuador lineal eléctrico. El actuador lineal eléctrico a proponer será de propósito general con una carrera de 30 cms, con tornillo sinfín como convertidor mecánico del movimiento de rotación a lineal, contendrá un servomotor con encoder y con reductor para controlar la velocidad en forma precisa por lo cual se construirá un sistema controlador de velocidad utilizando un microcontrolador PIC de la serie 18FXXXX. Dentro de las funciones a tendrá que realizar esta el control de la velocidad y el cambio de giro automático cuando llegue a los extremos de la carrera. 4

6 II. ANTECEDENTES El proyecto inició con la necesidad de crear un actuador lineal para un sistema electro spinning. Un sistema electro spinning es un dispositivo que se utiliza para crear nanofilamentos de polímeros sintéticos. El sistema electro spinning consta de una bomba de jeringa, una fuente de alto voltaje y un colector de las nano fibras. La figura 2.0 muestra un sistema de electrospinning. Figura 2.0. Sistema de electrospinnig. Como se puede observar en la figura 2.0 los nanofilamentos se depositan en el colector formando una red de filamentos en un solo punto. Si se pudiera mover la jeringa, los nanofilamentos se depositarían en línea recta permitiendo obtener nanofilamentos largos y en diferente lugar evitando amontonamiento. Por lo tanto se propone construir un actuador lineal que servirá para mover a la bomba de jeringa en una línea recta para evitar que los nanofilamentos se amontonen en un punto. Este proyecto solo contempla la construcción y automatización del actuador lineal. 5

7 La función principal del actuador lineal es mover una bomba de jeringa teniendo las especificaciones siguientes: base para soportar a la bomba de jeringa, baja velocidad de movimiento, y control de velocidad. III. JUSTIFICACIÓN La justificación de proyecto está basada en el mejoramiento de sistemas por medio de la incorporación de nuevas funciones. En específico incorporar un actuador lineal a un sistema de electrospinning proporcionara mayor flexibilidad en la operación (evitar que los filamentos se amontonen) y en la calidad del producto final. IV.OBJETIVOS Diseñar, construir y automatizar un actuador lineal eléctromecanico. V. ALCANCES Se diseñara, construirá y automatizará un actuador lineal eléctrico, el cual consiste de una base de aluminio, con dos laterales de apoyo a los lados y un tornillo sin fin colocado de extremo a extremo sobre la base. Se tendrá un carro que se desliza conforme gira el tornillo sinfín. Se usara un servomotor con reductor y encoder de cuadratura acoplado al tornillo sinfin para que el carro se deslice en línea recta y a velocidad controlada. Se construirá un sistema de control de velocidad utilizando un microcontrolador comercial. VI.FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA El actuador lineal electromecánico prototipo que será desarrollado en el centro de investigación en ciencia aplicada y tecnología avanzada con el fin de formar parte de un sistema electro spinning, es un reto para cualquier estudiante, ya que involucra conocimientos de mecánica y el diseño de partes mecánicas, involucra también conocimientos de programas especiales para el 6

8 diseño en 3D y por último se requieren conocimientos de electrónica digital y control digital para poder realizar el control de velocidad. El reto es controlar la posición o velocidad de desplazamiento de la base del actuador lineal eléctrico. 7

9 VII.PLAN DE ACTIVIDADES La tabla 7.0 muestra el plan de actividades propuesto para desarrollar el presente proyecto. Se propone que el diagrama de actividades este dividido por semanas. ACTIVIDAD SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE Diseño de prototipo (actuador lineal). Investigación encoder de cuadratura del servomotor, y desarrollo de algoritmos de programación. Avances de reportes y desarrollo de etapa de potencia para cambio de giro. Adecuación de los programas para que funcionen con la de etapa de potencia del PWM. Adecuación de todo el firmware para el funcionamiento de este con la estructura mecánica y la electrónica de control. Calibración del control electrónico con la estructura mecánica. Construcción de circuitos impresos y fuente de poder. Prueba de circuitos impresos y diseño de caja para estos. Terminación de caja para dispositivo y calibración de este. Tabla 7.0 plan de actividades. 8

10 VIII. RECURSOS MATERIALES VIII.II-Recursos materiales: Osciloscopio Multimetro. Fuente de alimentación variable. Vernier. Computadora. Sistema mínimo PIC18F2520. Componentes electrónicos varios. Calculadora. Programador de PIC. Estructura electromecánica. Servomotor. Pinzas de corte. Desarmador plano. IX. DESARROLLO DEL PROYECTO IX.I. Introducción En este capítulo se mostrará cómo se diseñó el actuador lineal, como se construyó y como se realizó la automatización para controlar la velocidad del actuador. La metodología empleada es la que se utiliza para sistemas mecatrónicos: Primero se dan especificaciones de diseño, se propone un diseño, se simula en 3D, se propone un diseño conceptual, se manda a construir, se ensambla, se rediseña y por último se automatiza. 9

11 IX.II. Diseño del actuador lineal eléctromecanico El primer paso de un diseño es dar las especificaciones a cumplir. Las especificaciones son: a) Largo de carrera de 30 cm. b) Material aluminio c) Base para soportar una bomba de jeringa d) Tornillo sinfín e) Servo Motor eléctrico con reductor de 12 volts con encoder de cuadratura El actuador lineal debe estar basado en el giro del tornillo sinfín, sobre el cual se pone una base para que deslice y de ese modo obtener un movimiento lineal de la base. IX.III. Desarrollo de estructura mecánica del actuador lineal. Se propuso una estructura mecánica con un mínimo de piezas para evitar un peso y volumen excesivo. La figura muestra la estructura propuesta del actuador lineal, la cual es un producto comercial de la marca FESTO. Figura actuador lineal FESTO. 10

12 A partir de esta estructura se propuso un diseño propio que incorporará un tornillo sinfín para que se deslizará la base superior. Se procedió a diseñar la estructura del actuador utilizando la plataforma de autodesk inventor. El programa autodesk inventor permite diseñar en 3d cada pieza del actuador y posteriormente ensamblar las piezas para formar el actuador. La ventaja de este tipo de programas es que permite probar o cambiar las piezas sin necesidad de mandar a construirlas. Se ahorra una gran cantidad de tiempo y dinero en la generación de una propuesta de diseño mecánica. La figura muestra el diseño del actuador lineal propuesto que contiene varias piezas como: Una base general de soporte, el tornillo sin fin, bases de apoyo con rodamientos para sostener a los extremos del tornillo sinfín, rodamientos en las bases, base deslizante acoplada al tornillo por medio de una tuerca buje y por ultimo una base para el servomotor alineada a un extremo del tornillo. Se utilizará un cople para unir la flecha del servomotor con el extremo del tornillo. En la figura se muestra el diseño conceptual del actuador lineal eléctrico a construir. Se observa que la base deslizante es de un tamaño adecuado para poder montar una bomba de jeringa. Esta base se desliza con el movimiento del tornillo. Se observa la base donde se pondrá el servomotor alineado con el tornillo. Figura Diseño conceptual del actuador lineal electromecánico. 11

13 IX.IV. Construcción mecánica del actuador lineal electromecánico. El siguiente paso es la construcción del actuador lineal electromecánico propuesto. Como primer paso se generaron los dibujos a detalle de cada pieza del diseño. La figura muestra el dibujo a detalle correspondiente a la base del servomotor. Figura Dibujo a detalle de la Base para el servomotor. La figura muestra el dibujo a detalle del sistema completo con el ensamble de las piezas. 12

14 Figura Diseño de actuador lineal eléctrico A partir del dibujo a detalle se mando a construir cada pieza y se ensamblaron con tornillos. La figura muestra el actuador lineal electromecánico construido. El material utilizado fue aluminio y solamente la base deslizante se construyo de nylamide para disminuir el peso de la pieza.. El nylamide es un material polimérico de bajo peso y alta resistencia. El tornillo sin fin se fabrico de un gusano de ½ pulgada, se utilizaron rodamientos de ½ pulgada interna para soportar los extremos del tornillo sinfín. Figura Actuador lineal electromecanico construido 13

15 La figura a,b y c muestran el actuador construido con mas detalle. En la figura a) muestra la base para el servomotor y la base del extremo del tornillo sinfín b) muestra la base deslizante de nylamide montada en el tornillo sinfín y c muestra la base donde se soporta el extremo del tornillo sinfín con el respectivo rodamiento. a b c Figura a) base del servomotor y base soporte del tornillo sinfín b) base deslizante de nylamide c) base soporte del tornillo sinfín. A continuacion se procede a ensamblar el servomotor al sistema. Figura muestra el servomotor empotrado en la base y acoplado al extremo del tornillo sinfin con un cople de acero. Figura Servomotor acoplado al actuador lineal construido. 14

16 IX.V. -Características de servomotor con encoder de cuadratura. Codificadores rotatorios. Para construir un actuador lineal se requiere utilizar sensores de posición y de giro para poder controlar la posición o velocidad de la base deslizante. Los sensores que más se utilizan en actuador lineales electromecánicos son los codificadores rotatorios. Los codificadores rotatorios (conocidos genéricamente como encoders) son mecanismos utilizados para entregar la posición, velocidad y aceleración del rotor de un motor. Sus principales aplicaciones incluyen aplicaciones en robótica, lentes fotográficas, aplicaciones industriales que requieren medición angular, militares, etc. Un codificador rotatorio es un dispositivo electromecánico que convierte la posición angular de un eje, directamente a un código digital. Los tipos más comunes de encoders se clasifican en: absolutos y relativos (conocidos también como incrementales). Los encoders absolutos pueden venir codificados en binario o gray. Dentro de los encoders incrementales, se encuentran los encoders en cuadratura, ampliamente utilizados en motores de alta velocidad y en aplicaciones en las que interesa conocer la dirección del movimiento del eje. Codificador de cuadratura. Corresponde a un tipo de encoder incremental que utiliza dos sensores ópticos posicionados con un desplazamiento de ¼ de ranura el uno del otro, generando dos señales de pulsos digitales desfasada en 90º o en cuadratura. A estas señales de salida, se les llama comúnmente A y B. Mediante ellas es posible suministrar los datos de posición, velocidad y dirección de rotación del eje. Si se incluye la señal de referencia, se le denomina I (índice). El disco de un encoder generalmente da una vuelta por revolución del motor o eje al cual se encuentra adosado. Pero podría estar acoplado a través 15

17 de un sistema de transmisión con una proporción conocida de reducción o elevación. De esta manera la frecuencia de la señal A o B variará de manera proporcional a la velocidad del rotor. Así, midiendo la frecuencia de dichas señales y conociendo la manera de cómo se encuentra acoplado, es posible determinar la velocidad de giro del eje. Servomotor y codificador de cuadratura del actuador lineal. El servomotor que se acopló al actuador lineal es un motoreductor con un encoder o codificador rotatorio de cuadratura de efecto hall (magnético). El reductor del servomotor proporciona una relación de reducción de 131:1, es decir por cada 131 revoluciones en la entrada se tendrá 1 en la salida. Por otro lado el codificador de cuadratura que esta acoplado al servomotor proporciona una resolución de 64 pulsos por revolución del eje del motor. Para calcular los conteos por revolución de la salida del reductor, se multiplica por la relación de transmisión 131:1. La tabla muestra el código de colores y el nombre de cada señal del decodificador de cuadratura utilizado. COLOR FUNCION NEGRO POTENCIA NEGATIVA MOTOR 0V ROJO POTENCIA POSITIVA MOTOR 6-12V AZUL ACTIVACION ENCODER V VERDE NEGATIVO O TIERRA ENCODER AMARILLO SALIDA ENCODER FASE A BLANCO SALIDA ENCODER FASE B Tabla Código y nombre de las señales del encoder. 16

18 El sensor hall requiere una tensión de entrada vcc, entre 3,5 y 20 v y señala a un máximo de 10mA. Las salidas A y B son ondas cuadradas de 0 v a Vcc aproximadamente 90 desfasadas una de la otra, al contar tanto los flancos de subida y de bajada de ambas salidas nos dan un conteo de 64 pulsos por revolución. Si solo usamos una señal por ejemplo A, entonces cables obtenemos 16 pulsos por revolución del eje del motor en lugar de los 64. Para nuestro caso se decidió utilizar solo un canal del decodificador para controlar la velocidad de desplazamiento de la base deslizante del actuador. IX.VI. Sistema de control de velocidad del actuador lineal electromecánico construido. Una vez que se construyó el actuador lineal electromecánico y que se acopló el servomotor con decodificador de cuadratura, se procedió a construir el sistema de control de velocidad que hará girar al tornillo sinfín para que la base deslizante tenga una velocidad controlada. El sistema de control de velocidad tendrá varias etapas de acuerdo a las funciones que realiza. Las etapas son: Etapa decodificador: Figura Esta parte del sistema corresponde a la captura de la fase A del encoder de cuadratura por medio de una entrada de I/O del microcontrolador pin 6 (PIC). La entrada de I/O utilizada corresponde a la entrada del contador 0 del PIC. Por medio del contador podemos hacer la cuenta de pulsos por giro para controlar la velocidad de la base deslizante. Se realizaron varios programas para configurar la operación del contador del PIC, 17

19 para utilizar la interrupción del timer0 y para comparar la velocidad deseada y la velocidad real del dispositivo. Los programas se muestran en el anexo A. Figura etapa decodificador. Etapa control de velocidad: Figura Esta etapa corresponde a la generación de la señal eléctrica que se conecta al servomotor para que aumente o disminuya su velocidad de giro. Corresponde a un voltaje de DC generado por medio de un PWM desde el microcontrolador en el pin 12 (PIC). Debido a que el motor utiliza corrientes mayores a 100 ma se requiere construir un amplificador de corriente de la señal DC generada (configuración emisor común) por medio de un transistor Darlington. El programa utilizado y la configuración se muestran en el anexo A. Figura etapa de control. 18

20 Etapa muestreo de datos: Figura Esta etapa corresponde al manejo de un desplegador LCD de 2 líneas que despliega el valor de la velocidad real del motor y la velocidad deseada. La programación correspondiente se muestra en el anexo A. Figura muestreo. Etapa de captura de velocidad deseada: Figura esta etapa corresponde a la captura de la velocidad deseada. Se realiza por medio de la captura de un voltaje variable presente en una entrada analógica del CAD del microcontrolador PIC. El voltaje variable se produce por medio de un divisor de voltaje con un potenciómetro externo. La programación correspondiente se muestra en el anexo A. Figura captura de valor deseado. 19

21 Etapa de cambio de giro: Figura Esta etapa corresponde al cambio de giro del motor cuando llega al fin de carrera. Se realiza esta función por medio de microswitch empotrados en el actuador lineal, los cuales e activan cuando la base deslizante llega la fin de carrera. El microswitch se activa con un valor alto y este voltaje es capturado por el microcontrolador,. Dependiendo del microswitch activado el microcontrolador activa un arreglo de dos relevadores que cambian el sentido del voltaje aplicado al motor. La programación correspondiente se muestra en el anexo A. Figura cambio de giro con relevadores. Etapa fuente de alimentación: Figura Esta epata corresponde al diseño de las fuentes que alimentarán a los circuitos digitales y al servomotor. Se construyó una fuente de 12 VDC para el motor y otra fuente de 5VDC para el microcontrolador PIC. Figura fuentes de alimentación. 20

22 IX.VII-Simulaciones y esquematizaciones. Se realizaron varias simulaciones correspondientes a los circuitos propuestos para cada etapa por medio de programa s de simulación como Proteus. La figura muestra la simulación utilizada para la simulación de la etapa de desplegado es decir el funcionamiento del desplegador LCD y la información desplegada. Figura simulación de etapa de muestreo. La figura a y b muestra el diagrama eléctrico del sistema completo de control de velocidad y las etapas que lo componen. Nótese en el diagrama las fuentes de alimentación diseñadas y el arreglo de relevadores para el cambio de giro del motor. 21

23 Figura a) diagrama eléctrico de control. Figura b) Diagrama eléctrico de las etapas del sistema controlador de velocidad. 22

24 Construcción del sistema de control de velocidad. Una vez diseñado y programada cada etapa se procedió a construir un PCB. El PCB se diseño con Proteus y se implemento con la técnica de serigrafía. Se soldaron los componentes eléctricos y se conectaron los cables tantos externos (motor, encoder y microswitchs) como internos (cables del desplegador, fuentes y otros). La figura muestra el PCB, conexiones y desplegador funcionando. Figura Pruebas de sistema de control construido. 23

25 funcionando. En las figuras y se puede apreciar el dispositivo terminado y Figura actuador lineal. Figura desplegado de datos para usuario. 24

26 X. RESULTADOS OBTENIDOS Se diseñó y construyó físicamente un actuador lineal de 30 cm de carrera. Se construyó un sistema de control de velocidad basado en un microcontrolador PIC. Los resultados muestran que se logro controlar la velocidad del motor sin perdidas de torque ni velocidad, sin calentamiento en los circuitos electrónicos, ni ruido electrónico en la pantalla del dispositivo. VELOCIDAD ESPERADA VELOCIDAD REAL PORCENTAJE DE D/C #DE RPM EN REDUCCION 393 RPM 420 RPM 50% RPM 540 RPM 53% RPM 660 RPM 57% RPM 840 RPM 59% RPM 960 RPM 60% RPM 1020 RPM 63% RPM 1200 RPM 66% RPM 1320 RPM 68% RPM 1440 RPM 71% RPM 1620 RPM 73% RPM 1800 RPM 78% RPM 1860 RPM 81% RPM 2100 RPM 83% RPM 2160 RPM 86% RPM 2280 RPM 90% RPM 2460 RPM 92% RPM 2520 RPM 98% 19 XI. ANÁLISIS DE RIESGO Uno de los principales riesgos fue el alineado del eje de la estructura mecánica con el eje del motor ya que se encontraban en el prototipo unos errores de fabricación los cuales impedían que el dispositivo funcionara 25

27 adecuadamente, este problema se solucionó mediante la medición adecuada de la pieza que sostenía al motor con la alineación de su eje y con un buen trato del dispositivo a la hora de ser modificado. XII. CONCLUSIONES Se cumplió con el objetivo de diseñar, construir y controlar un actuador lineal electromecánico. XIII. RECOMENDACIONES Una de las recomendaciones es tratar de dominar la electrónica continua y alterna para facilitar el proceso de construcción y asimilación. XIV. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 2007, Microchip Technology Incorporated. PIC18F2420/2520/4420/4520 Data Sheet, Printed in the U.S.A. Ing. Juan Ricardo Clavijo Mendoza (2011). Diseño y simulación de sistemas microcontrolados en lenguaje c. ISBN Primera edición mayo de RECUPERADA 25 de noviembre de 2012 Autodesk Inventor Products com/autodeskinventor/ 26

28 Katsuhiko Ogata. Ingenieria de control moderna. Editorial Prentice Hall. Benjamín c. kuo. Sistemas de control automático. Séptima edición. Editorial Prentice Hall. 27

29 ANEXO A En este anexo se darán a conocer los diagramas de flujo para la programación de control. Etapa decodificador con su diagrama de flujo en la figura INICIO CONFIGURACION DE LCD DECLARACION DE: CONTADOR=0; TIEMPO=0; CONFIGURACION PIC. T0CON=STOP TIMER. T0CON=0XE3//START TIMER. DELAY_MS (5); TIEMPO++; TIEMPO==200 T0CON=STOP TIMER. CONTADOR=TMR0L*60 //OPERACIÓN PARA RPM DESPLEGAR LCD TIEMPO=0; TMR0L=0; FIN Figura diagrama de flujo RPM. 28

30 En el texto a continuación se puede apreciar el programa en mikroc del diagrama de flujo anterior. RPM SERVOMOTOR // LCD CONFIGURACION 4 BITS sbit LCD_RS at RB4_bit; sbit LCD_EN at RB5_bit; sbit LCD_D4 at RB0_bit; sbit LCD_D5 at RB1_bit; sbit LCD_D6 at RB2_bit; sbit LCD_D7 at RB3_bit; sbit LCD_RS_Direction at TRISB4_bit; sbit LCD_EN_Direction at TRISB5_bit; sbit LCD_D4_Direction at TRISB0_bit; sbit LCD_D5_Direction at TRISB1_bit; sbit LCD_D6_Direction at TRISB2_bit; sbit LCD_D7_Direction at TRISB3_bit; char txt1[] = VELOCIDAD SERVOMOTOR ; char txt[7]; int CONTADOR=0,TIEMPO=0;//VARIABLES DE RETARDO void InitMain() { //INICIALIZACION DE OSCILADOR INTERNO 1MHZ PORTA = 0X00; TRISA = 0X10; // CONFIGURACION DE PORTA COMO ENTRADAS PORTB = 0X00; // PORTB 0 TRISB = 0X00; // DESIGNACION DE PORTB COMO SALIDAS ADCON1 = 0X0F; //DETERMINA CUALES ENTRADAS SON DIGITALES T0CON = 0X63; //PREESCALER DE 1:16-CONTADOR DE 16 bits TIMER OFF } void main() { InitMain(); //LLAMANDO A LA FUNCION INITMAIN Lcd_Init(); Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR); Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF); Lcd_Out(1,1,txt1); do { T0CON = 0XE3; //TIMER ENABLE delay_ms(5); TIEMPO++; if (TIEMPO==200) //PREGUNTA SI A PASADO 1 SEGUNDO { T0CON=0X63; //STOP TIMER CONTADOR=TMR0L*60; //RPM IntToStr(CONTADOR, txt);//conversión A STRING PARA LCD Lcd_Out(2,1,txt); //ESCRIBE VALOR EN LCD Lcd_Out_Cp( RPM ); TIEMPO=0; TMR0L=0; TMR0H=0; } }while(1); 29

31 Etapa de control de velocidad figura INICIO CONFIGURACION DE LCD LIBRERÍA ADC DECLARACION DE: CURRENT_DUTY=0; TEMP_RES=0; RESULTADO=0; FLOAT TENSION; CONFIGURACION PIC. PWM_INIT 30KHZ PWM START. LEER CANAL 0 Y GUARDAR EN TEMP_RES. ADECUACION DE SEÑAL DE 10BITS PARA 8 BITS. PWM1_SET LEE UN VALOR DE VARIABLE RESULTADO LEE PARA MONITOREAR Y ACONDICIONAR DE 0-5 V. DESPLEGAMOS EN LCD DE 0-5 VOLTS. FIN Figura Diagrama de flujo para modulación de ancho de pulso (PWM). 30

32 Firmware para el diagrama de flujo de la figura modulación de ancho de pulso. PWM SERVOMOTOR // LCD CONFIGURACION 4 BITS sbit LCD_RS at RB4_bit; sbit LCD_EN at RB5_bit; sbit LCD_D4 at RB0_bit; sbit LCD_D5 at RB1_bit; sbit LCD_D6 at RB2_bit; sbit LCD_D7 at RB3_bit; sbit LCD_RS_Direction at TRISB4_bit; sbit LCD_EN_Direction at TRISB5_bit; sbit LCD_D4_Direction at TRISB0_bit; sbit LCD_D5_Direction at TRISB1_bit; sbit LCD_D6_Direction at TRISB2_bit; sbit LCD_D7_Direction at TRISB3_bit; char txt1[] = PWM ; char txt[15]; #include <built_in.h> unsigned short current_duty, old_duty;//variable PARA PWM unsigned int adc_rd,temp_res,resultado;//variables PARA ADC float TENSION; void InitMain() { //INICIALIZACION DE OSCILADOR INTERNO 1MHZ PORTA = 0X00; TRISA = 0X11; // CONFIGURACION DE PORTA COMO ENTRADAS PORTB = 0X00; // PORTB 0 TRISB = 0X00; // DESIGNACION DE PORTB COMO SALIDAS PORTC = 0X00; // PORTC 0 TRISC = 0X00; // DESIGNACION DE PORTC COMO SALIDAS PWM1_Init(30000); // INICIALIZACION DE PWM1 EN 30KHZ ADCON1 = 0X0E; //DETERMINA CUALES ENTRADAS SON DIGITALES } void main() { InitMain(); PWM1_Start(); //LLAMANDO A LA FUNCION INITMAIN // INICIO PWM1 Lcd_Init(); Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR); Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF); Lcd_Out(3,1,txt1); do { //INICIO DE LA DECODIFICACION PARA EL PWM temp_res = ADC_Read(0); // CONVERSIÓN DE 10 BITS BITS current_duty = (temp_res / );//EL VALOR DEL ADC DE 10 BIT SE ACONDISIONA //AL VALOR DEL PWM DE 8 BITS 1023/255 PWM1_Set_Duty(current_duty); //EL PWM SE MUESTRA DE 0 A 255 BITS RECONOCIENDO DE 0-5V resultado=current_duty; 31

33 TENSION=(resultado * ); //ACONDICIONAMIENTO DE 0-5 V FloatToStr(TENSION, txt);//conversión A STRING PARA LCD Lcd_Out(4,1,txt); //ESCRIBE VALOR EN LCD Lcd_Out_Cp( VOLT ); Delay_ms(5); }while(1);} // PEQUEÑO RETRASO DE LECTURA Etapa de desplegado, cambio de giro y captura de velocidad deseada. La figura es el Diagrama de flujo para el control de cambio de giro con monitoreo de revoluciones por minuto y duty cycle de pwm para el control del actuador. INICIO DECLARACION DE LIBRERÍA ADC CONFIGURACION DE LCD Unsigned short Currrent_duty=0; Unsigned int adc_rd, temp_res, resultado; Unsigned short int REG, i, D1, D2, D3, D4, D5; Int CONTADOR=0, DESEADO=0, RPMDESEADA, DATO=0;//VARIABLE PARA CONTEO CONFIGURACION PIC. ADCON1 = 0X0E; //DETERMINA CUALES ENTRADAS SON DIGITALES T0CON = 0X63; //PREESCALER DE 1:16- CONTADOR DE 8 bits PWM2_Init (500);// INICIALIZACION DE PWM2 INTCON=0XC0; //GIE PEIE PIR1=0X00; // TMR1IF BANDERA DE INTERRUPCION PIE1=0X01; //OVERFLOW INTERRUPT ENABLE T1CON=0X30; //PRESCALER 1:8 TMR1H=0X85; //INICIO DE CONTEO DESCONTANDO UN SEGUNDO TMR1L=0XEE; //INICIO DE CONTEO DESCONTANDO UN SEGUNDO TMR0L=0 // REGISTRO DE TIMER0 Mandamos llamar la configuración del pic y periféricos. Lcd_init(); Desplegamos texto de velocidad, valor deseado y duty cycle. 32

34 T1CON = 0X31;//ENCENDIDO DE TIMER1 PARA DAR UN RETARDO DE 1s CUANDO SE SATURE SALTARA A LA INTERRUPCION T0CON = 0XE3;//ENCENDIDO DE TIMER0 PARA CONTAR CON EL PRIMER FLANCO ASCENDENTE EN RA4. LEER CONTADOR Y CONVERTIR EL DATO DE ENTERO A STRING (DESPLEGAR EN LCD). PWM2_Stop(); //PWM2 STOP PWM2_Set_Duty(current_duty); //EL PWM2 TOMA UN VALOR ENTRE 0 A 255 BITS temp_res = ADC_Read(0);//LECTURA DE CANAL ANALOGICO PARA COLOCAR EL VALOR DESEADO. DESEADO = (temp_res /0.4092);//LEEMOS CANAL ANALOGICO Y LO INTERPRETAMOS COMO RPM EN REDUCCION DEL SERVOMOTOR SI PORTA.F2==0 PORTB.F6=0; PORTB.F7=1; GIRO DERECHA NO PORTA.F3==0 SI PORTB.F7=0; PORTB.F6=1; GIRO IZQUIERDA NO SI PORTA.F5==0 PWM2_Start();//INICIAM OS EL PWM2 NO 33 Current_duty > 251 SI current_duty = 251; PWM2_Set_Duty(current_duty); PARA QUE EL PWM NO INICIE DESDE UN PRINCIPIO.

35 //PARTE PARA EL DESPLIEGUE DE DATOS EN LCD 0-100% resultado=current_duty;//resultado LEE DE resultado = resultado * ; //ACONDICIONAMOS PARA 0-100% EN LCD D3=resultado/100; D4=(resultado%100)/10; D5=(resultado%10)/1; //CONVERTIMOS EL PORCENTAJE Lcd_Chr(2, 13, D3 + 48); Lcd_Chr(2, 14, D4 + 48); Lcd_Chr(2, 15, D5 + 48); DESEADO/=131; D1=DESEADO/10; D2=(DESEADO% 10)/1; //DESPLEGAMOS LOS DATOS ANTERIORES Lcd_Chr(2, 6, D1 + 48); Lcd_Chr(2, 7, D2 + 48); SI SI RPMDESEADA== DESEADO/60 //SI RPM = AL DESEADO NO REALIZAR NADA Y DESABILITAR LAS DOS COMPARACIONES SIGUIENTES REG=0; RPMDESEADA>DES EADO/60 && REG==1 NO FIN current_duty--; delay_ms(70); //SI RPM MAYOR QUE EL DESEADO DISMINUIR EL D/C C/70ms NO RPMDESEADA<DES EADO/60 && REG==1 SI NO current_duty++; delay_ms(70); //SI RPM MENOT QUE EL DESEADO AUMENTAR EL D/C C/70ms RPMDESEADA!= DESEADO SI NO REG=1 ; 34

36 VOID INTERRUT NO PIR1.B0==1 SI PIR1.B0=0;//BANDERA DE INTERRUPCION A CERO T0CON=0X63; //STOP TIMER0 CONTADOR=TMR0L*60; //RPM TMR0L=0;//REGISTRO DE 8 BITS=0 TMR1H=0X85;//DEBOLVEMOS EL VALOR DE INICIO DE TEMPORIZADOR1 TMR1L=0XEE; FIN Figura diagramas de flujo de programa completo. 35

37 Programa de monitoreo completo. //REALIZACION DE FIRMWARE PARA ACTUADOR LINEAL //MARTINEZ NAVARRETE RICARDO //UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE QUERETARO //MECATRONICA AREA AUTOMATIZACION // LCD CONFIGURACION 4 BITS sbit LCD_RS at RB4_bit; sbit LCD_EN at RB5_bit; sbit LCD_D4 at RB0_bit; sbit LCD_D5 at RB1_bit; sbit LCD_D6 at RB2_bit; sbit LCD_D7 at RB3_bit; sbit LCD_RS_Direction at TRISB4_bit; sbit LCD_EN_Direction at TRISB5_bit; sbit LCD_D4_Direction at TRISB0_bit; sbit LCD_D5_Direction at TRISB1_bit; sbit LCD_D6_Direction at TRISB2_bit; sbit LCD_D7_Direction at TRISB3_bit; char txt[7];//despliegue DE RPM char txt1[] = "VELOC:"; //VELOCIDAD char txt2[] = "D/C"; int CONTADOR=0,DESEADO=0,RPMDESEADA,DATO=0; //VARIABLE PARA CONTEO #include <built_in.h> //LIBRERIA PARA ADC unsigned short current_duty=0, old_duty;//variable PARA PWM unsigned int adc_rd,temp_res,resultado;//variables PARA ADC unsigned short int REG,i,D1,D2,D3,D4,D5;//VARIABLE DE USO COMUN //INTERRUPCION CADA SEGUNDO /********************************************************************************************************/ void interrupt() { if(pir1.b0==1) //SE ASEGURA DE QUE EXCTAMENTE OCURRA LA INTERRUPCION DEL TIMER1 POR DESBORDAMIENTO { PIR1.B0=0;//BANDERA DE INTERRUPCION A CERO T0CON=0X63; //STOP TIMER RPMDESEADA=TMR0L; //VARIABLE DE APOYO TOMA EL VALOR DEL REGISTRO TMR0L rpmxs. 36

38 CONTADOR=TMR0L*60; //EL REGISTRO TIENE UN PREESCALER DE 1:16 RPM rpmxm TMR0L=0;//REGISTRO TMR0L DE 8 BITS A 0 TMR1H=0X85;//DEBOLVEMOS EL VALOR DE INICIO DE TEMPORIZADOR TMR1L=0XEE; //ENTRE LOS DOS REGISTRO INICIAMOS EN } } /***********************************************************************************************************/ //INICIO DE MENU INIT MAIN void InitMain() { //INICIALIZACION DE OSCILADOR INTERNO 1MHZ PORTA = 0X00; //INICIALIZACION PUERTO TRISA = 0X3D; // CONFIGURACION DE PORTA COMO ENTRADAS POTENCIOMETRO Y RA4 FASE A DE ENCODER botones RA2-RA3 de INICIO PWM Y D/C PORTB = 0X00; // PORTB 0 TRISB = 0X00; // DESIGNACION DE PORTB COMO SALIDAS PORTC = 0X00; // PORTC 0 TRISC = 0X00; // DESIGNACION DE PORTC COMO SALIDAS ADCON1 = 0X0E; //DETERMINA CUALES ENTRADAS SON DIGITALES T0CON = 0X63; //CONTADOR DE 8 bits CON PREESCALER DE 1:16 PWM2_Init(500);// INICIALIZACION DE PWM2 INTCON=0XC0; //GIE PEIE PIR1=0X00; // TMR1IF PIE1=0X01; //OVERFLOW INTERRUPT ENABLE T1CON=0X30; //PRESCALER 1:8 CON STOP TIMER TMR1H=0X85; //INICIO DE CONTEO DESCONTANDO UN SEGUNDO ALTO EN TMR1L=0XEE; //INICIO DE CONTEO DESCONTANDO UN SEGUNDO BAJO TMR0L=0;//INICIAMOS REGISTRO DE TIMER0 DE CONTEO EN 0 } /********************************************************************************************************/ //INICIAMOS MENU PRINCIPAL void main() { InitMain(); //LLAMANDO A LA FUNCION INITMAIN Lcd_Init(); // INICIO LCD //PRIMER DESPLIEGUE DE TEXTO 37

39 Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR); Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF); Lcd_Out(1,1," CICATA IPN/UTEQ"); Lcd_Out(2,1," MECATRONICA"); delay_ms(1000); for(i=0; i<16; i++) { Lcd_Cmd(_LCD_SHIFT_LEFT); delay_ms(350); } Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR); Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF); Lcd_Out(1,1,txt1); Lcd_Out(2,9,txt2); Lcd_Chr(2,16, '%'); Lcd_Out(2,1,"VAL: "); /*************************************************************************************************/ do { //INICIAMOS CICLO DO-WHILE T1CON = 0X31;//ENCENDIDO DE TIMER1 PARA INTERRUPCION DE UN SEGUNDO T0CON = 0XE3;//TIMER0 ENABLE PARA CONTAR IntToStr(CONTADOR, txt);//convercion A STRING PARA LCD Lcd_Out(1,7,txt); //DESPLEGAMOS LAS RPM Lcd_Out_Cp(" RPM"); /************************************************************************************************/ PWM2_Stop(); //PWM2 STOP PWM2_Set_Duty(current_duty); //EL PWM2 TOMA UN VALOR ENTRE 0 A 255 BITS temp_res = ADC_Read(0);//LECTURA DE CANAL ANALOGICO DESEADO = (temp_res /0.4092);//LEEMOS CANAL ANALOGICO Y LO INTERPRETAMOS COMO RPM EN REDUCCION /***********************************************************************************************/ //CONTROL DE GIRO if (PORTA.F2==0) { PORTB.F6=0; PORTB.F7=1; } 38

40 if (PORTA.F3==0) { PORTB.F7=0; PORTB.F6=1; } /************************************************************************************************/ //INICIO DE LA DECODIFICACION PARA EL PWM if(porta.f5==1)//switch DE HABILITACION DESPUES DE QUE EL USUARIO INCERTO EL VALOR DESEADO { PWM2_Start();//INICIAMOS EL PWM2 //SI CURRENT DUTY SOBREPASA EL NIVEL MAXIMO EL PWM SE COLOCARA EN EL NIVEL MAXIOMO if(current_duty > 251) { current_duty = 251; PWM2_Set_Duty(current_duty); } //SI RPM = AL DESEADO NO REALIZAR NADA Y DESABILITAR LAS DOS COMPARACIONES SIGUIENTES if (RPMDESEADA==DESEADO/60) { REG=0; } //SI RPM MAYOR QUE EL DESEADO DISMINUIR EL D/C C/70ms if(rpmdeseada>deseado/60 && REG==1) { current_duty--; delay_ms(70); } //SI RPM MENOR QUE EL DESEADO AUMENTAR EL D/C C/70ms if(rpmdeseada<deseado/60 && REG==1) { current_duty++; delay_ms(70); } //SI RPM ES DIFERENTE QUE EL DESEADO ACTIVAR LAS DOS COMPARACIONES ANTERIORES if(rpmdeseada!= DESEADO) { 39

41 REG=1; } } /**********************************************************************************************/ //PARTE PARA EL DESPLIEGUE DE DATOS EN LCD 0-100% resultado=current_duty;//resultado LEE DE resultado = resultado * ; //ACONDICIONAMOS PARA 0-100% EN LCD D3=resultado/100; D4=(resultado%100)/10; D5=(resultado%10)/1; Lcd_Chr(2, 13, D3 + 48); Lcd_Chr(2, 14, D4 + 48); Lcd_Chr(2, 15, D5 + 48); //CONVERTIMOS EL VALOR DESEADO DE REDUCCION 1:131 DESEADO/=131; D1=DESEADO/10; //1ER DECIMAL D2=(DESEADO% 10)/1; //2 DECIMAL //DESPLEGAMOS LOS DATOS ANTERIORES //Lcd_Out(2,10, caracter); //0-100% //Lcd_Out(3,1, DES); //1:131 Lcd_Chr(2, 6, D1 + 48); Lcd_Chr(2, 7, D2 + 48); }while(1); } 40