Download I.C.E. 21

Document related concepts

Adquisición de datos wikipedia , lookup

Comparador wikipedia , lookup

Amplificador operacional wikipedia , lookup

Conversor de señal digital a analógica wikipedia , lookup

Sensor wikipedia , lookup

Transcript

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD CULHUACAN
TESIS INDIVIDUAL
Que como prueba escrita de su Examen Profesional para obtener el Título de Ingeniero en
Comunicaciones y Electrónica, deberá desarrollar el C.:
SAÚL ALONSO NAVA CRUZ
“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA INTERFAZ HOMBRE-MÁQUINA PARA EL MONITOREO
DE LAS CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE UN MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA DEL
MÓDULO LENZE”
El objetivo de este trabajo de investigación, es brindar un sistema flexible que permita a aprendices
de ingeniería, entender los principios básicos sobre Motores de Corriente Directa (CD), a su vez,
podrán observar el comportamiento del sistema cuando este varié sus parámetros de operación, y
les permitirá tomar lecturas instantáneas de diferentes variables para una mejor compresión y futuro
análisis en los sistemas de control mediante técnicas más avanzadas.
CAPITULADO
Capítulo I
Capitulo II
Capitulo III
Capitulo IV
Estado del Arte
Marco Teórico
Diseño e Implementación de la TAS y la HMI
Resultados y Conclusiones
México D. F., a 06 de Noviembre de 2015
PRIMER ASESOR
ING. OSVALDO LÓPEZ GARCÍA
Vo. Bo.
ING. FELICIANO PRIMO ISIDRO CRUZ
JEFE DE LA CARRERA DE I.C.E.
SEGUNDO ASESOR
ING. JOSÉ EFRÉN PÉREZ CARMONA
APROBADO
M. EN C. HECTOR BECERRIL MENDOZA
SUBDIRECTOR ACADÉMICO
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y
ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL CULHUACAN
INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
ACADEMIA DE TITULACIÓN DE I.C.E.
Diseño e implementación de una interfaz hombre-máquina para
el monitoreo de las características eléctricas de un Motor de
Corriente Directa del módulo Lenze
TESIS
Para obtener el título de
Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica
PRESENTA:
Nava Cruz Saúl Alonso
ASESORES
Ing. Osvaldo López García
Ing. José Efrén Pérez Carmona
ÍNDICE DE CONTENIDOS
Planteamiento del problema ................................................................................................... 1
Justificación ............................................................................................................................ 2
Objetivo .................................................................................................................................. 3
Objetivos específicos .......................................................................................................... 3
CAPÍTULO 1 ESTADO DEL ARTE .................................................................................... 4
1.1Primeras tarjetas adquisición de datos ............................................................................... 4
1.2 El sistema IBM 1620 ....................................................................................................... 4
1.3 El sistema IBM 1130 ........................................................................................................ 5
1.3.1 Procesador y Memoria ............................................................................................... 5
1.3.2 Software del IBM 1130 ............................................................................................. 5
1.3.3 Características del IBM 1130 .................................................................................... 6
1.4 El sistema IBM 1710 ........................................................................................................ 6
1.5 El sistema IBM 1800 ........................................................................................................ 6
1.5.1 Características de la IBM 1800 ................................................................................. 7
1.6 Tarjetas de Adquisición de Datos (DAQ) PCI Multifunción ........................................... 7
1.6.1 Características de las DAQ PCI ................................................................................ 8
1.7 National Instruments PXI ................................................................................................. 8
1.7.1 Características de las DAQ National Instruments PXI.............................................. 9
1.8 Tarjeta de Adquisición de Datos USB .............................................................................. 9
1.8.1 Características de las DAQ USB ............................................................................... 9
1.9 NI Wifi DAQ .................................................................................................................. 10
1.9.1 Características del NI DAQ Wifi............................................................................. 10
1.10 NI Compact DAQ Stand Alone .................................................................................... 10
1.10.1 Características del NI Compact DAQ Stand Alone............................................... 11
CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO ..................................................................................... 12
2.1 Diagrama a bloques del sistema de adquisición de datos ............................................... 12
2.2 Fuentes de alimentación ................................................................................................. 12
2.2.1 Clasificación de las fuentes de alimentación ........................................................... 13
2.2.2 Fuentes de alimentación lineales ............................................................................. 13
2.2.3 Fuentes de alimentación conmutadas ...................................................................... 14
2.2.4 Convertidores DC-DC Traco Power ....................................................................... 16
2.2.5 Características de los convertidores Traco Power ................................................... 17
2.3 Sensores electrónicos ...................................................................................................... 18
2.3.1 Sensor de corriente de efecto Hall ........................................................................... 18
2.3.2 Divisor de tensión .................................................................................................... 19
2.3.3 Servo Drive Lenze 9300 .......................................................................................... 19
2.4 Tarjeta de Acondicionamiento de Señal (TAS) .............................................................. 20
2.4.1 Circuito de Acondicionamiento de Señal (TAS) ..................................................... 21
2.4.2 Multiplexor analógico.............................................................................................. 21
2.4.3 Amplificador de aislamiento ................................................................................... 23
2.4.4 Filtros analógicos..................................................................................................... 24
2.4.5 Amplificador de instrumentación ............................................................................ 25
2.4.6 Tarjeta de Adquisición de Datos ............................................................................. 27
2.4.7 Interfaz de Hombre-Máquina (HMI) ....................................................................... 23
CAPÍTULO 3 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LA TAS .......................................... 30
3.1 Diagrama de flujo del funcionamiento general del proyecto ......................................... 30
3.2 Diagrama a bloques del sistema de adquisición de datos ............................................... 32
3.3 Fuente de alimentación ................................................................................................... 33
3.4 Sensores de Corriente y Voltaje ..................................................................................... 34
3.5 Configuraciones para el acondicionamiento de señal..................................................... 35
3.6 Diagrama de bloques de la Tarjeta de Acondicionamiento de Señal (TAS) ................. 38
3.6.1 Multiplexor analógico.............................................................................................. 38
3.6.2 Amplificador de aislamiento ................................................................................... 40
3.6.3 Filtro pasa-bajas (Anti-aliasing) .............................................................................. 41
3.6.4 Amplificador de Instrumentación y Ganancia Programable ................................... 43
3.6.5 Circuito de muestreo y retención (S & H) ............................................................... 45
3.6.6 Convertidor Analógico Digital (ADC) .................................................................... 46
3.6.7 Convertidores CD-CD ............................................................................................. 48
CAPÍTULO 4 RESULTADOS Y CONCLUSIONES ......................................................... 50
4.1 Pruebas físicas de la TAS ............................................................................................... 50
4.1.1 Aislamiento de señales ............................................................................................ 50
4.1.2 Multiplexación de señales ....................................................................................... 51
4.1.3 Etapa de filtrado....................................................................................................... 51
4.1.4 Circuito Sample & Hold .......................................................................................... 53
4.2 Programación en Labview .............................................................................................. 53
4.2.1 Descripción de VI’s utilizados en la programación gráfica en Labview ................. 54
4.2.2 Estructuras de programación utilizadas en Labview ............................................... 56
4.3 Diagrama de flujo del Sistema de Adquisición de Datos ............................................... 58
4.4 Código de programación en Labview e Interfaz Gráfica ............................................... 59
4.5 Implementación del Sistema de Adquisición de Datos en el módulo Lenze para el
control de motores. ............................................................................................................... 63
4.6 Conclusiones y líneas futuras de investigación .............................................................. 68
REFERENCIAS ................................................................................................................... 69
ANEXO A ............................................................................................................................ 71
ANEXO B ............................................................................................................................ 80
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 IBM 1620. ............................................................................................................ 4
Figura 1.2 IBM 1130. ............................................................................................................ 5
Figura 1.3 IBM 1710. ............................................................................................................ 6
Figura 1.4 IBM 1800. ............................................................................................................ 7
Figura 1.5 Tarjeta Adquisición de Datos PCI ....................................................................... 7
Figura 1.6 DAQ PXI ............................................................................................................. 8
Figura 1.7 Tarjeta Adquisición de Datos USB. ..................................................................... 9
Figura 1.8 NI Wifi DAQ. .................................................................................................... 10
Figura 1.9 NI Compact DAQ. ............................................................................................. 11
Figura 2.1 Diagrama a bloques del Sistema de Adquisición de Datos................................ 12
Figura 2.2 Fuente de alimentación. ..................................................................................... 13
Figura 2.3 Diagrama a bloques de una fuente lineal. .......................................................... 14
Figura 2.4 Principio básico de una fuente conmutada. ........................................................ 15
Figura 2.5 Fuente buck-step-dowm. .................................................................................... 15
Figura 2.6 Fuente boost-step-up. ......................................................................................... 15
Figura 2.7 Fuente buck-boost-inverter. ............................................................................... 16
Figura 2.8 Configuración flyback. ...................................................................................... 16
Figura 2.9 Convertidor DC-DC Traco Power. .................................................................... 17
Figura 2.10 Efecto Hall. ...................................................................................................... 18
Figura 2.11 Divisor de voltaje. ............................................................................................ 19
Figura 2.12 Servodrive Lenze. ............................................................................................ 20
Figura 2.13 Diagrama general de un Sistema de Adquisición de Datos. ............................ 21
Figura 2.14 Diagrama de la TAS. ........................................................................................ 21
Figura 2.15 Diagrama del multiplexor. ............................................................................... 22
Figura 2.16 Amplificador de aislamiento. ........................................................................... 23
Figura 2.17 Respuesta de un filtro pasa-baja....................................................................... 24
Figura 2.18 Amplificador electrónico. ................................................................................ 25
Figura 2.19 Amplificador de instrumentación..................................................................... 26
Figura 2.20 Partes de un Sistema de Adquisición de Datos. ............................................... 27
Figura 2.21 Ejemplo de una HMI. ....................................................................................... 28
Figura 3.1 Diagrama de flujo de funcionamiento del proyecto de adquisición de datos. ... 31
Figura 3.2 Estructura del Sistema de Adquisición de Datos. .............................................. 32
Figura 3.3 Diagrama de la fuente de alimentación. ............................................................. 33
Figura 3.4 DAS con un ADC. ............................................................................................ 35
Figura 3.5 DAS compuesto con un circuito S&H y un ADC. ............................................ 36
Figura 3.6 DAS para digitalizar múltiples canales. ............................................................ 36
Figura 3.7 DAS para digitalizar múltiples canales mediante el uso de un MUX. .............. 37
Figura 3.8 Estructura de la TAS. ......................................................................................... 38
Figura 3.9 Contador síncrono de 3bits. ............................................................................... 40
Figura 3.10 Efecto aliasing en Sistemas de Adquisición de Datos. .................................... 42
Figura 3.11 Digitalización de señales con diferente amplitud. ........................................... 43
Figura 4.1 Señal medida a la salida del multiplexor F=50KHz Vpp=3.60V. ..................... 50
Figura 4.2 Señal medida a la salida del multiplexor con aislamiento F=50KHz Vpp=3.60V.
.............................................................................................................................................. 50
Figura 4.3a Señal de CD VDC=2.5V. ................................................................................. 51
Figura 4.3b Señal de CA F=700Hz Vpp=2.80 Fm=1KHz. ................................................. 51
Figura 4.4a Señal de CD usando filtro Anti-Aliasing VDC=2.5. ....................................... 51
Figura 4.4.b Señal de CA usando filtro Anti-Aiasing F=700Hz Vpp=2.80V Fm=1KHz... 52
Figura 4.5a Señal senoidal de CA F=100Hz Vpp=2.80V Fm=1KHz. ................................ 52
Figura 4.5b Señal senoidal de CA F=400Hz Vpp=2.80 Fm= 1KHz. ................................. 52
Figura 4.6 Medición de la señal con uso del circuito Sample & Hold F=100Hz Vpp=2.80V
Fm=1KHz. ............................................................................................................................ 53
Figura 4.7 Medición de la señal con uso del circuito Sample & Hold F=100Hz Vpp=2.80V
Fm=300Hz. ........................................................................................................................... 53
Figura 4.8 VI’s disponibles en Labview.............................................................................. 54
Figura 4.9 Ciclo While Loop. .............................................................................................. 56
Figura 4.10 Ciclo For Loop. ................................................................................................ 57
Figura 4.11 Estructura Flat Secuence . ................................................................................ 57
Figura 4.12 Estructura Event Structure. .............................................................................. 57
Figura 4.13 Diagrama de flujo del Sistema de Adquisición de Datos................................. 58
Figura 4.14 VI’s para la configuración del ADC de la DAQ Keithley KUSB 3102. ......... 59
Figura 4.15 VI’s para la configuración de entradas y salidas digitales de la DAQ Keithley
KUSB 3102. ......................................................................................................................... 60
Figura 4.16 VI’s para llevar a cabo la sincronización entre la TAS y Labview.................. 60
Figura 4.17 VI’s para llevar a cabo la visualización de los datos medidos. ........................ 61
Figura 4.18 Controles en la HMI. ........................................................................................ 62
Figura 4.19 Instrumentos de medición virtuales . ............................................................... 62
Figura 4.20 a) Fuente de alimentación b) Ajustando voltaje de salida de la fuente a 12V. 63
Figura 4.21 a) PCB para realizar la medición de velocidad b) PCB para realizar la
medición de torque. .............................................................................................................. 63
Figura 4.22 a) PCB para realizar la medición de voltaje en la armadura b) PCB para
realizar la medición de la corriente de campo . .................................................................... 64
Figura 4.23 PCB para realizar la medición de la corriente de armadura. ............................ 64
Figura 4.24 PCB de la TAS. ................................................................................................ 65
Figura 4.25 Implementación de la TAS y la HMI en el módulo Lenze. ............................. 65
Figura 4.26 Lecturas de torque y velocidad en el Servodrive. ............................................ 66
Figura 4.27 Lecturas obtenidas en la HMI. ......................................................................... 66
Figura 4.28 Lecturas de torque y velocidad en el Servodrive. ............................................ 66
Figura 4.29 Lecturas de torque y velocidad en la HMI. ...................................................... 67
Figura 4.30 Lecturas de la corriente de armadura, corriente de campo y voltaje de
armadura .............................................................................................................................. 67
Figura A.1 Esquematico de la fuente de alimentación de CA-CD. ..................................... 72
Figura A.2 Circuito de acondicionamiento para el sensor de corriente ACS714................ 73
Figura A.3 Circuito de amplificación para los sensores de velocidad y torque. ................. 74
Figura A.4 Circuito de amplificación para medir el voltaje de armadura del Motor de DC.
.............................................................................................................................................. 75
Figura A.5 Circuito de amplificación para medir la corriente de campo del Motor de DC.76
Figura A.6 Etapa de aislamiento . ....................................................................................... 77
Figura A.7 Etapa de multiplexación . .................................................................................. 78
Figura A.8 Etapas de filtrado, amplificación, muestreo y retención. .................................. 79
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3.1 Características del sensor ACS714. ..................................................................... 34
Tabla 3.2 Ventajas y desventajas con sólo usar ADC. ........................................................ 35
Tabla 3.3 Ventajas y desventajas usando ADC y S&H. ...................................................... 36
Tabla 3.4 Venatajas y desventajas usando ADC y S&H para cada canal. .......................... 37
Tabla 3.5 Ventajas y desventajas usando MUX, S&H y ADC. .......................................... 37
Tabla 3.6 Consumo de energía de los componentes electrónicos utilizados en la TAS. ..... 49
Tabla 4.1 VI’s para la configuración de los puertos de entrada y salida de la DAQ. .......... 55
Tabla 4.2 VI’s de propósito general en el desarrollo de la HMI . ....................................... 56
Tabla B.1 Características eléctricas de multiplexores analógicos. ...................................... 81
Tabla B.2 Características eléctricas de amplificadores de aislamiento. .............................. 81
Tabla B.3 Características eléctricas de filtros pasa-bajas integrados. ................................. 81
Tabla B.4 Características eléctricas de amplificadores de instrumentación. ....................... 82
Tabla B.5 Características eléctricas de amplificadores de ganancia programable. ............. 82
Tabla B.6 Características eléctricas de circuitos Sample and Hold. ................................... 82
Tabla B.7 Características de tarjetas de adquisición de datos. ............................................ 83
Tabla B.8 Características eléctricas de los convertidores. ................................................... 83
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE), anuncia que
invertir en educación debe ser el principal objetivo de los países para impulsar el desarrollo
económico, ya que permitirá responder a los cambios tecnológicos que hoy en día acontecen,
y que están teniendo un gran impacto en el mercado laboral. El error principal que la OCDE
ha detectado es que más del 90% de los gastos es consumido por el personal, es decir, se da
prioridad al sueldo de los docentes que a la infraestructura de las instituciones educativas.
En Instituciones de Educación Superior Públicas, el equipamiento de laboratorios y la
capacitación de docentes sobre las nuevas tecnologías adquiridas, debe ser de suma
importancia para apoyar de manera eficaz el desarrollo profesional de los educandos. Las
limitaciones en infraestructura de estas instituciones y la insuficiente inversión destinada a la
educación para impulsar el desarrollo de la numerosa población estudiantil son otras de las
causas de la existencia de esta problemática.
De ello, emergen problemas que los estudiantes de ingeniería enfrentan respecto a esta
problemática: sustituye las clases prácticas por clases teóricas, la no asimilación y
comprensión de la teoría, el moroso desarrollo de habilidades cognitivas y conocimiento
empíricos que permitan al estudiante resolver problemas de nivel ingeniería, entre otros más.
Una alternativa para dar pauta a la solución de este problema es hacer uso de las tecnologías
de la información para desarrollar herramientas virtuales de medición, es decir, desarrollo de
aplicaciones que permitan emular instrumentos de medición, y que sean accesibles a los
estudiantes sin necesidad de hacer uso del equipo físico de laboratorio. De esta manera, se
busca fomentar el aprendizaje autodidacta de tal modo que los estudiantes puedan realizar
prácticas de una manera más rápida y eficaz así como reflexionar sobre los temas vistos en
clases.
1
JUSTIFICACIÓN
Con el fin de proporcionar herramientas necesarias a estudiantes de nivel ingeniería y
maestros para que contribuyan a la mejora continua en la enseñanza de los contenidos
temáticos de nivel superior y aminorar el déficit de conocimientos prácticos, surge la
necesidad de desarrollar un sistema que permita a los educandos de ingeniería acrecentar sus
habilidades y conocimientos durante su desarrollo profesional. Mediante esta alternativa, se
busca reforzar las literaturas teóricas mediante el uso de instrumentos virtuales de medición,
que permitan agilizar el desarrollo de prácticas sin perder la temática de la misma.
El objetivo de este trabajo de investigación, es brindar un Sistema de Adquisición de Datos
flexible que permita a aprendices de ingeniería, entender los principios básicos sobre
Motores de Corriente Directa (CD), a su vez, podrán observar el comportamiento del sistema
cuando este varié sus parámetros de operación, y les permitirá tomar lecturas instantáneas de
diferentes variables para una mejor compresión y futuro análisis en los sistemas de control
mediante técnicas más avanzadas.
2
OBJETIVO
Desarrollar un sistema de adquisición de datos para el monitoreo de señales eléctricas en un
Motor de Corriente Directa.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Diseñar la etapa de acondicionamiento de las señales provenientes de los sensores.

Diseñar una Interfaz Hombre-Máquina (HMI) en Labview para la adquisición de
datos en tiempo real.

Implementar la tarjeta de acondicionamiento en el módulo Lenze del Laboratorio de
Control para medir las señales eléctricas de un Motor de DC mediante el uso de una
Tarjeta Adquisición de Datos (DAQ) y la interfaz gráfica desarrollada en Labview.
3
CAPÍTULO 1
ESTADO DEL ARTE
1.1
PRIMERAS TARJETAS ADQUISICIÓN DE DATOS
En 1965 IBM produce computadoras especializadas en la adquisición de datos. Estos
incluyen el sistema IBM 1130 Adquisición de datos y su sucesor IBM 1800 Adquisición de
Datos y Control. Estos sistemas especializados costosos fueron superados en 1974 por el uso
general S-100 ordenadores y tarjetas de adquisición de datos (DAQ) producidas por
Tecmar/Scientific Solutions Inc. En 1981, IBM introdujo el IBM Personal Computer y
soluciones científicas introdujeron los primeros productos de adquisición de datos para PC.
1.2
EL SISTEMA IBM 1620
El sistema 1620 de la figura 1.1 fue anunciado por IBM en 1959 y se comercializó como un
equipo científico económico. Después de una producción de alrededor de dos mil máquinas,
fue retirada el 19 de noviembre de 1970. Versiones modificadas del 1620 fueron utilizados
como la CPU de la IBM 1710 y IBM 1720, Sistemas Industriales de Control de Procesos.
Figura. 1.1 IBM 1620.
Siendo la palabra de longitud decimal, en lugar de la longitud binaria, hizo que fuera
especialmente atractivo para aprender sobre computación y cientos de miles de estudiantes
tuvieron sus primeras experiencias con este equipo.
El ciclo del núcleo de memoria duraba 20 microsegundos para el Modelo I, 10 microsegundos
para el Modelo II (alrededor de 1000 veces más lenta que la memoria del ordenador típico
principal en 2006).
4
1.3
EL SISTEMA IBM 1130
El Sistema de Computación IBM 1130 de la figura 1.2 fue introducido en 1965. Era el equipo
menos caro de IBM y apuntaba al mercado de bajo costo de computación en el marco de
ingeniería y la educación. El IBM 1800 fue una variante de control de proceso del 1130 con
dos instrucciones agregadas (CMP y DCM) y capacidades de entrada/salida extra. Con la
instrucción CMP y DCM se comparaban registros que contenían bytes o palabras afectando
sólo a las banderas y no a los resultados.
Figura. 1.2 IBM 1130.
1.3.1 PROCESADOR Y MEMORIA
Usaban módulos electrónicos del System/360 llamados Tecnología de Estado Sólido (SLT,
por sus siglas en inglés) y tenían una arquitectura binaria de 16 bits, no muy diferente a
las minicomputadoras posteriores, como la PDP-11 o la Data General Nova. El espacio de
direccionamiento era de 15 bits, limitando la memoria del 1130 a 32 Kilo-palabras de 16 bits.
1.3.2 SOFTWARE DEL IBM 1130
El compilador Fortran del 1130 podía correr en una máquina con solo 4096 palabras de
memoria principal. Esto es 8 kilo-bytes, menos que el espacio mínimo de direccionamiento
de archivos del sistema de archivos de algunos PC. Para maximizar la velocidad y conservar
espacio, el sistema operativo y los compiladores estaban escritos enteramente en lenguaje
ensamblador, incluyendo la estrecha integración de códigos, datos y el código automodificable. Para permitir el uso de programas que eran muy grandes para caber en la
memoria principal, la implementación del lenguaje Fortran permitía que cualquier subrutina
sea designada como local, es decir, era cargada a la memoria al ser llamada.
5
1.3.3 CARACTERÍSTICAS DEL IBM 1130





1.4
Tenían unidad de disco IBM 2310, ésta leía los cartuchos de un sólo plato que
almacenaban 512 Kilo-palabras o 1 Mb. Los discos se usaban para almacenar el
sistema operativo, el código objeto y los datos.
Impresoras de líneas IBM 1132 e IBM 1403.
La lectora/perforadora de tarjetas IBM 1442.
La unidad de disco IBM 2311.
El monitor de gráficos IBM 2250.
EL SISTEMA IBM 1710
EL IBM 1710 de la figura 1.3 fue otro de los sistemas de control de procesos introducido
por IBM en Marzo de 1971. Anteriormente se utilizaron otros controladores más específicos
como los 1620 I y 1620 II y otros dispositivos específicos de E/S como conversores A/D(IBM
1711) y D/A(IBM 1712) construidos con componentes electrónicos discretos. El IBM
1710 tenía varias mejoras, la más destacada fue la adición de un mecanismo básico
de interrupción a nivel hardware.
Figura 1.3 IBM 1710.
1.5
EL SISTEMA IBM 1800
El Sistema de Control y Adquisición de Datos IBM 1800 de la figura 1.4 fue lanzado en
1982, y fue una variante de control de procesos del IBM 1130 con dos instrucciones extra
(CMP y DCM) y capacidades adicionales de E/S. A diferencia del 1130, el cual era una
unidad más del tipo de escritorio el 1800 estaba montado sobre racks los cuales eran más
altos que los bastidores utilizados por los sistemas S/360 de la misma época pero las puertas
internas y las fuentes de alimentación eran muy parecidos.
6
Figura. 1.4 IBM 1800.
1.5.1 CARACTERÍSTICAS DE LA IBM 1800
•
•
•
•
•
•
1.6
D/A Convertidor (Digital-Analógico).
A/D Convertidor (Analógico-Digital).
IBM 1810 Unidad de Disco.
IBM 1816 Impresora con Teclado (Impresora del Sistema).
IBM 1851 Multiplexor análogo de relés.
IBM 1854 Multiplexor análogo de estado sólido.
TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS (DAQ) PCI MULTIFUNCIÓN
La DAQ mostrada en la figura 1.5 fue lanzada por National Instruments en 1995. El bus de
Interconexión de Componentes Periféricos (PCI) es uno de los buses internos más comunes
usados hoy en día. Con ancho de banda compartido de 132 MB/s, PCI ofrece escritura de
datos de alta velocidad y transferencia de datos determinística para aplicaciones de control
de un solo punto con tarjetas de E/S multifunción hasta 10 Mb/s, hasta 80 canales y hasta 18
bits de resolución.
Figura. 1.5 Tarjeta de Adquisición de Datos PCI.
7
1.6.1 CARACTERÍSTICAS DE LAS DAQ PCI



1.7
Fácil de usar con una interfaz intuitiva de programación de aplicaciones al completar
un proyecto a tiempo y bajo presupuesto.
Estas DAQ se venden con el software controlador NI-DAQmx de hilos múltiples que
ofrece facilidad de uso, flexibilidad y alto rendimiento en múltiples plataformas de
programación,
Incluyen NI LabVIEW and LabWindows™/CVI, ANSI C/C++ y Microsoft Visual
Studio .NET. NI-DAQmx incluye gratis el software de registro de datos LabVIEW
SignalExpress LE.
NATIONAL INSTRUMENTS PXI
La DAQ de la figura 1.6 modelo PXI de National Instruments (1999) de la serie M es una
Tarjeta de Adquisición de Datos multifunción de bajo costo optimizada para aplicaciones
condicionadas por costos. Las tarjetas de bajo costo de la Serie M ofrecen características
avanzadas como el controlador de sistema NI-STC 2, el amplificador programable NI-PGIA
y la tecnología de calibración NI-MCal para mejorar el rendimiento y la precisión.
Figura 1.6. DAQ PXI.
Los dispositivos de la Serie M funcionan con diversos sistemas operativos usando tres
opciones de software incluyendo NI-DAQmx, NI-myDAQ Base y el Hardware de Medida
DDK.
Este tipo tarjetas también son compatibles con el software Simulink de Matlab, y mediante
librerías que se descargan del sitio Web de National Instruments en el área de soporte, es
posible encontrar diferentes herramientas que nos facilita la solución de problemas de
ingeniería.
8
1.7.1 CARACTERÍSTICAS DE LAS DAQ NATIONAL INSTRUMENTS PXI







1.8
ADC de 12 bits (500KS/s).
24 E/S digitales.
Contadores de 32 bits.
2 salidas analógicas de 16 bits (833MS/s).
Aislamiento de 60VDC continuos.
Trabajo con software Labview (NI-DAQmx y Measurement Studio7).
Visual Studio .NET.
TARJETA ADQUISICIÓN DE DATOS USB
El dispositivo USB-DAQ de la figura 1.7 de bajo costo de National Instruments, 2005
brindan funcionalidad básica para aplicaciones como registro de datos simple, medidas
portátiles y experimentos académicos de laboratorio. Son accesibles para uso de estudiantes,
pero lo suficientemente poderosos para aplicaciones de medida más sofisticadas.
Figura. 1.7 Tarjeta de Adquisición de Datos USB.
1.8.1 CARACTERÍSTICAS DE LAS DAQ USB







Cuentan con controladores para sistemas operativos Windows, Mac y Linux.
USB de alta velocidad.
Adquisición de señales con sensores y altos voltajes.
Entras y salidas digitales.
12, 14 y 20 bits y a 10 48 kb/s.
Convertidores analógicos digital (ADC) y digital analógico (DAC).
Módulo para medidores de frecuencia.
9
1.9
NI WIFI DAQ
Los dispositivos de medida inalámbricos (2008) como el mostrado en la figura 1.8 ofrecen
la misma calidad y precisión que los tradicionales sistemas de medida cableados pero con
mayor flexibilidad y menores costos. Los dispositivos inalámbricos pueden superar las
limitaciones de potencia e infraestructura, para ayudar a cubrir las necesidades de las
aplicaciones remotas cuando es imposible o no es viable implementar una solución cableada.
Figura 1.8. NI Wifi DAQ.
1.9.1 CARACTERÍSTICAS DEL NI DAQ WIFI






1.10
Conectividad Wifi 802.11.
ADC 16 bits de hasta 500KS/s.
Canales de salida analógica.
Puertos de E/S.
Contadores y temporizadores de 16 bits.
Aislamiento entre calanes de hasta 250VRMS.
NI COMPACT DAQ STAND ALONE
Los controladores CompactDAQ (2012) de la figura 1.9 ofrecen un registro y medidas para
sistemas embebidos de alto rendimiento con un procesador Intel Dual-Core integrado para
adquirir datos, ejecutar análisis en línea y realizar registro de datos autónomo.
Debido a su complejidad, estos tipos de sistemas están diseñados para automatizar procesos
industriales donde los márgenes de error en la medición deben ser muy reducidos, la
capacidad de memoria y procesamiento de los datos debe ser lo suficientemente ágil para
lograr procesos totalmente autónomos con precisión distinguible.
10
Figura 1.9. NI Compact DAQ.
Los módulos de E/S están disponibles para una variedad de medidas de sensores incluyendo
termopares, detectores de temperatura por resistencia, galgas extensiométricas y
transductores de carga y presión. Cada uno es intercambiable en vivo y auto detectable para
simplificar la instalación.
Con esta plataforma, se puede personalizar un sistema de medidas completo usando el
software de desarrollo de National Instruments y aprovechar las más de 700 empresas que
forman parte de la Red Alliance Partner para lograr una solución lista para usar y
personalizada para registro de datos.
Debido al diseño del chasis y a varios módulos de entrada simultánea, el rendimiento del
sistema NI CompactDAQ aumenta con la adición de la mayoría de los módulos. Para un
rendimiento exacto del sistema, se puede configurar el sistema deseado en el Configurador
de NI CompactDAQ. El configurador incluye cálculos de rendimiento integrado que toma en
cuenta el número de canales en uso.
1.10.1 CARACTERÍSTICAS DE NI COMPAQ DAQ







Procesamiento y acondicionamiento de señales.
Procesamiento multinúcleo Intel de hasta 1.33GHz.
2GB en RAM y almacenamiento SD desmontable.
Muestreo y multiplexado simultáneo.
ADC de 24 bits de hasta 1MS/s.
Puerto de E/S.
Puertos de salida digital.
11
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
2.1
DIAGRAMA A BLOQUES DEL SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS
En la figura 2.1 se ve el diagrama a bloques del sistema de adquisición de datos.
FUENTE DE
ALIMENTACÓN
CARGA A MONITOREAR
TARJETA DE
ACONDICIONAMIENTO
DE SEÑAL (TAS)
SENSORES
INTERFAZ DE USUARIO
(HMI)
Figura. 2.1 Diagrama a bloques del Sistema de Adquisición de Datos.
Éste consta de la fuente de alimentación la cual suministra energía a la Tarjeta de
Acondicionamiento de Señal (TAS), la carga a monitorear puede ser desde un simple circuito
eléctrico (circuito RLC) hasta circuitos más complejos con características más relevantes
como un Motor de Corriente Directa (CD). Los sensores son dispositivos semiconductores
que transforman una magnitud física a una magnitud eléctrica (por lo regular voltaje). La
TAS, es la encargada de acondicionar las señales para poder ser procesada por una Tarjeta
de Adquisición de Datos (DAQ). La Interfaz Hombre-Máquina (HMI) tiene la función de
desplegar de manera gráfica las señales eléctricas que están siendo monitoreadas.
2.2
FUENTES DE ALIMENTACIÓN
Es un equipo que convierte la Corriente Alterna (CA) en una o varias señales de Corriente
Directa (CD) y tiene la función de alimentar a los diferentes circuitos electrónicos de un
aparato eléctrico que estén conectados a él, como lo puede ser un ordenador, televisor,
impresora, etc., ejemplo de una fuente de alimentación se muestra en la figura 2.2.
Estas fuentes están constituidas por un elemento de aislamiento (transformador), rectificador,
filtro y regulador de voltaje, este último puede ser tan complejo dependiendo de la estabilidad
de potencia a la salida.
12
Figura. 2.2 Fuente de alimentación.
2.2.1 CLASIFICACIÓN DE LAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN
Las fuentes de alimentación pueden clasificarse básicamente como fuentes de alimentación
lineal y conmutada:


Las fuentes lineales tienen un diseño relativamente simple que puede llegar a ser más
complejo cuanto mayor es la corriente que deben suministrar, sin embargo su
regulación de tensión es poco eficiente.
Una fuente conmutada entrega la misma potencia que una lineal pero es más pequeña,
normalmente más eficiente, más compleja y por tanto más susceptible a averías.
2.2.2 FUENTES DE ALIMENTACIÓN LINEALES
La fuente de alimentación lineal se encarga de convertir la entrada de tensión alterna de la
red en una tensión continua y consta de varias etapas:




Transformación.
Rectificación.
Filtrado
Regulación.
En la figura 2.3 se aprecia el diagrama a bloques de la fuente de alimentación de tipo lineal.
Este tipo de fuentes disipan mucha energía en forma de calor cuando se trabajan con voltaje
de al menos 30% de su valor nominal.
13
Figura. 2.3 Diagrama a bloques de una fuente lineal.
Este consta de cuatro etapas para llevar a cabo la conversión de CA a CD:




Etapa de transformación: es un dispositivo que permite reducir la magnitud de CA en
una más pequeña mediante un transformador, además de reducir el nivel de CA
también proporciona una etapa de aislamiento hacia el usuario y los componentes
conectados a él. El tipo de transformador usado para estos fines es de tipo reductor
con derivación central.
Etapa de rectificación: es la encargada de convertir la CA en CD pulsante. Para llevar
a cabo este proceso se hace uso de diodos de silicio o de un puente de diodos capaces
de soportar la corriente de carga así como el voltaje inverso presente en la
rectificación.
Etapa de filtrado: es la parte encargada de convertir la señal pulsante en CD. Para
lograr esto se puede hacer uso de filtros RC, RL.
Etapa de regulación: en esta etapa se puede conseguir variar el nivel de CD propuesto
por el usuario. Se puede hacer uso de circuitos integrados como el LM7805 para
valores fijos o LM317 para valores variables; también es posible realizarlo con
amplificadores operacionales y transistores.
2.2.3 FUENTES DE ALIMENTACIÓN CONMUTADAS
La principal desventaja de las fuentes lineales es su eficiencia, para elevar la eficiencia lo
ideal es minimizar las perdidas en el elemento regulador. Las fuentes conmutadas lo que se
hace es utilizar un transistor en la zona de corte y saturación, de esta forma se tiene periodos
de tiempo en la que la corriente y la tensión son nulos.
Esto se logra convirtiendo la tensión de entrada en una señal cuadrada siendo el concepto
básico de las fuentes conmutadas como se ve en la figura 2.4.
14
Figura. 2.4 Principio básico de una fuente conmutada.
Existen distintas configuraciones con características muy peculiares:
Buck-step-down: esta configuración reduce el valor de tensión respecto a la tensión de
entrada. Esta configuración posee un filtro LC después del transistor de conmutación, cuyo
circuito simplificado es el que se muestra en la figura 2.5.
L
NPN
DC
PWM
DIODE
C
R
Figura. 2.5 Fuente Buck-Step-Dowm.
Boost-step-up: esta configuración aumenta el valor de tensión respecto a la tensión de
entrada. Utiliza los mismos componentes que la configuración anterior pero con los
componentes ordenados de otra manera como se ve en la figura 2.6.
L
DIODE
DC
PWM
NPN
Figura 2.6 Fuente Boost-Step-Up.
15
C
R
Buck-Boost-inverter: esta configuración toma la tensión de entrada y produce una tensión de
salida opuesta en polaridad la cual puede ser de una magnitud mayor o menor que la entrada
como se lo muestra la figura 2.7.
NPN
DIODE
PWM
DC
L
C
R
Figura. 2.7 Fuente Buck-Boost-Inverter.
Flyback: posee una configuración similar que el inverter pero su funcionamiento se basa en
dos o varios inductores acoplados, posee la ventaja de permitir obtener varias salidas de
tensión, esta configuración se ve en la figura 2.8.
DIODE
C
R
DC
PWM
NPN
Figura. 2.8 Configuración Flyback.
2.2.4 CONVERTIDORES DC-DC TRACO POWER
Se llama convertidor DC-DC a un dispositivo que transforma corriente continua de una
tensión a otra. Suelen ser reguladores de conmutación, dando a su salida una tensión
regulada y la mayoría de las veces con limitación de corriente. Se tiende a utilizar frecuencias
de conmutación cada vez más elevadas porque permiten reducir la capacidad de
los condensadores, con el consiguiente beneficio de volumen, peso y precio.
Los convertidores DC-DC de la figura 2.9 simplifican la alimentación de un sistema, porque
permiten generar las tensiones donde se necesitan, reduciendo la cantidad de líneas de
potencia. Además permiten un mejor manejo de la potencia, control de tensiones de entrada,
disminución de armónicas y un aumento en la seguridad.
16
Estos convertidores de la serie TEL, TEM y THL contienen módulos de convertidores DC /
DC con los paquetes estándar de la industria y los pin-outs, disponibles en el rango de
potencia de 2W a 30W. Algunas de las aplicaciones para estos módulos son:




Sistemas de instrumentación.
Sistemas de Adquisición de Datos.
Sistemas de Control Automático.
Sistemas biomédicos de alta confiabilidad.
Figura. 2.9 Convertidor DC-DC Traco Power.
2.2.5 CARACTERÍSTICAS DE LOS CONVERTIDORES TRACO POWER
Las características principales de este tipo de convertidores son:





Encapsulado con 16 pines.
Salida regulada.
Aislamiento de 1500V.
Protección contra cortocircuito.
Rango de operación de -40 hasta +75oC
Este tipo de convertidores los hay desde diferentes rangos de potencia (2W hasta 30W) lo
que permite ser muy versátiles para muchas aplicaciones en donde se requiera alimentar a
diferentes circuitos electrónicos de los sistemas. Los valores típicos de voltaje de salida son:
4.5V-9V, 9V-18V, 10V-30V, 18V-36V y 36V-75V.
17
2.3
SENSORES ELECTRÓNICOS
Un sensor o captador es un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud
del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que sean capaces de
cuantificar y manipular las magnitudes físicas. Normalmente estos dispositivos son
realizados mediante componentes pasivos.
Los sensores más comunes en el mercado son:






Sensores de posición.
Captadores fotoeléctricos.
Sensores de contacto.
Ultrasónicos
Temperatura.
Fuerza.
2.3.1 SENSOR DE CORRIENTE DE EFECTO HALL
Se conoce como efecto Hall, a la presencia de voltaje en los extremos de un conductor por el
cual circula una corriente en su interior, y en presencia de un campo magnético perpendicular
al movimiento de las cargas da como resultado un campo eléctrico por separación de cargas
que también es perpendicular al movimiento de las mismas y al campo magnético aplicado.
En la figura 2.10 se muestra el efecto Hall.
Figura. 2.10 Efecto Hall.
Si fluye corriente por un sensor Hall y se aproxima a un campo magnético que fluye en
dirección vertical al sensor, entonces el sensor crea un voltaje saliente proporcional al
producto de la fuerza del campo magnético y de la corriente.
18
Este dispositivo tiene la finalidad de convertir la corriente eléctrica que pasa a través de un
circuito en una señal de voltaje del orden de milivolts hasta el orden de los volts y su magnitud
depende de la resolución del sensor.
2.3.2 DIVISOR DE TENSIÓN
Suele ser frecuente en Sistemas de Adquisición de Datos que la fuente a medir tenga una
tensión superior al permitido por el dispositivo de medida, en ese caso, y si no queremos que
el dispositivo se estropee o se vea limitado en horas de funcionamiento, hay que aplicar una
tensión inferior al mismo. Como tenemos el impedimento de no poder reducir la tensión de
alimentación del circuito, tenemos que recurrir a los divisores de tensión.
Básicamente, un divisor de tensión resistivo no es más que un par de resistencias puestas en
serie, de forma que la primera provoca una caída de tensión y por lo tanto, la tensión de salida
se verá reducida en Vs como se ve en la figura 2.11.
𝑽𝒔 =
𝑉𝑒
∗ 𝑅2
𝑅1 + 𝑅2
Figura 2.11. Divisor de voltaje.
2.3.3 SERVO DRIVE LENZE 9300
Con el Servo Drive Lenze de la figura 2.12 por primera vez en la historia de la técnica de
accionamiento, no sólo se ha acercado la técnica de accionamiento a la técnica de control, si
no que se ha integrado la técnica de PLC en el convertidor y todo ello sin necesidad de
hardware adicional.
19
Figura 2.12. Servodrive Lenze 9300.
Además del control del accionamiento, es posible cargar y ejecutar programas de PLC porque
su funcionalidad ha sido implementada en el sistema operativo del 9300 Servo- Lenze, sobre
la base del estándar de programación PLC IEC1131-3 y se tendrá la posibilidad de programar
el convertidor. Con el correspondiente paquete de programas Drive PLC Developer Studio
se dispone de un sistema para el desarrollo del PLC muy confortable. El Servo Drive Lenze
está equipado con:



Amplias funciones de monitorización.
Visualización de la puesta en marcha.
Medir parámetros como torque y velocidad de un Servomotor.
Como sensores de velocidad y posición se puede elegir entre:




2.4
Resolver: utilizado para la medición de grados de rotación.
Encoder incremental: transforma el movimiento rotativo en impulsos digitales
(proporciona dos formas de onda).
Encoder seno-coseno: utiliza señales seno y coseno para determinar el ángulo de
rotación.
Encoder absoluto: solo mide la posición respecto a una referencia (inicio).
TARJETA DE ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL (TAS)
Difícilmente un diseñador conecta un transductor directamente y la parte de procesamiento
o de despliegue de un sistema, ya que la señal eléctrica que genera el transductor por lo
general es muy débil o contiene ruido y componentes que no se necesitan, por eso se realizan
etapas de acondicionamiento de señales, en la figura 2.13 se muestra el diagrama básico de
un sistema de adquisición de datos.
20
Figura. 2.13 Diagrama general de un Sistema de Adquisición de Datos.
El transductor es el elemento que convierte una magnitud física en señales eléctricas de poca
intensidad, estos pueden ser sensores de corriente, voltaje, presión, temperatura, etc., el
circuito de acondicionamiento tiene como objetivo eliminar ruidos, amplificar señales
eléctricas y proporcionar una etapa de protección a nuestro dispositivo de adquisición de
datos, por último, el procesamiento de estas señales se puede llevar acabo con Tarjetas de
Adquisición de Datos, DSP, microcontroladores, entre otros.
2.4.1 CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL (TAS)
En la figura 2.14 se muestra el diagrama a bloques de la etapa de acondicionamiento de señal.
Esta etapa cuenta con un amplificador de aislamiento, multiplexor analógico, filtro pasabajas, amplificador de instrumentación, amplificador de ganancia programable, circuito de
muestreo y retención así como el convertidor analógico digital.
Figura. 2.14 Diagrama de la TAS.
2.4.2 MULTIPLEXOR ANALÓGICO
En la figura 2.15 se muestra la estructura de un multiplexor analógico. Los multiplexores
son circuitos que permiten compartir un conversor A/D entre varios canales analógicos, dado
que el conversor A/D es en la mayoría de los casos el componente más caro del sistema de
adquisición de datos.
21
La opción de multiplexar las entradas analógicas al conversor es una de las soluciones más
económicas. Un circuito retenedor mantiene el nivel analógico durante el tiempo que dura la
conversión y puede ser único, ubicado a la salida del multiplexor.
Debido a que cada vía tiene una resistencia pequeña pero no despreciable es conveniente que
la salida del multiplexor opere sobre una impedancia grande. Esta impedancia debe ser
suficientemente grande comparada con la de la llave de manera que la señal sea trasmitida
con la mayor precisión posible.
Figura. 2.15 Diagrama del multiplexor.
Un multiplexor analógico consiste de un arreglo de llaves electrónicas conectadas en paralelo
con una línea de salida común. Las llaves se activan una por vez. El circuito incluye un
decodificador que activa la llave de acuerdo a la palabra binaria presente en sus entradas. Las
configuraciones más comunes son de 4, 8, y 16 canales conectados como entradas simples
(referidas a tierra) o dobles (diferenciales).
Las características de los multiplexores analógicos son:





El tiempo de estabilización.
La exactitud de transferencia, consiste en el error de entrada a salida como porcentaje
de la entrada.
La velocidad de conmutación, consiste en la velocidad máxima a la que el multiplexor
puede conmutar de canal a canal a su exactitud de transferencia especificada (la
velocidad de conmutación se determina por el tiempo de estabilización).
El cruce, es el tanto por ciento de señal transferida desde un canal desconectado.
El rango de voltaje, la diferencia entre los valores máximo y mínimo de voltaje que
el multiplexor puede aceptar a su entrada.
22
2.4.3 AMPLIFICADOR DE AISLAMIENTO
El aislamiento consiste en la separación de partes funcionales de un circuito eléctrico para
prevenir el traspaso de portadores de carga. Este tipo de aislamiento se usa cuando se desea
que se transmitan señales entre las distintas partes funcionales, pero las masas tienen que
mantenerse separadas. Este aislamiento entre las masas o tierra se hace por motivos de
seguridad.
Existen diferentes tipos de aislamiento eléctrico:



Aislamiento por amplificador: compuesto por un amplificador de entrada, algún tipo
de modulador, una barrera de aislamiento, un demodulador y un amplificador a la
salida. Algunos esquemas de modulación incluyen amplitud, voltaje a frecuencia,
duración del ciclo, ancho de pulso, etc.
Aislamiento óptico: son capaces de modular una señal luminosa partiendo de una
señal eléctrica para luego convertirla otra vez en señal eléctrica. De esta forma,
establecen un aislamiento galvánico entre los circuitos de entrada y salida. La señal
de entrada es aplicada al fotoemisor (LED) y la salida se toma del fotoreceptor
(fotodiodo, fototransistor). En el optoacoplador de la imagen, la unión base-colector
se comporta como un fotodiodo.
Aislamiento inductivo: aísla la entrada de energía de la salida, independizando
completamente el suministro eléctrico externo del interno a través de una malla
electroestática. El traspaso de energía es vía inducción (a diferencia de un
transformador normal esta inducción se hace a través de una malla electroestática.
En la figura 2.16 se muestra el diagrama eléctrico de un amplificador de aislamiento.
Figura. 2.16 Amplificador de aislamiento.
23
2.4.4 FILTROS ANALÓGICOS
Un filtro analógico es un circuito que discrimina una determinada frecuencia o gama de
frecuencias de una señal eléctrica que pasa a través de él, pudiendo modificar tanto su
amplitud como su fase. Este filtro cumple dos funciones básicas: reduce el ruido producido
por interferencia eléctrica y/o electrónica y limita el ancho de banda de la señal analógica a
menos de la mitad de la frecuencia de muestreo. En este último caso el filtro suele llamarse
de pre-muestreo o anti-aliasing.
Los filtros analógicos se caracterizan por sus elementos que lo componen:


Pasivos: son armados con capacitores e inductores.
Activos: son los que pueden presentar ganancia en toda o parte de la señal de salida
respecto a la de entrada. En su implementación suelen aparecer amplificadores
operacionales. No suelen contener bobinas, salvo en el caso de frecuencias muy altas.
La respuesta de un filtro analógico se ve en la figura 2.17.
Figura. 2.17 Respuesta de un filtro pasa-baja.
Consta de una banda de paso donde la señal aun no es atenuada pero presenta variaciones en
la amplitud, una banda de transición donde la señal empieza a ser atenuada y una banda de
paro donde la amplitud de la señal es casi nula. Los tipos de filtros analógicos son los
siguientes:




Filtro pasa-baja: permite el paso de frecuencias bajas.
Filtro pasa-banda: permite el paso de un ancho de banda.
Filtro pasa-alta: permite el paso de frecuencias altas.
Filtro rechaza-banda: discrimina cierto ancho de banda.
24
Atendiendo al método de diseño se encuentran los siguientes tipos de filtros:



Filtro Butterworth: es diseñado para producir una respuesta plana antes de la
frecuencia de corte.
Filtro Chebyshev: estos filtros tienen únicamente polos y tienen rizos en las
frecuencias antes de la frecuencia de corte.
Filtro Bessel: están diseñados para tener una fase lineal en las bandas pasantes por lo
que no distorsionan las señales.
Los filtros digitales son otro tipo de filtros que opera sobre señales discretas implementado
con tecnología digital bien como un circuito digital o un programa informático. Estos son
caracterizados a su respuesta ante entrada unitaria:


FIR (respuesta al impulso finito).
IIR (respuesta al impulso infinito).
En este tipo de filtros también pueden ser del tipo pasa-bajas, pasa-banda, rechaza-banda y
pasa-alta.
2.4.5 AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN
El amplificador electrónico de la figura 2.18 incrementa la intensidad de corriente,
la tensión o la potencia de la señal que se le aplica a su entrada obteniéndose la
señal aumentada a la salida. Para amplificar la potencia es necesario obtener la energía de
una fuente de alimentación externa. En este sentido, se puede considerar al amplificador
como un modulador de la salida de la fuente de alimentación.
Figura. 2.18 Amplificador electrónico.
25
Los transistores suponen la base de la electrónica moderna, con ellos se diseñan circuitos más
complejos, como los amplificadores operacionales que a su vez se usan en otros como
los amplificadores de instrumentación.
Existen diferentes clases de amplificadores:




Clase A: es un amplificador de potencia en donde circulan todos los periodos de la
señal. La desventaja es que consumen corrientes continuas independientemente de la
entrada.
Clase B: en este tipo de amplificadores sólo circula la mitad de un semiciclo de una
señal.
Clase AB: en este tipo de amplificadores la salida de corriente circulas más por un
semiperiodo que por el otro.
Clase C: la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada
poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante menos de un
semiperiodo de la señal de entrada.
Los componentes básicos para construir amplificadores electrónicos son los transistores
aunque en la actualidad se construyen con amplificadores operacionales que mejoran la
amplificación y estabilidad de los mismos, estos pueden ser del tipo inversor y no inversor.
Otro tipo de amplificadores son los de instrumentación, estos tienen la ventaja de trabajar
con señales pequeñas, un alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida. Estos
ayudan a no distorsionar la señal amplificada que por lo general son del orden de los
milivolts. En la figura 2.19 se muestra el circuito de este tipo de amplificador.
𝑽𝒐𝒖𝒕 = (𝑣2 − 𝑣1) ∗ (1 +
2𝑅1
)
𝑅𝑔𝑎𝑖𝑛
Figura 2.19. Amplificador de instrumentación.
El uso de este amplificador en las TAS tendrá como objetivo amplificar las señales eléctricas
cuando estas sean muy bajas con el fin de mostrar una mejor visualización gráfica en la HMI.
26
2.4.6 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS
Los Sistemas de Adquisición de Datos tienen como objetivo recabar información de señales
físicas a través de sensores y desplegarlos en una interfaz gráfica. Un Sistema de Adquisición
de Datos consiste de sensores, hardware de medidas y una computadora con un software
programable. Comparados con los sistemas de medidas tradicionales, estos aprovechan la
potencia del procesamiento, la productividad, la visualización y las habilidades de
conectividad de las computadoras proporcionando una solución de medidas más potente,
flexible y rentable.
En la figura 2.20 se muestra los bloques necesarios para realizar la adquisición de datos.
Figura 2.20. Partes de un sistema de Adquisición de Datos.
El dispositivo de adquisición de datos que se usará para cumplir con los objetivos
establecidos será las DAQ Keithley 3102. Ésta posee varias características importantes como
son: Timer, DAC, ADC, Medidor de frecuencia, hasta 16 líneas de entrada y salida, ganancias
programables, entre otras más.
Las características principales de la DAQ Keithley 3102 son:







Compatibilidad Plug-and-Play.
Conexión por USB 2.0.
Convertidores A/D y D/A de 12 bits de resolución.
Ganancias programables.
Hasta 17 líneas de entradas y salidas.
Barrera de aislamiento de 500V.
Trabaja en plataformas Windows XP, 7 y 8.
.
27
2.4.7 INTERFAZ HOMBRE-MÁQUINA (HMI)
La interacción del hombre con las maquinas a través de los medios computacionales ha tenido
un papel muy importante hoy en día y es la que permite que el usuario u operador del sistema
de control interactúe con los procesos.
La cantidad de información manipulada en los procesos es algo grande, ya que dependiendo
de las variables físicas medidas se puede conocer de manera más clara el comportamiento
del proceso monitoreado. En la figura 2.21 se muestra un ejemplo de una HMI.
Figura 2.21. Ejemplo de una HMI.
Una adecuada interfaz hombre máquina, busca en primer lugar, obtener el estado del proceso
de un vistazo. Los objetivos que se pretende con estos sistemas de medición y control son los
siguientes:




Asegurar que el observador comprenda la situación representada.
Crear condiciones para la toma de decisiones.
Garantizar la confiabilidad al máximo.
Cambiar con facilidad los niveles de actividades del operador.
Los elementos esenciales en la HMI son:



Indicadores de estado del proceso: para ello se utilizan terminales de video,
impresoras, registradores, diodos LED, entre otros.
Tratamiento e indicación de las situaciones de alarmas: buscan informar al operador
de un sistema anormal.
Ejecución de acciones de mando: estas se pueden realizar por técnicas convencionales
(pulsadores, interruptores, potenciómetros, etc.), o mediante teclado, lápiz óptico,
pantallas táctiles, etc.
28
Hay diferentes formas de presentar la información para una mejor comprensión del estado de
un proceso. En sistemas de supervisión de varias variables es importante que el diseño se
realice adecuadamente para lograr una buena presentación de la información. Los elementos
que pueden utilizarse son:




Símbolos: para la identificación de objetos, acciones, entre otros más; con el fin de
facilitar la memorización y con ello elevar la eficacia del proceso.
Cifras: para representar información exacta.
Los colores: útil para representar alarmas y llamadas de atención.
El brillo: se utiliza para determinar el estado del proceso.
La HMI que se desarrollará para el presente proyecto se diseñara en el programa Labview,
ya que presenta muchas facilidades de comunicación con hardware (DAQ, dispositivos de
comunicación serial, dispositivos inalámbricos, etc.) para desarrollar diferentes tareas
mediante una programación en lenguaje G (programación gráfica).
También contará con controles de acción, visualizadores, medidores, entre muchas
herramientas más para presentar los datos de una manera más clara e intuitiva.
Labview brinda la flexibilidad de un potente lenguaje de programación sin la complejidad de
los entornos de desarrollo tradicionales:





Funcionalidad completa.
Capacidades de E/S Integradas.
Perfecta integración con hardware.
Plataforma abierta para el aprendizaje.
Ejecución de programas en paralelo.
29
CAPÍTULO 3
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LA TAS
3.1
DIAGRAMA DE FLUJO DEL FUNCIONAMIENTO GENERAL DEL
PROYECTO
La figura 3.1 da a conocer el funcionamiento general del Sistema de Adquisición de Datos
mediante un diagrama de flujo. Como primera instancia, se realiza la conexión del Motor de
CD (serie o paralelo) manualmente, se asegura que la TAS está alimentada y se pone en
funcionamiento la HMI en Labview seguidamente del Servodrive Lenze. En ese momento el
sistema de adquisición está listo para recabar datos de forma continua.
Mediante los indicadores en Labview se puede visualizar los diferentes parámetros eléctricos
del sistema electromecánico, como lo es, corriente de armadura, corriente de campo,
velocidad y torque; mediante los circuitos de acondicionamiento incorporados en el
Servodrive así como los previamente diseñados y conectado sobre el sistema en cuestión. En
la interfaz de usuario, se puede cambiar los parámetros de funcionamiento del Motor de CD
mediante la ejecución de condiciones previamente programadas.
Las variables E0 y E1 son puertos configurados como entradas en el Servodrive cuya función
es incrementar o disminuir la velocidad del Motor, las variables A0 y A1 también están
configurados como puertos de entrada, y estos sirven para aumentar o disminuir el torque
aplicado sobre el eje del mismo.
Dependiendo del estado de estas condiciones el usuario podrá notar cambios inmediatos en
el funcionamiento del sistema, los cambios que se realicen permanecen constantes hasta el
cumplimiento de una nueva condición. Para llevar a cabo estas funciones, es necesario
mandar señales de control de 5VCD a los puertos E0, E1, A0 o A1.
Si se requiere hacer otro tipo de conexión se debe de apagar el equipo Servodrive y realizar
los ajustes necesarios. Los mismos controles, indicadores y ajustes en la HMI están
disponibles para ambas configuraciones.
30
INICIO
Realizar las
conexiones del
Motor.
Alimentar la TAS y
energizar el
Servodrive.
No
HMI
Activada
Si
Si
FIN
A0=1
Aumentar torque
No
Si
A1=1
Disminuir torque
No
Si
E0=1
Aumentar
velocidad
No
Si
E1=1
Disminuir
velocidad
No
Mostrar datos en
indicadores de
Labview y
actualizar
parámetros del
Motor.
Figura 3.1. Diagrama de flujo de funcionamiento del proyecto de adquisición de datos.
31
3.2
DIAGRAMA A BLOQUES DEL SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS
La figura 3.2 muestra el diagrama a bloques de la estructura del Sistema de Adquisición de
Datos para monitorear las características de funcionamiento del Motor de CD.
Sensores de
Corriente y
Voltaje.
Tarjeta de
Acondicionamiento
de Señal (TAS).
Tarjeta de
Adquisición de
Datos Keithley.
Convertidores CDCD.
Interfaz Hombre
Máquina (HMI).
Resistencia para ajustar la corriente
de armadura del Motor.
Resistencia para ajustar
la corriente de campo
del Motor.
Fuente de
alimentación CACD.
Módulo para el control de motores Lenze.
Motor de Corriente Directa (CD).
Figura 3.2. Estructura del Sistema de Adquisición de Datos.
Mediante el sensor de efecto Hall y divisores de tensión, así como la conexión de una
resistencia en serie con el devanado de campo, se implementaron para medir la corriente de
armadura, voltaje de armadura y corriente de campo del Motor de DC respectivamente. La
TAS es la etapa dedicada de acondicionar las señales provenientes de los sensores.
El multiplexor, el circuito de aislamiento, el filtro pasa-bajas, el amplificador, el circuito de
muestreo y retención, son los dispositivos que conforma la tarjeta de acondicionamiento de
señal. El uso de la DAQ Keithley facilita la comunicación entre la TAS y la computadora, la
conversión Analógico-Digital mediante el módulo ADC permite realizar la medición de las
variables físicas del Motor para su visualización en la HMI.
Los convertidores de Corriente Directa a Corriente Directa (DC-DC) alimentan a los
dispositivos electrónicos de la TAS así como a los sensores de voltaje y corriente. Los
convertidores de Corriente Alterna a Corriente Directa (CA-CD) alimentan a los
convertidores Tracopower, por último el módulo para el control de motores Lenze provee los
sensores para medir la velocidad y torque aplicado al Motor.
32
3.3
FUENTE DE ALIMENTACIÓN
Esta etapa lleva acabo la conversión de CA-CD mediante la implementación de una fuente
lineal. Aunque existen convertidores integrados, éstos suelen ser muy costosos como los del
fabricante Tracopower y Micropower Direct. La potencia a la cual se diseñó este convertidor
fue de acuerdo a la demanda de potencia de todos los circuitos a alimentar. Debido a las
características de corriente que consumen esos dispositivos electrónicos se optó por diseñar
una fuente lineal. En la figura 3.3 se ven las etapas que conforman una fuente lineal.
Toma de
corriente
alterna.
Transformador.
Circuito
Rectificador.
Filtro
analógico.
Regulador a
12V.
Figura 3.3. Diagrama de la fuente de alimentación.
El voltaje de salida es de 12V, esta referencia es proporcionada por el diodo Zener de 5.1V
que es conectado a un amplificador operacional en configuración no inversor. Para llevar
este voltaje al valor deseado se agregó un transistor de potencia NPN en configuración
emisor común con el objetivo de proporcionar corriente a las diferentes etapas de la TAS,
un filtro RC fue utilizado para disminuir el rizo de salida. En la figura A.1 del anexo A, se
muestra el diagrama esquemático de la fuente lineal.
El voltaje de salida de la fuente está dado por:
𝑉𝑠𝑎𝑙 = (1 +
𝑅2 + 𝑅𝑉1
) ∗ 𝑉𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟 − 0.7 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (3.1)
𝑅3
El valor de RV se debe de ajustar para obtener un valor de 12V:
𝑅𝑉 = 𝑅3 ∗ (𝑉𝑠𝑎𝑙 + 0.7 − 𝑉𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟) − 𝑅2
𝑅𝑉 = 3.3𝑘Ω ∗ (12𝑉 + 0.7 − 5.1𝑉) − 3.3𝐾 = 21.78𝐾Ω
Este valor es ajustado con un potenciómetro de 50kΩ. El valor de capacitor viene dado por
la siguiente ecuación:
𝐶1 =
5∗𝐼
5 ∗ 1𝐴
=
= 2976𝜇𝐹 … … … … … … … … … … … … … … … … . . (3.2)
𝑓𝑖𝑛 ∗ 𝑉𝑚𝑎𝑥 120𝐻𝑧 ∗ 14𝑉
Con el objetivo de minimizar el rizo y aproximarlo a valores comerciales se colocó un
capacitor de 4700µF. El capacitor para el filtro de salida puede ser 100 veces más pequeño
que el valor del capacitor del filtro de entrada, es decir:
𝐶2 =
2976𝜇𝐹
= 29𝜇𝐹 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (3.3)
100
33
Este valor se obtuvo con dos capacitores de 16uF/25V. El voltaje de salida puede ser regulado
al variar RV1 con el fin de mantener un valor de salida más cercano a 12V. Se utilizó un
transformador con relación 10:1, 127V/1A, el puente de diodos se implementó con un
circuito integrado a 1A y soporta 200V de voltaje inverso, se utilizaron capacitores
electrolíticos de 4700µF para el primer filtro y dos de 16µF para el segundo filtro.
El transistor TIP127 NPN es capaz de soportar hasta 15A con un voltaje colector emisor
(VCE) de 200V. Se colocó una resistencia de 5KΩ con el objetivo de descargar la fuente
cuando ésta no esté en operación.
3.4
SENSORES DE CORRIENTE Y VOLTAJE
Para medir la corriente de armadura del Motor de DC se utilizó el sensor ACS714. Este es
un sensor de corriente lineal, cuyo principio de funcionamiento se basa en el efecto Hall. Las
características eléctricas de este sensor se enlistan en la tabla 3.1. La figura A.2 del anexo A
muestra el circuito esquemático para acondicionar la señal proveniente de este sensor.
Tabla 3.1. Características del sensor ACS714.
Voltaje de alimentación.
Resistencia de salida.
Resolución.
Voltaje de Offset.
Rango de corriente.
Máximo voltaje de carga.
4.4V-5.5V.
1.2 mΩ.
66mV/A.
2.5V con error de +/-1.5%.
-30A - +30A.
2.1kv [RMS].
El circuito de la figura A.2 del anexo A es un sumador no inversor diseñado con el
amplificador operacional U741 para eliminar el voltaje de offset. El máximo rango de voltaje
de salida que ofrece este sensor es de -1.98V hasta 1.98V, para el máximo rango de corriente
que es capaz de soportar.
El voltaje en la armadura del Motor se mide con un divisor de tensión elaborado con dos
resistencias de potencia. El máximo voltaje presente en la armadura del Motor de CD es de
200VDC, para una salida de voltaje máxima de 3.75V en el divisor de tensión, el valor de la
resistencia se calculó con la siguiente ecuación:
𝑅1 = (
𝑉𝑚á𝑥
− 1) ∗ 𝑅2 … … … … . … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (3.4)
𝑉𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟
Donde:
Vmáx = voltaje de armadura máximo en el Motor de DC (180VDC).
Vsensor = voltaje de salida deseado para el máximo voltaje de armadura (3.75VDC).
R1 y R2 = valor en ohm (Ω) de la resistencias del divisor de tensión.
R2=100Ω/2W
34
𝑅1 = (
180𝑉𝑑𝑐
− 1) ∗ 100Ω = 4.7KΩ/5W
3.75𝑉𝑑𝑐
Los sensores para medir la velocidad y el torque del Motor de DC son proporcionados por el
Servo Drive Lenze cuyos valores de salida son de 0.1V/1000rpm para el sensor de velocidad
y 0.2V/N.m para el sensor de Torque. En la figura A.3 del anexo A muestra el circuito
utilizado para acondicionar la señal de estos sensores. Mediante un amplificador inversor, se
amplifica el voltaje de salida del sensor a un rango de 4.95V con el fin de aumentar la relación
señal a ruido. Esta misma configuración fue utilizada para medir el voltaje en la armadura y
corriente de campo añadiéndole las resistencias de potencia calculadas por la ecuación 3.4
como se observa en las figuras A.4 y A.5 del anexo A respectivamente.
3.5
CONFIGURACIONES PARA EL ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL
Hay diferentes configuraciones para el acondicionamiento de señales. Cada una de éstas
presenta ventajas y desventajas dependiendo del tipo de señales que se quiere digitalizar. A
continuación se muestran cuatro configuraciones básicas que se pueden emplear para el
acondicionamiento de señales. En la figura 3.4 muestra un Sistema de Adquisición de Datos
(DAS), que consta solamente de un Convertidor Analógico Digital (ADC).
V1
(t)
ADC
Vs
(t)
Figura 3.4. DAS con un ADC.
La tabla 3.2 se enlistan las ventajas y desventajas de esta configuración.
Tabla 3.2. Ventajas y desventajas con solo usar el ADC.
Ventajas



Desventajas
Utiliza pocos circuitos para operar.
Necesita solo una fuente de disparo
para la conversión.
La frecuencia de muestreo (fs) es alta
ya que viene determinada por el
tiempo de conversión del ADC.



La variación de la señal de entrada
está limitada a 1/2LSB.
La frecuencia de entrada (fin) es muy
limitada.
Solo puede digitalizar una señal.
Esta configuración no es muy adecuada ya que está muy limitada en relación a las señales
que pueden digitalizar así como la frecuencia de la misma. El esquema de la figura 3.5 usa
un circuito S&H, éste presenta mejoras en cuando a la configuración anterior.
35
V1
(t)
ADC
S&H
Vs
(t)
Control
Figura 3.5. DAS compuesto con un circuito S&H y un ADC.
Las ventajas y desventajas de este circuito se enlistan en la tabla 3.3.
Tabla 3.3. Ventajas y desventajas usando ADC y S&H.
Ventajas



Desventajas
Pueden digitalizarse señales con
frecuencia de entrada de casi la
mitad de la frecuencia de muestreo.
Mantiene un valor analógico fijo para
la conversión.
Almacena la información a digitalizar
en un capacitor de bajas pérdidas.



Disminuye la frecuencia de muestreo
(fs) debido al tiempo de adquisición
(tacq) del circuito S&H.
Incertidumbre en el muestreo
periódico (efecto Jitter).
La frecuencia de la señal de entrada
queda limitada por la pérdida de
voltaje en el modo Hold (Droop
Rate).
El DAS de la figura 3.6 permite muestrear varios canales analógicos.
V1
(t)
S&H
ADC
Vs1
(t)
ADC
Vs1
(t)
Control
V2
(t)
S&H
Control
Figura 3.6. DAS para digitalizar múltiples canales.
36
Las ventajas y desventajas de este esquema se detallan en la tabla 3.4.
Tabla 3.4. Ventajas y desventajas usando ADC y S&H para cada canal.
Ventajas



Desventajas
Digitalizar múltiples canales.
Elevada frecuencia de muestreo (Fs).
Permite muestrear varias señales en
el mismo instante de tiempo.




Muy costo al usar varios ADC.
Necesita de varias señales de control.
Varios buses de datos.
Sincronización para el muestreo de
varias señales en el mismo instante
de tiempo.
La configuración de la figura 3.7 muestra un DAS que permite digitalizar múltiples canales.
V1
(t)
V2
(t)
V3
(t)
V4
(t)
MUX
ADC
S&H
PGA
V2
(t)
Vs1
(t)
Control
Cdfdff
Figura 3.7. DAS para digitalizar múltiples canales mediante el uso de un MUX.
En la tabla 3.5 de enlistan sus ventajas y desventajas, comparándolo con las demás
configuración esta configuración es la más adecuada para cubrir con los objetivos del
proyecto.
Tabla 3.5. Ventajas y desventajas usando MUX, S&H y ADC.
Ventajas




Desventajas
Hace uso de pocos circuitos.
Varios canales a digitalizar.
Reduce la inserción de ruido al
reducir el número de buses.
Adquisición de datos de manera
secuencial.
37



Disminuye la frecuencia de muestreo
(Fs) debido a los tiempos de
establecimiento de los circuitos S&H,
PGA y MUX.
Necesita de una sincronización para
funcionar.
Solo permite una adquisición
secuencial.
3.6
DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA TARJETA DE ACONDICIONAMIENTO
DE SEÑAL (TAS)
El diagrama de bloques de la figura 3.8 se observan los diferentes dispositivos electrónicos
que se usaron en la TAS.
Señales
analógicas
de entrada.
Señales
Analógicas
procesadas.
Multiplexor
Analógico.
Circuito de
Aislamiento.
Contador de 3 bits
Síncrono.
Oscilador de Baja
Frecuencia o
fuente controlada
por software.
ADC DAQ
Keithley 3102
KUSB
Circuito de
Muestreo y
Retención
(sample and
hold).
Filtro Antialiasing.
Amplificador de
Instrumentación y
Ganancia
Programable.
Oscilador de Alta Frecuencia.
Figura 3.8. Estructura de la TAS.
Este diagrama fue obtenido de la estructura del DAS mostrado en la figura 3.7. Se han
añadido otros dispositivos electrónicos que permitieron el correcto funcionamiento de la
TAS. A continuación detallaremos cada uno de estos dispositivos electrónicos.
3.6.1 MULTIPLEXOR ANALÓGICO
Antes de llevar a cabo la conversión Analógico-Digital, cada señal a medir debe de llevar
una etapa de acondicionamiento. Debido a que las dinámicas que presentan los parámetros a
medir en el Motor de CD son lentas, es posible usar una sola etapa de acondicionamiento de
señal para las cinco señales que se van a medir.
En la tabla B.1 del anexo B se ven las características principales de los multiplexores a
considerar. De acuerdo a las características presentadas en esta Tabla el multiplexor que se
utilizó fue el ADG1607. Los tiempos de TON y TOFF son muy pequeños comparados con los
otros dos, la capacidad de trabajar con voltajes bipolares lo hace ideal al momento de medir
señales de CA, además presenta una resistencia muy baja en el estado de encendido.
38
Aunque el ADG5207 también presenta esta característica, el mínimo voltaje de alimentación
bipolar es de +/-9V y para nuestro propósito se utilizarán convertidores CD-CD de +/-5VDC.
Otro punto importante por el cual se seleccionó este multiplexor, es por el pequeño retardo
de tiempo entre la desconexión de un canal y la conexión del próximo (Break Before Make
Time Delate).
Éste está compuesto por 8 canales para una conexión diferencial, los cuales se seleccionan
por 3 bits de control. Para que las características de tiempo de establecimiento se cumplan de
acuerdo a la información mostrada en la Tabla B.1 para el ADG1607, se conectó un circuito
RC a la salida cuyos valores son los siguientes:
𝑅 = 300Ω [𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔𝑙𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛].
𝐶 = 35𝑝𝐹 [𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔𝑙𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑛𝑡𝑎𝑙𝑖𝑜].
Con estos valores y haciendo uso de la siguiente ecuación se calculó el tiempo de
establecimiento del multiplexor utilizado para calcular la máxima frecuencia de muestreo.
𝑅
∗𝑅
𝑇𝑠𝑒𝑡𝑡𝑙𝑒 𝑚𝑢𝑥 = (𝑇𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖𝑡𝑖𝑜𝑛 + 𝑅 𝑂𝑁+𝑅𝐿𝑂𝐴𝐷 ∗ 𝐶𝑙𝑜𝑎𝑑 + 𝐶𝑑) ∗ 8.32 … … … … … … … … (3.5)
𝑂𝑁
𝐿𝑂𝐴𝐷
𝑇𝑇𝑅𝐴𝑁𝑆𝐼𝑇𝐼𝑂𝑁 = 175𝑛𝑆.
𝑅𝐿𝑂𝐴𝐷 = 300Ω.
𝑅𝑂𝑁 = 4.5Ω.
𝐶𝐿𝑂𝐴𝐷 = 35𝑝𝐹.
𝐶𝑑 = 123𝑝𝐹.
𝑇𝑠𝑒𝑡𝑡𝑙𝑒 𝑚𝑢𝑥 = 175𝑛𝑆 +
300Ω ∗ 4.5Ω
∗ (35𝑝𝐹 + 123𝑝𝐹) ∗ 8.32.
300Ω + 4.5Ω
𝑇𝑠𝑒𝑡𝑡𝑙𝑒 𝑚𝑢𝑥 = 180.83𝑛𝑆.
El tiempo de establecimiento del multiplexor debe ser mucho menor que el tiempo de
adquisición del circuito Sample and Hold más el tiempo de conversión del ADC. Para el caso
cumple con este requisito (Tconversión=6.6µS y Tadquisición=3µS).
39
La conmutación entre canales se realizó con un contador síncrono de 3 bits diseñado con Flip
Flop JK (SN74LS112AN) como se muestran en la figura 3.9.
1
CL
K
Q0
1
Q1
1
Q2
J
Q
J
Q
J
Q
>CLK
>CLK
>CLK
K
Q’
K
Q’
K
Q’
Flip Flop
JK
Flip Flop
JK
Flip Flop
JK
Figura 3.9. Contador síncrono de 3bits.
El circuito mostrado en la figura 3.9 además de seleccionar los canales analógicos del
multiplexor se utilizó para llevar a cabo la sincronización entre la TAS y la HMI. Para
obtener muestras de las señales en un intervalo de tiempo más pequeño, la fuente de disparo
de la conversión A/D debe ser controlado por programa. La máxima frecuencia del
multiplexor cuando es controlado por programa es de 63Hz (muestras por canal
100samples/s), esta frecuencia puede aumentar si las muestras por canal son menores.
3.6.2 AMPLIFICADOR DE AISLAMIENTO
En todo sistema de adquisición de datos es importante aislar la señal proveniente de los
sensores, esto con el fin de prever la interferencia de otras señales, proteger el Sistema de
Adquisición de Datos y proteger al usuario de choques eléctricos.
Las formas más comunes de llevar a cabo el aislamiento son:




Aislamiento por amplificación.
Aislamiento óptico.
Aislamiento inductivo.
Aislamiento capacitivo.
El tipo de aislamiento que se realizó para proteger a los componentes de la TAS fue mediante
aislamiento por amplificador. Este circuito está compuesto por un amplificador de entrada,
un modulador, una barrera de aislamiento, un demodulador y un amplificador a la salida.
Algunos esquemas de modulación se realizan por amplitud, conversión de voltaje a
frecuencia, duración de ciclo y por ancho del pulso. En la tabla B.2 del anexo B se muestran
las características eléctricas principales de tres tipos de amplificadores de aislamiento.
40
De acuerdo a sus características, se optó por utilizar el amplificador de aislamiento ISO124.
Es un dispositivo de aislamiento cuya barrera es por el método capacitivo, la señal es
modulada digitalmente y pasa a través de una barrera capacitiva de 2pF.
Este dispositivo requiere de dos fuentes de alimentación con el propósito de tener referencias
a tierra totalmente diferentes, está disponible en un encapsulado de 8 pines. Las
características principales de este dispositivo son:




Aislamiento de 1500VRMS.
Capaz de aislar señales bipolares.
Modulación por ciclo útil.
Barrera de aislamiento de 2pF.
Este circuito se alimenta con +/-5V provenientes de dos convertidores DC-DC aislados.
Debido a su alimentación, sus señales de entrada máximas son de +/-2.5V, rango suficiente
como para trabajar con la señales provenientes de los transductores.
3.6.3 FILTRO PASA-BAJAS (ANTI-ALIASING)
Es de suma importancia eliminar el ruido de las señales antes de pasar a la etapa de
conversión Analógico-Digital. Estas impurezas presentes en la señal de información son
generadas por fuentes de campo magnético, mal diseño de la Tarjeta de Circuito Impreso
(PCB), descargas eléctricas, fuentes térmicas, entre otras. Para esto, se implementó un filtro
pasa-bajas para eliminar posibles ruidos en las señales a medir así como el efecto antialiasing.
Este último efecto, es producido por la presencia de frecuencias mayores a la frecuencia de
Nyquist provocando una mala medición de la magnitud física de interés. Se optó por usar un
filtro pasa-bajas integrado, estos circuitos integrados presenta las siguientes ventajas:





Son de orden alto.
Necesitan de pocos elementos externos para funcionar.
Los hay en configuración Butterworth y Bessel.
La frecuencia de corte es seleccionada mediante la conexión de capacitores y
mediante la inserción de señales de onda cuadrada.
Presentan bajo ruido eléctrico.
En la tabla B.3 del anexo B se muestran las características principales de tres filtros
integrados a considerar.
De acuerdo a la información presentada en la tabla B.3 se utilizó el filtro MAX291. Aunque
el circuito MAX265 tiene la capacidad de establecer frecuencias de hasta 250KHz con pasos
de 256, este filtro necesita de varios dispositivos externos para funcionar.
41
Otra desventaja que presenta este filtro es su bajo orden, y para nuestro propósito conseguir
la atenuación antes de la frecuencia de corte es de suma importancia para una buena medición
de las magnitudes físicas de interés.
Es por ello, que el circuito MAX291 presenta estas características al ser un filtro tipo
Butterworth, cuya respuesta es plana hasta llegar a la frecuencia de corte, es decir, no
amplifica la magnitud de la amplitud de las frecuencias precedentes a la frecuencia de corte
como el caso del filtro Chebyshev.
Para seleccionar la frecuencia de corte, se deberá tomar en cuenta la frecuencia de muestreo
del dispositivo DAQ. De acuerdo al teorema de Nyquist Shannon ésta deberá ser por lo
menos dos veces la frecuencia máxima de la señal a muestrear. Es decir, la frecuencia de
corte será menor o igual a la mitad de la frecuencia de muestreo, esto nos evitará la presencia
de señales provocadas por el efecto anti-aliasing.
190Hz
170Hz
150Hz
120Hz
100Hz
80Hz
50Hz
10Hz
30Hz
G (dB)
La figura 3.10 muestra un ejemplo de una señal con sus respectivas componentes en
frecuencia que la conforman, y el efecto que tendría si no se usará un filtro anti-aliasing para
una frecuencia de muestreo de Fm=200Hz.
F (Hz)
Figura 3.10. Efecto Aliasing en Sistemas de Adquisición de Datos para Fm= 200Hz.
En la figura 3.10 se observan las señales existentes por el efecto aliasing. Con el filtro antialiasing con frecuencia de corte Fc=100Hz (la mitad de la frecuencia de muestreo), se
eliminarían las frecuencias por arriba de ésta, es decir, la frecuencias aliasing de 30Hz, 50Hz
y 80Hz no aparecerían cuando se realice el muestreo de la fuente de interés.
Estas frecuencias son provocadas por la de 120Hz, 150Hz y 170Hz respectivamente, es por
ello que haciendo uso de un filtro pasa-bajas se eliminarían estas últimas frecuencias. Para
calcular las frecuencias aliasing se hace uso de la siguiente fórmula:
𝐹𝑎𝑙𝑖𝑎𝑠𝑖𝑛𝑔 = 𝑓𝑚 − 𝐹𝑝 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (3.6)
Donde:
Fm= n veces la frecuencia de muestreo más cercana a la frecuencia de la señal de entrada.
Fp= frecuencia de la señal de entrada.
42
El cálculo de las frecuencias aliasing mostradas en la figura 3.10 son:
𝐹(𝑎𝑙𝑖𝑎𝑠𝑖𝑛𝑔1 ) = 200𝐻𝑧 − 10𝐻𝑧 = 190𝐻𝑧
𝐹(𝑎𝑙𝑖𝑎𝑠𝑖𝑛𝑔2 ) = 200𝐻𝑧 − 80𝐻𝑧 = 120𝐻𝑧
𝐹(𝑎𝑙𝑖𝑎𝑠𝑖𝑛𝑔3 ) = 200𝐻𝑧 − 100𝐻𝑧 = 100𝐻𝑧
𝐹(𝑎𝑙𝑖𝑎𝑠𝑖𝑛𝑔4 ) = 200𝐻𝑧 − 120𝐻𝑧 = 80𝐻𝑧
𝐹(𝑎𝑙𝑖𝑎𝑠𝑖𝑛𝑔5 ) = 200𝐻𝑧 − 150𝐻𝑧 = 50𝐻𝑧
𝐹(𝑎𝑙𝑖𝑎𝑠𝑖𝑛𝑔6 ) = 200𝐻𝑧 − 170𝐻𝑧 = 30𝐻𝑧
Para la aplicación desarrollada, las señales a medir son de corriente directa (CD) y de acuerdo
con lo antes expuesto, señales con componentes en frecuencia muy bajas provocan
frecuencias aliasing iguales a la frecuencia de muestreo como máximo. Para nuestro
propósito se ha seleccionado una frecuencia de muestreo de 5KHz con el objetivo de cumplir
con el número de muestras por segundo establecidas en la HMI. En relación al teorema de
Nyquist Shannon, la frecuencia de corte del filtro anti-aliasing es la mitad de la frecuencia
de muestreo, es decir, Fc=2.5KHz. El cálculo del valor del capacitor a conectar en el filtro
MAX291 se obtuvo con la siguiente ecuación:
105
𝐶𝑜𝑠𝑐 (𝑝𝐹) = 300∗𝑓(𝑘ℎ𝑧) … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (3.7)
105
𝐶𝑜𝑠𝑐 (𝑝𝐹) = 300∗2.5 = 1.33𝑛𝐹.
3.6.4
AMPLIFICADOR
PROGRAMABLE
DE
INSTRUMENTACIÓN
Y
GANANCIA
La amplificación o atenuación de la señales ocurre antes de que la señal se digitalice con el
fin de mejorar su representación. La amplificación de éstas permite al ADC utilizar tantas
divisiones digitales como sea posible.
En la figura 3.11 se pueden observar dos señales que se digitalizan con un ADC de 3bits.
Figura. 3.11. Digitalización de señales con diferente amplitud.
43
Al digitalizar la señal de ganancia unitaria, en la conversión el ADC solo utiliza 4 de las 8
divisiones, mientras que al amplificar la señal al doble, la presentación es mucho más exacta.
Otra ventaja que se tiene al amplificar la señal aumentar la relación señal a ruido, esto evitará
medidas erróneas en la señal al momento de convertirlas a digital.
Por lo anterior, es necesario utilizar una etapa de amplificación. Con el objetivo de minimizar
el error en los dispositivos utilizados para construir un amplificador de instrumentación con
amplificadores operacionales, se optó por usar circuitos amplificadores de instrumentación
encapsulados.
El fabricante puede garantizar la precisión de los elementos críticos, como son las resistencias
para lograr el factor de amplificación así como la vulnerabilidad a ruidos de fuentes externas.
Las características principales de los amplificadores de instrumentación son:




Impedancia de entrada alta para no afectar la fuente a medir.
Impedancia de salida muy baja para no afectar la entrada de la siguiente etapa.
Ganancia exacta y ajustable que va desde el rango de 1 hasta 1000 (programable
mediante un solo resistor).
Bajo voltaje de offset ideal para trabajar con señales pequeñas.
La tabla B.4 del anexo B muestra las características eléctricas principales de amplificadores
de instrumentación integrados. Cada uno estos presentan características peculiares, tal es el
caso del INA117 que es capaz de trabajar con voltajes más grandes que el ANA114 y
AD623A, pero su desventaja es que posee una ganancia predeterminada.
De acuerdo a las características mencionadas en la tabla B.4 el amplificador de
instrumentación que se utilizó fue el INA114. Este presenta un voltaje de offset muy bajo
comparado con los otros dos, la ganancia se puede programar con una sola resistencia y puede
ser hasta de 10000, la impedancia de entrada es sumamente grande como para evitar
variaciones de voltaje de la fuente a medir.
La ganancia se calcula con la siguiente ecuación:
𝐺 =1+
50𝑘
… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . (3.8)
𝑅𝑔
Las principales aplicaciones de estos circuitos donde desempeña un mejor papel son:





Instrumentación médica de baja potencia.
Interfaces de transductores.
Amplificadores de termopar.
Control de procesos industriales.
Sistemas de Adquisición de Datos.
44
Adicionalmente se ha agregado un amplificador de ganancia programable (PGA). Éste es útil
cuando la adquisición de datos se lleva a cabo con dispositivos DAQ que no tiene
incorporadas PGA, permitiendo ajustar un valor de ganancia al máximo rango de entrada
permitido por estas tarjetas.
La ganancia del amplificador de instrumentación se estableció en la práctica, con el fin de
cubrir el rango de voltaje de operación de los circuitos de la TAS (5VDC) en relación a la
señal de entrada de mayor magnitud. La tabla B.5 del anexo B muestra las características
principales de amplificadores de ganancias programables.
El amplificador de ganancia programable que se utilizó fue el PGA 204. El rango de
ganancias que presenta es bastante amplio para aplicaciones en Sistemas de Adquisición de
Datos; aunque el PGA205 presenta mejoras en cuanto a la respuesta en frecuencia, las
ganancias de éste son muy bajas.
Además la configuración que guarda el PGA seleccionado es de tipo amplificador de
instrumentación, lo cual nos ayuda a eliminar el ruido eléctrico en las terminales de entrada.
Las ganancias son seleccionadas por dos líneas compatibles con tecnología TTL, la salida
tiene un voltaje de offset de 50uV y tiene un circuito de protección de sobre voltaje hasta de
+/-40V.
3.6.5 CIRCUITO DE MUESTREO Y RETENCIÓN (S & H)
El circuito más importante en los sistemas de adquisición de datos es el ADC, de acuerdo a
su velocidad en la toma de muestras es más preciso y más costoso. El objetivo del circuito
S&H es poder usar ADC con tiempo de conversión pequeños. Sin este circuito, el tiempo de
conversión del ADC debería ser casi nulo para señales con componentes en frecuencia
relativamente grandes. Para sistemas de instrumentación virtuales que solo hacen uso de un
ADC, la máxima señal de entrada viene dada por la siguiente ecuación:
𝑓𝑚𝑎𝑥 =
1
… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (3.9)
𝑇𝑐 ∗ 𝜋 ∗ 2𝑛+1
Donde:
Tc= tiempo de conversión del ADC.
n= resolución en bits del ADC.
El uso de circuitos de muestreo y retención reduce las muestras por segundo que es capaz de
realizar un ADC por sí solo, esto debido al tiempo de establecimiento del circuito S&H, pero
como ventaja se pueden medir señales con componente en frecuencia en el orden de los
Kilohertzios, ya que la máxima frecuencia de entrada queda determinada por el teorema de
Nyquist Shannon. Los circuitos S& H son dispositivos que almacenan información en forma
analógica y reducen el tiempo de apertura del conversor A/D. Este circuito toma una muestra
de tensión y la almacena en un capacitor de bajas pérdidas.
45
Cuando se utiliza en la entrada del convertidor A/D opera la mayor parte del tiempo en modo
retención, ya que toma una muestra de la señal de entrada y se desconecta rápidamente para
presentar a la entrada del conversor un nivel de tensión constante. La tabla B.6 del anexo B
muestra las características de tres circuitos de muestreo y retención.
Debido a su disponibilidad en el mercado, se usó el circuito AD585. El tiempo de adquisición
es relativamente bajo, la apertura de Jitter está en el orden de los nanosegundos (tiempo que
transcurre desde que se da la orden de retención (Hold) hasta que se ejecuta) así como la
caída de voltaje en modo retención es muy bajo.
3.6.6 CONVERTIDOR ANALÓGICO DIGITAL (ADC)
La facilidad que se tiene al trabajar con tarjetas de adquisición de datos (DAQ) y el software
Labview en la comunicación para el envío de datos ha permitido desarrollar múltiples
aplicaciones educativas de manera sencilla y eficaz.
Es por ello que se utilizó una DAQ para llevar a cabo la conversión A/D. En la Tabla B.7 del
anexo B se ven las características importantes de tarjetas de adquisición de datos a considerar.
La DAQ que se utilizo fue la Keithley 3102. Aunque la NI PCI-6013 presenta características
superiores a la seleccionada, ésta es por conexión PCI, la DAQ Keithley 3102 facilita su
implementación al ser por conexión USB.
La DAQ Keithley tiene la facilidad de configurar sus puertos con los Instrumentos Virtuales
(VI) de Labview (LV-Link3). Este paquete proporciona los VI necesarios para configurar
diferentes tareas que es capaz de realizar la DAQ, también proporciona ejemplos sobre
adquisición de datos, salidas analógicas y digitales, timers, entre otras funciones más.
De la tarjeta seleccionada se hizo uso de:


1 canal de entrada analógico para la conversión A/D.
5 puertos de entrada digitales, 3 para la sincronización (multiplexación) y 2 para
cambiar la velocidad y toque del Servomotor Lenze.
Una vez seleccionados los dispositivos electrónicos a usar procedemos a calcular la
frecuencia de muestreo (fs.) y la frecuencia a la cual trabaja el multiplexor. Los cálculos
siguientes determinan los valores máximos para los cuales puede trabajar el DAS bajo el
principio de funcionamiento del sistema mostrado en la figura 3.7.
Para el cálculo de la frecuencia de muestreo (fuente de disparo del ADC de la Keithley 3102)
se utilizaron las siguientes ecuaciones:
𝑓𝑠𝑚𝑎𝑥 =
1
… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . (3.10)
𝑇𝑚𝑢𝑥 + 𝑇𝑎𝑑𝑞 + 𝑇𝑆&𝐻 + 𝑇𝑐𝑜𝑛𝑣
𝑇𝑎𝑑𝑞 = 𝑇𝑎𝑑𝑞−𝑆&𝐻 + 𝑇𝑎𝑑𝑞−𝐴𝐷𝐶−𝐾𝑒𝑖𝑡ℎ𝑙𝑒𝑦 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (3.11)
46
Donde:
Tmux = 180.83ns (tiempo de establecimiento del Multiplexor).
Tadq-S&H = 3.0us (tiempo de adquisición del circuito S&H).
Tadq-Keithley = 3.0us (tiempo de adquisición de la DAQ Keithley 3102).
TS&H = 0.5us (tiempo de establecimiento del circuito S&H).
Tconv = 6.6us (tiempo de conversión del ADC).
Sustituyendo los datos en la ecuación 10 y ecuación 11 obtenemos la máxima frecuencia de
muestreo:
𝑓𝑚𝑎𝑥 =
1
= 75.29𝐾𝐻𝑧.
180.83𝑛𝑠 + (3.0𝑢𝑠 + 3.0𝑢𝑠) + 0.5𝑢𝑠 + 6.6𝑢𝑠
Como es de esperarse, la frecuencia de muestro disminuye debido a las características de
tiempo de los circuito adicionales (MUX y S&H) en relación a la frecuencia de muestreo
máxima que tiene por si solo el ADC (Fs=100KHz).
La frecuencia a la cual se muestrea cada canal viene dado por la siguiente ecuación:
𝑓𝑠𝑚𝑢𝑥 =
1
∗𝑓
. … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (3.12)
# 𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑢𝑥 𝑠𝑚𝑎𝑥
Es decir:
𝑓𝑠𝑚𝑢𝑥 =
1
∗ 75.29𝐾ℎ𝑧 = 9.41𝐾𝐻𝑧.
8
De acuerdo a este valor de frecuencia podemos calcular la máxima frecuencia de la señal de
entrada permitida por el sistema con la menor distorsión posible:
𝑓𝑖𝑛𝑚𝑎𝑥 =
𝑓𝑠𝑚𝑢𝑥
𝑓𝑖𝑛𝑚𝑎𝑥 =
10
… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (3.13)
9.41𝑘ℎ𝑧
= 941𝐻𝑧.
10
Del resultado de estos cálculos, se eligió una frecuencia de muestreo de 5KHz ya que las
señales a medir serán de CD. La fuente de reloj para el multiplexor es controlado por
software, esto con el objetivo de cubrir el número de muestras por canal establecida en la
HMI.
47
3.6.7 CONVERTIDORES CD-CD
El voltaje de salida de los convertidores debe ser de +/- 5V, puesto que los circuitos
implementados en la TAS así como los sensores trabajan con voltajes bipolares. Los tres
tipos se convertidores CD-CD que se tomaron en cuenta fueron los siguientes:



Convertidor tipo Buck LM2596.
Convertidores Micropower Direct.
Convertidores Tracopower.
En la tabla B.8 del anexo B se muestran las características eléctricas principales de cada uno
de estos convertidores. El circuito integrado LM2596 de Texas Instruments es un convertidor
CD-CD, con el cual se puede diseñar un convertidor tipo Buck, es decir, con elementos
adicionales se puede construir esta configuración. La frecuencia de conmutación es de
150KHz, lo que permite que el valor del inductor y capacitor sean de valores muy pequeños.
Este convertidor presenta las siguientes ventajas:




Soporta cargas de hasta 3Amp.
Requiere solo de cuatro componentes para funcionar.
Baja corriente de consumo.
Protección contra sobrecorriente.
Los convertidores Micropower Direct son convertidores de bajo costo, los hay en
convertidores de CA-CD y CD-CD. Las ventajas principales de estos convertidores son:





Tiene circuito de protección en caso de corto circuito.
Son convertidores aislados.
Disponibles en salidas duales.
Tienen un filtro de entrada.
Son de bajo costo.
Los convertidores Tracopower están disponibles en diferentes presentaciones. Los hay para
proyectos de uso estudiantil como para proyectos de tipo industrial, donde se requiera una
gran demanda de potencia y eficiencia. Estos convertidores los hay desde potencias de que
van desde 1W hasta los 22KW. Estos los podemos encontrar en diferentes variantes como
son:





Propósito general (2W-30W).
Alto rendimiento (2W-15W).
Alto rendimiento (2W-60W).
Módulos de alta potencia (75W-240W).
Alta potencia industrial (60W-22KW).
48
Las ventajas que presentan estos módulos DC-DC son:





Son de salida regulada.
Son aislados.
Integran un filtro de entrada.
Tienen baja variación en la salida.
Protección contra sobrecarga y cortocircuito.
En la tabla 3.6 se muestran el consumo de energía de cada circuito utilizado en la TAS.
Tabla 3.6. Consumo de energía de los componentes electrónicos
utilizados en la TAS.
Dispositivo
ADG1607.
ISO124P.
MAX291.
SN74LS112AN.
LM339.
PGA204
INA114
AD585A
ACS714
SERVOMOTOR FUTABA
DIODOS LED
Potencia en Watts [W]
5nW.
12.5mW.
75mW.
40mW.
4mW.
75mW.
15mW.
30mW.
50mW.
80mW.
132mW.
Potencia Total: 513.5mW.
De acuerdo a la potencia total consumida por la TAS se eligió los convertidores DC-DC
modelo TEL 2-1221 cuyas características son:







Voltaje nominal de salida de 12VDC.
Voltaje de salidas duales a +/-5VDC.
Corriente por salida de 200mA.
Potencia de 2 Watts.
Eficiencia del 80%.
Aislamiento de 1500V.
Filtro de entrada integrado.
La figura A.6 del anexo A muestra el diagrama de la etapa de alimentación. En esta etapa se
realiza el aislamiento de señales con el uso de amplificador de aislamiento alimentado con
dos convertidores DC-DC Traco Power. La figura A.7 del anexo A muestra el esquemático
de la etapa de multiplexación, esta es la etapa que está sincronizada con la HMI para llevar a
cabo la conmutación de señales. Este puede ser utilizado en otros proyectos cuando la
adquisición de datos no se realice con una DAQ. El cambio de canales del multiplexor se
llevó a cabo con un contador síncrono de 3bits, el oscilador fue utilizado para establecer la
frecuencia de muestro. En la figura A.8 del anexo A se muestra el esquemático de las etapas
de filtrado, amplificación, muestreo y retención.
49
CAPÍTULO 4
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
4.1
PRUEBAS FÍSICAS DE LA TAS
4.1.1 AISLAMIENTO DE SEÑALES
Esta etapa protege el sistema de posibles señales de ruido causadas por descargas eléctricas,
ruido por fuentes electromagnéticas, por fuentes térmicas, ruido eléctrico, etc. En la figura
4.1 se muestra la señal medida a la salida del multiplexor al no usar aislamiento eléctrico.
Figura 4.1. Señal medida a la salida del multiplexor F=50KHz Vpp=3.60V.
La señal de entrada es de CA de 50KHz con amplitud de 3.60V. Como se observa en la figura
4.1 la señal original es contaminada por fuente de ruido externa por las fuentes aledañas al
circuito, esto compromete al sistema a leer señales erróneas. En la figura 4.2 se muestra la
misma señal pero con la etapa de aislamiento por amplificador.
Figura 4.2. Señal medida a la salida del multiplexor con aislamiento F=50KHz
Vpp=3.60V.
Las características eléctricas de la señal son las mismas que de la figura 4.1. Los resultados
mostrados en la figura 4.2 hacen notar una mejor calidad de la señal, esto al romper los ciclos
de tierra entre la fuente primaria y los convertidores CD-CD mediante el amplificador de
aislamiento.
Este tipo de aislamiento es capaz de eliminar ruido de grandes magnitudes como las
generadas por descargas eléctricas protegiendo al sistema y al usuario de posibles daños.
50
4.1.2 MULTIPLEXACIÓN DE SEÑALES
Los resultados de la figura 4.3a y 4.3b fueron obtenidos de la multiplexación de dos señales.
La señal de la figura 4.3a es de CD de 2.5V y de la figura 4.3b es de CA de 700Hz de 2.80Vpp.
Figura 4.3a. Señal de CD VDC=2.5V.
Figura 4.3b. Señal de CA F=700Hz Vpp=2.80V Fm=1KHz.
Esto demuestra que la señal de CA contiene de ruido cuyas componentes en frecuencia son
altas. Esto debido el efecto Aliasing al muestrear la señal con menos del doble de la
frecuencia más alta como lo determina el teorema de muestreo de Nyquist (Fm=1KHz en
este caso). La señal de CD es adquirida de manera correcta al no ser una señal que varía en
el tiempo.
4.1.3 ETAPA DE FILTRADO
Las mismas señales fueron medidas usando la etapa del filtro Anti-aliasing, es evidente que
las señales medidas ya no contienen el efecto Aliasing como se ven la figura 4.4a y 4.4b (las
características de las señales son las mismas de las figura 4.3a y 4.3b).
Figura 4.4a. Señal de CD usando filtro Anti-Aliasing VDC=2.5V.
51
Figura 4.4b. Señal de CA usando filtro Anti-Aliasing F=700Hz Vpp=2.80V Fm=1KHz.
En las figuras 4.4a y 4.4b son resultados de implementar el filtro con frecuencia de corte a la
mitad de la frecuencia de muestreo (Fm=1KHz), de esta manera es posible hacer la
adquisición de señales de CA sin el efecto aliasing.
Al eliminar señales de alta frecuencia evitamos que aparezcan señales aliasing de baja
frecuencia como se mencionó en el capítulo 3. Puede verse en las figuras 4.5a y 4.5b señales
senoidales de CA de diferente frecuencia.
Figura 4.5a. Señal senoidal de CA, F=100Hz Vpp=2.80V Fm=1KHz.
Figura 4.5b. Señal senoidal de CA F=400Hz Vpp=2.80V Fm=1KHz
Los resultados mostrados en la figura 4.5 revelan que al adquirir dos señales de diferentes
frecuencia (F1=100Hz, Vpp=2.80V y F2= 400Hz, Vpp=2.80V) muestreando a 1KHz, el
efecto aliasing es eliminado por el filtro pasa bajas con frecuencia de corte de
aproximadamente de 500Hz, de esta manera evitamos distorsión en la señal original y ruido
en la adquisición de datos.
52
4.1.4 CIRCUITO SAMPLE & HOLD (S & H)
La señal mostrada en la figura 4.6 fue medida a la salida del circuito Sample & Hold.
Figura 4.6. Medición de la señal con uso del circuito Sample & Hold F=100Hz Vpp=2.80V
Fm=1KHz
La frecuencia de esta señal es de 100Hz, Vpp=2.80V, el muestreo y retención se hace a una
frecuencia de Fm=1KHz. Como se observa en la figura 4.6 el circuito de muestreo y retención
hace que la señal tenga valores constantes en determinado tiempo, en estos instantes donde
la señal es de amplitud fija se realiza la conversión A/D con el fin de no obtener medidas
erróneas. En la figura 4.7 se muestra la misma señal (mismas características eléctricas que
de la figura 4.6) pero con frecuencia de muestreo y retención de Fm=300Hz.
Figura 4.7. Medición de la señal con el circuito Sample & Hold F=100Hz Vpp=2.80V Fm=300Hz
Son más notables los instantes donde la señal tiene magnitudes fijas. La fuente de muestro y
retención debe estar sincronizado con la fuente de disparo de la conversión A/D para lograr
la adquisición de datos en los instantes de retención.
4.2
PROGRAMACIÓN EN LABVIEW
Se eligió trabajar sobre esta plataforma debido a que este lenguaje de programación es
sencillo de entender y usar (lenguaje G). Es un lenguaje de programación que a diferencia
de la gran mayoría no está basado en texto, es gráfico, a través de diagramas es como se
representa la lógica del programa. El lenguaje G se utiliza para desarrollar programas en
Labview, permite realizar la configuración para el envío de datos de una manera más fácil.
La visualización en gráficas de los datos recabados del exterior mediante sensores e
instrumentos de medición, mejora la presentación de proyectos de ingeniería.
53
4.2.1 DESCRIPCIÓN DE LOS VI’S UTILIZADOS EN LA PROGRAMACIÓN
GRÁFICA EN LABVIEW
Labview cuenta con una caja de herramientas para llevar a cabo la programación de
diferentes proyectos de ingeniería. Tales herramientas se encuentran en la paleta funciones
como se ve en la figura 4.8
Figura 4.8. VI’s disponibles en Labview.
Esta paleta contiene los controles e indicadores que utiliza para crear el panel frontal. Puede
tener acceso a la paleta de Controles de la ventana del panel frontal al
seleccionar View»Controls Palette o al dar clic con botón derecho en cualquier espacio en
blanco en la ventana del panel frontal. La paleta de Controles está dividida en varias
categorías, puede exponer algunas o todas estas categorías para cumplir con sus necesidades.
El usuario crea el panel frontal con controladores e indicadores, los cuales son las terminales
interactivas de entrada y salida del VI, respectivamente. Los controles pueden ser perillas,
botones, barras deslizantes y otros dispositivos de entrada. Los indicadores son gráficos,
LEDs y otras pantallas. Los controles simulan dispositivos de entrada de instrumentos y
suministran datos al diagrama de bloques del VI.
Los indicadores simulan dispositivos de salida de instrumentos y muestran los datos que el
diagrama de bloques adquiere o genera. En cada una de las librerías se encuentran los VI’s
necesarios para llevar a cabo la programación de los algoritmos.
Esta paleta de funciones se despliega en el área donde se realizara las conexiones entre los
diferentes VI’s, otra opción muy útil es el botón Search de la esquina superior izquierda, que
sirve para buscar funciones o controles por su nombre.
54
En la tabla 4.1 se detalla la descripción de los VI’s (Instrumentos Virtuales) utilizados para
configurar los puertos de la DAQ.
Tabla 4.1. VI’s para la configuración de puerto de entrada y salida de la DAQ.
Icono
Descripción
Crea uno o más puertos virtuales de
entrada analógica para la medición
de voltajes, configura puertos de
entrada y salida digital y contadores.
Especifica los atributos de tiempo
para los canales de entrada
analógicos como los es muestras por
canal, frecuencia de muestreo y
número de buffers a utilizar.
Leer una o varias muestras de un
canal de entrada analógico o puerto
digital.
Detiene la tarea asociada a este VI.
Finaliza la tarea y cierra todos los
puertos asociadas a determinada
tarea.
Este VI es necesario para inicializar
tareas como contadores y generación
de pulsos.
El software LV-Link 3 es la librería donde se encuentran estos VI’s. Mediante éstos, el
usuario tiene acceso a las características de adquisición de datos de las tarjetas Keithley
(dispositivos DT-Open Layer y PCI devices).
LV-Link provee las herramientas necesarias para realizar mediciones, control de puertos de
I/O digitales y analógicos, timers, contadores, etc. Con ellos es posible crear aplicaciones de
medición mediante hardware de las variantes de tarjetas de Keithley bajo el lenguaje de
programación de Labview.
55
En la tabla 4.2 se describen los VI’s utilizados en el desarrollo de la HMI.
Tabla 4.2. VI’s de propósito general en el desarrollo de la HMI.
Icono
Descripción
Detiene la ejecución del programa
de acuerdo al número especificado
en milisegundos.
Regresa el valor de “t” si “s” es
verdadero, si es falso regresa el
valor de “f”
VI para convertir los datos de
entrada a un arreglo booleano.
Detiene la tarea asociada a este VI.
Inserta elementos en un arreglo
predeterminado.
Convierte un cluster a un arreglo.
Regresa un elemento o subarreglo
de un arreglo determinado.
4.2.2 ESTRUCTURAS DE PROGRAMACIÓN UTILIZADAS EN LABVIEW
Las estructuras de programación utilizadas para implementar los algoritmos propuestos en
los diagramas de flujo de funcionamiento del proyecto. La figura 4.9 muestra la estructura
While loop.
Figura 4.9. Ciclo While Loop.
Esta estructura consta de 3 elementos para funcionar. (1) la estructura While Loop, (2)
número de iteración, (3) terminal de condición de parada. Este ciclo se repetirá
indefinidamente hasta que el botón de control sea presionado.
56
En la figura 4.10 se ve la estructura For Loop.
Figura 4.10. Ciclo For Loop.
La estructura For Loop permite ejecutar un programa n veces. La letra “N” controla el número
de iteraciones del ciclo, “i” es el número de iteraciones realizadas. Para realizar la tarea de
multiplexación se hizo uso del ciclo For Loop con el fin de guardar los datos en un arreglo.
Figura 4.11. Estructura Flat Sequence.
La estructura Flat Secuence mostrada en la figura 4.11 ejecutará de manera secuencial la
programación incluida en cada uno de las ventanas, se puede agregar más de éstas a
conveniencia del usuario.
La figura 4.12 muestra la estructura Event Structure.
Figura 4.12. Estructura Event Structure.
Event Structure ejecutará la programación incluida en ella cada vez que se genere un evento
(1), o cada vez que transcurran un tiempo en milisegundos especificado en (2). Los eventos
pueden estar asociados a botones, sliders, modificaciones del panel frontal, etc.
57
4.3
DIAGRAMA DE FLUJO DEL SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS
La figura 4.13 muestra el diagrama de flujo de funcionamiento del Sistema de Adquisición
de Datos.
INICIO
CONFIGURAR LOS
PUERTOS E/S
DIGITALES.
CONFIGURAR ADC.
ASIGNAR NÚMERO
DE MUESTRAS POR
CANAL Y
FRECUENCIA DE
MUESTREO
NO
I_A<B
SI
_FLAG=~_FLAG
ACTUALIZAR
VELOCIDAD O
TORQUE.
OUTPUT_D=_FLAG.
ELEGIR
CONFIGURACIÓN
DEL MOTOR
I_B>2
NO
SI
NO
INPUT_D==1_A
SI
ESPERAR TIEMPO
DE ADQUISICIÓN.
LEER “N”
MUESTRAS.
IMPRIMIR
MUESTRAS DE
CADA CANAL.
DETENER LECTURA
NO
STOP==1
SI
FIN
Figura 4.13. Diagrama de flujo del Sistema de Adquisición de Datos.
58
Como primera instancia, se configura los puertos de entrada y salida digitales, asimismo se
configura el ADC de la DAQ para la aplicación, las características son:





Frecuencia de muestreo: 5KHz.
Muestras por canal: 100samples/seg.
Voltaje de entrada: +/-10Volts.
Tipo de conexión: diferencial.
Trigger: externo.
La ejecución del programa inicia con un ciclo For loop de ocho iteraciones. Éste valor
corresponde al número de canales del multiplexor. En este instante se puede actualizar la
velocidad y torque del Motor si el usuario así lo desea.
Se ejecuta otro ciclo For Loop de dos iteraciones (I_B) el cual manda la señal de control al
multiplexor para cambiar de canal. Estas acciones se repiten indefinidamente hasta que el
valor de iteraciones en I_A sea igual al dato de entrada digital (INPUT_D==I_A).
Cumpliéndose dicha condición, se ejecuta un retardo acorde al tiempo de adquisición, se
realiza la conversión y se procede a leer las muestras establecidas.
Estas muestras son guardadas en un arreglo de 8X100, y mediante un VI’s de arreglos se
obtienen cada una de los ocho renglones del arreglo y se mandan a VI’s de visualización.
Estos valores son mostrados en gráficas obteniéndose valores promedio para mostrarlos en
instrumentos de medición de Labview.
4.4
CÓDIGO DE PROGRAMACIÓN EN LABVIEW E INTERFAZ GRÁFICA
Para llevar a cabo la multiplexación de señales, la fuente de disparo del multiplexor debe ser
controlada por programa. Se hicieron pruebas donde la fuente era controlada mediante un
oscilador externo, pero al aumentar la frecuencia de éste, se presenta el fenómeno de diafonía
en la adquisición de señales.
En la figura 4.14 se observan los VI’s necesarios para configurar el ADC de la DAQ Keithley
KUSB 3102.
Figura 4.14. VI’s para la configuración del ADC de la DAQ Keithley KUSB 3102.
59
En el diagrama se configuró las siguientes características: voltajes de entrada de +/-10V, de
tipo diferencial, el puerto 0 como entrada analógica, muestras finitas (establecidas por el
usuario) y fuente de disparo de la conversión externa.
De igual manera se configuraron los puertos de entrada y salida digital para tomar lectura
del contador de 3 bits a activar la fuente de disparo del mismo, figura 4.15.
Figura 4.15. VI’s para la configuración de entradas y salidas digitales de la DAQ Keithley KUSB
3102.
El diagrama mostrado en la figura 4.16 se pueden observar los VI’s para llevar a cabo la
multiplexación.
Figura 4.16. VI’s para llevar acabo la sincronización entre las TAS y Labview.
Para ello, se utilizó la estructura FOR de 8 ciclos (correspondiente a los 8 canales del
multiplexor) y una estructura WHILE LOOP. Dentro de esta última estructura, se lleva a
cabo la lectura del contador de 3bits con el objetivo de asegura que este en el canal correcto,
esto se logra comparando la lectura de los puertos de entrada digitales provenientes del
contador de 3 bits y la iteración del ciclo FOR.
Dentro del ciclo WHILE LOOP se encuentra otra estructura FOR de dos ciclos, para generar
una señal de reloj para el contador y éste hará cambiar de canal el multiplexor.
60
Este ciclo se repite indefinidamente hasta que el usuario detenga el programa. Dentro del
segundo ciclo FOR están los VI’s necesarios para cambiar la velocidad y torque del
Servomotor.
La figura 4.17 muestra la programación para la visualización de los datos adquiridos, éstos
son representados en VI’s de medición de Labview y gráficas de visualización en tiempo
real.
Figura 4.17. VI’s para llevar acabo la visualización de los datos medidos.
La información es guardada en un arreglo de dos dimensiones. Para obtener cada línea de
datos se usó el VI Index Array cuya función es obtener todas las columnas de una sola fila,
para nuestro caso solo usamos 5 canales del multiplexor correspondientes a cinco VI’s de
Index Array. Estos datos son mostrados en gráficas para ver su comportamiento del Motor,
posteriormente se obtiene el valor promedio de las muestras leídas para ser desplegado en un
instrumento de medición.
61
En algunos casos, los datos de cada fila se multiplicaron por una constante correspondiente
al valor de ganancia de los circuitos de amplificación de los sensores. En la figura 4.18 se
observa la Interfaz Gráfica de Usuario donde se encuentran los controles de mando.
Figura 4.18. Controles en la HMI.
En la parte superior tenemos los controles para aumentar y disminuir la velocidad así como
el torque del Servomomotor acoplado al Motor de DC. Cuenta con tres botones de mando
que nos permite realizar una configuración en serie o paralelo del Motor de DC,
adicionalmente con un servomotor de corriente directa se puede modificar la corriente de
campo. En la figura 4.19 se observan los instrumentos de medición donde se despliega las
características eléctricas del Motor.
Figura 4.19. Instrumentos de medición virtuales.
62
4.5
IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN EL
MÓDULO LENZE PARA EL CONTROL DE MOTORES.
El Motor fue conectado bajo una configuración en serie, constan de dos resistencias variables,
una de 500Ω para variar la corriente de campo y la otra de 600Ω para variar la corriente de
armadura, un Motor de DC y el Servodrive. Una vez conectados se energizó el sistema y se
establecieron las condiciones eléctricas necesarias para el funcionamiento.
En este momento es posible visualizar el comportamiento de las señales eléctricas del Motor
de DC. El usuario puede modificar los parámetros de torque y velocidad en cualquier
instante, así como variar la corriente de campo y armadura del Motor para ver los efectos que
provoca.
En la figura 4.20a y 4.20b puede verse la Tarjeta de Circuito Impreso para la fuente lineal
para energizar la TAS y su correspondiente voltaje de salida.
Figura 4.20. a) Fuente de alimentación. b) Ajustando voltaje de salida de la fuente a 12V.
Las tarjetas de circuito impreso (PCB) para llevar a cabo la medición de la velocidad y torque
se ven en la figura 4.21a y 4.22b respectivamente.
Figura 4.21. a) PCB para realizar la medición de velocidad. b) PCB para realizar la medición de
torque.
63
Para llevar a cabo la medición de voltaje en la armadura y corriente de campo se diseñaron
las PCB mostradas en las figuras 4.22a y 4.22b respectivamente.
Figura 4.22. a) PCB para realizar la medición de voltaje en la armadura. b) PCB para realizar la
medición de la corriente de campo.
Mediante un divisor de tensión es posible medir el voltaje en el devanado de armadura del
Motor de DC. El sensor de efecto Hall es conectado en serie con la resistencia de armadura
para medir la corriente a través de ella, véase la figura 4.23.
Figura 4.23. PCB para realizar la medición de la corriente de armadura.
Todos los PCB para el acondicionamiento de la señal de salida de los sensores tienen un
amplificador operacional en configuración diferencial para obtener la medición con el menor
ruido posible, asimismo tiene un amplificador inversor cuya ganancia fue ajustada para
obtener un voltaje de salida de 3.54V.
Cada uno de los circuitos mostrados anteriormente fueron calibrados de manera
experimental, de tal forma que las ganancias para cada circuito operacional se programaron
en la HMI para tener una lectura similar a la proporcionada por los indicadores incorporados
en el Servo Drive Lenze.
64
En la figura 4.24 se ve la Tarjeta de Circuito Impreso (PCB) de la TAS para llevar el
acondicionamiento de señales.
Figura 4.24. PCB de la TAS.
Los resultados de funcionamiento del sistema de adquisición de datos propuesto sobre el
módulo para el control de motores Lenze. Las pruebas se realizaron siguiendo los pasos de
la práctica “Motor de CD con excitación independiente” del curso de servomecanismos.
En la figura 4.25 se ve la conexión de las PCB en el equipo Lenze para el control de motores.
Figura 4.25. Implementación de la TAS y HMI en el módulo Lenze.
65
Como se observa en la figura 4.25 se realizó la conexión de la TAS y la DAQ Keithley al
módulo de control de motores. En la figura 4.26, 4.27, 4.28 y 4.29 se muestran las mediciones
de velocidad y torque tanto en los medidores del Servodrive y en la HMI.
Figura 4.26. Lecturas de torque y velocidad en el Servodrive.
En los medidores del equipo Lenze muestra que el torque es de 0N.m a una velocidad de
aproximadamente 1700rpm.
Figura 4.27. Lecturas obtenidas en la HMI.
De acuerdo a los resultados mostrados en las figura 4.26 y 4.27, las lecturas obtenidas en la
HMI son similares a las lecturas en los instrumentos de medición del Servodrive. Se ajustó
un torque de 1N.m y la velocidad disminuyó a 800 rpm como puede verse en la figura 4.28
y 4.29.
Figura 4.28. Lecturas de torque y velocidad en el Servodrive.
66
Figura 4.29. Lecturas de torque y velocidad en la HMI.
En la figura 4.30 se ve la medición del voltaje, corriente de armadura y corriente de campo
del Motor de DC.
Figura 4.30. Lectura de la corriente de armadura, corriente de campo y voltaje de armadura
Estableciendo una corriente de armadura de 1Amp y 0.25Amp de corriente de campo se
obtuvo un voltaje de armadura de 180Votls. Estos parámetros eléctricos pueden ser
modificados con las resistencias conectadas al equipo Lenze. Es necesario tomar varias
muestras por canal para realizar un promedio de ellas y obtener un mejor resultado en la
medición, para mejorar las características de medición se configuro una ganancia
programable de dos en la HMI para que las lecturas varíen entre -8V y 8V para aprovechar
el máximo rango dinámico del ADC de la DAQ.
67
4.6
CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS DE INVESTIGACIÓN
La labor fundamental de este proyecto es brindar un Sistema de Adquisición de Datos
confiable para medir las características eléctricas y físicas de funcionamiento de un Motor de
CD. Este sistema se probó en el Laboratorio de Control en la ESIME UNIDAD
CULHUACÁN, y para cumplir con los objetivos fue necesario:






Búsqueda de información sobre acondicionamiento de señales eléctricas.
Búsqueda de información sobre técnicas de instrumentación.
Información técnica de la DAQ Keithley KUSB3102.
Aprendizaje del entorno de programación gráfico en Labview.
Fundamentos de Máquinas Eléctricas (Motor de CD).
Conexión del equipo Lenze para el control de Motores de CD.
Se estudiaron y aplicaron los conocimientos técnicos de adquisición de datos mediante el
uso de una DAQ, así como los conceptos de instrumentación para señales de baja y alta
potencia. La funcionalidad de este sistema de adquisición de datos mediante el uso de
sensores incorporados en el Servodrive Lenze, sensores previamente diseñados y el diseño
de la etapa de acondicionamiento de señales propuesta, resultó de manera satisfactoria
cubriendo con los objetivos planteados al inicio de este trabajo. Con este DAS es posible
medir las características eléctricas y físicas de funcionamiento del Motor de DC.
El diseño flexible de la HMI desarrollada en Labview permite al usuario interactuar con el
sistema electromecánico mediante instrumentos virtuales de medición y controles de acción.
En ella, es posible ver el comportamiento en tiempo real de las características eléctricas y
mecánicas del Motor para analizar y comprender el funcionamiento bajo ciertas condiciones
de operación. Cabe mencionar que la TAS diseñada no está sujeta a ser usada con tarjetas de
adquisición de datos, sino que también es posible implementar un sistema DAS mediante el
uso de microcontroladores PIC, DSP, FPGA, etc. Siguiendo el mismo diagrama de flujo de
programación y funcionamiento es posible medir hasta 8 señales analógicas.
En cuanto a líneas futuras de investigación para darle continuidad a este trabajo se propone:





Diseñar prácticas sobre Motores de corriente CD sobre la misma HMI así como la
generación de reportes.
Diseñar los mecanismos para el control de los sistemas mecánicos que interactúan
con el sistema de control de motores (corriente de campo y corriente de armadura).
Anexar al código de programación controles para la conmutación entre una conexión
serie y una conexión en paralelo del Motor de CD.
Realizar la programación necesaria sobre Labview para enviar y recibir señales bajo
el protocolo TCP/IP con el fin de diseñar una red de datos para que alumnos de la
ESIME CULHUACAN puedan tener acceso remoto a este sistema.
Darle un enfoque B-learning para mejorar el aprendizaje de alumnos sobre Máquinas
Eléctricas en la ESIME CULHUACÁN.
68
REFERENCIAS
[1]
Boylestad, R. L. y Nashelsky, L. (2003). Electrónica: Teoría de Circuitos y
Dispositivos Electrónicos. México: 8ta Edición, Prentice Hall. pp 123-134.
[2]
Bravo, I. (2002). Conversión Analógica Digital. Madrid: Universidad de Alcalá.
[3]
Corrigan, T. How to Calculate the Settling Timed and Sampling Rate of a Multiplexer.
U.S.A.: Analog Devices.
[4]
Díaz, I. A. (2013). Design of a Flexible Analog Signal Conditioning Circuit for DSPBased System. México: Institute for Scientific and Technological Research of San
Luis Potosí (IPICyT).
[5]
Intersil (1999). Multiplexed Data Adquisition System Considerations. U.S.A.:
Application Note AN1024.
[6]
Lajara, J. y Pelegrí, J. (2011). Labview: entorno gráfico de programación. México:
2ª Edición. Alfaomega.
[7]
Lenze. (1998). Manual de Instrucciones del Servo PLC 9300. Alemania: 1st Edición.
[8]
Malvino, A. (2000). Principios de Electrónica. España: 6ta Edición. Mc Graw Hill.
pp 110-120.
[9]
National Instruments. (2013). Remote Panels in Labview: Distributed Application
Development. Texas: National Instruments.
[10]
Schauer (2006). Energy Conversion Notes. Texas: 2nd Edición. Student Workbook.
[11]
Wildi, Theodore (2007). Máquinas Eléctricas y Sistemas de Potencia. México: 6ta
Edición. Pearson Educación. pp. 87-112.
[12]
Fuentes de alimentación. Consultado el 11 de Mayo del 2014, disponible en:
http://www.sase.com.ar/2011/files/2010/11/SASE2011Fuentes_de_alimentacion.pdf
[13]
Fuentes conmutadas. Consultado el 19 de Mayo del 2014, disponible en:
http://www.infoab.uclm.es/labelec/Solar/elementos_del_pc/fuentes_deb/alimentacio
n/f/f_pdf.pdf
[14]
Fuentes de alimentación reguladas. Consultado el 23 de Junio del 2014, disponible
en: http://www.ing.uc.edu.ve/~ajmillan/Docencia/Material/RegLin_02.pdf
[15]
Amplificadores de aislamiento. Consultado el 15 Agosto del 2014, disponible en:
http://gama.fime.uanl.mx/~mplatas/temas/tema10.pdf
69
[16]
Sampling and hold circuit. Consultado el 2 de Septiembre del 2014, disponible en:
http://www.ti.com/lit/ds/sbos160/sbos160.pdf
[17]
Sistemas de adquisición de datos. Consultado el 2 de Septiembre del 2014, disponible
en: http://www.ni.com/data-acquisition/what-is/esa/
[18]
USB-Based data adquisition modules. Consultado el 17 de Septiembre del 2014,
disponible en: www.keithley.com/support/data?asset=50072
[19]
Human machine interface. Consultado el 30 de Septiembre del 2014, disponible en:
ftp://ftp.unicauca.edu.co/Facultades/FIET/DEIC/Materias/SW%20para%
20aplicaciones%20Industriales%20I/Teoria/3%20Interfaz%20Hombre-maquina.pdf
[20]
Low Noise Signal Conditioning for Sensor-Based Circuits. Consultado el 5 de
Octubre del 2014, disponible en: http://www.analog.com/media/en/technicaldocumentation/technical-articles/MS-2066.pdf
[21]
Multiplexing and Sampling Theory. Consultado el 25 de Octubre del 2014, disponible
en: http://www.mccdaq.com/PDFs/specs/Multiplexing-and-Sampling.pdf
[22]
Adquisición de Datos y Acondicionamiento de Señal. Consultado el 5 de Noviembre
del 2014 Disponible en:
ftp://ftp.ni.com/pub/branches/latam/ROL/CustEds.../Lv_DAQ.pdf
70
ANEXO A
DIAGRAMAS ELÉCTRICOS
71
Figura. A.1. Esquemático de la fuente de alimentación CA-CD.
72
Figura. A.2. Circuito de acondicionamiento para el sensor de corriente ACS714.
73
Figura. A.3. Circuito de amplificación para los sensores de velocidad y torque.
74
Figura. A.4. Circuito de amplificación para medir el voltaje de armadura del Motor de DC.
75
Figura. A.5. Circuito de amplificación para medir la corriente de campo del Motor de DC.
76
Figura. A.6. Etapa de alimentación.
77
Figura. A.7. Etapa de multiplexación.
78
Figura. A.8. Etapas de filtrado, amplificación, muestro y retención.
79
ANEXO B
TABLAS COMPARATIVAS DE LOS
CIRCUITOS ELECTRÓNICOS
80
Comparación de las características eléctricas de multiplexores analógicos.
Tabla B.1. Características eléctricas de multiplexores analógicos.
ADG409
Voltaje de operación:+44V.
Resistencia en ON: 40Ω
TON y TOFF: 140nS y 160nS
Ancho de banda:
Break Before Make Time Delate:
60nS
Tipo: diferencial
Circuito Simple & Hold: no
ADG5207
Voltaje de operación:+/-9V-+/-22V.
Resistencia en ON: 155Ω
TON y TOFF: 180nS y 140nS
Ancho de banda:
Break Before Make Time Delate:
85nS
Tipo: diferencial
Circuito Simple & Hold: no
ADG1607
Voltaje de operación:+/-3.3V-+/-8V.
Resistencia en ON: 4.5 Ω
TON y TOFF: 132nS y 124nS
Ancho de banda:
Break Before Make Time Delate:
42nS
Tipo: diferencial
Circuito Simple & Hold: no
Comparación de amplificadores de aislamiento para la protección de la TAS.
Tabla B.2. Características eléctricas de amplificadores de aislamiento.
ISO124
Voltaje de alimentación :+/-4.5V +/-18V
Ancho de banda: 50Khz.
Consumo de corriente: +/-5.5mA
Aislamiento: 1500VRMS
Ganancia: 1
Offset: 200uV
Entrada de voltaje: +/-12V
ISO121
Voltaje de alimentación :+/-4.5V +/-18V
Ancho de banda: 60Khz.
Consumo de corriente: +/-5.5mA
Aislamiento: 1500VRMS
Ganancia: 1
Offset: 100uV
Entrada de voltaje: +/-10V
ISO122
Voltaje de alimentación :+/-4.5V +/-18V
Ancho de banda: 50Khz.
Consumo de corriente: +/-5.5mA
Aislamiento: 1500VRMS
Ganancia: 1
Offset: 200uV
Entrada de voltaje: +/-12V
Comparación de filtros pasa bajas integrados para evitar el efecto Aliasing.
Tabla B.3. Características eléctricas de filtros pasa-bajas integrados.
MAX265
Voltaje de operación:+/-5V.
Orden: 20.
Filtro paso-bajos paso-banda y pasoalto.
Rango de frecuencias: 140Khz.
Offset: +/-50mV-+/-150mV.
Potencia disipada: 660mW.
Control de frecuencias: 256.
MAX291
Voltaje de operación:+/-5V.
Orden: 80.
MAX296
Voltaje de operación:+/-5V.
Orden: 80.
Filtro paso-bajos tipo Butterworth.
Filtro paso-bajos tipo Bessel.
Rango de frecuencias: 25Khz.
Offset: +/-150mV.
Potencia disipada: 727mW.
Control de frecuencias: 100.
Rango de frecuencias: 50Khz.
Offset: +/-150mV.
Potencia disipada: 660mW.
Control de frecuencias: 50.
81
Comparación de amplificadores integrados de instrumentación.
Tabla B.4. Características eléctricas de amplificadores de instrumentación.
INA114
Voltaje de alimentación: +/-2.25V +/-18V
Ganancia programable: 1 - 10000
Voltaje de offset: 50uV
Corriente de entrada: 2nA
Corriente de offset: 0.5nA
Impedancia de entrada: 10GΩ
INA117
Voltaje de alimentación: +/-5V +/-18V
Ganancia: 1
Voltaje de offset: 210uV
Corriente de entrada: 17nA
Rango de voltaje de entrada: +/200V
Impedancia de entrada: 80KΩ
AD623A
Voltaje de alimentación: +/-2.5V +/-6V
Ganancia programable: 1 - 1000
Voltaje de offset: 200uV
Corriente de entrada: 17nA
Corriente de offset: 0.25nA
Impedancia de entrada: 2GΩ
Comparación de circuitos amplificadores diferenciales de ganancia programable mediante
circuitos de lógica TTL.
Tabla B.5. Características eléctricas de amplificadores de ganancia programable.
PGA 103
Voltaje de operación:+/-4.5V+/-18V.
Ganancias: 1, 10, 100
Ancho de banda: 0.0015, 750,
250Khz
Voltaje de salida: V+ -2.5V/V-+2.5V
Error de ganancia: +/-0.05%
Configuración: simple
PGA204
Voltaje de operación:+/-18V.
Ganancias: 1, 10, 100, 1000
Ancho de banda: 0.001, 80, 10 ,
1Khz
Voltaje de salida: V+ -1.3V/V+1.3V
Error de ganancia: +/-0.005%
Configuración: diferencial
PGA205
Voltaje de operación:+/-18V.
Ganancias: 1, 2, 4, 8
Ancho de banda: 0.001, 400, 200 ,
100Khz
Voltaje de salida: V+ -1.3V/V+1.3V
Error de ganancia: +/-0.005%
Configuración: diferencial
Comparación de circuitos de muestreo y retención para la conversión A/D.
Tabla B.6. Características eléctricas de circuitos Sample and Hold.
AD684
Voltaje de operación: +/-15V
Máximo tiempo de adquisición: 1uS
Low droop: 0.01uV/uS
Voltaje de offset: 1mV
Impedancia de salida: 0.3Ω
Impedancia de entrada 50MΩ
AD585
Voltaje de operación: +/-15V
Máximo tiempo de adquisición:
3uS
Low droop: 1mV/mS
Voltaje de offset: 2mV
Impedancia de salida: 0.05Ω
Impedancia de entrada 10 12 MΩ
82
AD1362
Voltaje de operación: +/-15V
Máximo tiempo de adquisición:
10uS
Low droop: 1mV/mS
Voltaje de offset: 2mV
Impedancia de salida:
Impedancia de entrada 10GΩ
Comparación de las Tarjetas de Adquisición de Datos.
Tabla. B.7. Características de tarjetas de adquisición de datos.
DAQ USB 6009
Resolución del ADC: 12 bits a
48Ks/s.
Puertos analógicos I/O: 8 / 2.
Digital I/O: 12.
Timers / contador: 1 contador de
32bits.
Rango: +/-10V.
Gain: no.
Tiempo de conversión: 8uS.
Keithley USB 3102
Resolución del ADC: 12 bits a
100Ks/s.
Puertos analógicos I/O: 16 / 2.
Digital I/O: 8.
Timers / contador: 2 contadores de
16bits.
Rango: +/-10V.
Gain: 1, 5, 10.
Tiempo de conversión: 6.6uS.
NI PCI-6013
Resolución del ADC: 16 bits a
200Ks/s.
Puertos analógicos I/O: 16 / 6.
Digital I/O: 8.
Timers / contador: 2 contadores de
24bits.
Rango: +/-10V.
Gain: 0.5, 1, 10, 100.
Tiempo de conversión: 4uS.
Comparación de circuitos Convertidores DC-DC.
Tabla B.8. Características eléctricas de los convertidores.
Convertidor LM2596
Salida ajustable: 1.23V- 37V.
Corriente máxima de salida: 1Amp.
Entrada de voltaje: hasta 40V máx.
Consumo de corriente: 80uA.
Frecuencia de operación: 150khz.
No aislado.
Variación en la salida: +/-10%
Eficiencia: 81%.
Convertidor Micropower Direct
Convertidores aislados.
Potencia: 0.5W hasta 1W.
Variación en la salida: +/-3%.
Salidas de voltaje duales.
Entrada de voltaje: 3.3V-48V.
Salida de voltaje: 3.3V-24V.
Eficiencia: 86%.
83
Convertidor Tracopower
Convertidores Aislados.
Potencia: 1W-30W
Variación en la salida: +/-2%.
Salidas de voltaje duales
Entrada de voltaje: 4.5V-75V.
Salidas de voltaje: 3.3V-15V.
Eficiencia: 70% y 80%.

Top subcategories

Top subcategories

Top subcategories

Top subcategories

Top subcategories

Top subcategories

Top subcategories

Download I.C.E. 21