Download laboratorio de instrumentación industrial práctica n°4

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
Campus Politécnico "J. Rubén Orellana R."
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Carrera de Ingeniería Electrónica y Control
Carrera de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones
Carrera de Ingeniería Electrónica y Redes de Información
Carrera de Ingeniería Eléctrica
LABORATORIO DE INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL
PRÁCTICA N°4
1. TEMA
CONTROL DE MOTORES DC
2. OBJETIVOS
2.1. Enseñar al estudiante la problemática que existe para controlar motores DC
para resolver problemas de locomoción en robótica o temas afines.
3. INFORMACIÓN
En robótica es muy común utilizar pequeños motores DC para proporcionar movimiento,
principalmente por su facilidad de uso y costo y por la dificultad y alto costo que implica
controlar motores AC. Si bien en los motores AC es relativamente más fácil controlar su
velocidad es difícil obtener los voltajes adecuados para operarlos. En tamaño el motor
AC es más pequeño que un motor DC de la misma potencia. En contraposición, sin
embargo, el motor DC puede producir más torque que el motor AC.
Los dos tipos de control que se necesita ejercer sobre un motor DC son: dirección de
giro y velocidad, sea a lazo abierto o cerrado. Para entender cómo se puede lograr estos
dos tipos de control es necesario repasar el principio de funcionamiento de los motores
DC pequeños.
En los motores DC de gran potencia, se emplean bobinas de campo para generar el
campo magnético indispensable para producir el movimiento del motor. Puesto que la
bobina de campo tiene una resistencia interna, se genera adicionalmente calor. Este
calor hace que se reduzca la eficiencia del motor. En motores grandes, la generación
de calor no constituye un gran problema, pero si lo es para motores pequeños, justo
aquellos que se requieren para robótica. Por esta razón para motores menores
electroimanes. a 0.1 HP, se emplean imanes permanentes en vez de electroimanes.
Bajo esta condición el motor DC se comporta como sigue. Suponga un motor DC con
las especificaciones de placa siguientes:
Voltaje de armadura, Varm, 12 VDC
Resistencia de armadura, Rarm, 2 Ω
Dirección: Ladrón de Guevara E11-253
Teléfono: (02) 2976300 Ext.2209
Quito - Ecuador
Correo: coord.electronica.control@epn.edu.ec
Sin carga y si se aplica un voltaje DC de 12 V, se esperaría que circule una corriente de
6 A; sin embargo, en la práctica es posible que tenga una ejemplo, 0.1 A
En la figura se muestra el circuito equivalente del motor DC al que se le aplica un voltaje
desde la fuente identificada como DC. Cuando el motor gira se comporta como un
generador de voltaje y la fuerza contra-electromotriz generada por el movimiento, Varm,
aparece con polaridad opuesta a la de la fuente. Sin carga, obviamente que el motor
gira a su máxima velocidad; por lo tanto, Varm, será también la máxima. Bajo estas
condiciones, la corriente que circula por el motor está dada por:
𝐼𝑎𝑟𝑚 =
𝑉𝐷𝐶 − 𝑉𝑎𝑟𝑚
𝑅𝑎𝑟𝑚
Bajo el supuesto que efectivamente circula 0.1 A, esto quiere decir que el Varm es de
11.8 V. Los 0.2 V caen en Rarm y es lo que en esencia produce el calentamiento del
motor.
Cuando se aplica un torque como carga, la velocidad del motor tiende a disminuir y así
mismo lo hace Varm. Esto significa que la corriente que circula por el motor debe tender
a subir, proporcionalmente e igual pasa con el voltaje en Rarm y el calor producido por
el motor.
Cuando la carga logra detener el motor, Varm sería igual a 0 V, y la corriente, Istall
(llamada de parada) circulando por el mismo sería la máxima (6 A). Igualmente, el calor
generado por el motor sería el máximo. Por supuesto, lo expuesto hasta aquí, describe
situaciones ideales.
El ejemplo nos conduce a una conclusión muy interesante: El torque aplicado reduce la
velocidad del motor. Si se quisiera mantener la velocidad del motor constante, se
debería aplicar más voltaje DC al motor tal que compense la caída de tensión sobre
Rarm.
Se puede decir también que la corriente que consume el motor depende del torque de
carga aplicado al mismo. De hecho, los fabricantes llegan a determinar para cada motor
una constante de torque, Kt, que especifica el torque producido por unidad de corriente
(de allí que sus unidades son: onza-pulgada/amperio).
Si se da la Kt, es posible encontrar la corriente de armadura para cualquier torque de
carga aplicado por medio de la expresión:
𝐼𝑎𝑟𝑚 = 𝑇𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 /𝐾𝑡
La constante Kt puede ser calculada si se conoce el torque del motor sin carga, Tnl, y la
corriente del motor sin carga, Inl, por medio de la expresión:
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𝐾𝑡 =
𝑇𝑛𝑙
𝐼𝑛𝑙
Por ejemplo, asumiendo que para un motor se especifica que producirá un torque de
3.5 onz-plg a una corriente de 1.8 A, se puede decir que aproximadamente:
𝐾𝑡 = 3.5 𝑜𝑛𝑧 − 𝑝𝑢𝑙𝑔/1.8 𝐴
𝐾𝑡 = 1.94 𝑜𝑛𝑧 − 𝑝𝑢𝑙𝑔/𝐴
Si se conoce la corriente a la que el motor se para, Istall, sería posible calcular el torque,
Tstall, que eventualmente detendría el motor, aplicando:
𝑇𝑠𝑡𝑎𝑙𝑙 = 𝐼𝑠𝑡𝑎𝑙𝑙 ∙ 𝐾𝑡
Para el ejemplo:
𝑇𝑠𝑡𝑎𝑙𝑙 = 6𝐴 ∙ 1.94 𝑜𝑛𝑧 ∙ 𝑝𝑢𝑙𝑔/𝐴
𝑇𝑠𝑡𝑎𝑙𝑙 = 11.67 𝑜𝑛𝑧 − 𝑝𝑢𝑙𝑔
En la práctica, no todo este torque se puede aplicar al motor. Aún sin carga, hay un
torque, el Tnl, que tiene todo motor real debido a fricciones dentro del mismo. Esto quiere
decir que en el torque de parada debe incluirse el torque sin carga como sigue:
𝑉𝑚 = [𝑉𝐷𝐶 − (𝐼𝑎𝑟𝑚 ∙ 𝑅𝑎𝑟𝑚 )]/𝐾𝑒
Cuando se hace girar al motor manualmente, éste se convierte en un pequeño
generador y entrega un voltaje proporcional a la velocidad de giro del mismo. Este
voltaje es el que se emplea para cuando se requiere de realimentación para
propósitos de control.
4. TRABAJO PREPARATORIO
4.1. Consultar la terminología y ecuaciones que se emplean en el control de motores
DC de pequeña potencia.
4.2. Consultar las técnicas de control para el manejo de motores DC de pequeña
potencia.
4.3. Realizar un programa para un microcontrolador de su elección, el cual permita
variar la velocidad de un motor DC en pasos de 10% mediante dos pulsadores
(uno de ascenso y uno de descenso). Además mediante un interruptor se podrá
cambiar el sentido de giro del motor DC. Por medio de un LCD se podrá
visualizar el sentido de giro y el incremento porcentual de velocidad. Adjuntar el
programa, el diagrama de flujo correspondiente y el circuito desarrollado.
4.4. Realizar un esquema de conexión entre la DAQ y los pines de la planta EPC
que sirven para el control del motor DC y el encoder del motor DC.
4.5. Realizar un programa en Labview que controle la velocidad del motor DC de la
planta EPC de 0 a 100% a través de un slider y que mediante el encoder de la
planta EPC y la DAQ obtengan la velocidad del motor en rpm.
4.6. Traer armados los circuitos con las prestaciones solicitadas.
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5. EQUIPO Y MATERIALES
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Fuente DC
Motor DC de baja potencia (cada grupo deberá traer su propio motor )
Planta EPC
6. PROCEDIMIENTO
6.1. En la práctica se probará el correcto funcionamiento de los circuitos, verificando
que se cumplan las condiciones de velocidad y cambio de giro solicitado en el
preparatorio.
7. INFORME
7.1. Presentar el circuito de control implementado en el microcontrolador y realizar
el diagrama de flujo con la lógica de programación implementada.
7.2. Presentar el VI final desarrollado en la práctica
7.3. Conclusiones y Recomendaciones
7.4. Bibliografía.
8. REFERENCIAS
Responsable: Ing. Luis Morales, MSc
Revisado por: Ing. Luis Morales., MSc
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