Área de Tecnologías de la Información
Programa Académico de Infraestructura de Redes Digitales
Materia: Electrónica para I d C
Título: Manejo de Motor de Corriente Directa
Profesor(a): Mario Cruz Alcaraz
Alumno(a): García López David Alessandro Hernández Guzmán Alfonso Porras Noriega Fátima Abigail Rodríguez Hernández Braulio Arturo
Grupo: IRD-401
León, Guanajuato. 08 de octubre de 2019
INTRODUCCIÓN El documento presente explicara la teoría y las distintas aplicaciones de un motor de corriente directa, una máquina que convierte energía eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción de un campo magnético.
Presentaremos el esquema del motor y la manera de configurarlo a la tarjeta de Arduino uno, además de identificar y aplicar las distintas bibliotecas para el manejo del o los motores de corriente directo. Veremos también las distintas aplicaciones para desarrollar proyectos con motores que van desde un automóvil hasta un brazo robótico o en otras aplicaciones de potencia (como trenes y tranvías) o de precisión (máquinas, etc.).
DESARROLLO ¿Qué es el motor DC? El motor de corriente continua o motor DC es una máquina que transforma energía eléctrica en mecánica. Se compone básicamente por un estator y un rotor. Esta máquina de corriente continua es una de las más versátiles en la industria. Su fácil control de posición, paro y velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos. La principal característica del motor de corriente continua es la posibilidad de regular la velocidad desde vacío a plena carga. Este aparato puede convertir la energía eléctrica en mecánica, realizando un movimiento rotatorio y consta de dos partes principales que son: Parte fija (Estator): La parte fija del motor responsable del establecimiento del campo magnético de excitación y uno de los dos elementos fundamentales para la transmisión de potencia (en el caso de motores eléctricos) o corriente eléctrica (en el caso de los generadores eléctricos); siendo el otro su contraparte móvil el rotor. Parte móvil (Rotor): El rotor está formado por un eje que soporta un juego de bobinas arrolladas sobre un núcleo magnético; que gira dentro de un campo magnético creado bien por un imán o por el paso de un juego de bobinas, arrolladas sobre unas piezas
polares; que permanecen estáticas y que constituyen lo que se denomina estátor de una corriente. Colector de delgas: Es la parte más delicada del motor DC, ya que es la parte que necesita un mantenimiento continuo. Tiene unas escobillas y son las encargadas de transmitir la alimentación al colector por rozamiento. Estas escobillas están en contacto con las delgas y sufren un desgaste.
Tipos de motor de corriente continua Motor shunt: Es un motor cuyo bobinado inductor se conecta en derivación con el circuito formado por bobinas inducidas o auxiliares. Motor compound: Su funcionamiento se origina por dos inductores independientes; uno se deriva por el circuito inducido y el otro por la derivación con el circuito formado por el inducido; es un inductor auxiliar. Este motor tiene un rango de debilitamiento que puede ser el resultado de exceder a máxima velocidad segura del motor sin carga.
Funcionamiento del motor DC En el estator se produce la inducción, ya que es la parte del motor DC en donde están situados los imanes permanentes o las bobinas que hacen de electroimanes y, por tanto, es donde se produce el campo magnético necesario para mover el rotor. El rotor recibe una alimentación externa de corriente continua por medio de un colector de delgas. El colector de delgas está fabricado con dos contactos aislados eléctricamente y cada contacto está constituido por 2 escobillas deslizantes de carbón que hacen pasar la corriente continua por el bobinado del rotor. Al recorrer la corriente continua el bobinado del rotor, se produces una fuerza que da lugar a un par de giro del rotos. Ahora bien, para logar un par de giro en el rotor que sea continuo o que el rotor gire continuamente, el colector de delgas lo que hace es invertir la polaridad cada media vuelta del rotor, ya que
ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO
las escobillas del colector de delgas no están conectadas de forma fija al bobinado del rotor. Para cambiar el sentido del giro del rotor, y, por tanto, del motor, solamente hay que invertir la polaridad de la fuente de alimentación en su inicio o puesta en marcha del motor de corriente continua.
Fórmula para el cálculo de motores de corriente continua:
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F: Fuerza en newtons
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I: Intensidad que recorre el conductor en amperios
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l: Longitud del conductor en metros
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B: Densidad de campo magnético o densidad de flujo teslas.
NOTA: Arduino tiene pines de entrada y de salida para comunicarse físicamente con su entorno. Los pines de salida pueden dar una pequeña cantidad de energía que sirve por ejemplo para encender un LED, pero no pueden alimentar a un motor. Para ello necesitamos un circuito que haga de intermediario. Este circuito, el controlador o driver de motores, tomará energía de otra fuente (una pila, batería o equivalente) y siguiendo las instrucciones de Arduino hará funcionar el motor.
Drivers para utilizar Existen muchos drivers diferentes, pero para poder controlar bien un motor necesitamos dos características fundamentales: •
Que permitan invertir el sentido de giro del motor.
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Que permitan graduar la velocidad de giro del motor. Cuando elegimos un driver para nuestro proyecto debemos tener en cuenta varias
cosas: •
Cuántos motores vamos a controlar. Hay circuitos integrados -y placas- que pueden controlar 1, 2, 4, 6 o el número que se nos ocurra.
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Qué potencia (consumo en mA) necesitan esos motores. El driver deberá dar esa potencia o más.
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Qué tensión de alimentación (en V) tienen los motores.
Un driver de motores tendrá una serie de cables que van al Arduino (líneas de control), una entrada de energía conectada a una fuente como una batería o similar (línea de potencia) y las líneas que van finalmente a los motores. Si la potencia es suficiente podremos conectar dos motores en paralelo a una misma salida de un driver. También podemos conectar varios drivers (iguales o no) pero necesitaremos un Arduino con muchas salidas o un circuito más especializado con otro tipo de comunicación. Además, tendremos en cuenta, en función de nuestro proyecto, el tamaño del driver. Si el motor una vez conectado no gira en el sentido deseado podemos cambiarlo muy fácilmente tanto en el hardware (intercambiando los cables del motor o del driver) como en el software (cambiando los pines en la programación). Los drivers más utilizados son: L9110: Controla motores de entre 2.5 y 12 voltios y con un consumo máximo de 800 mA. Habitualmente se monta en placas con dos unidades para controlar dos motores. Una vez conectado el driver e instaladas las librerías deberás elegir un nombre para tu robot, y decirle en qué pines has conectado el driver. El programa se comienza así: #include <L9110.h> L9110 nombredelrobot(pines); L298N: Este driver es bastante mayor, tanto en tamaño como en potencia. Sirve para controlar motores de entre 6 y 50 voltios y con un consumo máximo de 2 A. Un mismo integrado sirve para controlar dos motores. #include <L298N.h> L298N nombredelrobot(pines); Shield Ardumoto: Una versión especial del driver L298N viene ya pre montado en una shield de Sparkfun para Arduino que se llama Ardumoto. Las líneas de control ya están cableadas en las pistas de la shield y una vez pinchada sobre un Arduino UNO sólo hay que conectar la alimentación y los motores. #include <ardumoto.h> ardumoto nombredelrobot;
Librerías de programación La programación de Arduino, igual que muchos lenguajes, permite la creación de nuevas instrucciones en forma de librerías. Para utilizar un driver se combinan salidas PWM con salidas digitales en las que las opciones son apagado (LOW) o encendido (HIGH). Cada driver tiene su tabla lógica para funcionar. Un ejemplo de código para mover un motor podría ser este: analogWrite(9, 200); digitalWrite(8, HIGH); digitalWrite(7, LOW); Sin embargo, en lugar trabajar con los pines uno a uno, se hace indirectamente con librerías que transformarán ese código en algo más sencillo como 'robot.adelante'. Están pensadas para robots de dos ruedas (o cuatro, pero funcionando dos a dos) y darle instrucciones sencillas del tipo: avanza, retrocede, gira, frena. nombredelrobot.forward(128,128,1000); nombredelrobot.reverse(128,128,1000); nombredelrobot.rotate(128,128,1000); nombredelrobot.rotate(128,128,-1000); nombredelrobot.brake(1000);
Aplicación del motor DC Aunque el precio de un motor DC es considerablemente mayor que el de un motor de inducción de igual potencia, existe una tendencia creciente a emplear motores DC en aplicaciones especiales.
La gran variedad de la velocidad, junto con su fácil control y la gran flexibilidad de las características par-velocidad del motor DC, han hecho que en los últimos años se emplee este cada
vez mas con maquinas de velocidad variable en las que se necesite amplio margen de velocidad y control fino de las mismas. Existe un creciente número de procesos industriales que requieren exactitud en su control o una gama de velocidades que no se puede conseguir con motores de corriente altera. El motor DC mantienes un rendimiento ato en un amplio margen de velocidad lo que, junto con su alta capacidad de sobrecarga, lo hace más apropiado para muchas aplicaciones. Estos motores se pueden usas en juguetes, giradiscos, unidades lectoras de cd, trenes de laminación, trenes kontu, cizallas en trenes, industria del papel, herramientas, maquinas extractoras, elevadores, ferrocarriles, grúas que requieras precisión de movimiento con carga variable, etcétera.
Ejemplo: Control velocidad y sentido de motor DC en Arduino En esta práctica se controlará la velocidad y el sentido de un motor DC a través de un potenciómetro desde Arduino. Material: •
Arduino Uno
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Motor DC
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Potenciómetro
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L293D (driver motores)
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Fuente alimentación externa
El L293D es un integrado para controlar motores DC que usa el sistema puente en H. Este driver puede encontrarse montado en una placa independiente, en una shield (que puede controlar hasta 4 motores con dos integrados) o el integrado suelto. Puede controlar dos motores entre 4.5 y 25 voltios y con un consumo máximo de 600 mA. El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 4,5V y 36V. ¿Qué es el puente en H? Es un sistema para controlar el sentido de giro de un motor DC usando cuatro transistores.
Hasta este punto sabemos cómo controlar el sentido de giro del motor DC a través del L293D. Pero ¿y la velocidad de giro? En este proyecto lo que haremos es controlar la velocidad y el giro del motor con un solo potenciómetro. Para hacerlo utilizaremos el PWM (baja la tensión de los voltios). Sabemos que hay que atacar los pines 2 y 7 del L293D desde dos salidas del Arduino. En estas dos salidas habrá un PWM a cada una. Pero tenemos que invertir un PWM. ¿Qué quiere decir invertir? Pues que cuando en un PWM tengamos un pulso a un valor alto, en el otro PWM el mismo pulso sea valor bajo. En la imagen lo entenderemos de una manera más gráfica.
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Pines 4,5,12,13 del L293D a masa.
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Juntar las masas del Arduino y de la fuente de alimentación externa.
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Pin 8 del L293D a 9V de la fuente de alimentación externa. Es el voltaje que proporciona al motor.
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Pin 16 del L293D a 5V. Es la alimentación del L293D, pude alimentarse directamente desde la alimentación que proporciona el Arduino.
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El potenciómetro pude ser de cualquier valor.
Código: */Control velocidad y sentido motor DC */ int pin2=9; //Entrada 2 del L293D int pin7=10; //Entrada 7 del L293D int pote=A0; //Potenciómetro int valorpote; //Variable que recoge el valor del potenciómetro int pwm1; //Variable del PWM 1 int pwm2; //Variable del PWM 2 void setup(){ //inicializamos los pines de salida pinMode(pin2, OUTPUT); pinMode(pin7, OUTPUT); } void loop(){ //Almacenamos el valor del potenciómetro en la variable valorpote=analogRead(pote); //Como la entrada analógica del Arduino es de 10 bits, el rango va de 0 a 1023. //En cambio, la salidas del Arduio son de 8 bits, quiere decir, rango en tre 0 a 255. //Por esta razón tenemos que mapear el número de un rango a otro usando este código. pwm1 = map(valorpote, 0, 1023, 0, 255); pwm2 = map(valorpote, 0, 1023, 255, 0); //El PWM 2 esta invertido respec to al PWM 1 //Sacamos el PWM de las dos salidas usando analogWrite(pin,valor) analogWrite(pin2,pwm1); analogWrite(pin7,pwm2); }
CONCLUSIÓNES •
Toda máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos es considerada esencialmente un motor eléctrico, algunos de los motores eléctricos son reversibles, pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores.
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Los motores DC son empleados para grandes potencias. Son motores industriales que necesitan una gran cantidad de corriente para el arranque.
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Los motores DC llevan circuitos integrados para regular la toma de corriente de la línea y así no generar bajones de intensidad de la corriente.
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El motor de corriente continua está compuesto de dos piezas fundamentales: rotor y estator además de escobillas, colector, imán y armazón.
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Los motores DC son de menos utilización que los de corriente alterna en el área industrial debido a que los de corriente alterna se alimentan con los sistemas de distribución de energía normales.
Al finalizar la investigación pudimos concluir que los motores DC son un gran invento para la industria debido a todas las propiedades que puede brindar a éstas, ya que se utilizan y son necesarios en ocasiones que es importante poder regular la velocidad de los motores, además se usan en los momentos en que es imprescindible usar corriente directa, por ejemplo, en el caso de motores que actúan por pilas o baterías.
Creemos que es un gran avance para la vida que estos motores cada vez se implementen más en la industria dejando de un lado la desventaja que tiene por ejemplo de que es más costoso de implementar, sin embargo, a la larga, estos motores serán beneficiosos para toda la industria.