IV Sistema de control de motores de Corriente Continua
Microcontrolador
Puente H


JAPM 2010

Microcontrolador

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Índice
Microcontrolador
Puente H


ÍNDICE del PROYECTO
Memoria general del sistema propuesto. A continuación se facilita una descripción de los elementos del sistema y sus relaciones, para lograr una visión de conjunto.

 

 

Microcontrolador

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ÍNDICE del PROYECTO

Capítulo I
Justificación y detalles.
A estas alturas no es necesario hacer la presentación de éste tipo de componentes, que llevan ya muchos años, desde la década de los ochenta, introducidos en el mundo electrónico y en la vida cotidiana.
No vamos pues a entrar en su utilidad, sino que nos ceñiremos a nuestra aplicación y su actividad en ella.

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Las necesidades de control de nuestro sistema son las siguientes:
  * Un puerto paralelo de ocho bits, de comunicación con el MPID.
 
* Señales de control para el MPID, en concreto:
 
* Selección del periférico, "Chip select", CS.
 
* Señal de aviso de lectura, RD.
 
* Señal de aviso de escritura, WR.
 
* Selección de uso del puerto de comunicaciones para datos o instrucciones del MPID, PS.
 
* Reloj que se enviará al MPID, CLKp.
 
* Línea de recepción de interrupciones generadas por el MPID.
 
* Línea de RESET "hardware" del MPID.
 
* Línea de recepción de interrupciones generadas por el puente H.
 
* Líneas de información de datos aportados por el puente H.
 
 
 
Las capacidades que precisaremos del µC van a ser:
 
 
* Velocidad, reloj, superior a 8 Mhz, dado que ésta va a ser la velocidad del MPID.
 
* Dos puertos paralelo de 8 bits mínimo, uno para la comunicación con el PID y el otro para señales de control.
 
* Memorias RAM y ROM. No se considera necesario ampliar la memoria.
 
* Puerto serie para comunicación con el exterior del sistema.
 
* Memoria EPROM para su uso en la comunicación con el exterior del sistema.
 
 
Son muchos los microcontroladores que actualmente cumplen estos requisitos mínimos y diversas las casas que los fabrican. Existen, además de los microcontroladores clásicos, los DSP (Digital Signal Proccessing), cuya arquitectura interna difiere del µC con objeto de agilizar la comunicación, para el trabajo en tiempo real, pero en nuestro caso esta actividad la llevará a cabo el MPID, por tanto el µC es adecuado y suficiente.
 
Fabricantes de referencia en este campo son "Motorola" e "Intel". Se ha buscado información de ambas casas, teniendo ofertas similares. En concreto, y aunque se ha optado por la familia 8051 de "Intel", se estudió la familia 68HC11 de "Motorola", que aporta en su modelo MC68HC11F1 un convertidor analógico digital (ADC) interno de 8 bits que pudiera resultar útil en el manejo de datos analógicos procedentes del puente H.
 
Pero esto se va a resolver en forma diferente, y por otro lado en la comparativa de velocidades del reloj, la oferta de la familia 8051 es más ventajosa.
 
No podemos obviar tampoco que la información disponible de la familia 8051 ha sido mayor, siendo muy utilizados y muy estudiados. Por tanto hemos optado por un sistema ya conocido y ampliamente experimentado.
 
La elección del modelo, con arreglo a las necesidades dio como resultado el uso del 87C51RC, encapsulado DIP, con 40 contactos.
 
Sin embargo, y como era de esperar, al recabar información en la página "web" de Intel, encontramos la última actualización de la familia, los 8XC251XX, que prometen compatibilidad "hardware" y "software" con la primitiva MCS51, mejorando aspectos externos e internos. El encapsulado es de 44 pines, PLCC, puesto que no es preciso mantener compatibilidad. Aunque no es objeto del trabajo, en paralelo con la descripción del nuevo modelo seleccionado incluimos datos del antiguo en plan comparativo.
 
El modelo seleccionado, equivalente al 87C51RS va a ser el 87C251SB de la misma casa Intel. Entre corchetes [x], se incluyen las diferencias, cuando las hay, con el antiguo modelo.
 
Sus características generales son:
 
* 1 K Byte de memoria RAM. [512 bytes]
 
* 16 K ROM / OTPROM / EPROM. [32K]
 
* Reloj (CLK) de 16 Mhz. [12 Mhz]
 
* 4 puertos paralelo bidireccionales de 8 bits.
 
* 3 contadores de 16 bits con:
 
 1 contador arriba / abajo
 Salida de reloj
* Puerto serie programable "Full Duplex"
 
* Set de instrucciones ampliado
 
* 3 contadores de 16 bits
 
* Estructura de Interrupciones
 
 Siete fuentes de interrupción
 Cuatro niveles de prioridad
 
* Vigilante Watchdog hardware
 
* Reducción de consumo tipos "idle" y "power down".
 
* Más detalles en las características del fabricante.


 
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µC 87C251SB. DESCRIPCIÓN DE PATILLAS

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"Pin out"detallado del Microcontrolador 87C251SB 

PIN

SIGNO

DESCRIPCIÓN ALTERNATIVA
01 VSS1 ALIMENTACIÓN  
02 P1.0 PUERTO 1.0 T2   
03 P1.1 PUERTO 1.1 T2EX  
04 P1.2 PUERTO 1.2 ECI  
05 P1.3 PUERTO 1.3  CEXO  
06 P1.4 PUERTO 1.4 CEX1  
07 P1.5 PUERTO 1.5 CEX2  
08 P1.6 PUERTO 1.6 CEX3 WAIT #   
09 P1.7 PUERTO 1.7 CEX4 A17 WCLK  
10 RST RESET  
11 P3.0 PUERTO 3.0. RECEPCIÓN SERIE RXD
12 VCC2 ALIMENTACIÓN  
13 P3.1 PUERTO 3.1 TRANSMISIÓN SERIE TXD
14 P3.2 PUERTO 3.2 INTERRUPCION 0 /INT0
15 P3.3 PUERTO 3.3 INTERRUPCION 1 /INT1
16 P3.4 PUERTO 3.4 TIMER 0 T0
17 P3.5 PUERTO 3.5 TIMER 1 T1
18 P3.6 PUERTO 3.6 ESCRITURA /WR
19 P3.7 PUERTO 3.7 LECTURA A16 /RD
20 XTAL2 CRISTAL DE RELOJ EXTERNO. ENTRADA  
21 XTAL1 CRISTAL DE RELOJ EXTERNO. COMÚN  
22 VSS COMÚN ALIMENTACIÓN  
23 VSS2    
24 P2.0 PUERTO 2.0 DIRECCIÓN ALTA 8 A8
25 P2.1 PUERTO 2.1 DIRECCIÓN ALTA 9 A9
26 P2.2 PUERTO 2.2 DIRECCIÓN ALTA 10 A10
27 P2.3 PUERTO 2.3 DIRECCIÓN ALTA 11 A11
28 P2.4 PUERTO 2.4 DIRECCIÓN ALTA 12 A12
29 P2.5 PUERTO 2.5 DIRECCIÓN ALTA 13 A13
30 P2.6 PUERTO 2.6 DIRECCIÓN ALTA 14 A14
31 P2.7 PUERTO 2.7 DIRECCIÓN ALTA 15 A15
32 /PSEN STROBE MEMORIA EXTERNA  
33 ALE HABILITA LATCH DIRECCIONES / ENTRADA PROGRAMACIÓN EPROM /PROG
34 VSS2    
35 /EA HABILITA ACCESO EXTERNO / ALIMENTACIÓN PROGRAMACIÓN EPROM VPP
36 P0.7 PUERTO 0.7 DIRECCIÓN BAJA 7 AD7
37 P0.6 PUERTO 0.6 DIRECCIÓN BAJA 6 AD6
38 P0.5 PUERTO 0.5 DIRECCION BAJA 5 AD5
39 P0.4 PUERTO 0.4 DIRECCIÓN BAJA 4 AD4
40 P0.3 PUERTO 0.3 DIRECCION BAJA 3 AD3
41 P0.2 PUERTO 0.2 DIRECCION BAJA 2 AD2
42 P0.1 PUERTO 0.1 DIRECCION BAJA 1 AD1
43 P0.0 PUERTO 0.0 DIRECCION BAJA 0 AD0
44 VCC ALIMENTACIÓN POSITIVA  
µC 87C251SB. DESCRIPCIÓN DE PATILLAS

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ÍNDICE del PROYECTO

Capítulo II
Puente H.
Descripción de la arquitectura del dispositivo puente H .

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En la figura 2.6 se muestra la arquitectura equivalente mediante cuatro interruptores del diseño conocido como puente " H ". 
Este puente recibe una alimentación de DC y permite un control bidireccional de la corriente que circula por el motor.

Figura 2.6 Puente H


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Capítulo III
Etapa de potencia.
Justificación.

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Los requerimientos de potencia de nuestro trabajo están por encima de las soluciones completamente integradas para el control de motores de corriente continua, al superarse los 10 W que soporta esta solución.

En consecuencia, la etapa de potencia ha de ser construida con componentes activos y discretos y dimensionados éstos para atender los requerimientos previstos.

La topología no ofrece alternativa, una vez decidido el controlador que la va a dirigir, el LM629, con salida PWM, por lo que se diseñará un puente en H.

Igualmente sucede con los elementos de conmutación, que entran en la gama de posibilidades de los MOSFET, no existiendo necesidad de una potencia mayor que requiriera IGBT o conmutadores controlados de mayor potencia.

El control del puente, proveniente del controlador, va a llevar el disparo de los MOSFET mediante "drivers" integrados del tipo IR2110, de "International Rectifiers", específico para este tipo de aplicaciones, que soporta entrada PWM y salidas complementarias referenciada a masa una y flotante la otra, para solventar los problemas inherentes al referenciado del disparo en las líneas de puerta no referenciadas a la masa de potencia, Q3 y Q1. También aporta una desactivación del puente por exceso de corriente que proviene del "sensado" de la corriente de la línea de potencia.

El proceso de selección de componentes del puente y su dimensionado se detalla posteriormente.

A continuación se resume el funcionamiento básico de esta topología.

Convertidor "Full-Bridge", puente completo (H).

Partiendo de una alimentación continua (potencia) aplicada sobre Q1 (+) y Q2 (-) y aplicando señales de disparo a los MOS FET, se pueden dar las siguientes situaciones:

1 Conducción de Q1 y Q4:

La carga inductiva se ve sometida a una tensión de magnitud igual a la de la fuente, invertida en signo. Por ella circula una corriente de sentido negativo respecto de la referencia.

2 Conducción de Q1 y Q3 o Q2 y Q4:

La carga resulta cortocircuitada, con tensión cero y sin circulación de corriente.

4 Conducción de Q3 y Q4 o Q1 y Q2:

Estas situaciones resultan prohibidas, porque tienen como consecuencia cortocircuitar la potencia.

Cuando aplicamos un control de puerta a los MOSFET en forma que ésta sea la misma para Q2 y Q3 e igual pero complementaria para Q1 y Q4, el circuito alternará el signo de tensión y corriente siguiendo el ciclo de disparo (ciclo de trabajo) sobre la carga. Al tratarse de una carga inductiva, y si el ciclo de trabajo fue calculado para permitir la carga y descarga del bobinado, a través de la carga circula una corriente media que excitará el motor de forma proporcional al tiempo en que resulten disparadas las líneas de MOSFET.

Con las combinaciones descritas anteriormente, fácilmente se ve que, actuando sobre el disparo, podemos regular el nivel de la corriente media de excitación del motor (velocidad) y su sentido (sentido de giro). Igualmente se puede para el motor, impidiendo que circule corriente por su bobinado. Este es el tipo de control que precisa nuestra aplicación.

Concretando, al disponer de un control de disparo en forma de magnitud y signo, lo que éste pretende es regular la velocidad mediante el ancho del pulso considerado respecto de una frecuencia fija (ciclo de trabajo) y su sentido de giro con la señal de signo.

Consideraciones.

Se fijará una magnitud máxima de la alimentación (potencia), que será la máxima potencia del motor que podamos situar como carga. Esta potencia máxima viene limitada por las prestaciones del tipo de MOSFET seleccionado. Se determinarán las dimensiones de diodos rápidos (Schotky) entre drenador y fuente de los MOS FET, en función de los picos de tensión por carga inductiva esperados.

Se fijará un ciclo de trabajo que también tendrá un máximo, del orden de kilo hercios, determinado por la capacidad de los MOSFET. Esta frecuencia limitará también el tipo de carga que se pueda situar, porque debe ser coherente con las características inductivas del motor, en el sentido de que sus bobinados sean capaces de seguir el ciclo de carga y descarga requerido. El ciclo de trabajo se fijará mediante el reloj del controlador LM629. Esta señal de control se conducirá al driver IR2110 a través de opto acopladores, para evitar interferencias entre el circuito lógico y el de potencia, aislándolos entre sí.

Se fijarán unos "tiempos muertos" en los cuales no exista excitación de puerta ninguna, durante las transiciones, para dar tiempo a los MOSFET a alcanzar el estado requerido de conducción o bloqueo, ya que su capacidad de entrada en puerta retrasa su respuesta.

De lo contrario se producirán combinaciones indeseadas. Se determinarán por las características de los MOSFET y se fijarán en la entrada de los "drivers" IR2110 mediante una red R-C. Al tratarse de nano segundos, estos tiempos no resultan significativos con respecto de la frecuencia de trabajo.

Se determinará el tipo y dimensionado de los disipadores de los MOS FET para garantizar la potencia máxima fijada, calculados sobre la impedancia térmica que suponga la conmutación. La realimentación del sistema tomará muestras de un "encoder" fijado sobre el rotor del motor, conducida al controlador LM629 mediante "line drivers" de línea diferencial.

Se tomará muestra del consumo de corriente del puente, mediante sensado sobre la línea de retorno de potencia, para controlar su magnitud máxima y media que será tratada y digitalizada por un interfase diseñado al efecto, para su lectura por el µC, con objeto de que éste determine los límites de funcionamiento esperado y active una protección si se ven superados.

Se establecerá un control de exceso de temperatura que se tomará sobre el disipador de los MOSFET y activará una interrupción del µC. Se diseñará el interfase que conduzca esta señal de interrupción.

Los requerimientos de potencia de nuestro trabajo están por encima de las soluciones completamente integradas para el control de motores de corriente continua, al superarse los 10 W que soporta esta solución.

CNAM

 

CNAM Loyola Aranjuez


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Capítulo IV
Formas de señales del PWM
El puente H, realiza la interfaz fácilmente con diferentes formas de señal PWM.
A continuación se describen las dos formas más populares de PWM.

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1. Simple señal de fase del PWM. Esta consiste de una simple señal de una variable de ciclo obligado en la cual son en codificadas ambas la dirección y la información de la amplitud como se ve en la figura 2.6a.
Donde una señal PWM con un ciclo obligado del 50% representa el manejo del cero, ya que el valor de la red de voltaje (integrada sobre un período) entregado a la carga es cero.

Figuras 2.6a y 2.6b

2. Signo y magnitud de PWM, consiste de una dirección separada y una señal de amplitud ver figura 2.6b. La señal de magnitud es modulada de ciclo obligado, y la ausencia de una señal de pulso (una lógica continua de nivel bajo), representa un manejo de cero. La corriente entregada a la carga es proporcional al ancho de pulso.

CNAM Loyola Aranjuez


 
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Capítulo V
Limitación de corriente
El circuito de protección para la limitación de corriente será incorporado dentro del diseño del puente H.

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Pero como cualquier dispositivo de potencia, es importante que se considere el efecto de la corriente que surge sustancialmente a través del dispositivo. El sensado de corriente se tomara a través de una resistencia de 0.1ohmio, este estará formado por un "AO" del tipo LM 324 y este conectara a un comparador del tipo LM 311.

CNAM Loyola Aranjuez


 

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ÍNDICE del PROYECTO

Sistema de control de motores de Corriente Continua basado en el microcontrolador LM629

PROYECTO para la obtención del Título de BACHILLERATO + 4 DE CNAM FRANCIA

Proyecto PDF

PROYECTO Versión PDF


Juan Antonio Pizarro Martín
Julio Martín Rodríguez
Ángel Puerta Rubio

Perfil Profesional

J. Sereira - El turiferario

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Sereira: La mano de la diosa           ISBN 13: 978-84-96621-63-3


Sereira: La mano de la diosa

El autor, Juan Antonio Pizarro Martín.

Nacido en Madrid pero residente en Aranjuez desde siempre, disfruto de esta población privilegiada por sus jardines y sus sotos, como lo hará cualquiera que se acerque por aquí; y no puedo evitar hacerlo notar en mis escritos.
No hay mucho más de notable para el público en mi biografía, salvo que interese saber que nací en el 59 del siglo pasado, bajo el signo de Sagitario.

Y que la novela se la dedico a mis padres y también a Maite y Magda, por haber sido tan pacientes conmigo.


Igualmente he de agradecer el poema prólogo a Marcela Vanmak.

Y por supuesto a mi amigo Luis Tobalina, autor del dibujo de la portada.

Sinopsis

Juan T. Volta, escritor de relativo éxito, está secretamente instalado en Aranjuez donde trabaja en su última novela.
Su rutinaria vida se ve rota por la aparición de un e-mail firmado por “Sereira”.
Sereira resulta ser Eugène, una joven atractiva e inquieta que le dice a Juan que “tiene la marca”, y a la que Juan cree tan sólo porque ella luce un buen cuerpo y parece interesada en él.
Sus actividades les llevaran como un torbellino a meterse de lleno en una historia de puertas estelares, extrañas apariciones e intereses en que Juan aprenderá a ver las cosas de otro modo, mucho menos cínico, y donde todo se resolverá al final en una fuente de Aranjuez, en la mano de la Diosa.

Juan Antonio

 


 
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