Sistemas Embebidos 1º Cuatrimestre de Conversión Digital/Analógica. Sistemas Embebidos - 1º Cuatrimestre de Prof: Sebastián Escarza 1

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Sistemas Embebidos

1º Cuatrimestre de 2016

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CLASE 8: CONVERSIÓN D/A,

ACTUADORES Y CONTROL DE MOTORES

Dpto. de Cs. e Ing. de la Computación Universidad Nacional del Sur Bahía Blanca, Buenos Aires, Argentina

Prof: Sebastián Escarza

Contenido

• Conversión D/A

• Algunos actuadores con interface analógica:

Algunos actuadores con interface analógica:

– Motores de corriente continua – Motores paso a paso

– Servos

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Dispositivos y E/S

• Anteriormente vimos:

– la utilización de dispositivos internos del p

microcontrolador (dispositivos que no implementan interfaces).

– la utilización de dispositivos mediante puertos/interfaces digitales.

– la integración de dispositivos analógicos de entrada en

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Conversión Digital/Analógica

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Conversión Digital/Analógica

• Los DAC son más económicos que los ADC: no

suele haber multiplexado de los canales.

p

– Filtrado: para eliminar el ruido/suavizar la señal – Amplificación (analógica): para ajustar señal y operar en

potencia

– Transductor: el actuador a controlar

• Ej: mostrar

temperatura:

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Conversión Digital/Analógica

• Conversor Digital/Analógico (DAC): a partir de

valores digitales provistos por el microcontrolador

g

p

p

genera una señal analógica.

• Varios tipos de técnicas:

– Pulse Width Modulation (PWM)

– Usando amplificadores sumadores analógicos

• Amplificador sumador convencional • DACs de resistencias en escalera

– Usando decodificadores

– Codificación de Termómetro (notación unaria). – Híbridos: combinan las técnicas anteriores.

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Conversión Digital/Analógica

• PWM: Uno de los métodos más simples.

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Conversión Digital/Analógica

• Amplificadores sumadores analógicos:

– Amplificador sumador convencionalp (peso binario a cada bit)

– DACs de resistencias en escalera

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Conversión Digital/Analógica

• Amplificadores sumadores analógicos:

– Amplificador sumador convencionalp (peso binario a cada bit)

– DACs de resistencias en escalera

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Conversión Digital/Analógica

• Usando decodificadores:

Conversión Digital/Analógica

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Conversión Digital/Analógica

• Codificación de Termómetro (notación unaria):

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Interfaces y actuadores

Actuadores

• Actuar sobre entorno: tarea usual en Sist. Emb.:

– Producir movimiento: lineal (solenoides), angular (servo ( ), g ( motores), etc.

– Accionar válvulas y/o mecanismos neumáticos – Controlar termostatos

– Implementar herramientas de Control Numérico Computarizado (CNC): (ej: tornos, fresadoras, etc.). (ej: tornos, fresadoras, etc.). – etc.

• A continuación nos centraremos en controlar

motores.

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Tipos de motores y esquemas

simples de control

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Tipos de motores

• Los motores proporcionan una interfaz en general

analógica y suelen incorporar una caja de

g

y

p

j

reducción para ajustar el par motor y la velocidad

de la carga.

• A continuación analizaremos los siguientes tipos

de motores utilizados comúnmente en sistemas

embebidos:

embebidos:

– Motores de corriente continua (DC Motors) – Motores paso a paso (Stepper Motors)

– Servos (inherentemente controlados con realimentación)

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Motores de corriente continua

Motores de corriente continua (DC)

• Simples de manejar.

• Giran mientras se les aplica corriente

Giran mientras se les aplica corriente.

• Útiles cuando se requiere alta velocidad y

eficiencia (en relación al consumo) del motor pero

no tanta precisión en el control.

Motores de corriente continua (DC)

• Dos tipos principales:

– con escobillas (brushed DC motors): conmutación ( ) mecánica

– sin escobillas (brushless DC motors): conmutación electrónica

(6)

Controlando Motores DC

• En motores DC principalmente se efectúan dos

tipos de control :

p

– control del sentido de rotación.

– control de la velocidad/torque del motor.

• Se les pueden incorporar encoders (mecanismos

de sensado de la posicion del eje) para lograr un

control más preciso (control realimentado).

p

(

)

• Retomaremos la utilización de encoders cuando

abordemos las técnicas de control realimentado.

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Controlando Motores DC

• Puente H (H-Bridge): switching reversible –

controlando el sentido de giro.

g

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Controlando Motores DC

• Puente H (H-Bridge): switching reversible

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Puente H y cuestiones eléctricas

• Puente H de control:

• Hay que controlar

el temporizado de la

conmutación para

evitar cortocircuitos.

• Hay que evitar que

Hay que evitar que

las líneas de control

floten libremente al

inicializar el sistema.

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Puente H y cuestiones eléctricas

• Puente H de control:

• Las propiedades

constructivas de los

transistores también

pueden desencadenar

un corto (capacidades

parásitas).

p

)

• Se atenúa el efecto,

minimizando la

impedancia del driver.

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Controlando Motores DC

• Ej. L293D ASIC

dual H-Bridge

g

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Controlando Motores DC

• PWM – controlando la velocidad de giro

Controlando Motores DC

• PWM – controlando la velocidad de giro:

– La respuesta ante la señal PWM no es instantánea (inercia).p ( ) – La velocidad alcanzada no es lineal en función del PWM

(8)

Controlando Motores DC

• Pueden requerir realimentación para facilitar el

control (giran libremente mientras reciben tensión)

(g

)

– shaft encoders ópticos

– shaft encoders magnéticos (sensores de efecto hall)

E t

l ú i

d

l

l id d d

• Esta es la única manera de conocer la velocidad de

giro de manera precisa:

– ante cargas variables.

– para compensar las no linealidades y los errores.

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Controlando Motores DC

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Controlando Motores DC

• Existen ASICs de control realimentado de motores

de corriente continua:

– Ej: LM628: DAC + PowAmp – Ej: LM629:

H-Bridge (PWM)

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Controlando Motores DC

• Para frenar motor:

– Mismo nivel lógico (nulo) en ambas entradas del H-g ( ) Bridge

– Poner la velocidad a cero (señal PWM nula)

• La única forma de ejercer un control preciso es

utilizando realimentación (vía encoders) para

medir:

– velocidad – posición

– distancia recorrida – etc.

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Motores paso a paso

Motores paso a paso (steppers)

• Se mueven un ángulo prefijado (gran control de la

posición angular del eje, en teoría).

p

g

j ,

)

• Pueden controlarse sin realimentación (control de

lazo abierto), pero:

– tienen características de inicio difíciles de manejar – muestran resonancia mecánica a ciertas velocidades – buen torque a bajas velocidades, pero decrece al

acelerar (velocidad máxima limitada).

• Esto puede hacer perder la sincronización entre el

stepper y el sistema de control.

• Más complejos de manejar que los motores DC.

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Motores paso a paso (steppers)

• Crean un campo magnético en el estator, al cual

se alinea el rotor

• Varios tipos:

– reluctancia variable

– magneto permanente (más torque que RV) – híbridos (añaden dientes a los de MP)

Motores paso a paso (steppers)

• Varios tipos:

– unipolares:p bobinados conectados a V+ en el centro – bipolares:

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Motores paso a paso (steppers)

• Varios tipos:

– unipolares: p

• bobinados conectados a V+ en el centro • más simple invertir el sentido de rotación • la lógica de control es más simple

– bipolares:

• bobinados sin conexiones comunes

• requieren puentes H para invertir el sentido de marcha • lógica de control más compleja

• lógica de control más compleja

• más potentes a igualdad de voltaje y corriente.

– Existen múltiples combinaciones de bobinados y conexionados...

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Controlando motores paso a paso

• Problemas con la resonancia mecánica:

– Si el campo magnético se establece p g en el estator, el rotor se alinea con cierta inercia que introduce oscilaciones hasta alcanzar la alineación final. – La frecuencia de dichas oscilaciones

depende de las características

constructivas del motor y de la carga asociada. – Si la tasa de stepping se aproxima a la frecuencia de

resonancia del motor, este pierde torque (puede causar salteo de pasos y pérdida de sincronización).

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Controlando motores paso a paso

• Problemas con la resonancia mecánica:

– En aplicaciones con una única tasa de p stepping, es sencillo evitar la resonancia. – En aplicaciones donde la tasa de

stepping varía, hay que estudiar este aspecto cuidadosamente (evitar operar el motor en las tasas problemáticas).

– Esto puede requerir introducir en el diseño algún Esto puede requerir introducir en el diseño algún encoder que realimente al sistema de control con información acerca de la posición angular del eje del motor.

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Controlando motores paso a paso

• Problemas con la

resonancia mecánica:

– pérdida de torque – pérdida de

sincronización

• Ej: variar la aceleración

para evitar las

frecuencias de stepping

resonantes.

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Controlando motores paso a paso

• Half-stepping:

– Incrementa la precisiónp en la rotación. – Consiste en colocar el rotor en posiciones intermedias entre dos pasos consecutivos. – Se logra energizando

simultáneamente más de un bobinado.

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Controlando motores paso a paso

• Half-stepping:

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Controlando motores paso a paso

• Microstepping:

– Llevar el esquema másq allá para lograr más posiciones intermedias (mayor precisión). – Señal de driving obtenida

a partir de un DAC

Controlando motores paso a paso

• Puente H de control:

(stepper bipolar)

(

pp

p

)

– cada bobinado se controla de manera separada.

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Controlando motores paso a paso

• Ej: ASICs para controlar motores paso a paso.

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Controlando motores paso a paso

• Control Chopper

en motores stepper:

pp

– para alcanzar más rápidamente el torque deseado. V ffijo o proveniente

Vreffijo o proveniente

de un DAC (software)

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Controlando motores paso a paso

• Control Chopper:

• Ej: L297 ASIC

Ej: L297 ASIC

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Motores paso a paso (steppers)

• Animación en línea:

– http://en.nanotec.com/support/tutorials/stepper-motor-p // / pp / / pp and-bldc-motors-animation/

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Servomotores

Servos

• Tipo particular de servomecanismo

(actuador mecánico controlado – con

(

sensor/encoder y realimentación).

• Hay servomotores de diferentes

calidades. Los más simples, usados en

modelismo (motores DC c/lógica que

permite posicionamiento angular preciso

del eje en rango aprox. de 180º).

j

g

p

)

– potenciómetro a la salida del eje (encoder) – caja de reducción (mayor torque)

– lógica de comparación de ancho de pulsos (PWM)

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Controlando Servos

• Permiten posicionamiento angular preciso.

• Dado un tren de

Dado un tren de

pulsos de entrada

(PWM), en función

del ancho de cada

pulso se obtiene

Controlando Servos

• A diferencia de PWM p/controlar un motor DC,

donde la amplitud del pulso define la velocidad

p

p

del motor, en el caso de los servos, la amplitud del

pulso define la posición angular del eje.

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Servos

duración del pulso colores de los cables

f b i t i di h iti ti w

fabricante min medio max hz positivo negativo pwm Futaba 0.9 1.5 2.1 50 rojo negro blanco Hitech 0.9 1.5 2.1 50 rojo negro amarillo

JR 0.8 1.5 2.2 50 rojo marron naranja

Multiplex 1.05 1.6 2.15 40 rojo negro amarillo Robbe 0.65 1.3 1.95 50 rojo negro blanco Simprop 1.2 1.7 2.2 50 rojo azul negro

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Servos

• Diferentes adaptadores para servos:

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Referencias

• Bräunl, T. Embedded Robotics: Mobile Robot Design and Applications with Embedded Systems 3rd Edition. Springer.

2008 SB 9 8 3 0 0 338 C í

2008. ISBN: 978-3540705338. Capítulo 4.

• Ganssle, J. Embedded System - World Class Designs. Newnes. 2007. ISBN: 978-0750686259. Capítulos 1 y 11. • Wilmshurst, T. Designing Embedded Systems with PIC

Microcontrollers: Principles and Applications. Newnes. 2006. ISBN: 978-0750667555. Capítulo 8.

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