capítulo 2: equipo utilizado para el desarrollo del...

Capítulo 2: Equipo utilizado para el desarrollo del proyecto


2.1. Introducción

El dispositivo fundamental sobre el que versa el desarrollo del proyecto es el pedestal

de sensores que puede observarse en la figura 2.1, que se encuentra en los laboratorios del

Departamento de Sistemas y Automática de la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla.

Sus principales características se detallan el el cuadro 2.1

La planta consiste en el pedestal con sus sensores y actuadores. El sistema incluye

7

Ilustración 2.1. Pedestal de sensores

2.1. Introducción

servo motores de corriente continua y encoders para la realimentación de la posición. El par

de rotación del rotor lo proporciona un motor de corriente continua de imán permanente,

cuya posición angular es medida por un encoder óptico de 2000 pulsos por vuelta. El eje del

motor se acopla al eje de la carga mediante una reductora y el eje de la carga va equipado

con otro encoder de 10000 pulsos por vuelta, que permite medir la posición relativa de los

dos ejes y la medida de las holguras en los engranajes. Para medida y control se utiliza un

periférico de entrada y salida, que es una interfaz hardware entre la planta y las tarjetas de

control dSPACE, basadas en procesadores digitales de señal (DSP) La señal de posición

generada por los encoders se recibe en el periférico de E/S y se dirige a las tarjetas dSPACE,

donde el usuario implementa el algoritmo de control. La señal de control se redirige desde

las tarjetas dSPACE al periférico de E/S y de éste a los actuadores. Las dos tarjetas dSPACE

(una por eje) están alojadas en un ordenador de sobremesa, que direcciona el flujo de

información y los comandos de control mediante una interfaz software diseñada para ello.

Cobertura Angular Orientación 0º a 360ºElevación -70º a 40º

Velocidad Máxima Orientación 40º/sElevación 20º/s

Carga Máxima 30 Kg balanceados

Frenos Eléctricos en ambos ejes

Tipo de motor De continua sin escobillas

Sensor angular Encoger

Control del motor Señal ±10VdcCuadro 2.1: Datos técnicos del pedestal de sensores

2.2. Aplicaciones software

Se han utilizado principalmente dos:

• Matlab v5.3. El uso de esta aplicación se centra en la herramienta de

simulación Simulink v3.0 y diversas toolboxes (conjuntos de herramientas) de

control en tiempo real e identificación de sistemas. Los bloques de Simulink del tipo

S-Function para el intercambio de datos entre las tarjetas controladoras dSPACE

fueron programados en lenguaje C y compilados mediante Microsoft Visual C++

6.0 en proyectos anteriores. Para implementar los algoritmos de control en las

tarjetas controladoras se utiliza la toolbox Real Time Workshop junto con la librería

8


Real Time Interface Library de la firma dSPACE.

• dSPACE Controldesk v1.2. Permite la visualización, modificación y

adquisición de datos relativos al control del pedestal en tiempo real. Incorpora una

interfaz integrada con Matlab que permite, mediante el Real Time Workshop (RTW)

y Real Time Interface Library (RTI) la compilación de modelos realizados en

Simulink y su posterior carga en tarjetas dSPACE.

2.3. Hardware

2.3.1. Pedestal de sensores

Presenta dos grados de libertad, uno en orientación y el otro en elevación (ver figura

2.2) El movimiento es generado por dos motores de corriente continua de imán permanente,

sin escobillas (ver figura 2.3) con encoders ópticos y controlados mediante sendos servo

amplificadores. Su velocidad de giro nominal es de n=2000 rpm y su par nominal

T n=0.3 Nm

9

Ilustración 2.2. Modelo 3D del pedestal de sensores

2.3. Hardware

2.3.2. Servo amplificador

Para cada eje se dispone de un servo amplificador PWM (Pulse Width Modulation)

BE15A8 de Advanced Motion Controls (ver figura 2.4) que consta de tres entradas de

sensores Hall.

Las características más destacadas se observan en el cuadro 2.2:

Especificaciones Servo amplificador

Alimentación DC 20-80 V

Corriente de pico ±15 A

Máxima corriente continua ±7.5 A

Potencia disipada a corriente continua 30 W

Cuadro 2.2: Especificaciones del servo amplificador

10

Ilustración 2.3. Motor de continua sin escobillas

Ilustración 2.4. Servo amplificador


Los servo amplificadores presentan dos modos de funcionamiento: en modo corriente

o en modo velocidad. En el primero, el servo amplificador cierra un bucle de corriente

regulando la tensión aplicada al motor mediante PWM de forma que la consigna es la

intensidad que se hace circular considerada como un porcentaje de la corriente máxima

admisible de cada motor. En modo velocidad el servo amplificador cierra un bucle de

velocidad sobre el bucle de corriente, de modo que la consigna se traduce en el porcentaje de

velocidad máxima de la configurada para ese motor. En el desarrollo de este proyecto se ha

trabajado siempre en modo corriente.

2.3.3. Codificadores de la posición del eje de la carga

Para el control del movimiento de cada uno de los ejes es necesario conocer en todo

instante tanto su posición como su velocidad. Es necesario pues, incorporar al sistema de

accionamiento de cada eje un dispositivo que nos dé una medida de la posición de dicho eje.

La precisión del posicionamiento no depende sólo de la resolución del sensor, sino también

de efectos no considerados, como la flexión de la estructura o los juegos angulares

introducidos por los elementos reductores. El encoder incremental se compone de tres

elementos:

• Un disco con franjas transparentes y opacas alternadas, dispuestas en sentido

radial.

• Un emisor de luz o fotocélula, en una cara del disco

• Un receptor de luz en la cara opuesta.

Al girar el disco, el haz de luz del emisor será interceptado por las franjas opacas y las

franjas transparentes le permitirán el paso, por lo que el receptor recibe pulsos de luz. La

señal de salida del receptor consiste en trenes de impulsos, cuya frecuencia es proporcional a

la velocidad de giro del disco y el número de pulsos, proporcional al ángulo girado.

Para determinar el sentido de giro del disco, existen dos opciones: utilizar dos

conjuntos emisor/receptor desfasados 90º entre sí, o bien un disco con dos pistas de franjas

desfasadas 90º una con respecto a la otra. En ambos casos la salida son dos señales en forma

de trenes de pulsos y desfasadas 90º Dependiendo de cuál de las dos esté en avance de fase,

se determina el sentido de rotación del motor.

Las dos señales se conectan a un contador que se incrementará al detectar el giro en un

sentido y se decrementará al detectar el sentido contrario. El valor del contador indica el

ángulo girado respecto a una posición de referencia que se toma como valor cero del

11

2.3. Hardware

contador.

Los encoders incrementales no determinan la posición absoluta de un eje, sino la

posición relativa con respecto a la posición de origen. Por tanto, cada vez que se alimenta de

nuevo el sensor es necesario realizar una secuencia de búsqueda de ceros.

La resolución de los sensores incrementales es función del número de franjas del disco

y por tanto, está limitada por el tamaño de los sensores.

En este proyecto se dispone de un codificador de posición incremental en cada uno de

los dos ejes de la carga, orientación y elevación. Tienen una resolución de 10000 impulsos

por vuelta y están alimentados a 5 Vdc.

2.3.4. Motor de continua sin escobillas

En robótica, así como en otros campos en los que se necesitan accionamientos de

velocidad variable, los motores de corriente continua han sido hasta hace algunos años los

más utilizados, debido a que resulta más sencillo controlarlos en velocidad que los de

corriente alterna. No obstante, presentan el inconveniente del obligado mantenimiento de las

escobillas. Por otra parte, no es posible mantener el par con el rotor parado más de unos

pocos segundos, debido al calentamiento del colector.

Para soslayar estos problemas se han desarrollado los motores sin escobilla. En éstos,

los imanes de excitación se sitúan en el rotor y el devanado de inducido en el estátor, con lo

que es posible convertir la corriente mediante interruptores estáticos que reciben la señal de

conmutación a través de un detector de posición del rotor.

En el proyecto se utilizarán dos motores de continua sin escobillas. Incorporan un

freno eléctrico que se libera alimentando con una tensión continua de 24 V, lo que permite

bloquear los ejes de movimiento en cualquier posición.

La principal ventaja del servo respecto a los sistemas de control de movimiento paso a

paso es el empleo de realimentación mediante encoder en los sistemas controlados por servo,

que comunica la posición real del eje al regulador. Ante cualquier error, el servo puede

efectuar la acción correctiva para asegurar que el motor alcanza la posición adecuada. Los

reguladores paso a paso sólo pueden emitir una orden de movimiento y confiar en que el

motor sea capaz de seguirla. En los sistemas regulados por servo no hay pues, pulsos

perdidos, conocen exactamente en cada momento dónde se encuentra el motor y todas las

ordenes de paso son ejecutadas.

Los motores utilizados en este proyecto se encuentran instalados dentro del pedestal

12


de sensores, el de orientación en posición vertical y el de elevación en horizontal. Ambos

disponen de encoder óptico absoluto, el cual permite conocer la posición absoluta del eje. Se

diferencia del encoder óptico incremental en que el disco cuenta con varias pistas

concéntricas con las franjas distribuidas siguiendo un código. El número de

emisores/receptores es igual al número de pistas del disco. Las señales de salida representan,

en forma de código, el ángulo del eje de giro del disco. La resolución de un encoder absoluto

se expresa como 2n , siendo n el número de pistas del disco. Se pueden usar distintos tipos de

codificación para el disco, siendo las más usadas binaria, GRAY y BCD. El binario presenta

el problema de que entre un paso y el siguiente puede cambiar uno o dos bits, problema que

soluciona la codificación GRAY.

Las características de los motores, obtenidas de los catálogos de Rockwell

Automation, se detallan en el cuadro 2.3.

Parámetro Valor

KT 0.139 Nm/A

KE 14.6 V/krpm

Jm 0.09617 Kgm2

Ra 3.0 Ω

La 7.8 mH

Alimentación frenos 24 VdcCuadro 2.3: Datos del motor

En cada eje se dispone de una reductora, siendo en el eje de orientación de 80:1 y en el

de elevación de 160:1. Además, la correa de transmisión tiene una relación de 5:1 (ver figura

2.5) por lo que las reducciones efectivas serán las del cuadro 2.4.

13

Ilustración 2.5. Diagrama de transmisión electro-mecánica

2.3. Hardware

Eje Reducción

Orientación 400:1

Elevación 800:1Cuadro 2.4: Coeficientes de reducción

Los motores vienen equipados con codificadores de posición ópticos con una

precisión de 2000 pulsos por vuelta y disponen de dos conectores, uno mediante el que se

cablean las señales del motor propiamente dicho y otro que cablea las señales del encoder

óptico.

2.3.5. Giróscopos

Situados físicamente en dos cubos de aluminio montados en el eje de elevación, se

dispone de dos giróscopos de fibra óptica con salida serie RS232 a 9600 baudios (ver figura

2.6)

El principio por el que se basa un giróscopo láser es el llamado efecto Sagnac, basado

en la diferencia de los caminos recorridos por dos haces luminosos dentro de un anillo de

fibra. Las principales ventajas de los giróscopos ópticos sobre los mecánicos son:

• No poseen partes móviles, por lo que no es necesario un tiempo de

calentamiento.

• No son sensibles a la gravedad.

• Gran rango dinámico.

• Lectura digital.

• Bajo coste.

• Tamaño reducido.

Para la lectura de datos se ha integrado en el programa de control una rutina

14

Ilustración 2.6. Giróscopo utilizado


desarrollada en proyectos anteriores.

2.3.6. Mesa desestabilizadora

Equipada con dos ejes situados como se observa en la figura 2.8. En cada eje se

dispone un motor acoplado a un pistón, el cual realiza un movimiento longitudinal a lo largo

del eje.. Su función es desestabilizar el pedestal. Sólo se utilizará como fuente de

perturbaciones en el experimento de seguimiento de referencia nula.

15

Ilustración 2.7. Giróscopos. Detalle de instalación

Ilustración 2.8. Mesa desestabilizadora

2.3. Hardware

2.3.7. Ordenador personal

Equipado con microprocesador Intel Pentium 4 a 2.8 MHz, 512 Mb de memoria

RAM, 74.5 Gb de disco duro y sistema operativo MS Windows 2000. En este ordenador se

encuentran instaladas las tarjetas dSPACE y una tarjeta de red mediante la cual puede

comunicarse con otros ordenadores, lo que hace posible futuras aplicaciones de control por

visión asistido por un ordenador auxiliar.

2.3.8. Tarjetas controladoras dSPACE

Son del modelo DS1102 y se hallan instaladas en los slots (ranuras) ISA del

ordenador. Sus características más importantes son:

• Están específicamente diseñadas para el desarrollo de controladores

multivariables de alta velocidad y simulaciones en tiempo real.

• Basadas en el procesador DSP TMS320C31 de Texas Instruments.

• Reloj de 60 MHz

• Interrupciones externas

• Memoria RAM de 128 Kb x 32 bits.

• Entradas analógicas: 2 canales paralelos de 16 bits, con tiempo de conversión

de 4 μs, 2 canales paralelos de 12 bits, con tiempo de conversión de 1.25 μs y de

tensión de entrada.

16

Ilustración 2.9. Puesto de trabajo


• Salidas analógicas: 4 canales paralelos de 12 bits, con tiempo de ajuste de 4 μs y

±10 V de rango de tensión de salida.

• Entrada/Salida digital: subsistema programable basado en el DSP a 25 MHz

TMS320P14 de Texas Instruments, 16 líneas de entrada/salida digital, hasta 6 canales de

generación PWM e interrupción por el usuario.

• Interfaz del encoder incremental: multiplicación de pulso cuádruple, 2 canales de

entradas paralelos para dos líneas de fase y una de índice para cada uno, filtro de ruido y

contador de posición de 24 bits.

• Características físicas: alimentación a ±5 V, 1.5 A y ±12 V, 100mA. Conector de

62 pines hembra.

17

2.3. Hardware

18

capítulo 2: equipo utilizado para el desarrollo del...

Documents