Control De Velocidad De Un Motor De Una

Control de Velocidad de un Motor de una Maquina cortadora de Papel implementado con un Rectificador Trifásico E. Marte, BSEE., [email protected] Asociación de Robótica Aiolos Dominicana, Santiago, Republica Dominicana Resumen— Este documento redacta el desarrollo de un proyecto regulador de velocidad de un motor de una maquina cortadora de papel utilizando un rectificador trifásico. El sistema fue desarrollado para reparar una equipo que no estaba en operación en una empresa de procesado de papel en Santiago. El documento demuestra como puede ser utilizado un microcontrolador en ambientes industriales y como combinarlo con técnicas y circuitos de electrónica de potencia y algunos circuitos de acoplamiento y sensado analógicos manteniendo los costos bajos. Palabras clave— Rectificación, Control, microcontrolador, AVR, Electrónica de Potencia, trifásico, Cortadora de papel, PID, Lenguaje C, Sensores, Velocidad.

I. INTRODUCCIÓN

E

N los ambientes industriales es normal y es en mucho de los casos lo mas sensato que las empresas utilicen sistemas prefabricados o diseñados por grandes industrias para el control o implementacion en sus procesos. Lo usual es que al final decidan utilizar PLCs o algún tipo de controlador industrial así como también algún tipo de software de automatización acompañado de un hardware personalizado. Esta opción es viable pero algunas veces costosa para la relación costo / beneficio que se obtiene de la implementación. En este documento describimos el diseño de un controlador de velocidad de un motor DC utilizando un rectificador trifásico con un microcontrolador del tipo AVR como medio de control haciendo de este sistema una alternativa económicamente viable en contraste con un variador de Velocidad clásico. II. REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA Para nuestro sistema se nos plantearon ciertos requerimientos muy específicos y se nos suministro un hardware de potencia previamente configurado. El requerimiento básico es la puesta en funcionamiento de una maquina que estaba en operación (figura 1), su tarjeta de control dejo de funcionar. El hardware y los datos fueron los siguientes: •

Voltaje de Entrada: AC trifásico de 280 Voltios

• • • • •

Rectificadores de Potencia controlador (SCRs) Transformadores de Aislamiento para gatilleo de los SCRs (1 para cada SCR) Tres Interruptores de Control: Uno para el arranque (Start), uno para la parada (Stop) y el otro para avance lento Un encoder Acoplado al Motor Un Potenciómetro para controlar la Velocidad del Motor.

A. El Potenciómetro: Este dispositivo prefija la velocidad del motor desde un valor mínimo a un máximo de velocidad proporcional al voltaje de ajuste. B. Los Interruptores •

• •

El Interruptor de Start: Si el interruptor de Start o de comienzo es pulsado debe iniciar la marcha del Motor a la velocidad prefijada por el potenciómetro de control El Interruptor de Stop: Si este interruptor es presionado el Motor debe apagarse automáticamente como si fuere un botón de pánico El Interruptor de Avance Lento: Aquí el Motor debe avanzar a una velocidad lenta (preajustada) mientras este botón esta presionado.

C. El Rectificador: El rectificador lo conforman 3 rectificadores de Potencia que son activados por un pequeño transformador que aísla la señal del microcontrolador del sistema III. IMPLEMENTACIÓN Microcontrolador Se opto por utilizar un procesador de la familia e AVR de Atmel para controlar todo el sistema acompañado de una circuiteria discreta totalmente aislado por optocopladores. El microcontrolador seleccionado fue el ATMEGA16, un controlador que a primera instancia sobredimensiona el proyecto pero que elegimos por su memoria y nuestra intención de utilizar un controlador PID.

Figura 3.

Figura 1

Fuente de alimentación La fuente de poder de la aplicación que se eligió fue una fuente conmutada de computadora. La fuente en ambientes industriales hostiles (con mucho ruido) es uno de los Elementos más importantes para darle estabilidad al sistema a largo plazo. Sensor de Velocidad Para el sensor de Velocidad utilizamos un sensor magnético que fue acoplado a una pieza circular que se fabricó para acoplarse con el rotor del motor. Esta pieza tiene 8 ranuritas circulares con pedazos de metal que permite entonces que la obtención de 8 pulsos por revolución (Figura 2). Para el calculo de las RPM o revoluciones por minuto lo conectamos un transistor para ajustar los niveles entre el sensor magnético y un pin del microcontrolador, muy específicamente el PB0 que lo utilizamos como contador. (Figura 3). Prefijada una base de tiempo por interrupción interno en el programa a un ritmo de 61 pulsos por segundo empezamos a tomar muestra del conteo de la entrada del sensor magnético obteniendo los RPM resultante de (1) asumiendo que las muestras se toman cada 0.5 segundos.

 30.5 x60  RPM = ConteoTimer ×   8  

Rectificadores El circuito de los rectificadores lo componen 3 SCR de potencia los cuales estaban integrados en un disipador junto con los transformadores de acoplamiento (figura 4). Diseñamos un circuito driver con transistores para darle los pulsos a estos transformadores (figura 5.). Los SCR son disparados espaciados a 120 grados o 5.33 mili Segundos por ser circuitos trifásicos. Empleamos un circuito detector de cruce por cero con un opto acoplador en (figura 6) una sola fase que disparamos primero en la secuencia y las demás esperamos 5.5 mili segundos para disparar la segunda y unos 11 mili segundos para disparar la otra fase. Cabe notar la importancia de la selección de piezas en el cruce por cero. En el caso del diodo rectificador de entrada debe ser al menos un rectificador de unos 700 voltios pico dado los niveles de los voltajes de entrada que se manejan.

(1)

Figura 4

Figura 2

Potenciómetro y Velocidad Aunque el potenciómetro físicamente no es un dispositivo especial si lo es para el software ya que con el se determinad el set point de la velocidad de control del motor. Cuando medimos desde el potenciómetro el valor máximo de voltaje (5Voltios) entonces el ángulo de disparo de los SCR es el mayor (cercano a 0 grados o cero tiempo). Si el voltaje medido del potenciómetro es próximo a cero voltios entonces el motor estará cercano a su velocidad mínima o apagado. Se puede relacionar la velocidad en (2).

CONCLUSIONES

Figura 5.

 30.5 x 60  RPM = ConteoTimer ×   8  

(2)

Lista de Materiales El proyecto completo sin incluir la Fuente de Poder conllevo a una inversión estimada de unos 50USD en materiales. No estamos incluyendo el motor, equipos ni materiales suministrados. Incluimos una fotografía de la placa PCB prototipo en la figura 7. Cruce por Cero

Figura 6

Placa PCB Prototipo

Figura 7.

Con la utilización de un sistema con Microcontrolador en el control de velocidad de un Motor DC como aplicación industrial concluimos que es posible utilizar sistemas microcontrolador embebidos en ambientes hostiles (ruido industrial) con un funcionamiento más que aceptable. El costo de fabricación del prototipo puede reducir hasta unas 10 veces el costo de un equipo industrial como lo son los PLC o variadores de velocidad (dependiendo la marca y la potencia manejada). El tiempo de desarrollo de este sistema fue de unos 3 días que también debe agregarse al costo de producto final. Para desarrolladores de menos experiencia el tiempo de desarrollo puede ser aun mayor y además el costo de placas finales y los envíos podrían encarecer aun más el sistema. Un sistema como el propuesto es factible para empresas que poseen material humano calificado en el área para desarrollar estos productos. Podría ser utilizado como un producto alternativo de venta local una vez depurado. El sistema de regulación para el sistema propuesto fue de forma proporcional que fue ajustado en el campo. En planes futuros esta el desarrollar y probar un prototipo con PID y lógica Difusa o Borrosa. REFERENCIAS [1] B. Williams, “Power Electronics,” http://www.eee.strath.ac.uk/~bwwilliams/book-old1.htm [2] D. Hart, “Electrónica de Potencia,” Prentice Hall, 2001 M. Rashid, “Electrónica de Potencia” 3ra edición, 2004, Prentice Hall [3] http://www.atmel.com/ [4] Microchip, “Software PID Control of an Inverted Pendulum Using the PIC16F684” [5] Microchip, “Implementing a PID Controller Using a PIC18 MCU”

Edwin Marte nació en Santiago, Republica Dominicana, en el 1975. Graduado de la Pontificia Universidad Católica Madres Y Maestra de Ingeniero Electrónico (1998). Realizo post grados en Brasil y México en las Áreas de Física Medica y Control Electrónico (2000,2002). Actualmente es catedrático de la Universidad Tecnológica de Santiago donde imparte Cátedras de Electrónica de Potencia y control electrónico. Recibió reconocimientos distintivos de Circuit Cellar en competencias de Diseño con Microcontroladores AVR y en el 2008 Ganador de la Feria de Inventos de Republica Dominicana. .