Universidad catolica de cuenca unidad academica de ingenieria de sistemas, electrica y electronica



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UNIVERSIDAD CATOLICA DE CUENCA

UNIDAD ACADEMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELECTRICA Y ELECTRONICA

Control de Giro y Velocidad de un motor de Corriente Continúa utilizando un PC.”

Monografía previa a la obtención del Titulo de Ingeniero de Sistemas.

Autor: Anl. Solen Bolívar Quezada Naula.
Director: Ing. Michael Cabrera Mejia.

2006

CUENCA - ECUADOR

Los datos contenidos en esta monografía son de exclusiva responsabilidad del autor.


……………………..……………………..



Anl. Solen Bolívar Quezada Naula

DEDICATORIA


Con todo ahínco y esmero, dedico este trabajo investigativo a toda mi familia por su apoyo incondicional. A mis compañeros por creer en mi superación. A la Unidad Académica de Ingeniería Sistemas por darme la oportunidad de culminar mis estudios profesionalmente.
Anl. Solen Bolivar Quezada Naula

AGRADECIMIENTO


Agradezco a Dios por dotarme de fuerzas para no decaer y superarme en mis estudios y en mi vida. A mis padres por apoyarme sin reproches y darme el aliento necesario para culminar mi meta. A mis hermanos que me apoyaron y creyeron en mí, cuando más lo necesitaba. A mis profesores que supieron inculcarme en mi profesión sin prejuicio alguno.
INDICE


DEDICATORIA 3

AGRADECIMIENTO I

INTRODUCCION V

CAPITULO I 1

PUERTOS DEL COMPUTADOR PERSONAL 1

1.1DESCRIPCIÓN DE LOS PUERTOS DE LA PC 1

1.2MANEJO DEL PUERTO PARALELO 7

1.2.1 PROGRAMACION DEL PUERTO PARALELO DEL PC 9

1.2.2 ESCRIBIR AL PUERTO PARALELO 10

1.2.3 LEER DEL PUERTO PARALELO 10

CAPITULO II 2

MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA 2

2.1 CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA. 2

1.2TIPOS DE MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA. 4

2.2.1MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA DE IMÁN PERMANENTE 5

2.2.11.2.1.1MOTORES DE CORRIENTE CONTINÚA SIN ESCOBILLA 7

2.2.1.2SERVOMOTORES DE CORRIENTE DIRECTA 8

2.2.2MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA CON CAMPO DEVANADO 9

2.2.2.1MOTORES EN DERIVACIÓN 9

2.2.2.2MOTOR DEVANADO EN SERIE 11

2.2.2.3MOTOR COMPOUND 13

CAPITULO III 17

TRANSISTORES 17

3.1DESCRIPCION DEL TRANSISTOR 17

3.1.2 Polarización del transistor. 19

3.1.3 Parámetros fundamentales de un transistor. 19

3.1.4 Recta de carga de un transistor. 20

3.2TIPOS DE TRANSISTORES NPN Y PNP 21

Configuración de Base Común 22

Configuración de Emisor Común 24

Configuración de Colector Común 25

CAPITULO IV 26

DISEÑO DE LA INTERFAZ ELECTRONICA 26

4.1INTERFAZ DEL PUERTO PARALELO 28

4.2ETAPA DE MANDO 30

CAPITULO V 33

DISEÑO DEL SOFTWARE 33

5.1.1 Declaración de la DLL (IO.DLL) 35

5.1.2 Giro del Motor 35

5.1.3 Velocidad del Motor 36

CONCLUSIONES VII

RECOMENDACIONES VIII

Es recomendable tomar las medidas necesarias para proteger al puerto y al circuito. Si se aplica demasiada tensión a la placa y al puerto, podemos quemarlos. Hay que tomar extremo cuidado al trabajar con el puerto. VIII

Se recomienda que si no se tiene un buen conocimiento de cómo diseñar circuitos electrónicos, se debe solicitar ayuda de un técnico entendido en la materia para despejar cualquier duda. VIII

Para cualquier usuario que desee trabajar con estos motores de corriente continua, es recomendable analizar que tipo de trabajo va ha emplear el motor y así poder adquirir el adecuado para su mejor desempeño. VIII

Es recomendable que se aplique los tiempos de forma correcta al circuito, cuando se esta programando, así obtendrá una velocidad continua y precisa. Tómese el tiempo necesario para controlar la velocidad del motor, porque de eso depende su buen funcionamiento de operación. VIII

ANEXOS IX

BIBLIOGRAFIA XI



INTRODUCCION

Hoy en día el adelanto de la electrónica y de la informática nos permite un mayor control en ciertos campos de acción. Si se requiere un mejor control de giro y velocidad en ciertos procesos, se puede optar por el uso de un motor de corriente continua. Estos motores permiten comandar procesos industriales de transportamiento de materia prima, productos terminados, entre otros. Para el control de giro y velocidad en estas áreas lo más factible es la utilización de un computador ya que permiten obtener valores precisos.
El objetivo es diseñar e implantar un Kit electrónico e informático mediante el cual se pueda comandar y controlar el giro y velocidad de un motor de corriente continua utilizando el puerto paralelo de una PC. Este puerto es ideal para ser usado como herramienta de control de motores, relés, LED's, etc. Es más comúnmente usado para interfazar proyectos caseros.
Para comandar y controlar el giro y velocidad del motor mediante el PC, se necesita diseñar el software para poder acoplar el kit electrónico y así comprobar su funcionamiento del mismo.
Mediante el computador se puede automatizar ciertos procesos que son repetitivos y también acelerar su producción y llevar un mejor control.


CAPITULO I
PUERTOS DEL COMPUTADOR PERSONAL



    1. DESCRIPCIÓN DE LOS PUERTOS DE LA PC

Un puerto de PC no es nada mas que un integrado conectado directamente al microprocesador (en sus correctas señales) para que el ordenador pueda enviar información a un periférico y/o el periférico pueda enviar información/informar a la CPU de que algo va bien/mal. En el caso de una impresora puede indicar que le falta papel, etc.

Usando una dirección de hardware ya mapeada por el sistema, enviaremos y recibiremos información. Sus usos variaran, dependiendo de si al otro extremo del cable tenemos un ordenador o un circuito.

Cada tipo de puerto está dotado de unas características y un funcionamiento diferentes que condicionan el tipo de dispositivos que se pueden conectar.” 1

Puerto paralelo

El puerto paralelo es un estándar diseñado para conectar una impresora al PC. Es utilizado por la CPU para enviar datos a la impresora. Esta interfase gobierna las señales de entrada y de salida. La utilidad de estas señales es dejar que el ordenador conozca el estado de la impresora así como controlar este dispositivo. Ocho bits de datos contienen toda la información enviada con cada flanco de reloj.2

Fig Interfaz Puerto Paralelo http://www.terra.es/tecnologia/articulo/html/tec4781.htm

Además de las impresoras, el puerto paralelo ha sido un medio eficaz para la conexión de muchos otros periféricos, como escáneres, algunas grabadoras de CD, discos duros externos, discos ZIP, etc. El funcionamiento del puerto paralelo se basa en el envío de un byte completo en cada transferencia, siendo necesarios, por tanto, 8 cables dedicados al intercambio de información. El puerto serie necesita 8 operaciones de transferencia para enviar un byte, lo cual sugiere que el puerto paralelo puede trabajar a una velocidad notablemente superior. Como dato práctico, el puerto paralelo estándar alcanza velocidades entre 50 y 100 kB por segundo.

El conector es DB-25. Otra variante muy conocida es el conector Centronics de 36 terminales que, a pesar de la diferencia en el número de terminales, presenta las mismas señales que el conector DB-25.

El puerto paralelo original era unidireccional, y por tanto las señales viajaban desde el PC hacia la impresora, nunca en el sentido opuesto. Tras el lanzamiento del PS/2, IBM ofreció una nueva versión del puerto paralelo (denominado Standard Parallel Port o SPP). Este nuevo diseño era bidireccional, y consiguió reemplazar al puerto paralelo original. En principio, los terminales 2-9 se usan para el envío de datos, lo que implica que en cada transferencia los datos viajan del PC al dispositivo externo o viceversa, pero no es posible la transferencia simultánea en ambos sentidos. En otras palabras, la comunicación es half duplex. Por fortuna, los terminales 18 al 25, originalmente empleados como masas, pueden usarse también como terminales de datos, permitiendo la comunicación bidireccional simultánea (full-duplex).” 3
Puerto serie

Los puertos serie también conocidos como puertos de comunicaciones (COM) están considerados como una interfaz externa fundamental. En general, todo PC incluye 2 puertos serie RS-232, denominados COM1 y COM2.



Fig. Puerto Serial. http://www.terra.es/tecnologia/articulo/html/tec4780.htm



Existe multitud de dispositivos diseñados para trabajar a través del puerto serie, incluyendo modems, equipos de medida, receptores GPS, plataformas de sincronización para PDA, etc.

En general, una característica básica del puerto serie hace referencia a la velocidad de transferencia de datos que es capaz de ofrecer: muy reducida. La mayoría de puertos serie son capaces de ofrecer relaciones de transferencia de hasta 115 kbps. En consecuencia, el puerto serie resulta una elección acertada para la comunicación a velocidades no muy exigentes. Por ejemplo, el funcionamiento de un ratón exige enviar información al PC a una velocidad nada llamativa en comparación con muchos otros periféricos. Por tanto, emplear un puerto serie es una solución más que suficiente, y de hecho es la solución típica (emplear un canal más rápido implicaría desaprovechar sus posibilidades).

Básicamente, el puerto serie define un conector y un protocolo para el intercambio de información. Tal y como su nombre indica, la información se transmite y recibe en serie. En otras palabras, toda la información a intercambiar circula por un único cable, moviendo un bit en cada ciclo de transferencia. Por tanto, para enviar una palabra digital de 8 bits, se enviará un bit tras otro, cubriendo un total de 8 ciclos de transferencia. La ventaja fundamental radica en que sólo es necesario un cable para el intercambio de información, lo que reduce costes. La desventaja principal ya ha sido introducida: la velocidad de transferencia es reducida. De hecho, si se emplearan 8 cables en lugar de uno, la transferencia de un byte requeriría tan sólo de un ciclo de reloj (léase, se trabajaría 8 veces más rápido).

Es importante destacar que los puertos serie son bidireccionales, es decir, permiten enviar y recibir información simultáneamente. Por ello, realmente existen dos cables dedicados al intercambio de información: uno de ellos se emplea para enviar datos y otro para recibirlos. El funcionamiento del puerto serie se implementa, al completo, mediante un chip llamado UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter). Este chip toma palabras digitales procedentes del bus del sistema, las convierte a formato serie, y las envía al dispositivo de destino aplicando el protocolo pertinente. A su vez, la UART recibe los datos serie del dispositivo externo, y los entrega al sistema en forma de palabras digitales. Por tanto, la CPU no se debe preocupar de los detalles del protocolo de envío/recepción, quedando libre de dicha carga. La CPU tan sólo entrega la información a enviar a la UART y ésta se encarga de hacer efectivo el envío serie. Para leer datos, se acude a la UART en el momento deseado -que no tiene por qué ser el momento en que los datos están siendo enviados por el periférico externo-. Este modo de trabajo exige la existencia de dos elementos de memoria (buffers): uno se emplea para escribir la información que la UART debe enviar, mientras que al otro se acude para obtener los datos recibidos. Esto permite, por tanto, escribir los datos a enviar mientras se recibe información, y viceversa. La capacidad de dichos elementos de memoria suele oscilar entre 16 y 64 kB.

Los conectores correspondientes al puerto serie se presentan en versiones de 9 y 25 terminales, cuyas denominaciones estándares son DB-9 y DB-25, respectivamente.” 4

Puerto USB

USB (Universal Serial Bus, Bus Serie Universal), tiene como objetivo conectar periféricos relativamente lentos (ratones, impresoras, cámaras digitales, unidades ZIP, etc.) de una forma realmente sencilla, rápida y basada en comunicaciones serie.



El bus USB admite la conexión de hasta 127 dispositivos, algo impensable usando puertos serie o paralelo. Cada dispositivo puede trabajar con un ancho de banda de hasta 6 Mbps, velocidad más que suficiente para la mayoría de periféricos. El ancho de banda total soportado por el bus es de 12 Mbps, a repartir entre todos los dispositivos conectados (incluyendo al propio PC, que actúa como dispositivo anfitrión). De ahí se deduce que si se trabaja a 6 Mbps, tan sólo se podrá conectar un dispositivo al bus.

Otra importante característica es que los dispositivos se pueden conectar y desconectar sin necesidad de apagar el PC (hot-swapping).

El estándar USB define dos tipos de conectores, “A” y “B”. En cuanto a terminales se refiere, las características de ambos son totalmente análogas. La diferencia radica en que los conectores tipo “A” llevan la información desde los dispositivos hacia la computadora, y los conectores tipo “B” llevan la información en sentido opuesto. El bus USB permite el flujo de información en ambos sentidos (del PC a los dispositivos o de los dispositivos hacia el PC).” 5

Fig. Interfaz USB, tomada de la pagina web http://www.terra.es/tecnologia/articulo/html/tec4782.htm




    1. MANEJO DEL PUERTO PARALELO

Este puerto se comunica con el mundo mediante una conexión con 25 hoyos pequeños que está detrás de casi todas las PC, y que se utiliza generalmente para conectar la impresora (de hecho para eso fue diseñado originalmente). Este tipo de conexión es llamado "DB 25 hembra" (Las siglas "DB" significan "Data Bus").

El puerto es unidireccional (significa que cada pin es de entrada o salida, pero no ambos), y puede transmitir 150 Kbytes por segundo. Actualmente ya puede alcanzarse una respetable velocidad de 2 Mega bytes por segundo, y con bidireccionabilidad en los puertos.

El puerto paralelo de una típica PC utiliza un conector hembra de tipo D de 25 patitas (DB-25 S), El orden de las patitas del conector es éste:



La siguiente tabla describe la función de cada patita del conector:

Patita

E/S

Polaridad activa

Descripción

1

Salida

0

Strobe

2 ~ 9

Salida

-

Líneas de datos
(bit 0/patita 2, bit 7/patita 9)

10

Entrada

0

Línea acknowledge
(activa cuando el sistema remoto toma datos)

11

Entrada

0

Línea busy
(si está activa, el sistema remoto no acepta datos)

12

Entrada

1

Línea Falta de papel
(si está activa, falta papel en la impresora)

13

Entrada

1

Línea Select
(si está activa, la impresora se ha seleccionado)

14

Salida

0

Línea Autofeed
(si está activa, la impresora inserta una nueva
línea por cada retorno de carro)

15

Entrada

0

Línea Error
(si está activa, hay un error en la impresora)

16

Salida

0

Línea Init
(Si se mantiene activa por al menos 50
micro-segundos, ésta señal
autoinicializa la impresora)

17

Salida

0

Línea Select input
(Cuando está inactiva, obliga a la
impresora a salir de línea)

18 ~ 25

-

-

Tierra eléctrica

Tabla 1: Configuración del puerto paralelo estándar

Observe que el puerto paralelo tiene 12 líneas de salida (8 líneas de datos, strobe, autofeed, init, y select input) y 5 de entrada (acknowledge, busy, falta de papel, select y error).

Ocho bits de datos contienen toda la información enviada con cada flanco de reloj.” 6

Salidas:

STROBE/: Comunica a la impresora que los ocho bits de datos están disponibles para ser leídos. Conmuta a nivel lógico bajo, cuando los datos están preparados.



INIT/: Resetea la impresora.

SLCT IN/: Selecciona la impresora cuando cambia a nivell logic bajo.

AUTO FD/: Comunica a la impresora que imprima una línea en blanco seguida por una señal de "intro".

D0-D7: Bits de datos.

Entradas:

ACK/: Informa a la CPU que los datos han sido recibidos correctamente.

BUSY: La impresora pone esta línea a 1 cuando el buffer de memoria esta lleno. El ordenador dejara de enviar mas datos.

SLCT: Indica al ordenador que se dispone de una impresora.

ERROR/: Dice al ordenador que se ha producido un error. La CPU deja de enviar más datos.

PE: El papel se ha acabado.

Todas las señales tienen niveles lógicos TTL.” 7

1.2.1 PROGRAMACION DEL PUERTO PARALELO DEL PC

Internamente tiene 3 registros de 8 bits (direccionados por 3 direcciones de periférico, la LPT, la LPT+1 y la LPT+2, o sea que son 378, 379 y 37A respectivamente para el LPT1. Esa dirección (378) le es asignada durante el arranque de la BIOS, que testea todos los puertos que el ordenador posee y los guarda en una dirección de memoria (0040:0008).

Las direcciones de hardware del puerto paralelo son las siguientes:


Puerto LPT1

0x378

Puerto LPT2

0x278

La tabla anterior indica cuales son las direcciones de periférico de los puertos paralelos. Normalmente un PC solo tiene un puerto paralelo, el LPT1, que es un puerto hembra de 25 pins (DB25) conectado a 12 latches de salida, 5 pins de entrada y 8 de GND.

1.2.2 ESCRIBIR AL PUERTO PARALELO



El 0x378 es una dirección de salida. Los pins 2-9 (2 bit menos significativo (bms) y 9 Bit Mas Significativo (BMS)) son los encargados de sacar la información en binario.

Numero del Pin DB

Función

2

Data 0

3

Data 1

4

Data 2

5

Data 3

6

Data 4

7

Data 5

8

Data 6

9

Data 7

Si ponemos la siguiente sentencia un programa de C:

outportb (0x378, 0x0F);

Estaremos enviando un 00001111 al puerto paralelo. Lo cual significa que en los bits 2-5 habrá 5 V y en 6-9 habrá 0V.

ATENCION! Nunca intente alimentar un periférico que haya hecho usted usando esos voltajes! podría dañar su ordenador! Para ello asesórese bien.

1.2.3 LEER DEL PUERTO PARALELO

La dirección 0x379 es una dirección de entrada. Realmente es usada por periféricos como una impresora para mostrar algún tipo de mensaje, ya sea de error o de preparado. La indicación se hace por voltajes (+5v o 0v), y dependiendo del pin tendrá diferente significado. Por defecto, si leemos de un puerto paralelo obtendremos 0x7F (BMS 01111111 bms). El ultimo 0 es muy importante, porque nos indica que no funciona como el resto de pins. Los otros pins cambian cuando se conectan a masa, en cambio el BMS cambia cuando lo conectamos a 1. o sea que si no hay ningún pin conectado, interpreta que hay 0 en el Bit Mas Significativo (valor de 128) y que hay un 1 (conectados a +5v) en los consiguientes bits (valor de 64, 32, 16, 8, 4, 2 y 1). Debemos pensar nuestros programas para que se activen entonces a nivel bajo, menos en el caso de que leamos del BMS, que tendrá que activarse a nivel alto.

ATENCION: No poner mas de +5v a las entradas para no dañar el puerto.



Posibles usos de las lecturas: Conexión de sensores de diferentes tipos (movimiento, calor, luz)... Leer de un puerto abre muchas posibilidades de interacción con el medio (el ordenador autónomamente es capaz de escoger que debe hacer en unas determinadas circunstancias, tales como escoger el cerrar las persianas de una casa porque esta anocheciendo o encender el aire acondicionado porque hace mas de una determinada temperatura). O parar a un robot autónomo porque ha detectado un obstáculo.” 8
CAPITULO II
MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
Los motores de corriente continua se usan en una amplia variedad de aplicaciones industriales en virtud de la facilidad con la que se puede controlar la velocidad. La característica velocidad-par se puede hacer variar para casi cualquier forma útil. Es posible la operación continua sobre un rango de velocidades de 8:1. En tanto que los motores de corriente alterna tienden a pararse, los motores de corriente continua pueden entregar más de cinco veces el par nominal (si lo permite la alimentación de energía eléctrica). Se puede realizar la operación en reversa sin conmutar la energía eléctrica.

2.1 CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA.

Cuando la corriente pasa a través de la armadura de un motor de corriente continua, se genera un par de fuerzas debido a la acción del campo magnético, y la armadura gira. La función del conmutador y la de las conexiones de las bobinas del campo de los motores es exactamente la misma que en los generadores. La revolución de la armadura induce un voltaje en las bobinas de ésta. Este voltaje es opuesto al voltaje exterior que se aplica a la armadura, y de ahí que se conozca como voltaje inducido o fuerza contraelectromotriz. Cuando el motor gira más rápido, el voltaje inducido aumenta hasta que es casi igual al aplicado. La corriente entonces es pequeña, y la velocidad del motor permanecerá constante siempre que el motor no esté bajo carga y tenga que realizar otro trabajo mecánico que no sea el requerido para mover la armadura. Bajo carga, la armadura gira más lentamente, reduciendo el voltaje inducido y permitiendo que fluya una corriente mayor en la armadura.

Debido a que la velocidad de rotación controla el flujo de la corriente en la armadura, deben usarse aparatos especiales para arrancar los motores de corriente continua. Cuando la armadura está parada, ésta no tiene realmente resistencia, y si se aplica el voltaje de funcionamiento normal, se producirá una gran corriente, que podría dañar el conmutador y las bobinas de la armadura. El medio normal de prevenir estos daños es el uso de una resistencia de encendido conectada en serie a la armadura, para disminuir la corriente antes de que el motor consiga desarrollar el voltaje inducido adecuado. Cuando el motor acelera, la resistencia se reduce gradualmente, tanto de forma manual como automática.” 9

La máquina de corriente continua consta básicamente de lo siguiente:




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