- Análisis y
Diseño - Diagramación y
Experimentación - Prototipos Pruebas y
Troubleshoting - Conclusiones
- Bibliografía
El reporte que se presenta a continuación
consideramos es de vital importancia ya que describe un proyecto que
consiste en construir una grúa que sea capaz de levantar 1
libra y para lo cual debemos ser capaces de utilizar un motor tipo
stepper (de pasos) y diseñar y construir; un circuito
combinacional que con la ayuda de un "reloj", tren de pulsos
podamos enviarle la secuencia correcta al stepper para que este
pueda moverse.
Nos hemos dado cuenta que debido a lo difícil que
es diseñar y construir un dispositivo, siempre es bueno
guardar de forma segura todo el trabajo
elaborado ya que puede servir para futuras referencias y como el
destruir o desarmar el circuito es inevitable a pesar de la
lastima que da desarmar todo un trabajo que
lleva días elaborar, al menos todo el proceso puede
quedar resguardado en un reporte final en el cual se especifiquen
todos los detalles, ideas, problemáticas y soluciones que
se dieron en el desarrollo del
proyecto.
De manera que el reporte que se le presenta esta
elaborado cuidadosamente para que ningún detalle quede
perdido y todo eso para cumplir con el objetivo de
poder servir
de guía para futuras generaciones y de referencia tanto de
nosotros mismos como de otros estudiantes de la
carrera.
En esta fase, analizamos varias ideas ya que para hacer
este circuito hay varias soluciones.
Entre las posibles soluciones que teníamos como
opción están las siguientes:
Opción 1:
Armar el circuito con un Oscilador (555), Contador
(74LS191), Memoria UV EPROM,
Optoacopladores (PC-817 Sharp) y Transistores Tip
120 para amplificaron de potencia.
Esta opción implicaba construir el generador de
tren de pulsos "reloj" a partir de un integrado 555 el cual
alimentaría un contador de 0-15 decimal el cual a su
salida tendría 4 bits ya que (2 bits) elevado a la 4 es =
a 15.
Esta salida de 4 bits asignaría la dirección de la memoria
EPROM que debería ser programada con un programa llamado
4gw de BKPrecision Electronics utilizando una computadora y
una programadora de EPROM’s.
Al direccionar la EPROM el contenido de dicha
dirección saldría por 4 bits los cuales
serían la secuencia programada para mover el motor
stepper.
Sin embargo debido que el motor esta formado por 2
bobinas que al no tener corriente circulando por ellas buscan
descargarse (feedback) y el voltaje de alimentación
generalmente es mayor a 5 voltios (lógica
TTL) se debía ingeniar un método
para separar la parte análoga de la digital y para ello
serían necesarios unos Optoacopladores los cuales son unos
integrados que dentro tienen un fotodiodo y un fototransistor o
sea que funcionan con luz y por lo
tanto únicamente permiten el paso de corriente en 1 solo
sentido sin embargo su salida es negada.
Del otro lado de los Optoacopladores, se busca
amplificar la potencia del motor. Para ello se utilizarán
transistores con saturación en el colector buscando un
beta muy grande para luego conectar el motor stepper y diodos al
colector de este transistor.
Opción 2:
Armar el mismo circuito anteriormente explicado con la
única variante de que en lugar de utilizar una memoria
EPROM se utilizarán Multiplexores
tantos como la secuencia de movimiento lo
demande. Por ejemplo:
Si tenemos una secuencia:
ABCD
1001 à 9
1010 à A
0110 à 6
0101 à 5 Donde AB es una bobina y CD la
otra
tendremos un MUX por cada columna de la tabla de
combinaciones de la secuencia del stepper.
1
0 Bit de salida X 4 veces para cada Bobina, si la
secuencia se incrementa el tamaño del mux
variará
Dir del contador para A
Opción 3:
Utilizar flip flops tipo "d" con el objetivo de que el
circuito sea más pequeño ya que no se
utilizará un contador pues los flip flops podrán
almacenar dentro de ellos un 1 o un 0 mientras no se cambie de
estado.
Siempre utilizar transistores darlington para amplificar la
potencia del motor.
Opción 4:
La mas fácil de todas, comprar un motor stepper
con driver controlador el cual es un integrado que permita
manipular el motor sin necesidad de construir un mayor circuito
para ello. La cual fue descartada debido que no pudimos comprar
el motor en mención.
Opción N:
Muchas otras opciones que ni siquiera fueron
consideradas.
Finalmente después de evaluar cual era la
opción mas factible y accesible para nosotros, nos
inclinamos por la número 1 ya que esa opción es la
que involucraba mas "investigación" por parte nuestra ya que
utiliza muchas fases que nunca hemos trabajado antes como la
parte del contador, el reloj y por supuesto la programación de una "Erasable and
Electrically Programmable Memori" EPROM.
Las demás opciones fueron descartadas debido a su
alto costo o a que no
estamos muy familiarizados con los flip flops.
El diagrama de
bloques del proyecto es como sigue:
Para ver el
gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior
Diagramación y
Experimentación
En esta fase, nos dedicamos a diseñar cada uno de
los componentes que conforman el proyecto y acomodarlo. Todo
mediante simulación
utilizando el simulador Circuit Maker.
En la simulación incluimos todas las fases y nos
sirvió para poder hacer una lista de los componentes que
necesitábamos.
La simulación quedo de la siguiente
manera:
Para ver el
gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior
El listado de los componentes es el
siguiente:
Integrados:
1 Integrado 555.
1 Contador 74LS191
1 Decodificado BCD-7Segmentos 7447
1 Display ánodo común.
2 Compuertas Negadoras 74LS04
1 Compuerta Or 74LS32
1 Compuerta Xor 74LS86
4 Optoacopladores PC 817
1 Memoria EPROM 27XXX
Transistores:
4 Transistores Darllington Tip-120 NPN.
4 disipadores tipo TO.220 para los transistores
darlington con sus tornillos.
Control:
2 Push Buttons.
Resistencias:
2 Resistencias
de 1K Ohms Para el 555
7 Resistencias de 250 Ohms Para el Display
2 Resistencias de 1K Ohms Para los push
buttons
4 Resistencias de 100 Ohms Para el ánodo del
fotodiodo del opto acoplador.
4 Resistencias de 5K Ohms Para el fototransistor del
opto acoplador.
4 Resistencias de 3K Ohms Para la base del transistor
amplificador de potencia.
1 Potenciómetro de 10K
Diodos:
1 led verde para la oscilación del 555
4 diodos de 2 Amperios para el colector del transistor
amplificador Tip-120
Filtros:
1 capacitor electrolítico de 4.7 micro faradios
Esta capacitancia es la que van entre las patas 2, 6, 5 y
determina la velocidad de
oscilación y por consiguiente la velocidad del motor.
Puede variar entre 10 micros y 50 micros.
1 capacitor cerámico de 0.043 micro
faradios.
Diagrama del generador de pulsos
555:
Diseño del control de la
grúa:
Se diseñaron dos botones para mover la
grúa para arriba y abajo, cuando no se presionan se
mantiene estable.
UP | DOWN | U/D – 74LS191 | PL – 74LS191 |
0 | 0 | X | 0 |
0 | 1 | 0 | 1 |
1 | 0 | 1 | 1 |
1 | 1 | X | 0 |
UD | 0 | 1 | |
0 | X | 0 | U/D = D' + U |
1 | 1 | X |
UD | 0 | 1 | |
0 | 0 | 1 | PL = UD' + U'D |
1 | 1 | 0 | PL = U xor D |
El diseño
de las compuertas es de la siguiente manera:
Para ver el
gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior
Secuencia del motor stepper:
Para poder encontrar las bobinas en el motor stepper,
medimos continuidad entre sus 6 cables de esta manera encontramos
los dos juegos de
bobinas con su vcc común a cada grupo.
Luego para saber cuales eran los cables de la bobina,
medimos la resistencia entre
ellos dando entre el común y una terminal de la bobina 0.5
Ohms y entre los dos cables extremos de la bobina 0.9 Ohm por lo
tanto esos dos cables son los de la bobina y el tercero el
común de voltaje a ella.
Debe tenerse en cuenta que cuando el motor se
desconecta, sus bobinas comienzan a descargarse inversamente por
lo cual podrían dañar el circuito combinacional al
cual están conectadas. Por esta razón debe
colocarse un diodo en inversa en paralelo con la
bobina.
Para ver el
gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior
La secuencias ingresadas a la memoria EPROM son las
siguientes:
Todas en Hexadecimal.
Para ver el cuadro
seleccione la opción "Descargar" del menú
superior
Calculo de la resistencia en la base del transistor
amplificador:
Debido que utilizamos un transistor Tip-120 con una beta
= 1000, es necesario calcular la resistencia de base optima para
que el motor tenga potencia.
Primero calculamos la potencia del motor, de la
siguiente manera:
I motor = V motor / R una fase (bobina) = 4/5 = 0.8
A.
Pot = (V motor) (I motor) = (4)(0.8) = 3.2
Watts.
La potencia del motor siempre debe mantenerse aunque se
varie la corriente o el voltaje.
I colector = 0.8 Amperios = corriente que necesita el
motor.
I base = ???
Beta = 1000
Por lo tanto, como
IC = (beta)(IB)
IC = (1000)(IB)
I Base = I Colector / Beta = 0.8 / 1000 = 0.8 mili
Amperios
V R base = V entrante – V base-emisor = 5
– 2.5 = 2.5 V.
Para calcular la resistencia de la base ?
I Rbase = I base = V Rbase / R base à
R base = V Rbase / I base = 2.5 V / 0.8 mA = 3.125
K Ohms
Resistencia de Base Real = 3.125 * (0.8 –
0.9) = 2.5 K Ohms <= RB <= 3.125 K Ohms
Es preferible reducir el valor de la
resistencia para que la corriente en el colecto aumente para que
de esta manera nos aseguremos la potencia deseada.
Por lo tanto, para el transistor Tip-120 NPN tenemos
que:
- El Emisor va a tierra.
- La Base va hacia una resistencia de 3K
Ohms. - El Colector va hacia un diodo de 2 Amperios que a su
vez está conectado a VCC en el cátodo y a la
bobina en su ánodo.
El diseño desde los opto acopladores hasta los
transistores sigue el siguiente esquema:
Para ver el
gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior
Prototipos Pruebas y
Troubleshoting
Una vez analizado esto, armamos el circuito en
"galletas" de protoboard y realizamos pruebas a cada fase para
asegurarnos de que cada parte del proyecto funcionara
correctamente.
Primero probamos el 555 con un led para ver si realmente
oscilaba.
Luego para comprobar que el contador realmente contaba
como debía ser, utilizamos un decodificador de BCD-7
segmentos y un display ánodo común.
Luego con puntas lógicas verificamos el programa
de la EPROM
Nuestro prototipo fue terminado y al probarlo
definitivamente tuvimos los siguientes problemas:
Problema:
Las bobinas del motor se descargaron en sentido
contrario al apagar el circuito provocando una retroalimentación dando como resultado un
corto circuito en el circuito, dañando la memoria
EPROM.
Solución:
Colocar diodos en inversa entre el colector del
transistor y las bobinas (4) del motor stepper. Y conseguir otra
memoria.
Problema:
Los Transistores se calentaban demasiado.
Solución:
Colocar disipadores de calor.
Problema:
El motor giraba muy lento y sin fuerza.
Solución:
Modificamos el diseño del 555, agregando un
potenciómetro de 10K en R2 y modificando constante mente
la capacitancia del capacitor de las patas 2,5,6 ya que este
determina la velocidad de oscilación del 555. Quedando
fijo uno de 14 micro faradios.
Problema:
Valores de
resistencias, No teníamos una resistencia de 3K la cual
era necesaria en la base del transistor.
Solución:
Colocamos en serie 2 resistencias de 2.2K y
1K.
- Este proyecto nos deja una gran experiencia y aunque
nos quito mucho
tiempo de
clases nos deja amplios conocimientos que antes del proyecto no
poseíamos. - Es muy importante construir dispositivos de este tipo
para desarrollar la inteligencia
y habilidad de resolver problemas ya que nos enseña a
pensar demasiado y a buscar diversas alternativas para resolver
un problema en particular. - Los sistemas se ven
inmersos en el proyecto que a pesar de estar relacionado mas
con la electrónica, siempre existen sistemas que
crear para controlar el dispositivo o programar. Nos
enseña a los de sistemas a utilizar diversas herramientas
como los simuladores y ahora el programa que programa la
memoria EPROM. Incrementa nuestros conocimientos.
- NTE ECG Versión 10.
- Circuit Maker.
- BK Precision.
- Internet (muchos PDF’s) DATASHEETS de los
integrados. - Manuales y ejemplos.
- Los cuates, el Ingeniero y Auxiliar.
Elaborado por:
Fredy Estuardo Castillo Roca
Correo Electrónico:
Carrera:
Ingeniería en Sistemas
Universidad Galileo.
Facultad de Ingeniería en Sistemas Electrónica y
Ciencias de la
Computación FISICC.
Ingeniería en Sistemas.
Diseño y Construcción de Dispositivos
Electrónicos
Guatemala 1 de Abril de 2004