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I NSTITUTO POLITÉCNICO NACIONA L

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Text of I NSTITUTO POLITÉCNICO NACIONA L

Microsoft Word - tesis_9enero2015or de ol
MANUEL OTONIEL
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TEMA DE TESIS
POR LA OPCIÓN DII TITUI,ACIÓN
DEBERA(N) DESARROLLAR
INGENIIìIIO EN CONTIìOL Y AUTOMATIZÄ.CIÓN
TtrSIS COI,,ECTIVAY EXAMtrN ORAL INDIVIDUAL
C. BENJAMIN OTONIEL VARGAS GA.TìCÍA
C. JOIIGE EMMANUI,L SÄNCHDZ IìIVIìIIA
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ANTECBDENTES. coMpoNENTBs DDL sIsrEMA nn cRNnn,tcIóN Dr1 oLAS. RESTAURACIÓN Y PRUEIIAS DEL EQUIPo. cnNnnaclóN oE SEñAL DE coNTRoL. IIESULTADOS Y CONCLUSIONES,
MIIXICO D. F., A 23 Dtr SEpTItrMlllt[, D[,2015.
AStrSORES
+
Resumen
En la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura unidad Zacatenco se donó un equipo el cual forma parte de un sistema para la generación de olas direccionales. La generación de olas sirve para la determinación de funciones de transferencia. Los ensayos y escalas del mar, suelen referirse en las especificaciones a alguna forma espectral estándar, esto es para obtener información sobre el reparto de energía del oleaje en función de su frecuencia.
El equipo donado de generación de oleaje consta principalmente de cuatro actuadores lineales, cada uno acoplado a un motor de corriente directa, junto con los actuadores están integradas un conjunto de tarjetas que tienen la función de controlar la velocidad de los motores.
Sobre la base de trabajos previos se hicieron pruebas de funcionamiento a cada elemento que constituye este sistema, obteniendo los voltajes y señales esperados en cada etapa.
Se detectó que el sistema no funciona sin una señal de referencia, un setpoint que el sistema requiere para comenzar el control de los motores, los cuales implican la generación de las olas direccionales deseadas.
Al detectar esta problemática, después de conocer como se conectan entre si las diferentes partes del sistema, se fijó el objetivo de generar el setpoint faltante mediante un micro controlador. El micro controlador seleccionado fue un Arduino Mega 2560, debido a sus diferentes características, entre ellas la posibilidad de enviar y recibir señales analógicas, para crear diferentes señales y poder modificar los parámetros de amplitud y frecuencia.
   
Dedicatoria
Este trabajo se lo dedico a mi hermano Christian, a mi papá Gilberto, pero sobre todo a mis mamás Hilda, Virginia y Guadalupe.
Jorge Emmanuel Sánchez Rivera
El empeño de este trabajo se lo dedico a mi padre Pedro Efrén a mi madre Rosa María, a mis hermanos Ixchel, Efrén y Pedro y a mi abuelita Juanita Castañeda.
Benjamín Otoniel Vargas García
1.2 Teorías del oleaje.............................................................................................................. 5 
1.4 Clasificación de las ondas ................................................................................................ 7 
1.5 Generación de olas ........................................................................................................... 8  1.5.1 Introducción histórica .................................................................................................. 8  1.5.2 Generadores de olas .................................................................................................. 10  1.5.3 Equipo de un canal de olas ....................................................................................... 12  1.5.4 Instrumentación ......................................................................................................... 13 
1.5.4.1 Medición del oleaje ............................................................................................ 13  1.5.4.2 Movimientos y esfuerzos .................................................................................... 13 
1.5.5 Equipos auxiliares ..................................................................................................... 13  1.5.6 Tipos de paletas ......................................................................................................... 14  1.5.7 Tipos de accionamiento ............................................................................................. 16 
1.5.7.1 Tipos de accionamientos primarios .................................................................... 16 
Capítulo 2 ............................................................................................................ 18 
2.1 Introducción ................................................................................................................... 19 
2.2 Condiciones actuales ...................................................................................................... 19  2.2.1 Sistema de movimiento de la paleta .......................................................................... 20 
   
3.1 Análisis de la tarjeta Quad Channel Position (QCP) .................................................. 30 
3.2 Pruebas del sensor LVDT ............................................................................................. 31 
3.3 Pruebas de las fuentes de alimentación ........................................................................ 33  3.3.1 Prueba de la fuente de alimentación de las tarjetas NC2110 .................................... 33  3.3.2 Prueba de la fuente de alimentación de potencia ...................................................... 35 
3.4 Pruebas con Actuador y tarjeta NC2110 ..................................................................... 36  3.4.1 Prueba con actuador lineal ........................................................................................ 38  3.4.2 Prueba de un actuador lineal con el generador de funciones .................................... 40 
Capítulo 4 ............................................................................................................ 43 
4.1 Introducción ................................................................................................................... 44 
4.2 Micro controlador Arduino Mega 2560 ....................................................................... 44  4.2.1 Entradas y salidas ...................................................................................................... 45 
4.3 Programación señal de modulación de ancho de pulso (PWM) ................................ 46  4.3.1 Cálculo de parámetros de la señal ............................................................................. 46  4.3.2 Programación del micro controlador Arduino Mega 2560 ........................................ 49 
4.4 Integración Arduino y circuito electrónico .................................................................. 52 
Capítulo 5 ............................................................................................................ 55 
5.1 Introducción ................................................................................................................... 56 
5.2 Resultados de las fuentes de alimentación ................................................................... 56 
5.3 Resultados pruebas con el actuador lineal .................................................................. 56  5.3.1 Resultados de pruebas manuales ............................................................................... 57  5.3.2 Resultados con generador de funciones ................................................................... 58 
5.4 Función PWM generada ............................................................................................... 59 
5.5 Arquitectura de control ................................................................................................. 64 
5.6 Conclusiones ................................................................................................................... 65 
Índice de tablas
Tabla 1.1 Teorías del oleaje Horikawa... ……………………………………………….. 5 Tabla 1.2 Clasificación de diversos tipos de onda de acuerdo a su periodo…………….. 8 Tabla 1.3 A Formas de generadores mecánicos………………………………………… 9 Tabla 1.3 B Formas de generadores mecánicos ………………………………………… 10 Tabla 2.1 Placa de datos del motor de corriente directa………………………………… 23 Tabla 3.1 Distribución de pines de la tarjeta QCP……………………………………… 30 Tabla 3.2 Código de colores sensor LVDT…………………………………………….. 31 Tabla 3.3 Función de los puertos de alimentación……………………………………… 37 Tabla 3.4 Función de los puertos de control …………………………………………… 38 Tabla 4.1 Características Arduino Mega 2560…………………………………………. 45
Índice de figuras
Figura 1.1Movimiento de las partículas líquidas………………………………………... Figura 1.2 Perfiles de diferentes tipos de onda…………………………………………..
6 6
   
 
Figura 3.11 Diagrama de conexión manual para la inversión de giro…………………... 39 Figura 3.12 Señal triangular del generador de funciones……………………………….. 40 Figura 3.13 Señal senoidal del generador de funciones………………………………… 41 Figura 3.14 Diagrama de conexiones de tarjetas y dispositivos………………………… 41 Figura 3.15 Prueba del sistema con generador de funciones…………………………… 42 Figura 4.1 Arduino Mega 2560…………………………………………………………. 44 Figura 4.2 Gráfica tiempo contra resolución de salida………………………………….. 47 Figura 4.3 Gráfica resolución entrada analógica contra delay………………………….. 49 Figura 4.4 Declaración de variables del programa de la señal………………………….. 50 Figura 4.5 Función de las variables del programa de la señal………………………….. 50 Figura 4.6 Algoritmo del programa de la señal…………………………………………. 52 Figura 4.7 Diagrama electrónico de desplazamiento de señal………………………….. 53 Figura 4.8 Fotografía de la integración Arduino y circuito……………………………. 54 Figura 5.1 Pruebas de dimensiones del vástago del actuador………………………….. 57 Figura 5.2 Acoplamiento del sistema con el generador de señales…………………….. 58 Figura 5.3 Salida PWM del micro controlador………………………………………..,.. 59 Figura 5.4 Inversión de voltaje…………………………………………………………. 60 Figura 5.5 Señales de entrada al segundo amplificador…………………………………. 61 Figura 5.6 Ancho de pulso de -2.4 Vcc a 2.6 Vcc………………………………………. 61 Figura 5.7 Ancho de pulso de -4.4 a 0.6 Vcc……………………………………………. 62 Figura 5.8 Ancho de pulso y señal de error tarjeta QCP valores negativos……………. 62 Figura 5.9 Ancho de pulso y señal de error tarjeta QCP valor de cero………………… 63 Figura 5.10 Ancho de pulso y señal de error tarjeta QCP valores positivos………….. Figura 5.11 Diagrama a bloques del sistema de generación de olas regulares…………
63 64
Objetivo  
Restaurar el sistema de electrónica de potencia de un generador de olas regulares y direccionales ubicado en un canal de simulación en el Laboratorio de Puertos y Costas de la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura unidad Zacatenco mediante la generación de una señal de referencia con un micro controlador Arduino Mega 2560 para completar el lazo de control y validar su funcionamiento.
Introducción  
El Instituto Politécnico Nacional en la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura (ESIA) Unidad Zacatenco cuenta con un equipo que forma parte de un sistema completo de generación de olas regulares direccionales. Un equipo igual a este fue restaurado en el año 2009 en la ciudad de Altamira Tamaulipas donde también se realizaron algunos ensayos de su funcionamiento.
El equipo con el que cuenta ESIA Zacatenco llegó para ser implementado en un canal de pruebas, y así poder realizar diferentes experimentos de resistencia de materiales. Estos experimentos serían realizados por los docentes y estudiantes de la especialidad de puertos y costas de esta misma unidad académica.
De acuerdo con la información relacionada a este equipo, no se puede poner en marcha ya que faltan algunos componentes para poder operarlo. Se dio a la tarea de analizarlo teóricamente y en la práctica para verificar su correcto funcionamiento, y de esta forma crear los componentes faltantes para que pueda ser implementado en el sistema completo de generación de olas regulares. Al realizar el bosquejo de información y las pruebas del equipo se notó que en una tarjeta faltaba una señal de referencia (setpoint), la cual envía información para poder tener un control en el sistema.
   
Justificación  
Una de las especialidades de la ingeniería civil es la hidráulica donde se estudian los puertos y las costas. En esta especialidad se realizan análisis de diversas estructuras que están en contacto con corrientes marítimas. Para el análisis de las estructuras se construyen modelos a escala y se prueban en canales o estanques de simulación de diferentes dimensiones.
El laboratorio de puertos y costas de la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura (ESIA) Zacatenco cuenta con un canal de simulación de 180 metros cúbicos (60x2x1.5) para la realización de diferentes pruebas físicas, pero no se encuentra en operación.
Existen diferentes dispositivos y materiales usados dentro del laboratorio de puertos y costas, que en un momento fueron parte de un sistema completo de generación de oleaje direccional, este material fue donado a la ESIA Zacatenco por CICATA Altamira.
La puesta en marcha del canal de pruebas es de importancia para los directivos del Laboratorio de Puertos y Costas de la ESIA Zacatenco, con esto los alumnos de licenciatura, postgrado y docentes podrán realizar prácticas relacionadas a su especialidad y puedan fortalecer sus conocimientos.
   
 
1.1 Descripción del oleaje La palabra olas normalmente trae a la mente imágenes de ondulaciones en la superficie del
mar o de un lago. Continuamente con aspecto regular, y usualmente progresan de una región de formación a la costa donde son generalmente disipadas. Es menos evidente la relación de movimientos del agua debajo de la superficie que las olas que están bajo el aire. Los principales tipos de olas y sus causas son:
1. Olas de viento y oleaje: Debido a los efectos del viento sobre la relación aire/agua. 2. Olas enteras: Las cuales pueden ocurrir cuando la variación de densidad vertical
está presente por diferentes circunstancias, por ejemplo disturbios en la superficie, cizallas de corriente.
3. Tsunamis: Son generados por movimientos sísmicos del fondo del mar o de las costas.
4. Olas de gravedad giroscópica (superficiales e internas): De periodo suficientemente largo donde el efecto de Coriolis es importante, pueden ser varias causas, por ejemplo: El cambio de la presión atmosférica.
5. Rossby u olas planetarias: De periodo y escala larga, evidente como las variaciones de tiempo, por ejemplo: variación en el tiempo por el esfuerzo de viento.
6. Marea. Debido a las fuerzas de fluctuación gravitacional de la luna y el sol.
El enfoque clásico en el estudio de las olas es considerar el fluido como ideal, en este caso tienen una forma senoidal y progresando a otro tipo de forma regula de la superficie. Este acercamiento da un buen trato de la información acerca de la relación entre la forma de la superficie, el progreso de las olas y el movimiento del agua debajo. La característica menos satisfactoria de este acercamiento es que las olas regulares ideales estudiadas tienen sólo una semejanza limitada a las olas reales observadas en el mar, que se caracterizan por su irregularidad en la forma y período.
Un acercamiento más reciente y pragmático es empezar de observaciones de la forma irregular de las olas del mar, considerarlo como un compuesto de una amplia gama de posibles componentes ideales, y llevar a cabo un análisis espectral para determinar las características del espectro de los componentes. El análisis espectral entonces consiste en encontrar las amplitudes y fases como una función de la frecuencia. Una impresión de la amplitud contra la frecuencia es llamada espectro de energía de ola.
Del espectro y de la teoría clásica de cada componente se puede calcular el efecto total de la ola sumando todos sus componentes con el uso apropiado de las amplitudes y las fases, para obtener una imagen completa, la dirección también debe ser considerada, el espectro que incluye la dirección es llamado espectro direccional.
   
 
Este fenómeno es complejo y difícil de representar de una manera matemática, sin embargo, existen teorías que permiten interpretarlo y calcular sus efectos. Es importante cuando menos tener una idea de estas teorías y entender la mecánica del fenómeno, lo cual ayuda a entender problemas relacionados con el mismo. Dependiendo de las condiciones particulares de un problema dado, existirá para este una teoría aplicable [8].
1.2 Teorías del oleaje Se han desarrollado varias teorías para analizar matemáticamente el fenómeno, mismas que
han ido evolucionando desde que hicieron su aparición, como se muestra en la tabla 1.1
Tabla 1.1 Teorías de oleaje Horikawa
La teoría más clásica, desarrollada por Airy en 1847 se denomina “Teoría lineal de pequeña amplitud”, siendo su importancia notable debido a que se ajusta bastante bien al comportamiento real de las olas cuando se encuentran en profundidades infinitas, siendo además de difícil aplicación.
 
 
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Tabla 1.2 Clasificación de diversos tipos de onda de acuerdo a su periodo
1.5 Generación de olas Las generación de olas regulares resulta imprescindible para la determinación de funciones
de transferencia y constituyen, además, el elemento básico de otros oleajes más complejos. Los tipos previstos de ensayos y sus escalas, conducen a la especificación de estados del mar máximos y mínimos que se definen generalmente por su altura significativa o por un periodo característico. Estos estados del mar suelen referirse en las especificaciones a alguna forma espectral estándar para poder disponer de información sobre el reparto de energía del oleaje en función de su frecuencia.
En canales de comportamiento en el mar e ingeniería oceánica, los generadores de olas suelen ser fijos y puede ser necesaria la comprobación de sistemas sometidos a mares procedentes de distintas direcciones, para evitar las pérdidas de tiempo y esfuerzo físico que supondría el tener que girar las estructuras para cambiar la dirección relativa de procedencia del oleaje [9].
1.5.1 Introducción histórica
Dado que las olas marinas son producidas por el viento es lógico pensar que si se requiere generar olas es necesario hacerlo por medio de la manipulación del aire, pero este método presente serias complicaciones ya que la transmisión a la superficie del mar de la energía del viento requiere que este sople durante cierto tiempo y sobre cierta superficie, lo cual resulta muy complicado obtener estas condiciones dentro de un laboratorio
Otra posibilidad es hacer incidir sobre el agua masas de aire impulsadas por soplantes convenientemente controladas para variar la presión y así generar el oleaje a las frecuencias requeridas, pero en la práctica la inercia del agua impide una buena respuesta a los cambios rápidos de la presión del aire por lo que es difícil obtener oleaje de altas frecuencias.
Periodo Tipo Fuerza que la
produce Fuerza que la restaura
< 0.1 seg Capilares Viento Tensión superficial
0.1 a 1 seg Ultragravedad Viento Tensión superficial, fuerza
de gravedad 1 a 30 seg Gravedad Viento Gravedad
30seg a 5 min Infragravedad Viento Gravedad
5 min a 12 hr Largo periodo Tormentas y
Tsunamis Fuerza de Coriolis
12 hr a 24 hr Largo periodo Sol y luna Fuerza de Coriolis >24 hr Muy largo periodo Sol y luna Fuerza de Coriolis
Clásificación de las ondas
 
Fue entonces cuando se empezó a trabajar con generadores mecánicos cuyas formas pueden ser muy variadas como se muestran en la tabla 1.3 A y B Consiste en el movimiento alternativo de sube y baja de una cuña con forma de semicono. La variación de la frecuencia de la oscilación y del semiángulo cónico proporciona una variada gama de clases de oleaje [9].
Tabla 1.3A Formas de generadores mecánicos
   
Tabla 1.3B Formas de generadores mecánicos
1.5.2 Generadores de olas La selección del generador de olas para un canal determinado estará gobernada por el tipo
de oleaje requerido. Las escalas fijadas para los ensayos dimensionarán el accionamiento del generador y las zonas útiles requeridas influirán en la colocación y extensión de la máquina a lo largo del canal.
Es obvio que la profundidad del agua influye en la selección del tipo de generador y que el mantenimiento especificado afectará a características relevantes de la máquina y es necesario tomar las medidas de protección suficientes para el equipo instalado.
   
 
formados por olas de viento de corto periodo propagándose en una dirección, combinado con olas de mayor periodo provenientes de una tormenta lejana en otra dirección. En este último caso se necesitarán sofisticados generadores de olas situados normalmente en más de una pared del estanque y controlados por complejos sistemas mandados por ordenadores.
En canales de obras marítimas en que las olas a generar son relativamente pequeñas se suelen disponer generadores portátiles de olas con lo que el modelo a estudiar, habitualmente estático se puede someter a trenes de olas idénticos provenientes de diversas direcciones sin más que cambiar la posición de los generadores.
En canales de ingeniería oceánica los generadores son diseñados para poder generar olas de mayor tamaño, suelen situarse definitivamente en los costados del canal debido a su peso y la complejidad de su accionamiento. En estos casos, para la generación de mares oblicuos o tridimensionales hay que recurrir a generadores tipo serpiente o multisegmentados en los que su longitud se fracciona en unas cuantas decenas de elementos con anchuras de entre 30 y 60 centímetros accionados cada una de forma independiente, como se muestra en la figura 1.4.
Figura 1.4 Generador de tipo serpiente o multisegmentado (equipo de Wallingford LTD)
   
 
En cualquier caso el diseño completo de un generador de olas deberá atender los conceptos siguientes:
1.- Localización del generador. 2.-Tipo de paleta. 3.-Dimensión de la paleta. 4.-Mapa de oleaje a generar. 5.-Zonas útiles de ensayo. 6.-Determinación de recorrido, gama de frecuencias. 7.-Tipos y modo de accionamiento 8.-Diseño constructivo de la paleta
-Reforzado, esfuerzos, flechas, frecuencias propias. -Materiales. -Mantenimiento.
9.- Especificación del oleaje a generar (tolerancias, pruebas de recepción). 10.-Control y equipos de medida.
-Servoválvulas. -Algoritmos de control. -Calibrado automático. -Absorción activa.
11.-Software de operación.
1.5.3 Equipo de un canal de olas
Independientemente de haber dotado un canal de sus dimensiones adecuadas y del generador de olas adecuado se debe concluir el proceso atendiendo a dos facetas. Pero una parte se debe mejorar la reproducción del entorno donde deberá trabajar el sistema marino para reducir al mínimo los efectos distorsionadores de la modelización. Deberá cuidarse por lo tanto la reproducción de vientos y corrientes y la protección del oleaje generado, para evitar la pérdida de calidad producida por reflexiones y demás fenómenos que puedan alterar el mar generado.
   
1.5.4.1 Medición del oleaje
El oleaje se debe medir no solo para garantizar que el mar generado es el deseado, sino también para disponer de un valor de retroalimentación para el ajuste de la función de transferencia del generador.
La elevación de las olas se suele medir con sensores ultrasónicos, conductivos, capacitivos o resistivos. Si el mar generado es de cresta corta se debe disponer de varios sensores de altura de ola colocados en forma que de la medida simultanea del oleaje en varios puntos se puede obtener el espectro direccional existente en el estaque. El empleo de currentímetro ortogonales generalmente ultrasónicos, midiendo la velocidad de las partículas del agua en un punto junto con la elevación del agua en este punto permite también el conocimiento del espectro direccional e este punto [9].
1.5.4.2 Movimientos y esfuerzos
Para la medida de movimientos se pueden emplear giroscopios con integradores para los movimientos angulares y potenciómetros de bajo par conectados a los modelos a través de muelles y poleas para los movimientos lineales. Algunas instalaciones disponen de sistemas de seguimiento óptico que permiten conocer el movimiento del modelo en sus seis grados de libertad.
Los esfuerzos se suelen medir con extensímetros adecuados a la naturaleza y magnitud a cada uno de ellos. Además se disponen en los modelos cuando son necesarios acelerómetros, captadores de presión, sensores de velocidad entre otros.
Los ensayos de ingeniería oceánica, requieren instalaciones con una mayor rapidez, una mayor flexibilidad y además, una mayor fiabilidad. La consecución de una forma económica de ensayos rápidos, flexibles y fiables ha llevado a instrumentar de forma redundante los modelos. Las medidas se realizan doblemente mediante sensores diferentes con lo que se comprueba continua y automáticamente la calidad del ensayo a los pocos minutos de su finalización. Con ello es posible, si hubiese motivo razonable para ellos, la repetición del ensayo a los pocos minutos del análisis de sus resultados con el considerable ahorro de tiempo que lleva consigo [9].
1.5.5 Equipos auxiliares
   
embarcada en modelos; acelerómetros; aparatos de calibrado de los sensores citados anteriormente entre otros.
Cuando surgió la necesidad de reproducir olas en estanques se empezó usando una chapa plana de acero articulada en el fondo y accionada por un sistema de biela manivela movido por un motor. De esta forma accionando la paleta a velocidad angular constante se consigue un desplazamiento periódico del agua produciendo olas casi senoidales, si se varia la velocidad angular del motor se variará la frecuencia de las olas y modificando el mecanismo de transmisión se variará la amplitud de las mismas. Con esto se podía generar trenes de olas regulares de amplitud constante y de frecuencia variable; la variación de la amplitud era más difícil llevarla a cabo de una forma rápida o continua sin poder contar con la ayuda de electrohidráulica o de servocontroles. Años después empezaron a desarrollarse métodos electromecánicos para la superposición de varias olas con distintas frecuencias espaciadas uniformemente [9].
1.5.6 Tipos de paletas
De entre todos los sistemas mecánicos, los más comúnmente montados en las instalaciones son los siguientes que son mostrados en la figura 1.5:
1.- Flap articulado en su extremo inferior 2.- Doble flap con doble accionamiento 3.-Piston de desplazamiento horizontal 4.- Cuñas verticales o inclinadas, planas o curvas 5.-Generador neumático 6.- Combinaciones de flap pistón con un solo actuador
Figura 1.5 Tipos de paletas
   
 
El tipo de paleta dependerá de la clase de ensayos previstos en la instalación. Los
generadores de tipo pistón, son una paleta plana vertical, con movimiento horizontal de vaivén, inducen a las partículas del agua una velocidad constante a lo largo de la profundidad de la paleta. Por lo tanto estos generadores serán los indicados para instalaciones en las que éste prevista la simulación de oleaje en aguas poco profundas en las que los perfiles de velocidad de las olas que se propagan suelen ser aproximadamente constantes con la profundidad. Por esta razón este tipo de generador son comunes en las instalaciones dedicadas al estudio de puertos y costas en las que se deseará la reproducción de aguas poco profundas.
En olas de profundidad ilimitada la velocidad de las partículas del agua disminuye
exponencialmente al aumentar la profundidad. Por ello los generadores formados por paletas planas cuya charnela está situada en su extremo inferior, los generadores tipo flap resultan los más adecuados ya que producen un perfil de velocidades linealmente decreciente con la profundidad que se aproxima al perfil exponencial. Este tipo de paleta en su estado puro o con algunas sofisticaciones es el más extendido en cualquier tipo de canal de olas dada su simplicidad de proyecto y su probada eficacia.
Cuando se generan olas de alta frecuencia la capacidad tanto del flap como del pistón, se ve
limitada por la considerable inercia, propia o hidrodinámicamente añadida, que presentan. Generalmente manteniendo constantes el resto de parámetros, la inercia añadida por el pistón suele ser mayor que la del flap cuando se generan olas de alta frecuencia. Con la finalidad de evitar las inercias añadidas y conseguir olas de alta frecuencia de calidad, se desarrollaron los generadores neumáticos pero de nuevo se chocó con el inconveniente de la inercia: esta vez del agua que impide una respuesta rápida a los cambios rápidos de la presión del aire que incide sobre la superficie libre del canal.
También luchando contra la inercia y buscando buena calidad de generación de olas de alta
   
 
También se pueden accionar las paletas en fase de forma que ambos flaps alcancen sus máximos y sus mínimos al mismo tiempo aunque sus amplitudes puedan ser diferentes. Este movimiento puede controlarse de forma que la razón de amplitudes angulares absolutas de ambas paletas sea igual a la pendiente media, a lo largo de la profundidad, de la amplitud horizontal de las partículas del agua. Con este modo de generación se consiguen las máximas alturas de ola para un mismo ángulo de amplitud de las paletas, aunque la calidad de las olas no sea todo lo bueno que se quisiese, especialmente si se trata de olas de baja frecuencia. Otra posibilidad consiste en mover los flaps de forma que las amplitudes angulares totales a diversas profundidades vayan ajustándose lo más posible a las amplitudes del movimiento de las partículas del agua a dichas profundidades.
Los generadores a base de cuñas de movimiento de sube y baja resultan muy sencillos y por
su baja inercia se adaptan bien para la generación de olas de alta frecuencia. En cambio, para olas de periodos grandes no se consideran adecuados y, aún menos, si se han de simular olas en aguas poco profundas [9].
1.5.7 Tipos de accionamiento El proceso normalmente empleado en el cálculo de la potencia necesaria para el
accionamiento del generador se inicia con el conocimiento de las características, altura y periodo. A partir de esta información se puede calcular la fuerza máxima necesaria para accionar el generador al nivel de aguas tranquilas del estanque y la máxima carrera de la paleta también a ese nivel. En este momento se estará en condiciones de estimar la potencia necesaria en una primera aproximación y de estudiar la posible instalación de sistemas de palancas y la situación de los puntos de aplicación en las paletas de las fuerzas de accionamiento. Estos detalles proporcionan una cierta flexibilidad a la hora de elegir los componentes dé la planta de potencia. A veces, los sistemas de palancas y conexionado entre actuadores y paletas se emplean para, con el diseño adecuado, poder accionar una misma paleta con movimiento rotacional, flap, o con movimiento traslacional, pistón, o con un movimiento híbrido entre ambos sin más que alterar las conexiones entre las paletas y los actuadores [9].
1.5.7.1 Tipos de accionamientos primarios
   
 
obtener rendimientos semejantes si se dota a la planta electromecánica de los amplificadores de potencia adecuados.
   
2.1 Introducción
En la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura (ESIA) Zacatenco, está localizado el laboratorio de puertos y costas de la especialidad de hidráulica de la ingeniería civil, dentro de este laboratorio se encuentra un estanque y un canal destinados a las pruebas de resistencia a diversos prototipos. Dichas pruebas se realizan con ayuda de generadores de olas para poner a prueba los modelos realizados por los estudiantes y docentes de esta unidad académica. En este capítulo se describe los elementos existentes que forman parte de un sistema de generación de olas regulares y direccionales.
2.2 Condiciones actuales
El laboratorio actualmente se encuentra inactivo para las pruebas y prácticas, debido a que el equipo de generación de olas no se encuentra en las condiciones para su puesta en marcha. La figura 2.1 muestra una fotografía tomada al canal el 21 de noviembre del 2013, las dimensiones de este canal son: 60x2x1.5 metros (180 m3).
Figura 2.1 Fotografía lateral mostrando el interior del canal
   
2.2.1 Sistema de movimiento de la paleta
   
Figura 2.3 Sistema de accionamiento de la paleta
Lo que ayuda a que exista un desplazamiento lineal son las guías de desplazamiento, estas se encuentran empotradas a la misma estructura en la que se encuentra el sistema de accionamiento, además estas cuentan con un amortiguamiento de goma. Estas guías permiten un desplazamiento lineal máximo de 86 centímetros, se pueden apreciar estos eslabones en la figura 2.4.
Figura 2.4 Guías de desplazamiento de la paleta
   
 
El sistema de transmisión se basa principalmente en una banda acoplada a dos reductores de velocidad, que a su vez están conectados a un mecanismo biela manivela, que transforma el movimiento rotatorio del motor en un movimiento lineal, esta conexión se puede ver en la figura 2.5.
Figura 2.5 Mecanismo de transmisión de movimiento
2.3 Equipo donado por CICATA Altamira
El equipo que se presenta a continuación fue donado por los laboratorios de CICATA Altamira. Este equipo debe ser rehabilitado para su futura implementación dentro del canal de pruebas de la ESIA Zacatenco,
2.3.1 Actuador lineal de corriente directa
   
Tabla 2.1 Placa de datos de motor de CD
2.3.2 Sensor de posición LVDT
Otro instrumento usado en el actuador lineal es el sensor de posición, el cual es un transformador diferencial de variación lineal (LVDT por sus siglas en inglés) mostrado en la figura 2.7. Tiene la función de medir el desplazamiento mediante el núcleo ferromagnético que se encuentra dentro del transformador. El transformador consiste en un embobinado primario y dos embobinados secundarios, los cuales están en contra fase con el primario. Los embobinados secundarios tienen igual número de vueltas, están conectado es en serie y en oposición de fase, con lo cual las fuerzas electromotrices inducidas en las bobinas se oponen.
Potencia 700 W Voltaje 88 Vcc
Corriente 9.5 A Velocidad 3000 RPM Velocidad Máxima
6000 RPM
 
La posición del cursor determina el flujo entre el voltaje alterno de excitación del primario y corresponde a los embobinados del embobinado secundario. Con el cursor en el centro o posición de referencia, las fuerzas electromotrices inducidas en los secundarios son iguales, y como son opuestas una con otra el voltaje de salida será de cero volts. Cuando una fuerza externa aplica un movimiento hacia la izquierda habrá más líneas de flujo magnético en la bobina izquierda que en la bobina derecha, y por lo tanto la fuerza electromotriz inducida en la bobina izquierda será mayor. La magnitud del voltaje de salida es igual a la diferencia entre los dos voltajes del secundario y estará en fase con el voltaje de la bobina izquierda y de forma análoga al sentido contrario.
Figura 2.7 Sensor de posición LVDT
2.3.3 Regulador de corriente
   
2.3.4 Bobina de choque
La bobina de choque se conecta a la salida de la tarjeta NC2110 en serie con el actuador, esta bobina tiene la función de contrarrestar el choque de corriente producido cuando el motor cambia el sentido de giro, como se ve en la figura 2.9.
Figura 2.9 Bobina de choque
   
2.3.5 Tarjeta Quad Channel Position
La tarjeta Quad Channel Position (QCP) es la que se encarga de comparar la señal de referencia con las señales de retroalimentación proporcionadas por el LVDT. Estas características identifican a la tarjeta QCP, figura 2.10, como el comparador del sistema de control del generador de olas. Esta tarjeta genera cuatro señales de error a partir de cuatro señales de retroalimentación proporcionadas por los cuatro LVDT’s y cuatro señales de referencia. Esta tarjeta además envía ocho señales digitales, dos a cada tarjeta NC2110, estas señales son las que indican el sentido de giro del motor de corriente directa.
Figura 2.10 Tarjeta Quad Channel Position
2.3.6 Fuentes de alimentación de potencia y de las tarjetas NC2110
   
2.3.7 Tarjeta NC2110
   
   
3.1 Análisis de la tarjeta Quad Channel Position (QCP)
La tarjeta QCP está dividida en cinco secciones con un total de 64 pines de entradas y salidas. Cuatro secciones corresponden a la comparación de cuatro señales de referencia con cuatro señales de retroalimentación, cada una de ellas manda una señal de error a un actuador lineal distinto, por lo que se deduce que las señales de error son enviadas a cuatro tarjetas NC2110 diferentes. La quinta sección de la tarjeta QCP es una fuente de alimentación de esta misma tarjeta.
Para el análisis de la tarjeta QCP se usó como referencia el circuito electrónico del ingeniero Adán Hernández Sánchez [10], a partir de este circuito y con ayuda de un multímetro se pudieron detectar los 64 pines que corresponden a entradas y salidas de los comparadores y a la fuente de alimentación de la tarjeta QCP. Las entradas a la tarjeta son los puertos de setpoint, y las señales de los sensores LVDT, las salidas de la tarjeta son las señales de error y +/- Limit.
En la sección de la fuente de alimentación de esta tarjeta, existe un circuito rectificador de voltaje, se percató que no proporcionaba el voltaje necesario a los circuitos integrados, así como a los pines de +/- 15 Vcc. Conociendo esto se verificaron cada uno de los componentes de esta fuente, de tal forma que se detectó una avería en un par de capacitores de 1µF, estos estaban conectados a los reguladores de voltaje. Se tuvo que reemplazar estos elementos por unos nuevos.
Los resultados de los pines ubicados en la tarjeta QCP se muestran en la tabla 3.1
Tabla 3.1 Distribución de pines de tarjeta QCP
A C A C
0 Vcc 102 0 Vcc Error 3 2 0 Vcc
Neutro (24 VCA) 104 Neutro (24 VCA) 0 Vcc 4 0 Vcc
Fase (24 VCA) 106 Fase (24 VCA) 0 Vcc 6 0 Vcc
15 Vcc 108 15 Vcc Señal LVDT3 8 Setpoint3
+15 Vcc 110 +15 Vcc +limit3 10 +limit3
0 Vcc 112 Error 1 limit3 12 limit3
0 Vcc 114 0 Vcc 0 Vcc 14 Error4
Señal LVDT1 116 0 Vcc 0 Vcc 16 0 Vcc
+Limit1 118 Setpoint1 Señal LVDT4 18 0 Vcc
Limit1 120 +Limit1 0 Vcc 20 setpoint4
Error 2 122 Limit1 +limit4 22 +limit4
0 Vcc 124 0 Vcc limit4 24 limit4
0 Vcc 126 0 Vcc +15 vcc 26 +15 vcc
Setpoint2 128 Señal LVDT2 +15 vcc 28 +15 vcc
+limit2 130 +limit2 15 vcc 30 15 vcc
limit2 132 limit2 15 vcc 32 15 vcc
   
 
En la tabla 3.1 se observa que los pines A y C 104 y 106 son alimentación de corriente alterna, con un valor de 24 Volts, esta energía proviene de un trasformador que reduce un voltaje de 120 Vca a 24 Vca. Al energizar estos puertos se logró detectar los pines que proveen de energía con +/- 15 Volts de corriente continua y su referencia de 0 Volts, previamente a esto se pudo comprobar que existía continuidad entre estos pines.
3.2 Pruebas del sensor LVDT
El sensor LVDT como se menciona en el capítulo anterior, es un sensor que ayuda a identificar la posición del actuador lineal. Este sensor cuenta con cuatro cables de diferentes colores, por la composición del sensor se sabe que necesita de una alimentación positiva y negativa y una referencia para que pueda mandar una señal de posición.
Como no se cuenta con información del código de colores que maneja este tipo de sensor, se realiza una prueba con la tarjeta QCP, conectando el sensor con las terminales conocidas de la tarjeta. Después de varias combinaciones en los pines se obtiene la siguiente información, mostrada en la tabla 3.2
Tabla 3.2 Código de colores sensor LVDT
Al detectar la función de cada uno de los cables, se experimento con diferentes posiciones del vástago, desplazándolo a lo largo del cuerpo del sensor, obteniendo diferentes valores de voltaje contra posición.
La figura 3.1 muestra la señal de voltaje que envía el sensor LVDT al estar completamente retraído, en esta posición existe un voltaje aproximado de 11.3 Vcc.
Color Tipo de señal
Figura 3.1 Prueba con vástago retraído
La figura 3.2 indica cuando el vástago del sensor LVDT se encuentra en su posición central, se observa que el voltaje es alrededor de cero Volts.
Figura 3.2 Prueba con vástago posición central
   
 
La figura 3.3 muestra la señal de voltaje del sensor LVDT cuando el vástago esta expulsado en su totalidad, se obtiene un voltaje cercano a los – 13 Vcc.
Figura 3.3 Prueba con vástago expulsado.
Estos valores demuestran que el voltaje depende de la posición del vástago del sensor, esta señal es importante para conocer la posición del actuador y compararlo con el setpoint.
3.3 Pruebas de las fuentes de alimentación
3.3.1 Prueba de la fuente de alimentación de las tarjetas NC2110
La fuente de alimentación de las tarjetas NC2110, mostrada en la figura 3.4, rectifica un voltaje de corriente alterna proveniente de un trasformador con devanado central, este reduce un voltaje de 120 Vca a un voltaje de 26 Vca entre los extremos del devanado secundario.
   
Figura 3.4 Fuente de alimentación de las tarjetas NC2110
La Fuente de alimentación no contaba con tres fusibles, se conoce que los fusibles faltantes son de 4A a 250 V, esto es porque se compara con el fusible existente de la tarjeta.
Una vez conectados los voltajes de la fuente, provenientes del transformador, se procede a la medición de los voltajes de salida. Se puede percatar que a la salida de la fuente existen 4 secciones, cada una cuenta con tres pines, por lo que cada una de estas secciones corresponde a la alimentación de una tarjeta NC2110. La medición en los pines de cada sección nos arrojan los siguientes resultados:
La figura 3.5 muestra la señal medida entre los extremos de una sección de salida de la fuente de alimentación de las tarjetas NC2110.
   
 
En la figura 3.6 se observa la medición del voltaje medido en las terminales de salida de la fuente de alimentación, se conecta un pin situado en un extremo de una sección con el pin central de la misma sección.
Figura 3.6 Voltaje positivo de salida de la fuente de alimentación
3.3.2 Prueba de la fuente de alimentación de potencia En cuanto a la fuente de potencia, que suministra energía a los motores de corriente directa,
la cual está compuesta por un puente de diodos rectificador trifásico y un capacitor de 6800µF a 250Vcc, se sabe que es un una alimentación trifásica por la composición de la entrada del puente de diodos, ya que tiene tres entradas, una por cada fase y dos cables de salida hacia el capacitor. Como no se cuenta con una alimentación trifásica de 110Vca se analiza el componente de rectificación para sustituir la entrada de energía trifásica por monofásica.
La alimentación del actuador lineal proviene de los puertos de alimentación de la tarjeta
NC2110, +/- Armadura, como se mostró en la tabla 3.3, la cual a su vez proviene de una fuente de alimentación +/- Bus, esta fuente de alimentación está constituida por un puente de diodos trifásico y un capacitor de 6800 µF a 250 Vcc.
   
 
etapa de rectificación. Este además provee un aislamiento galvánico, esto ayuda a la protección del sistema del suministro eléctrico.
Figura 3.7 Variac
3.4 Pruebas con Actuador y tarjeta NC2110 La tarjeta NC2110 tiene un total de 18 puertos de entradas y salidas. Con ayuda del
diagrama a bloques de las conexiones de un motor de cd [10], se reconoce la función de cada uno de los puertos, la figura 3.8 muestra los puertos de alimentación de la tarjeta NC2110 y la alimentación de la etapa de potencia hacia el motor. La tabla 3.3 muestra la función de cada puerto, empezando la numeración de derecha a izquierda, de acuerdo a la figura 3.8.
Figura 3.8 Puertos de alimentación de la tarjeta NC2110
   
Tabla 3.3 Función de los puertos de alimentación
Las señales de +/- Bus es el voltaje con la que el motor del actuador opera, los puertos de +/- Armadura es donde va conectado el motor del actuador lineal, en serie con la bobina de choque. Mientras que las señales de +18 Vcc, 0 Vcc y -18 Vcc funcionan como alimentación a los dispositivos que se encuentran dentro de esta tarjeta, esta energía proviene de la fuente de alimentación que se probó con anterioridad.
Los once puertos restantes están colocados en el extremo opuesto de las señales de alimentación, la figura 3.9 muestra físicamente los puertos, y la tabla 3.4 la función que desempeña cada uno de los puertos, la numeración empieza de derecha a izquierda.
Figura 3.9 Puertos de control de la tarjeta NC2110
1 +Bus
2 Bus
3 +Armadura
4 Armadura
Tabla 3.4 Función de los puertos de control
En los puertos de control están las siguientes entradas +/- Tacómetro, en este van conectadas las terminales del tacómetro del motor; +/- Limit, estas señales provienen de la tarjeta QCP las cuales indican el sentido de giro; Enable esta señal sirve para activar la tarjeta NC2110; +/- Command viene de la señal de error de la tarjeta QCP. Las salidas de los puertos de control son 0 Vcc +/- 15 Vcc.
Como parte de la restauración del equipo, se cambió el cableado de los buses hacia los puertos de conexión mediante sus respectivos conectores
3.4.1 Prueba con actuador lineal Lo primero que se tiene que realizar para las pruebas del actuador, es verificar que no
tenga problemas en cuanto a su desplazamiento mecánico. Al conectarse directamente y ver que no operaba de forma correcta, indica que hay una anomalía en cuanto a la parte mecánica, y se decidió desarmarlo. La avería que ocasionaba su mal funcionamiento fue que un desplazamiento de retracción excesivo provocó un desacople del vástago con el cuerpo del cilindro. Una vez corregido el problema se prosigue con las pruebas.
Para poner en marcha el actuador lineal se necesita conectar con la tarjeta NC2110, como lo indica el diagrama de conexiones para la experimentación para determinar el control de velocidad del motor de CD [10]. Para realizar esta prueba no es necesario conectar la tarjeta QCP. Para simular el trabajo que desempeña la tarjeta QCP se sustituye con conexiones manuales, para ello es necesario hacer las siguientes conexiones en los puertos de control como muestra en la figura 3.10.
1 Tacómetro
2 +Tacómetro
Figura 3.10 Diagrama de conexión manual para prueba del actuador
El tacómetro va conectado en los primeros dos puertos, este es necesario para medir la velocidad con la que gira el motor del actuador, para que la prueba funcione es necesario alimentar el puerto Enable, con un voltaje de +15 Vcc, cabe destacar que si este puerto no es alimentado la tarjeta no opera. Para que el motor gire hacia un sentido, es necesario conectar una alimentación de +15 Vcc a +Limit, y las señales de +/- Command deben conectarse como se muestra en la figura 3.10.
Para invertir el sentido de giro de modo manual se deben realizar unos cambios en las conexiones de los puertos de control, estos cambios se aprecian en la figura 3.11
Figura 3.11 Diagrama de conexión manual para inversión de giro
Tacómetro
+Tacómetro
 
Al regular el voltaje de entrada del variac se puede regular la velocidad del actuador, esto es debido a que el voltaje de corriente directa varía en forma proporcional al voltaje de corriente alterna.
3.4.2 Prueba de un actuador lineal con el generador de funciones En esta etapa de pruebas se conecta el sistema completo, esto una vez que se realizaron las
pruebas de funcionamiento a las diferentes tarjetas y dispositivos, corroborando su correcto funcionamiento por separado. En esta prueba se hace las conexiones entre la tarjeta QCP y la tarjeta NC2110, como se muestra en el diagrama de bloques de las conexiones de un motor de cd [10].
Para generar la señal de setpoint de la tarjeta QCP se uso un generador de funciones, donde se puede variar la frecuencia y la amplitud de dichas señales, para las pruebas se usó dos señales diferentes, una señal triangular y una senoidal. Con un osciloscopio digital, se puede observar gráficamente la señal como se ve en las figuras 3.12 y 3.13.
Figura 3.12 Señal triangular del generador de funciones.
   
Figura 3.13 Señal senoidal del generador de funciones.
Las señales que se usaron se ajustaron a una frecuencia de 0.2Hz y una amplitud de 4.2 Vpp, esta frecuencia es la frecuencia más baja con la que el generador de funciones puede trabajar, y no puede operar el sistema a frecuencias mayores de 3 Hz [10], en cuanto a la amplitud es un valor aproximado con el cual el micro controlador Arduino Mega2560 puede trabajar. El diagrama de conexiones completo se muestra en la figura 3.14.
Figura 3.14 Diagrama de conexiones de tarjetas y dispositivos
1 +Bus
2 Bus
4 Armadura
4 0 Vcc Error 3 2 0 Vcc
5 +15 Vcc 0 Vcc 4 0 Vcc
6 +Limit 0 Vcc 6 0 Vcc
7 Limit Señal LVDT3 8 Setpoint3
8 Enable +limit3 10 +limit3 +15 Vcc
9 Fault limit3 12 limit3 +15 Vcc
10 Command 0 Vcc 14 Error4
11 +Command 0 Vcc 16 0 Vcc
Señal LVDT4 18 0 Vcc
0 Vcc 20 setpoint4
Fuente de poder
 
Para las pruebas se uso un voltaje estándar de 50 Vcc, esto fue posible ajustando el variac a un voltaje aproximado de 40 Vca, esto es con el fin de que el actuador no funcione a su velocidad máxima y evitar un daño en el actuador o en el sistema debido a la corriente. La figura 3.15 muestra el sistema funcionando con una señal de control producida por el generador de funciones.
Figura 3.15 Prueba de sistema con generador de funciones
   
   
4.1 Introducción
Un elemento que hace falta dentro del sistema de generación de olas direccionales es la señal de setpoint que indica el sentido de giro del motor, esta señal puede ser enviada desde distintos dispositivos. El dispositivo que se usa en esta propuesta es un micro controlador Arduino Mega 2560; este fue elegido debido a que se puede brindar una solución mediante su lenguaje de programación, además de que tiene la capacidad suficiente de entradas y salidas requeridas. En este capítulo se describe de manera general características del micro controlador, los cálculos, la programación de la señal de referencia de setpoint y la integración con el circuito electrónico que lo complementa.
4.2 Micro controlador Arduino Mega 2560
El Arduino Mega es un micro controlador basado ATmeg1280. Tiene 54 entradas y salidas digitales (de las cuales 14 proporcionan salida PWM), 16 entradas digitales, 4 UARTS (puertos serie por hardware), un cristal oscilador de 16MHz, conexión USB, entrada de corriente, conector ICSP y botón de reset.
Figura 4.1 Arduino Mega 2560
   
4.2.1 Entradas y salidas
Cada uno de los 54 pines digitales en el Arduino Mega 2560 pueden utilizarse como entradas o como salidas usando las funciones pinMode(), digitalWrite(), y digitalRead() . Las entradas y salidas operan a 5 Vcc. Cada pin puede proporcionar o recibir una intensidad máxima de 40mA y tiene una resistencia interna (desconectada por defecto) de 20-50kOhms. Además, algunos pines tienen funciones especializadas:
Serie: 0 (RX) y 1 (TX), Serie 1: 19 (RX) y 18 (TX); Serie 2: 17 (RX) y 16 (TX); Serie 3: 15 (RX) y 14 (TX). Usado para recibir (RX) transmitir (TX) datos a través de puerto serie TTL. Los pines Serie: 0 (RX) y 1 (TX) están conectados a los pines correspondientes del chip FTDI USB-to-TTL.
Interrupciones Externas: 2 (interrupción 0), 3 (interrupción 1), 18 (interrupción 5), 19 (interrupción 4), 20 (interrupción 3), y 21 (interrupción 2). Estos pines se pueden configurar para lanzar una interrupción en un valor LOW (0 Vcc), en flancos de subida o bajada (cambio de LOW a HIGH (5 Vcc) o viceversa), o en cambios de valor.
PWM: de 0 a 13. Proporciona una salida PWM (modulación de onda por pulsos) de 8 bits de resolución (valores de 0 a 255) a través de la función analogWrite().
SPI: 50 (SS), 51 (MOSI), 52 (MISO), 53 (SCK). Estos pines proporcionan comunicación SPI, que a pesar de que el hardware la proporcione actualmente no está incluido en el lenguaje Arduino.
Microcontrolador ATmega1280
Pines E/S digitales 54 (14 proporcionan salida PWM)
Pines de entrada analógica 16
Intensidad por pin 40 mA
Intensidad en pin 3.3V 50 mA
Memoria Flash 128 KB de las cuales 4 KB las usa el gestor de
arranque(bootloader)
   
 
LED: 13. Hay un LED integrado en la placa conectado al pin digital 13, cuando este pin tiene un valor HIGH(5V) el LED se enciende y cuando este tiene un valor LOW(0V) este se apaga.
El Mega tiene 16 entradas analógicas, y cada una de ellas proporciona una resolución de 10bits (1024 valores). Por defecto se mide de 0Vcc a 5 Vcc, aunque es posible cambiar la cota superior de este rango.
Reset. Suministrar un valor LOW (0V) para reiniciar el micro controlador. Típicamente usado para añadir un botón de reset a los shields que no dejan acceso a este botón en la placa.
4.3 Programación señal de modulación de ancho de pulso (PWM)
Para la generación del setpoint es necesario generar una señal que mantenga una forma de onda constante, que no tenga variaciones que puedan perturbar el setpoint y con ello ocasionar problemas al sistema o al motor. Además de estas características, se necesita que se pueda modular la frecuencia, como se mencionó en la sección 3.4.2, debe de estar dentro de un rango de 0.15 a 2 Hz con una amplitud de 5 Vcc.
Para realizar de la señal de modulación de ancho de pulso se usó un puerto de salida analógica y un puerto de entrada analógica, estos fueron el puerto 3 y el puerto A0 respectivamente. Se conoce la información de estos puertos en base a la hoja de especificaciones del micro controlador [7].
4.3.1 Cálculo de parámetros de la señal
Antes de programar el setpoint, es necesario conocer parámetros importantes, estos parámetros son la amplitud y la frecuencia de la señal. Esta señal debe ser programada de tal manera que se pueda modificar la frecuencia, en cuanto a la amplitud tiene que ser constante en el voltaje pico a pico, lo que se modifica es el nivel de referencia, para poder tener valores positivos, negativos o ambos.
Como se mencionó en la sección 4.2.1, la salida analógica de los puertos del Arduino Mega 2560 tienen una resolución de 8 bits, esto quiere decir que toma valores a partir de 0 hasta 255, siendo 0 un voltaje de salida de 0 Vcc y 255 un voltaje máximo de 5 Vcc, esto cuando la alimentación del micro controlador es de 5 Vcc.
   
Figura 4.2 Gráfica de tiempo contra resolución de salida
Conociendo el valor de la resolución de bits a los que trabaja el micro controlador, se tiene que es un valor de 255 al ascender la gráfica y otros 255 al descender, por lo que en este valor es multiplicado por el valor de la función delay(), hay que recordar que esta función opera en orden de milisegundos por lo que se tienen las siguientes ecuaciones.
t delay
1000 510 (3.2)
Se sabe que el rango de frecuencia de la señal es de 0.15 Hz a 2 Hz, y por la ecuación 3.2 se necesita conocer el valor de tiempo respectivo. La relación entre tiempo y frecuencia está dada por la ecuación 3.3
f
 
Sustituyendo los valores de la frecuencia mínima y máxima se obtienen las ecuaciones 3.4 y 3.5.
st 66.6 15.0
1 (3.5)
Despejando delay de la ecuación 3.2 se obtiene el valor máximo y mínimo del delay requerido para la frecuencia deseada.
tdelay
1000 (3.6)
Sustituyendo los valores obtenidos en las ecuaciones 3.4 y 3.5 se obtiene los valores siguientes:
1366.6 510
delay (3.8)
De a cuerdo con la hoja de datos del micro controlador [7] se sabe que los valores de las entradas analógicas tienen una resolución de 0 a 1023. Siendo un valor de 0 cuando el voltaje de entrada es 0 Vcc, y un valor de 1023 cuando la señal de entrada es 5 Vcc.
   
Figura 4.3 Gráfica resolución entrada analógica contra delay
Para obtener la ecuación que va a ser programada en el software de Arduino para la modificación de la frecuencia se realiza mediante las siguientes ecuaciones de la recta.
0117.0 01023
98.00117.0 xy (3.11)
En la ecuación 3.11 y es el valor del delay dentro del programa, mientras que x es el valor de la entrada analógica.
4.3.2 Programación del micro controlador Arduino Mega 2560
   
Figura 4.4 Declaración de variables del programa de la señal
En la sección del void setup del programa se asigna a las variables, declaradas en la figura 4.5, su función, esto quiere decir si serán usadas como entradas o salidas digitales o como salidas analógicas. De a cuerdo a la hoja de datos del micro controlador [7] las entradas analógicas no son declaradas debido a que el software las declara automáticamente.
   
 
En el apartado de void loop del programa se escribe el algoritmo que realiza las operaciones para la creación de la señal.
La función de este algoritmo es enviar el valor de la variable i a la salida analógica. Esta variable inicia en un valor de 0 hasta un valor de 255, cuando el valor de la variable i llega a un valor igual a 255, dicha variable inicia su decremento de un valor de 255 a 0 y también es enviado a la salida analógica designada anteriormente. Cada vez que la variable i se incrementa existe un retardo de tiempo para que vuelva a realizar otro incremento, este retardo de tiempo está dado por la función delay() y se puede modificar agregando un valor dentro de los paréntesis de esta función. Con este retardo de tiempo podemos modificar la frecuencia de nuestra señal.
Para realizar la primera parte de la señal se usa un ciclo for en donde se coloca un valor inicial de 0, a un valor final de 255, así como un incremento. Este incremento esta dado por la variable i, esta variable incrementa su valor en una unidad cada vez que entra al ciclo for.
Al principio del ciclo for se realiza la lectura de la señala analógica. Esta lectura es asignada a la variable auxiliar apoyo. Cuando existe la adquisición de datos en la variable apoyo, se realiza una operación, el resultado de esta operación es asignada a la variable frec. Al momento de cargar el programa al micro controlador las variables frec y apoyo pueden ser visualizadas en el monitor serial.
El valor del incremento es enviado a la salida analógica que está localizada en el puerto número tres, mediante la variable i y la variable signal.
La variable frec es colocada dentro del paréntesis de la función delay(frec), para realizar los retardos y obtener la frecuencia calculada.
Para generar la otra mitad de la señal se realiza un decremento de la variable i cuando esta llega a un valor de 255, a llegar a este valor inicia un ciclo for con la misma lógica que el ciclo anterior, únicamente cambia el incremento por un decremento.
   
4.4 Integración Arduino y circuito electrónico
Se ha generado mediante el micro controlador una señal PWM, capaz de modificar la frecuencia con la que trabaja, pero dentro de las características que necesita la señal tiene que ser capaz de cambiar su referencia, manteniendo siempre su amplitud de 5 Vpp. Esto es imposible para el micro controlador, puesto que solo puede mandar en sus salidas analógicas valores positivos de voltaje. Para cumplir con esto se requiere de un circuito auxiliar, que pueda manejar valores negativos de voltaje. Esto es posible con amplificadores operacionales en diferentes configuraciones. Se necesitan de valores negativos en el setpoint, porque los voltajes positivos provocan que el motor gire en un sentido, y los voltajes negativos hacen un cambio en el sentido de giro en el motor, este cambio en el sentido de giro hace que el actuador lineal tenga un movimiento de expulsión y retracción constante.
Para poder desplazar la señal del micro controlador es necesario sumar la señal PWM con un voltaje variable proveniente de una resistencia variable, este es capaz de variar el voltaje entre sus terminales. Para este circuito este voltaje debe ser de 5 Vcc, para que pueda desplazar la señal completamente.
   
 
circuito no puede trabajar solo, necesita un complemento para que pueda restar las señales en lugar de sumarlas. Este complemento es un amplificador inversor [2] este va a invertir el voltaje variable, haciendo que pueda tomar cualquier valor de 0 Vcc a -5 Vcc, este en conjunto con el sumador darán como resultado poder desplazar la señal, manteniendo su forma, frecuencia y la amplitud de 5 Vpp. La figura 4.7 muestra el circuito electrónico.
Figura 4.7 Diagrama electrónico de desplazamiento de señal.
   
   
5.1 Introducción
A lo largo de este capítulo se muestran los resultados de las pruebas realizadas a los elementos electrónicos, eléctricos y mecánicos que conforman el sistema de generación de olas. También se hace una comparación con la arquitectura de control en lazo cerrado determinar los elementos existentes y los elementos faltantes de todo el sistema.
5.2 Resultados de las fuentes de alimentación
En todo el sistema existen básicamente tres fuentes de alimentación, la primera es la que alimenta el motor del actuador lineal, como se mencionó en la sección 3.4.1 el que se encarga de suministrar energía es un variac, un autotransformador capaz de variar el voltaje de de corriente alterna, al variar este voltaje se va a disminuir el voltaje que se rectifica, la rectificación es por un puente de diodos trifásico y un capacitor. Cuando el variac funciona a su máxima capacidad, el voltaje de corriente directa es aproximadamente de 180 Vcc.
Las otras fuentes de alimentación de importancia son las que alimentan las tarjetas controladoras NC2110 y la tarjeta QCP. Como se mencionó en la sección 3.3, el voltaje que requiere la fuente son 26 Vca, este voltaje es obtenido de un transformador reductor, este transformador puede reducir un voltaje de 127 Vca a 26 Vca con derivación central, esto quiere decir que tomando como referencia la derivación central, se obtiene un voltaje de 13 Vca entre las terminales del transformador. Esto es necesario para su rectificación, el circuito rectificador de esta tarjeta genera un voltaje de +/- 18 Vcc para alimentar a las tarjetas NC2110.
En cuanto a la tarjeta QCP requiere un voltaje de 24 Vca, como el transformador lo reduce a 26 Vca y después de comprobar que los componentes de rectificación toleraban este exceso de energía se optó por usarlo para alimentar a la tarjeta.
Los resultados en estas tarjetas fueron los esperados, después de sustituir algunos componentes como se menciona en el capítulo 3, que ya se encontraban dañados, los voltajes tanto de potencia como de control no sufren variaciones, y trabajan en los valores esperados. Para condiciones de pruebas el motor es alimentado a un voltaje máximo de 50 Vcc y las tarjetas NC2110, reciben un voltaje de +/- 18 Vcc. En cuanto a la tarjeta QCP los pines mostrados en tabla 3.1 son correctos y fueron corroborados con un multímetro.
5.3 Resultados pruebas con el actuador lineal
   
 
Los primeros resultados arrojaron que el motor no tiene problemas al conectarse a una fuente variable de corriente directa, con esto también se corroboró la dimensión del vástago, como se aprecia en la figura 5.1 tiene una longitud máxima de 29.5 cm, se tomó como una carrera máxima de 25cm, para evitar daños en el motor o el actuador.
Figura5.1 Pruebas de dimensiones del vástago del actuador
5.3.1 Resultados de pruebas manuales
Las pruebas de la sección 3.4 dieron resultados satisfactorios, mostrando además conclusiones importantes del funcionamiento de la tarjeta NC2110.
El primer resultado que se obtiene es en cuanto a la operación y es referente al puerto Enable. Este puerto es de importancia, porque es el que habilita la tarjeta NC2110, si no tiene una alimentación de 15 Vcc no va a operar y en consecuencia el motor no va a girar.
Como segundo resultado es en cuanto a los puertos +/- Limit. Estos puertos se conectan con la tarjeta QCP, como se mencionó en la sección 3.4 estos puertos son los encargados de invertir el sentido de giro del motor. Por la nomenclatura que se está usando (+/-Limit) se puede mal interpretar que estos puertos necesitan un voltaje de +/- 15 Volts respectivamente, se comprobó que esto es incorrecto, ya que para indicar el sentido de giro solo debe de estar energizado uno a la vez, con un voltaje de +15 Vcc. Si los dos están energizados o ninguno lo está, la tarjeta NC2110 se inhabilitará y no permite el movimiento del motor. Para obtener esos +15 Vcc se hace un puente en la tarjeta QCP, como se ve en la tabla 3.1 hay dos pines de +Limit (A10 y C10) y dos de – Limit (A12 y C12), en un pin de cada Limit se conecta un voltaje de +15 Vcc.
   
 
3.11 cambia la referencia del señal y tiene que estar en conjunto con el +/- Limit para el sentido de giro.
5.3.2 Resultados con generador de funciones
Los resultados de esta prueba ayudaron a decidir el tipo de señal que se debe generar y las características de ella. Lo primero que se observó fue la forma de la onda, se probaron dos tipos de señales una de onda sinodal y la segunda de forma triangular. Observamos que no hay inconvenientes con ninguna de ellas, si bien son diferentes por la forma de la señal, la frecuencia de operación ayuda a que no se muestren diferencias en el funcionamiento del motor, por esta razón se optó por generar una señal que varié su voltaje de forma similar a la de una señal triangular.
La amplitud se decidió mantenerla en un voltaje de 5Vpp, por las características del micro controlador. Al modificar los valores del nivel del voltaje, podemos cambiar el tiempo en el que la onda esta en valores positivos o negativos; mientras exista un mayor porcentaje de la onda en un voltaje positivo, el vástago se expulsa una mayor longitud, y si la señal está más tiempo en valores negativos, el vástago se retrae mayor longitud de lo que se expulsó. Con esto se concluye que la señal de setpoint debe estar en los mismos valores positivos y negativos, es decir que la amplitud debe variar de -2.5 Vcc a +2.5 Vcc, para asegurar que el desplazamiento del vástago sea el mismo.
La figura 5.2 muestra el acoplamiento del sistema con el generador de señales.
Figura 5.2 Acoplamiento de sistema con generador de funciones.
   
5.4 Función PWM generada
El capitulo 4 se explica a detalle cómo se generó la onda PWM del micro controlador Arduino Mega 2560, también se explicó que esta señal no puede tomar valores negativos de voltaje, por características del mismo micro controlador, así mismo la hoja de datos del micro controlador, menciona que las salidas analógicas son PWM, esto quiere decir que la salida es un ancho de pulso modulable, el ancho de pulso se puede interpretar como el promedio del voltaje de salida, mientras el ancho del pulso sea más grande mayor será el voltaje de salida. Como se ve en la figura 5.3
Figura 5.3 Salida PWM del micro controlador
   
 
Para poder seguir con la señal que se necesita para el setpoint, se mencionó en el capítulo 4, hace falta la ayuda de un circuito auxiliar que modificará la referencia manteniendo la amplitud en el voltaje pico a pico, esto se logra con un arreglo de dos amplificadores operacionales, figura 4.7. El primer amplificador operacional se encarga de invertir el voltaje variable, esta primera señal proviene de una resistencia variable, como se muestra en la figura 5.4 se puede apreciar que el voltaje de salida (CH2) es igual pero con signo contrario a la señal de entrada (CH1)
Figura 5.4 Inversión de Voltaje
   
Figura 5.5 Señales de entrada al segundo amplificador
El resultado de la salida del arreglo de amplificadores se ve mostrado en las figuras 5.6 y 5.7 en ambas señales de salida se ve un voltaje de 5 Vpp. La primera de ellas se ve que tiene valores de -2.4 Vcc a 2.6 Vcc, mientras que la figura 5.7 son valores de -4.4 Vcc a 0.6 Vcc.
   
 
Figura 5.7 Ancho de pulso de -4.4 Vcc a 0.6 Vcc
Se comparó con un osciloscopio la señal de setpoint enviada a la tarjeta QCP con la señal de error que genera, la señal de setpoint está ubicada para tener valores positivos y negativos, que van desde -2.5 Vcc a 2.5 Vcc, se deciden estos valores por que se vío en las resultados anteriores que con estos valores de voltaje se obtiene el funcionamiento adecuando del actuador, quiere decir que se tiene un desplazamiento de expulsión igual al de retracción. Las figuras 5.8, 5.9 y 5.10 muestran la variación de voltaje del PWM (CH1) y la señal de error (CH2).
   
 
Figura 5.9 Ancho de pulso y señal de error tarjeta QCP valor de cero
   
 
Después de los resultados anteriores se puede decir que se generó una señal capaz de modificar la frecuencia, además de decidir qué sentido de giro se desea, puede ser solo el movimiento de expulsión del pistón o la retracción, estas señales son de utilidad para colocar el pistón en la posición en la que se quiere comenzar el ciclo de trabajo. La señal adecuada y la que va a permitir que el pistón del actuador se expulse y retraiga de forma uniforme, es la función de la figura 5.6, esto es por que maneja ambos voltajes tanto como negativos y positivos, y como se vio en las pruebas previas, esto indica el sentido de giro del motor, una polaridad hacia un sentido y la otra polaridad en sentido inverso.
5.5 Arquitectura de control
En función a los componentes estudiados, el siguiente paso es realizar los diagramas a bloques para entender los lazos de control que vienen implementados en las tarjetas electrónicas.
A parir de una arquitectura básica de control en lazo cerrado se define el siguiente diagrama a bloques mostrado en la figura 5.11; el cual interpreta la secuencia que sigue el proceso para el movimiento del elemento final de control.
   
5.6 Conclusiones  
Se logró rehabilitar el sistema de generación de olas direccionales de la ESIA Zacatenco, haciendo las pruebas mostradas en el capítulo 3 a cada componente del sistema, se reemplazaron dispositivos que se encontraban en mal estado y también se hizo un mantenimiento al actuador lineal, para ayudarlo a realizar su desplazamiento.
En la sección 3.1 se analizó la tarjeta Quad Channel Position (QCP), se puede ver en la tabla 3.1 los resultados obtenidos de este análisis. Las señales que entran a la tarjeta son: el setpoint, proveniente de la función PWM generada (Sección 5.4), y la señal del sensor LVDT. En cuanto a la salida de la tarjeta se tiene una señal de error y un voltaje enviado desde un puerto +/- Limit a la vez, ambas son enviadas la tarjeta controladora NC2110, figura 2.12. Conociendo estas características de la tarjeta QCP se puede concluir que la tarjeta es un comparador, que tiene la función de generar una señal de error a partir de un setpoint y la señal de un sensor de posición. La tarjeta QCP es representada en el primer comparador como se muestra en la figura 5.11.
En la sección 3.4 se identificó cada puerto de la tarjeta controladora NC2110 (tabla 3.3 y 3.4), existen dos portes dentro de la tarjeta, que son los puertos de control y los de potencia. Los puertos de control se identifican porque en ellos llegan las señales del comparador, que son la señal de error, +/- Limit y una señal proveniente de un segundo sensor que es un tacómetro acoplado al motor de corriente directa; con esto se concluye que esta parte de la tarjeta NC2110 son los controladores del lazo de control. Uno de ellos es el encargado de controlar la posición y el otro la velocidad mostrados en la figura 5.11. La segunda parte de la tarjeta se encuentra los puertos de potencia, esta parte es la que permite el paso de energía de manera controlada al motor, esto es mediante un puente H interno de la tarjeta NC2110, esto nos lleva a la conclusión de que esta parte es el actuador del lazo de control.
El dispositivo a controlar es el motor de corriente directa, que esta acoplado al actuador lineal, el desplazamiento y el sentido de giro se ve afectado por el voltaje proveniente del actuador, la tarjeta NC2110. Con esto se deduce que el motor es la planta del lazo de control.
Cuando el motor de corriente directa opera en sus diferentes sentidos de giro, dos dispositivos arrojan señales de voltaje, debido a que están acoplados mecánicamente, estos dispositivos son el tacómetro y el LVDT. Conforme a los resultados arrojados en la sección 3.2, esto ayuda a concluir que los dispositivos antes mencionados son los elementos primarios del lazo de control, siendo esto la realimentación al sistema y se puede obsevar la figura 5.11.
   
 
los mismos valores de voltaje en magnitud tanto positivos y negativos, como puede ver en la figura 5.6. Cabe destacar que la frecuencia usada está en función al voltaje del bus de alimentación del motor.
Las pruebas hechas fueron a un voltaje 50 Vcc, y la frecuencia de 0.15 a 2 Hz; si se desea trabajar con un voltaje mayor a 50 Vcc la frecuencia debe aumentar para evitar que el pistón tenga problemas mecánicos.
Finalmente se concluye que la restauración del equipo fue satisfactoria y se pudo comprobar que el motor de corriente continua opera de la forma deseada cuando se modifican los parámetros de la señal de setpoint generada, como se muestra en las figuras 5.8, 5.9 y 5.10.
   
Bibliografía
[1] Charles K. Alexander y Matthew N. O. Sadiku. 2013. “Fundamentos de circuitos eléctricos”. 3ª Ed. México D.F. McGraw–Hill. 786p.
[2] Coughlin Robert F. y Frederick F. Driscoll. 1993. “Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales”. 4a Ed. Edo.Méx. México. Prentice-Hall. 538p.
[3] Curso de Arduino 5: Voltajes analógicos y PWM [En línea] http://www.youtube.com/watch?v=2RhzXuETnwg
[4] Data sheet amplificador operacional LM741[En línea] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm741.pdf
[5] Data sheet LM348 [En línea] http://www.ece.usu.edu/ece_store/spec/LM348.