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Universidad de Costa RicaFacultad de IngenieraEscuela de Ingeniera Elctrica

DISEO E IMPLEMENTACIN DE UNSISTEMA PARA EL CONTROL DE EMISINDE RADIACIN

Por:

Luis Diego lvarez Alfaro

Ciudad Universitaria Rodrigo Facio, Costa Rica

Noviembre de 2012

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DISEO E IMPLEMENTACIN DE UNSISTEMA PARA EL CONTROL DE EMISIN

DE RADIACIN

Por:

Luis Diego lvarez Alfaro

Sometida a la Escuela de Ingeniera Elctricade la Facultad de Ingeniera

de la Universidad de Costa Ricacomo requisito parcial para optar por el grado de:

BACHILLER EN INGENIERA ELCTRICA

Aprobada por el Tribunal:

Mauricio Espinoza B., IngProfesor gua

Marvin Segura , Ing. Jos David Rojas, PhD.Profesor lector Profesor lector

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Dedicatoria

Le dedico este trabajo de forma muy especial a mis padres, por el enorme esfuerzo y

sacrificios que realizaron para poder permitirme lograr esta y otras metas. Adems a mi

hermana y hermano, esperando que les sirva de motivacin para poder superar los

obstculos y cumplir sus propias metas.

II I

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Reconocimientos

A mi tutor Ing. Mauricio Espinoza, por la oportunidad brindada, por su constante ayuda y

por los buenos consejos durante toda la realizacin del proyecto. De la misma manera a los

miembros lectores Ing. Marvin Segura y a Ph.D Jos David Rojas por sus consejos y

correcciones.

IV

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ndice general

Resumen X

Nomenclatura XI

1. Introduccin 11.1. Alcances. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.1. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2.2. Objetivos especficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3. Metodologa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2. Antecedentes 42.1. Radioactividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1.1. Radiaciones ionizantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.2. Origen de las radiaciones ionizantes . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.3. Fuente de Cesio 137 Cs y Filtros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.4. Efectos Biolgicos y riesgos sanitarios. . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2. Motores de pasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2.1. Motores de pasos de reluctancia variable . . . . . . . . . . . . . . 72.2.2. Motores de pasos de imanes permanentes . . . . . . . . . . . . . . 82.2.3. Motores de pasos hbridos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3. Puentes H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.4. Sensores Optoelectrnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.4.1. Diodo emisor de infrarrojo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.4.2. Optoacoplador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3. Diseo e implementacin del sistema 193.1. Generalidades del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.2. Desarrollo de Hardware. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2.1. Configuracin y conexin de la interfaz motor - computador . . . . 213.2.2. Sistema ptico para ubicar posicionamiento de filtros . . . . . . . . 23

3.3. Desarrollo de Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

V

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NDICE GENERAL VI

3.3.1. Programacin del controlador en LabVIEW. . . . . . . . . . . . . 263.3.2. Entorno grfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4. Validacin del sistema 35

5. Conclusiones y recomendaciones 375.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.2. Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Apndices 39

A. Instrucciones de conexin del Hardware 40A.1. Cuadro de componentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40A.2. Conexin del Motor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41A.3. Conexin optoacopladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42A.4. Conexin sensores infrarrojos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

B. Manual de usuario del instrumento virtual 45B.1. Elementos de la interfaz de usuario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45B.2. Pasos para usar la interfaz y su controlador. . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

C. Dimensionamiento del motor a Pasos 49

D. Propuesta de fuente de alimentacin 53

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ndice de figuras

2.1. Principio de funcionamiento de un motor PaP de reluctancia variable . . . 82.2. Tipos de conexin de las bobinas del estator . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.3. Construccin de un motor PaP hbrido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.4. Caracterstica velocidad-par de un motor PaP . . . . . . . . . . . . . . . . 102.5. Topologa de un puente H tpica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.6. Conexin de un puente H con un motor PaP bipolar . . . . . . . . . . . . . 122.7. Diagrama de bloques del L298 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.8. Encapsulados del L298 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.9. Espectro de radiacin ptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.10. Distribucin espectral de un IRED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.11. Construccin bsica de un LED/IRED discreto . . . . . . . . . . . . . . . 162.12. Emisin espacial de un haz de LED/IRED discreto . . . . . . . . . . . . . 172.13. Optoacoplador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.1. Diagrama de bloques general del sistema a disear . . . . . . . . . . . . . 203.2. Conexin del arduino con los optoacoples . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.3. Mdulo de L298 para arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.4. Conexin del L298 con el motor a pasos bipolar . . . . . . . . . . . . . . . 223.5. Mdulo de L298 conectado al arduino y el motor a pasos . . . . . . . . . . 233.6. Modo de operacin del sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.7. Codificacin con marcas negras en el disco que contiene los filtros . . . . . 24

3.8. Esquemtico del sensor ptico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.9. Mapas deKarnaughpara In1 e In3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.10. Lgica para clculo de palabra del prximo paso . . . . . . . . . . . . . . 283.11. Bloque escritura y lectura de puertos digitales del Arduino . . . . . . . . . 293.12. Lazowhilepara posicionamiento de los filtros . . . . . . . . . . . . . . . . 303.13. Primer cuadro de la estructura Stacked Sequence. . . . . . . . . . . . . . . 303.14. Bloques de estructura para seleccionar el cdigo de un filtro seleccionado . 313.15. Estructurawhilepara seleccionar prximo filtro . . . . . . . . . . . . . . . 313.16. Segundo cuadro de la estructura stacked sequence . . . . . . . . . . . . . . 323.17. Cuadro de dialogo de inicio del programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.18. Interfaz del instrumento virtual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

VII

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NDICE DE FIGURAS VIII

3.19. Interfaz del instrumento virtual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34A.1. Conexin del L298 con el motor a pasos bipolar . . . . . . . . . . . . . . . 41A.2. Motor de 6 conductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42A.3. Esquemtico de la interfaz de optoacoples . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42A.4. Implementacin en unaprotoboardde la interfaz de optoacoples . . . . . . 43A.5. Esquemtico de un optoacople del sensor infrarrojo . . . . . . . . . . . . . 43A.6. Implementacin en unaprotoboardde los sensores . . . . . . . . . . . . . 44

B.1. Interfaz del programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46B.2. Ventana de administracin de dispositivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

B.3. Botn de inicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48C.1. Curva de velocidad torque para el 780079-01 de National Instruments . . . 51

D.1. Esquemtico de la fuente propuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

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ndice de cuadros

2.1. Secuencia de tensiones de un motor PaP bipolar . . . . . . . . . . . . . . . 123.1. Tabla de verdad de secuencia de pulsos enviados al L298 . . . . . . . . . . 27

A.1. Caractersticas del motor seleccionado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

C.1. Frmulas del cilindro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50C.2. Caractersticas del motor seleccionado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

D.1. Componentes de la fuente de alimentacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

IX

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Resumen

Este proyecto consisti en la implementacin de una interfaz grfica y un controlador uti-lizando el software LabVIEW, para manipular y detectar la posicin de un disco giratoriopara una fuente de radiacin, el cual ser utilizado en el Centro de Investigacin en Cien-cias Atmicas, Nucleares y Moleculares de la Universidad de Costa Rica por medio de unmicrocontrolador Arduino UNO y un motor a pasos.

Este proyecto se llev a cabo debido a la necesidad de este centro de automatizar el procesode cambio de filtros, de tal manera que ninguna persona tuviera que estar expuesta a laradiacin emitida por la fuente, que puede resultar muy daina para la salud.

El desarrollo del proyecto se llev a cabo en dos etapas. Una primera en la cual se definie implement un actuador, un motor a pasos controlado a travs de seales enviadas porun Arduino UNO, por medio de un mdulo de puentes H integrado, y un sistema pticopara ubicar la posicin de los filtros. La segunda etapa, fue la creacin en paralelo de uninstrumento virtual en LabVIEW, con rutinas capaces de hacer mover el eje del motor apasos a una posicin deseada, junto con su interfaz grfica. Esto con el fin de crear un sistemaadaptable a cualquier motor a pasos bipolar o unipolar, y sencillo de utilizar.

Una vez finalizadas las primeras dos etapas, se valid el programa para comprobar su co-rrecto funcionamiento, mediante una rutina en la cual se eligen filtros al azar, y con personasque manipulen el programa. Por ltimo se realiz la documentacin de las etapas anterioresjunto con un manual de usuario para un correcto uso del instrumento virtual y ensamblaje

del sistema.

X

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Nomenclatura

i intensidad de corrienteGND ground, referencia de tensin

In entrada de control del integrado L298

R resistencia

USB universal serial bus

Vs Voltage source

CPU central procesor unit

LED light emitting diodeCI circuito integrado

E/S entrada y salida

Q transistor

LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbanch

VISA Virtual Instrument Software Architecture

Al23 Istopo aluminio 23

Na23 Istopo sodio 23

Cs cesio

PaP paso a paso

ngulo de desplazamiento del rotor

PM permanent magnet

DC direct current

TTL transistor transistor logic

XI

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NOMENCLATURA XII

En enableIRED infrared emitting diode

GaAlAs arseniuro de galio y aluminio

GaAs arseniuro de galio

AC alternating current

Vd tensin de diodo en conduccin

Pmax potencia mxima

Vce tensin de colector emisorD diodo

VI virtual instrument

subVI instrumento virtual encapsulado

XOR compuerta o exclusiva

NEMA National Electrical Manufacturers Association

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Captulo 1

Introduccin

En entornos de trabajo e investigacin, como lo es un laboratorio para medir y calcularporcentajes de radiacin, lo ms importante es la salud humana. Por lo tanto es necesariocrear diferentes mecanismos, mediante los cuales las personas no tengan que acercarse omanipular los elementos radiactivos.

Un sistema de filtros de radiacin para una fuente radioactiva de Cesio 137, como con el quecontar el CICANUM, puede ser automatizado para poder ser movido a una posicin espec-

fica desde una computadora, para que de esta manera, ninguna persona tenga que exponersea los efectos de la radiacin emitida por la fuente.

Para el sistema de control se seleccion un motor a pasos como elemento actuador, ya quees relativamente sencillo posicionar el eje de un motor en ngulos definidos mediante pulsoselctricos, esta caracterstica permite utilizar un microcontrolador para accionar el motorcuando sea necesario, y al mismo tiempo por cada paso que d permite a un sensor verificarsi se encuentra en la posicin deseada por medio de sensores infrarrojos que detectan laposicin de cada filtro.

Para la programacin del instrumento virtual, que actua como controlador, se utiliz el soft-

ware LabVIEW, a travs de este se realiza una programacin y comunicacin con el micro-controlador Arduino UNO, a travs de un lenguaje de programacin grfico, que permiteelaborar al mismo tiempo una interfaz con la que el usuario pueda entender y manipular elsistema, de manera correcta y segura. Al mismo tiempo se adiciona una realimentacin porparte de sensores infrarrojos que permiten conocer cual filtro cubre la fuente.

1.1. Alcances

Este trabajo tiene como alcance el disear, implementar y probar un sistema de control con

Arduino, para la posicin de un filtro con forma de disco, para una fuente de radiacin, a

1

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CAPTULO 1. INTRODUCCIN 2

travs de cualquier motor a pasos con el torque necesario para hacerlo girar, por medio de uninstrumento virtual realizado en LabVIEW, para ser operado desde un computador capaz decorrer cualquier versin igual o superior a LabVIEW 2010.

1.2. Objetivos

1.2.1. Objetivo general

Disear e implementar un sistema de control, operado por computadora, para el controlde posicionamiento de un sistema de filtros de radiacin para una fuente de radiacin.

1.2.2. Objetivos especficos

Implementar un controlador en LabVIEW del movimiento de un motor a pasos.

Implementar la electrnica necesaria para acoplar la salida del Arduino UNO a unmotor a pasos.

Relacionar la posicin del filtro de radiacin con la posicin del motor, a travs de

sensores de emisin y deteccin de infrarrojos.

Crear una interfaz grfica donde un usuario pueda seleccionar el filtro deseado y serealimente el filtro actual y la posicin del motor.

Realizar pruebas al sistema de posicionamiento implementado para comprobar su con-fiabilidad.

Desarrollar un manual de usuario donde se presenten los aspectos fundamentales deluso y construccin del sistema de control.

1.3. Metodologa

A continuacin se muestra la metodologa empleada para la realizacin del proyecto.

1. Se investig el principio de funcionamiento de este motor, y dado que su movimientose da en cantidades discretas de ngulo, a partir de una secuencia especfica de flujos decorriente a travs de sus bobinas, se dise una electrnica capaz de aceptar entradasdigitales para manejar el motor a partir de estas.

2. Una vez realizada esta etapa, se cre el algoritmo y la secuencia de seales con las que

gira correctamente el rotor. A partir de esto se implement en LabVIEW un arreglo de

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CAPTULO 1. INTRODUCCIN 3

bloques y estructuras que las reproducen por medio de un Arduino UNO. El programapermite mover una cantidad de pasos y direccin especficos para cada filtro segn elfiltro en el que se encuentre, adems, se dise e implement una electrnica extrapara iniciar el filtro en una posicin especfica conocida; a este sistema se le disey construy una sencilla electrnica a partir de emisores y detectores infrarrojos quepermiten conocer la posicin de los filtros.

3. Se cre una interfaz grfica en la que el usuario, a travs de botones e indicadores,pueda conocer el filtro que se encuentra cubriendo la fuente, y seleccionar cualquierade los otros tres cuando desee.

4. Para que el usuario conozca como manejar correctamente este instrumento, se redactun manual ilustrado que muestra de forma sencilla como utilizar el programa.

5. El sistema se valid a partir de pruebas, la primera, implementando una rutina queseleccionara filtros al azar, y la segunda, mediante la manipulacin de una persona quemanipulara el programa eligiendo una secuencia de filtros.

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Captulo 2

Antecedentes

El proyecto incluye varias reas de la ingeniera elctrica, desde la implementacin y diseode un circuito electrnico, hasta la realizacin de un software para controlarlo. Al ser un sis-tema para controlar el posicionamiento de filtros de radiacin, se introducir una referencia aeste fenmeno fsico y a sus efectos sobre el ser humano, que justifica la necesidad de contarcon un sistema automatizado que los manipule.

Se incluye adems una breve referencia al principio de funcionamiento de los motores a

pasos, los puentes H, y la optoelectrnica por el papel que juegan en la implementacin delsistema.

2.1. Radioactividad

Cuando un ncleo inestable sufre una transformacin espontnea se dice que el mismo sufreuna desintegracin. En este proceso el ncleo emite diferentes tipos de partculas y o fotones.A este fenmeno se lo denomina radiactividad, una sustancia es radiactiva cuando los ncleosque la componen sufren desintegraciones. [1]

2.1.1. Radiaciones ionizantes

La radiacin ionizante es cualquiera de los varios tipos de partculas y rayos emitidos porun material radiactivo, equipos de alto voltaje, reacciones nucleares y las estrellas. Entran eninteraccin con la materia, colisionando con los tomos que la constituyen, al atravesar suambiente atmico.[1]

Los efectos que se pueden producir son: ionizacin, que ocurre cuando hay energa suficiente

para romper enlaces qumicos, sacando el electrn de la nube, quedando este libre con carga

4

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CAPTULO 2. ANTECEDENTES 5

negativa, de esta forma el tomo queda cargado positivamente y as se forma lo que se llamapar inico; y la excitacin, que se da cuando un electrn salta de una rbita o nivel de energasuperior, para despus volver a su rbita, emitiendo energa en el transcurso del proceso enforma de radiacin electromagntica.[1]

A continuacin se describen los tipos de radiaciones ionizantes:

Radiaciones alfa:La partcula alfa debido a su masa relativamente grande y su doblecarga, es un agente de ionizacin potente. Son poco penetrantes, se detienen con doso tres centmetros de aire o una delgada hoja de papel. No producen problemas deexposicin como radiacin externa, pero representan alto riesgo como contaminacininterna.

Radiaciones beta:Son partculas cargadas y tienen una pequea masa, pueden produ-cir ionizacin y ser desviadas por un campo magntico. Su capacidad de penetracines mayor que las partculas alfa.

Radiaciones gamma: Tiene gran poder de penetracin, los mejores blindajes son losde plomo y hormign. Son de alto riesgo como fuente externa. Adems se encuentranlos rayos X que son los utilizados en la industria, medicina e investigacin.

2.1.2. Origen de las radiaciones ionizantes

Radioactividad Natural

En la naturaleza existen tomos compuestos de un ncleo estable por ejemplo el Na23, elAl27 y fueron producidos durante la gnesis de los elementos, stos estn presentes en latierra, en los materiales de construccin, en el aire, en los alimentos, en el agua, y los rayoscsmicos.

Radiactividad artificial

Los tomos compuestos de ncleo inestable, para alcanzar su estabilidad emiten radiaciones,hoy da es posible, por medios artificiales (sea por medio de un reactor nuclear o de unacelerador de partculas) obtener una gran variedad de nucledos, alterando el estado fsicode los tomos en los que incide, hacindolos quedar ionizados, muchos de los cuales tienenaplicaciones en la industria, en la medicina, en la biologa, en la agronoma, entre otras.

En la actualidad, se conocen aproximadamente 1600 nucledos. De estos 272 son estables yel resto son inestables.

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2.1.3. Fuente de Cesio 137 Cs y FiltrosLa fuente con la cual cuenta el CICANUM es una fuente radiactiva artificial cerrada, esdecir que todo material radiactivo se encuentra confinado en un recipiente slido, inoxidable,consistente y estanco, que impide la fuga del material radiactivo. La fuente a la cual se leimplementar el sistema de posicionamiento de filtros tuvo una actividad inicial de 1 Curie,actualmente tiene la mitad de su actividad debido al decaimiento radiactivo (Semiperiodo dedesintegracin).

Se encuentra blindada en un ncleo de plomo, el obturador se acciona por medio de unsistema electrnico diseado en el Laboratorio de Electrnica del CICANUM. Utiliza una

tarjeta de adquisicin de datos UNION 2 y software LabVIEW.Para el proyecto los filtros de atenuacin del haz para la fuente de Cesio estn conformadospor dos materiales: plomo y cobre puros. Su objetivo es el de disminuir la intensidad delhaz en un 10 %, 25 %, 35 % y 50 %. Pueden ser cuadrados o circulares: Si son cuadradaslas dimensiones deben estar entre los 8 cm x 8 cm hasta los 12 cm x 12 cm. En caso deser circulares circulares el radio es desde R= 4 cm hasta R= 7 cm. Estos se encuentranincrustados en un disco de metal, para el cual se dise e implemento el sistema en el cualse basa enste proyecto.

2.1.4. Efectos Biolgicos y riesgos sanitarios

Es reconocido que la exposicin a la radiacin en dosis altas puede causar daos clnicos alos tejidos y el cuerpo humano, provocando efectos tales como nauseas, enrojecimiento dela piel, y en casos severos su destruccin o un cncer de piel, tambin pueden destruir losrganos de reproduccin, haciendo al sujeto estril, en los ojos puede producir cataratas. Sila dosis es grande, los efectos producidos son ordinariamente permanentes, si es pequea eltejido puede recuperarse. [2]

2.2. Motores de pasos

El motor a pasos como elemento actuador tiene un papel fundamental en el sistema. Es unmotor muy popular en sistemas robticos, debido a la facilidad para controlar su posicin, ca-racterstica que permite controlar con facilidad el posicionamiento de los filtros de radiacin.A continuacin se describir su principio de funcionamiento, caractersticas y principales ca-tegoras, de acuerdo a su construccin en las que se divide.

Los motores de pasos, tambin conocidos como motoressteppingo stepper, son en esenciadispositivos motrices incrementales. Un motor a pasos recibe un tren de pulsos rectangular

y responde girando su eje el nmero de grados que dicte el nmero de pulsos, en el tren

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recibido. Generalmente este tren se controla por medio de una microcomputadora o un cir-cuito electrnico. Como resultado, un motor de pasos es mucho ms compatible con circuitoselectrnicos digitales, y puede formar una interfaz entre una microcomputadora y un sistemamecnico. [3]

Como el movimiento en un motor a pasos suele estar gobernado por un conteo de nmerode pulsos, no se necesitan lazos de retroalimentacin ni sensores para controlarlos. En con-secuencia, este tipo de motores son apropiados para el control de posicin en un sistemaa lazo abierto. [3] Los motores de pasos pueden clasificarse en tres grandes categoras: dereluctancia variable, de imanes permanentes e hbridos.

2.2.1. Motores de pasos de reluctancia variable

Operan con el mismo principio que un motor de reluctancia, reduciendo al mnimo la reluc-tancia a lo largo de la trayectoria del campo magntico aplicado. El estator de un motor apasos de reluctancia variable consta de una pila nica de lminas de acero, con devanados defase arrollados en cada diente del estator. El rotor que tambin est constituido por una pilade lminas de acero, no tiene ningn devanado. [3]

En la Figura2.1se esquematiza el funcionamiento de los motores paso a paso de reluctanciavariable. En el primer paso solo se encuentra alimentada la bobina I, y el rotor se alinea con

dicha bobina, al alimentar tambin la bobina II el rotor se encuentra alineado con I pero muydesalineado con II, entonces aparece una fuerza que tiende a igualar la reluctancia de las dosbobinas, entonces gira hasta llegar a la posicin de equilibrio en el cuadro 3.

Luego si se deja de alimentar I el rotor, girar hasta alinear el rotor con la bobina II. Del mis-mo modo alimentando luego II y III, y luego alimentando solo III se produce el movimientode giro. [4].

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Ncleo del estator

Ncleo del rotor

Figura 2.1: Principio de funcionamiento de un motor PaP de reluctancia variable. [4]

El ngulo de pasos, , para un motor PaP de reluctancia variable est determinado por:

=2np

(2.1)

Donde n y p son el nmero de fases y el nmero de polos, respectivamente.

2.2.2. Motores de pasos de imanes permanentes

Un motor de pasos tipo PM difiere del de reluctancia variable en que su motor est formadopor imanes permanentes. La construccin del estator de un motor de pasos tipo es igual ala de uno con reluctancia variable. En este motor, el rotor est magnetizado radialmente, demodo que los polos se alinean con los dientes apropiados del estator. [3]

Todos los motores a pasos de imanes permanentes estn disponibles en dos tipos segn la

conexin de las bobinas de su estator como se ilustra en la figura 2.2,bipolares o unipolares.En los bipolares el flujo del estator es invertido a travs de la inversin de la corriente enel devanado, en los unipolares el flujo es invertido energizando una sola bobina con un solafuente.

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Figura 2.2: Tipos de conexin de las bobinas del estator. [4]

2.2.3. Motores de pasos hbridos

Este es es el tipo de motor utilizado en el proyecto, la construccin del estator de un motorde pasos hbridos no es diferente de la de uno de reluctancia variable, o la de uno de imanespermanentes. Sin embargo la construccin del rotor integra el diseo de los rotores de unmotor de pasos de reluctancia variable y de uno de tipo PM. El rotor consta de dos pilasidnticas de hierro suave y de un imn permanente cilndrico magnetizado axialmente. Las

pilas de hierro suave sujetan los polos norte y sur del imn permanente, como se muestra enla figura2.3.[3]

Luego, los dientes del rotor se maquinan en ellas. As, los dientes del rotor en un extremose convierten en el polo norte, mientras que los del otro extremo se vuelven polo sur. Losdientes del rotor en ambos polos, estn desplazados en ngulo para la alineacin apropiadadel polo del rotor con el estator, operando de forma parecida al de imn permanente.[3]

armazn

estator

devanado

laminado del rotorroles

eje

imn

Figura 2.3: Construccin de un motor PaP hbrido. [5]

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Caracterstica par-velocidad

Para los motores paso a paso que son usados para el posicionamiento en sistemas mecni-cos, que requieren un control preciso del paso, el par que generan tiene que ser suficientepara arrastrar las cargas a las que estn sometidos, en secuencias de aceleracin, desacele-racin o trabajando a velocidad constante, estas caractersticas dependen de las curvas depar-velocidad que facilitan los fabricantes. Como se muestra en la figura2.4estas estn for-madas por dos curvas caractersticas; la primera denominada pull out torquey la segunda ladepull in torque, que da el par mximo de trabajo cuando el motor se encuentra en funcio-namiento.

Mxima respuesta sin

carga

Mxima

respuesta

Torque dinmico

Rango de giro

Torque de pull-in

Torque de

pull-out

Rango de inicio-fin

Par de

mantenimiento

Velocidad

(Nm)

Figura 2.4: Caracterstica velocidad-par de un motor PaP. [5]

A partir de la figura2.4podemos obtener las siguientes caractersticas del motor:

Frecuencia de giro mxima:es la velocidad mxima a la que el motor a pasos gira ypermanecen en sincronismo.

Torque de pull-out:Es el par mximo que se puede aplicadar en el eje de un motor apasos (funcionando a velocidad constante) sin perder un paso.

Torque de pull-in:Es el par mximo en el que un motor paso a paso puede iniciar,detenerse e invertir la direccin de rotacin sin perder un paso.

Rango de giro:esta es el rea entre las curvas de pull-iny pull-outdonde un motorpaso a paso puede girar sin perder el paso, cuando la velocidad se aumenta o disminuyegradualmente.

Rango de inicio y fin: Es el rango en el cual un motor paso a paso puede iniciar,detener e invertir la direccin de rotacin sin perder el paso.

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2.3. Puentes HUn puente H es un circuito electrnico que permite a un motor elctrico el giro en ambossentidos, avance y retroceso. Estos circuitos son muy utilizados para controlar el giro de losmotores DC y de paso a paso. Se construyen a base componentes discretos e inclusive seles puede encontrar en el mercado como circuitos integrados, tal y como se utiliz en esteproyecto. Su nombre se debe a la posicin que adoptan los switches en su configuracintpica mostrada en la figura2.5,los cuales generealmente son transistores.

Figura 2.5: Topologa de un puente H tpica. [6]

Los puentes H presentan la ventaja de que puede ser activado con una seal de baja tensinen cualquiera de sus entradas. Estas caractersticas hacen de los puentes H circuitos muyutilizados en robtica y como convertidores de potencia.

2.3.1. Funcionamiento de un motor a pasos bipolar con puentes H

Un motor bipolar a pasos como el utilizado como actuadordel sistema, tiene dos bobinas,estas son idnticas y no estn elctricamente conectadas, generalmente tienen cuatro cablesde salida. El controlador de un motor bipolar debe ser capaz de revertir la polaridad de latensin a travs de ambas bobinas, as la corriente puede fluir en ambas direcciones. Adems,debe estar habilitada para energizar las bobinas en una secuencia determinada. En la figura2.6se muestra un mecanismo a partir de puentes H para invertir la tensin a travs de susbobinas.

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2 31 4

A B

Figura 2.6: Conexin de un puente H con un motor PaP bipolar. [5]

El circuito consiste en un puente H por cada bobina del motor, por lo que se le llama Dual

H-Bridge, o doble puente H. Cada inversin de la polaridad provoca el movimiento del ejeun paso, cuyo sentido de giro est determinado por la secuencia seguida. En el cuadro 2.1sepuede ver la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso tipo bipolares.

Cuadro 2.1: Secuencia de tensiones de un motor PaP bipolarPaso Terminales

1 2 3 41 V+ V- V+ V-2 V+ V- V- V+3 V- V+ V- V+

4 V- V+ V+ V-

Integrado L298

Es un popular circuito integrado monoltico controlador de motores DC que se puede utilizardesde 6 a 50 V, en hasta 4 A de corriente de salida total. Implementa un controlador de girocon doble puente H, diseado para aceptar niveles lgicos de TTL y manejar cargas induc-tivas, tales como solenoides, motores DC y a pasos. En la figura 2.7se muestra su diagramade bloques, cada puente es accionado por medio de cuatro compuertas cuyas entradas son,

In1, In2 EnA y In3, In4, EnB.

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Las entradas In definen el estado del puente cuando su correspondiente entrada En est enalto, en estado bajo la entrada En deshabilita el puente, todas estas entradas son compatiblescon lgica TTL por lo tanto con los puertos de E/S del Arduino UNO. Al tener cada puentedos salidasOut, puede ser utilizado para controlar el giro de uno y hasta dos motores DC almismo tiempo o un solo motor a pasos.

Adems de las caractersticas anteriores, el integrado cuenta con un regulador de tensinque proporciona a travs de su pin 9, Vs, una tensin de 5V si se alimenta con una tensinsuperior a esta. Este pin tambin puede ser utilizado como entrada, por lo que se puedealimentar el integrado con una tensin ms baja para sus componentes digitales. Adems sussalidas 1 y 15 se pueden utilizar para medir la corriente que fluye por las bobinas del motor,

esto para agregar algn tipo de circuito extra que controle esta variable. Presenta la ventajade ser casi inmune al ruido ya que sus entradas permite un estado en bajo o cero lgico dehasta 1.5V.

El integrado se puede encontrar en dos encapsulados, uno de quince patillas Multiwatt y elPowerSO20, ambos se ilustran en la figura2.8.Su valor oscila entre $2.95 y $2.5 en las prin-cipales tiendas electrnicas en la red, tales comowww.sparkfun.com, en tiendas nacionales,tales como Teltron S.A su valor es de 5000 colones.

Figura 2.7: Diagrama de bloques del L298. [7]
http://www.sparkfun.com/http://www.sparkfun.com/

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Figura 2.8: Encapsulados del L298. [7]

2.4. Sensores Optoelectrnicos

En el proyecto se utiliz un sistema de sensores optoelectrnicos para conocer el posiciona-miento de los filtros, estos estn basados en las propiedades fsicas de diversos dispositivoselectrnicos y materiales cuyo comportamiento vara dependiendo de la luz que se les aplica.Estos pueden ser sensibles a distintos rangos del espectro luminoso, principalmente visible,ultravioleta o infrarrojo.

Los dispositivos optoelectrnicos se pueden clasificar de acuerdo a si pueden ser emisores de

luz o sensibles a la luz. La radiacin ptica se establece como la energa radiante transmitidapor medio de ondas electromagnticas, desde 100 nm hasta 1000 m.

Dentro de este mbito se incluye la radiacin visible al ojo humano (la luz), con longitudesde onda entre 380 a 780 nm y las radiaciones infrarroja y ultravioleta. Las tres regionesespectrales se manipulan con las mismas tcnicas pticas, figura 1.

Figura 2.9: Espectro de radiacin ptica. [8]

Los detectores pticos o fotodetectores, se usan para sensar la energa ptica radiante, que

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incluye la luz y las radiaciones infrarroja y ultravioleta. Los ms comunes son dispositivospasivos, que convierten la energa ptica, ya sea visible o infrarrojo cercano, en una seal desalida elctrica.

Tipos de detectores de radiacin ptica:

Un fotodetector es un dispositivo optoelectrnico, que responde ante un cambio en la ilumi-nacin o irradiancia que le llega. Hay cuatro tipos de dispositivos fotodetectores:

Dispositivo fotoemisivo

Dispositivo fotovoltaico

Dispositivo de uninDispositivo de efecto masivo

Un dispositivo fotoemisivo detecta la luz por medio de la emisin de electrones en un vaco,dada la incidencia de fotones sobre el ctodo de metal o un material como cesio. Los tubosfotomultiplicadores usan esta tecnologa en etapas sucesivas con emisin secundaria paraamplificar diminutas corrientes de electrones.

Un dispositivo fotovoltaico genera una tensin a travs de una unin P-N como funcin delos fotones que inciden sobre una unin, que puede ser de silicio o selenio y no requieresuministro de energa elctrica externa ya que es auto generadora. Un ejemplo es la deno-

minada celda solar o celda fotovoltaica. Un dispositivo de unin es del tipo de dispositivossemiconductores como el fotodiodo y el ototransistor que usan el flujo de electrones y huecosa travs de la unin. [8]

2.4.1. Diodo emisor de infrarrojo

Se considera importante en optoelectrnica, la interaccin de la radiacin ptica y la materiadentro de los semiconductores. Al trabajar con diodos emisores de luz (LED), se aprende quelos diferentes materiales y mezclas provocan diferentes colores o longitudes de onda.

Pero realizar un acople ptico, se utiliza un diodo emisor de infrarrojo IRED. Los materialesms utilizados son GaAlAs (820 nm y 880 nm) y GaAs (940 nm). Se utilizan en dispositivosde control remoto, detectores de humo, sistemas de comunicacin ptica, opto aisladoresintegrados, y otros dispositivos. El espectro de emisin de un IRED tpico se muestra en lafigura2.10. La figura2.11muestra la construccin bsica de un LED/IRED. El chip o estruc-tura de unin P-N se monta en un colector en depresin, el cual protege la frgil estructura dedao y refleja la radiacin ptica emitida desde los lados de la unin. El paquete incorporauna lente para dirigir el flujo ptico a un ngulo especfico.

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Figura 2.10: Distribucin espectral de un IRED (a) Terico (b) Especificaciones de fabrican-te. [8]

Figura 2.11: Construccin bsica de un LED/IRED discreto. [8]

Un empaque popular para los chip de LED/IRED, es la estructura de epxico plsticotipo T-13/4, que provoca un haz ms uniforme, mostrado en la figura 2.12. Los LED/IREDemiten un flujo ptico lineal con corriente elctrica de manejo, y su valor mximo nunca debeser excedido ya que causa dao permanente, lo que aumenta la potencia elctrica disipada enla unin.

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Figura 2.12: Emisin espacial de un haz de LED/IRED discreto. [8]

2.4.2. Optoacoplador

El optoacoplador contiene un emisor y detector separados por un medio dielctrico trans-parente que transfiere mejor el flujo ptico. La mayora contienen un IRED y un fotodiodoo fototransistor empaquetados en un circuito integrado. No hay que preocuparse por la p-tica involucrada ya que est integrada y solo interesa conocer las caractersticas elctricas,

velocidad de respuesta, cada de tensin y limitaciones del emisor y el detector.[8]La principal ventaja es el aislamiento elctrico entre los dos elementos internos terminales,caracterstica aprovechada en el proyecto para aislar el arduino como se ampliar en la sec-cin3.2.Un optoacoplador comn, permite aislamiento de alta tensin y buena transferenciade flujo ptico y protege al receptor de sobre tensiones dainas producidas por conmutacino por rayera.

La mxima tensin que un dielctrico puede soportar es el aislamiento de tensin. La ope-racin bsica del optoacoplador involucra pasar una corriente elctrica por el IRED paraproducir una seal de salida. El fotodetector convierte la energa ptica en energa elctricapara ser usado en el circuito elctrico aislado, figura2.13.

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Figura 2.13: Optoacoplador. [8]

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Captulo 3

Diseo e implementacin del sistema

3.1. Generalidades del sistema

Para iniciar este captulo se empez con un esquema general del sistema diseado. El proyec-to se divide en dos etapas, una de desarrollo del harware que incluye el motor y la circuiteraque le enva el tren de pulsos correspondiente al movimiento deseado, los sensores y la otradel software que se encarga de controlarlo e interactuar con el usuario.

El objetivo principal fue hacer que el motor hiciera girar el filtro de radiacin, que es undisco de acero, con una velocidad moderada, de forma que se mueva en pequeos pasos paraalcanzar la posicin del filtro seleccionado, hasta que este sea detectado. En la figura3.1semuestra un diagrama de bloques general del sistema.

En la computadora personal se encuentra un instrumento virtual desarrollado en LabVIEW atravs del cual se controla el sistema de posicionamiento de filtros. Esta interfase entre usua-rio y el sistema de posicionamiento de filtros, permite seleccionar cualquier posicin delfiltro. El microcontrolador Arduino UNO que es un dispositivo de bajo costo, y alta versati-lidad, cuenta con puertos de entrada y salida digitales, este se comunica con la computadora

a travs de un puerto USB y usa sus puertos de entrada y salida para recibir la posicin delfiltro y controlar el giro del motor.

El sistema ptico para ubicar la posicin de los filtros, est elaborado con tres optoacopla-dores que emiten y reciben luz. En el disco donde estn colocados los filtros, cada posicinest codificada con marcas negras que da un cdigo binario, las cuales permiten una lecturabinaria en los optoacopladores, de esta manera el sistema puede ubicar de forma exacta cadauna de las posiciones.

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CAPTULO 3. DISEO E IMPLEMENTACIN DEL SISTEMA 20

Motor

a pasosPuentes H

Fuente de

alimentacin

ac/dc 24 V 120 VAC

Sistema ptico

para ubicar

posicin de filtros

E/S diitales

Arduino !"#

!S$

%isco de filtros

#ptoacoples

Figura 3.1: Diagrama de bloques general del sistema a disear

3.2. Desarrollo de HardwareEl motor a pasos es el elemento actuador del sistema, sin embargo el desarrollo de estaseccin se concentra en disear un sistema que logre acoplarse y funcionar con un motora pasos hbrido bipolar de cuatro o seis cables (ver Apndice Apara conexin de motoresde seis cables) de cualquier modelo, marca o tamao, ya que todos funcionan con la mismasecuencia de pulsos. Por lo tanto la seleccin del motor depende del tamao y el tipo demecanismo. Sin embargo, en el AnexoCse muestra un ejemplo de como dimensionar unmotor a pasos para un mover un disco rotatorio.

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3.2.1. Configuracin y conexin de la interfaz motor - computadorEn la seccin2.3.1se mostr una configuracin de puentes H para controlar los flujos decorriente de los bobinados de un motor a pasos. Adems se describi en forma general elintegrado L298, el cual resulta una opcin comercial de un doble puente H. El ArduinoUNO se encarga de enviar palabras de 4 bits a travs de 4 de sus salidas digitales a la cuatroentradas del L298. Sin embargo el motor a pasos necesita una alimentacin de hasta 24 VDCpara funcionar correctamente y hacer girar la carga. En el AnexoDse muestra una propuestade una sencilla fuente de alimentacin para el motor seleccionado en el apndiceC.

El Arduino UNO puede entregar solamente 5 VDC, sin embargo el L298 permite alimen-

tar el motor de manera independiente, por lo que el motor se puede controlar por sealesdigitales sin ningn inconveniente. Se aplicaron ciertas precauciones, tales como aislar elmicrocontrolador de la alimentacin del motor para evitar algn posible dao en este.

El primer paso fue aislar el arduino del doble puente H, para esto se utilizaron optoacoplado-res. Por lo tanto en caso de haber una sobrecarga proveniente de la etapa siguiente, el arduinono se ver afectado, ya que el nico contacto entre ambas etapas ser un haz de luz. Se eligiun optocoplador PC817 de Sharp.

Se coloc un optoacople por cada salida del arduino hacia el puente H, como se muestra enla figura3.2.Adems se colocaron resistencias de 330en la entrada de cada optoacople,

y una de 220

a su salida, esto para limitar las corrientes y evitar daos en los elementosoptoelectrnicos, como recomienda su fabricante.

Optoacoples

Computador

ARDUINOU

NO

PUERTOS

E/S

DIGITALES

Figura 3.2: Conexin del arduino con los optoacoples

La siguiente etapa corresponde a la conexin del L298, una de las ventajas que ofrece este in-

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tegrado es la variedad de mdulos para arduino que pueden encontrarse en el mercado, comoel utilizado para el controlador diseado en este proyecto, mostrado en la figura 3.3.

Figura 3.3: Mdulo de L298 para arduino

Estos mdulos incluyen puentes de diodos para proteccin de los bobinados del motor, ade-ms incluyen un regulador de tensin de 5V, que puede ser utilizado para alimentar losfototransistores de los optocopladores, adems permite habilitar cada puente H por mediodejumpers. Adems cuenta con un disipador para el L298. En la figura3.4la conexin delL298 con el motor a pasos bipolar.

A B

Q3 Q8

Q6

Q7

Q5Q1 Q2

Q4

Figura 3.4: Conexin del L298 con el motor a pasos bipolar

Juntos, estos dos chips completan una interfaz computadora-motor a pasos. Con un L298Nesta configuracin mueve los motores con corriente de devando de hasta 2.5 A.

En el diagrama de la figura3.5se muestran las dos etapas, incluyendo los devanados delmotor a pasos. Ntese que se cumplen los requerimientos deseados, el motor se alimenta conuna fuente independiente de 24V por medio del mdulo de puentes H, mientras este recibe

las seales del arduino mientras est elctricamente aislado de este.

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Optoacoples

Computador

Motor PaPFuente de Alimentacin

ARDUINOU

NO

PUERTOSE/S

DIITA!ES

Figura 3.5: Mdulo de L298 conectado al arduino y el motor a pasos

3.2.2. Sistema ptico para ubicar posicionamiento de filtros

El sistema ptico para ubicar la posicin de los filtros, est conformado por tres optoaco-pladores formados por un NTE3034a y un LED infrarrojo que emiten y reciben luz despusde que es reflejada en el disco donde estn colocados los filtros, figura 3.6.Por lo que cadaposicin en el disco est codificada en forma binaria con marcas negras, de esta manera elsistema puede ubicar en forma exacta cada una de las posiciones.

En la figura3.7 se muestra el tipo de codificacin que se implementa en el disco con lasmarcas las cuales se encontrarn a menos de 5 mm el sistema emisor-detector. Se utilizantres marcas, de las cuales la ms cercana al centro indica la presencia de un filtro y lasotras dos el cdigo del filtro correspondiente, los emisores y detectores se colocan en lnearadialmente, para coincidir con las marcas, que estn espaciadas de forma que no interfieracon los dems sensores.

Figura 3.6: Modo de operacin del sensor

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Filtro 1

Filtro 2

Filtro 3

Filtro 4

Optoacoples

Marcas

Figura 3.7: Codificacin con marcas negras en el disco que contiene los filtros

Para implementar el circuito de cada uno de los tres optoacopladores se utiliz la configura-cin de la figura3.8,el cual presenta el mismo principio del de la figura2.13,sin embargoen este caso el emisor y el detector estn posicionados como en la figura3.6, de manera quecuando una marca negra pase al frente de este la luz no se refleje y el fototransistor cambiea saturacin, y cuando no est frente a una marca se refleje y lo ponga en corte, por lo que laentrada digital del Arduino detecta un estado alto o bajo en el colector.

Vo

Figura 3.8: Esquemtico del sensor ptico

Se revis la hoja de fabricante del Radio Shack 276-143 y se recab que la corriente mxima

que admite es de 100mA, mientras que su tensin tpica es de 1,2V. Por lo que se calcul la

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resistencia Re segn la ecuacin3.1.

Re=Vs VD

ID=

5 1,20,1

=38 (3.1)

A modo de proteccin para el diodo, se tom en cuenta una tolerancia en la resistencia de10 %; en el peor de los casos la resistencia debe tener un valor de 42aunque se redondeeste valor a 47. Otro factor a tomar en cuenta es la potencia, si se permitira hasta 100mApor el circuito se deben proteger los componentes, por ello se calcul la mxima potenciaque podra disipar este resistor:

Pmax

=I2R=0,12 47=0,47W

De esta forma, el resistor adecuado debe poder disipar hasta 0.5W de potencia, con el fin deno quemar el dispositivo.

En el receptor infrarrojo, la resistencia Rd limita la corriente del fototransistor a un valorseguro de trabajo. Con el potencimetro se ajust la sensibilidad del fotodetector. Para elclculo del resistor se consult la hoja de fabricante del NTE3034A, los cuales indicabanuna corriente de colector de 5mA y una tensin de colector-emisor de 0.4V.

Rd=Vs VCE

Imax=

50,40,05

=920 (3.3)

Esta es la resistencia mnima, sin embargo para ajustar el nivel de sensibilidad para que de-tectara las marcas negras se utiliz una resistencia de 6.8k. Se calcul la mxima potenciaque podra disipar este resistor:

Pmax=I2R=0,0052 6,8k=0,17W (3.4)

Segn el clculo de la ecuacin (3.4) resistor de 0.25W sera suficiente.

3.3. Desarrollo de Software

En esta seccin se tratar el tema de cmo se dise el instrumento virtual, donde se daruna breve explicacin de su funcionamiento y de los principales bloques con los que secompone.

Primeramente para poder iniciar la programacin del controlador en un instrumento virtualse tom en cuenta las principales funciones y tareas que debe realizar:

La principal funcin es reproducir por medio de una lgica secuencial el tren de pulsospara mover el eje del motor a favor de las manecillas del reloj o en direccin contraria.

Colocar el sistema de filtros en una posicin inicial conocida.

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Debe indicar en la pantalla cual filtro se encuentra frente a la fuente, y permitirle alusuario escoger cualquiera de los otros tres.

Una vez que el usuario haya seleccionado el filtro deseado debe hacer girar el discohasta detectar su cdigo correspondiente, detenerse de nuevo bloquear el rotor. El ciclose puede repetir la cantidad de veces que el usuario lo solicite y debe permitir salir delprograma con solo presionar un botn.

3.3.1. Programacin del controlador en LabVIEW

Como se indic al inicio de este documento se ha planteado es desarrollar un programadonde se muestre y permita de forma virtual el control del movimiento de los filtros. Por loque se procede a utilizar el software LabVIEW que por medio de lenguaje basado en bloquesy estructuras grficas, se brindan herramientas para hacer la interfaz grfica de forma mssencilla para el usuario.

Para LabVIEW el Arduino aparece como un dispositivo de comunicacin serial. Para co-municarse con instrumentos seriales se utilizan los controladores de NI VISA, el cual esun estndar para configurar, y programar instrumentacin de sistemas de compresin se-rial, Ethernet, USB, entre otros, sirviendo como interfaz entre estos y software como Lab-VIEW.

Adems cuenta con una librera extra de bloques que permiten la comunicacin exclusivacon el Arduino, que permite realizar una gran variedad de funciones entre las que resaltanpoder escribir y leer los puertos digitales. La lectura de los puertos permite conocer el estadode los sensores infrarrojos, mientras que escribirlos, el envo del tren de pulsos a los puenteH para que el motor realice los pasos. A continuacin se muestra como se dise la lgicaque calcula estas secuencias de palabras.

Secuencia de giro para el motor

Para hacer girar el rotor del motor a pasos como se explic en las secciones2.2y2.3.1sedeben respetar las secuencias que se presentan en la tabla2.1, sin importar con cual de lospasos se empiece. Para hacer girar el eje cuatro pasos, es decir 7.2o cumpliendo la secuenciaestablecida en direccin contraria de las manecillas del reloj. El doble puente H controlarestos flujos a travs de sus entradas IN1,IN2, IN3, IN4.

Se utilizar la secuenciafull step drive, la cual se logra a trvs del siguiente tren de palabras:1010, 1001, 0101, 0110, para direccin a favor de las manecillas del reloj, y 0110, 0101,1001, 1010, para moverlo en direccin contraria. El sentido de giro se representar con unbit entrada D.

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A partir de estas secuencias se puede crear una tabla de verdad, mostrada en el cuadro3.1.En la primera parte de la tabla se encuentra la ltima secuencia, representadas como in,enviada al L298 junto con el bit de direccin D, y en la segunda la prxima secuencia aenviar, representadas por los nombresIn.

Cuadro 3.1: Tabla de verdad de secuencia de pulsos enviados al L298Entrada Estado Actual Estado siguiente(Salidas)

Direccin in1 in2 in3 in4 In1 In2 In3 In40 1 0 1 0 1 0 0 10 1 0 0 1 0 1 0 1

0 0 1 0 1 0 1 1 00 0 1 1 0 1 0 1 01 1 0 1 0 0 1 1 01 1 0 0 1 1 0 1 01 0 1 0 1 1 0 0 11 0 1 1 0 0 1 0 1

Se construyeron mapas de karnaugh basados en el cuadro 3.1para obtener la ecuacin decada entrada, sin embargo se puede notar que In2, e In4 son siempre In1 e In3 negadosrespectivamente, por lo que solo se realizaron los mapas de Karnaugh de estos ltimos, loscuales se representan en la figura3.9.

1 1

0

0

11 0

01 1 0

00 11

0

D D

n

in3

in1 n

in3

Figura 3.9: Mapas deKarnaughpara In1 e In3

A partir de los mapas anteriores se obtiene las ecuaciones para In1 e In3:

In1=D in3 +D in3=D in3 (3.5)

In3=D in1 +D in1 (3.6)

In2=In1 (3.7)

In4=In3 (3.8)

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Una vez obtenidas las ecuaciones (3.5), (3.6), (3.7), (3.8), se procedi a construir esta lgicaen LabVIEW, a travs de compuertas digitales. En la figura3.10se muestra la implementa-cin de este subVI.

Figura 3.10: Lgica para clculo de palabra del prximo paso, con su bloque correspondiente

Una vez que cada prximo valor de In1, In2, In3 e In4 han sido calculados se convierten deun booleano falso o verdadero a un entero de 16 bits con valor de 0 o 1 respectivamente, y seenvan al respectivo pin del arduino conectado con la entrada del puente H a travs del bloqueDigital Write Pinque se incluyen en la librera de bloques exclusiva para la comunicacincon el Arduino.

Para esto se construy otro subVI, figura3.11, el cual adems de escribir, lee los puertosdigitales 2, 3 y 4, a travs de los bloques Digital Read Pin escaneando constantemente elestado de los sensores infrarrojos.

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Figura 3.11: Bloque escritura y lectura de puertos digitales del Arduino

Para reproducir el tren de pulsos y hacer que el motor realice los pasos esta lgica debe eje-cutarse secuencialmente, ya que sus salidas no solo dependen de la entrada "Direccin"sinoque adems depende de su estado anterior, o sea los ltimos In1 e In3. Para esto los bloques

anteriores se colocan dentro de una estructurawhile, la cual adems de iterar estas operacio-nes permite utilizar un registro de desplazamiento que almacena el ltimo estado y lo pasa ala siguiente iteracin.

Sin embargo como toda estructurawhile, debe existir o dejar de existir, una condicin paraseguir iterando, y en el momento que esto se cumpla detenerse. La condicin para que elmotor se detenga es que llegue al filtro seleccionado, esto cuando los 3 sensores identifiquenfrente a ellos las marcas con el cdigo correspondiente.

Los tres bit enviados por el sensor S0, S1 y S3 se comparan con los del cdigo del filtromediante una compuerta XOR negada. Si estos bit coinciden una compuerta andde tres

entradas activar su salida en alto y enviar la seal para detener el lazo, adems de apagar

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un indicador que se enciende cuando el motor empieza a girar, para mostrarle al usuario queel filtro ya est posicionado.

En la figura3.12se muestra una captura del lazo descrito. El nmero de iteraciones o pasospor segundo se pueden configurar a travs del bloque con forma de metrnomo, esto permitevariar la velocidad de giro, para esto se creo un bloque que reduce la velocidad del motorgradualmente diez pasos antes de para, para que no se detenga de golpe, por lo que el controlde velocidad ser a lazo abierto, por la exactitud comprobada del motor a pasos. Para lavalidacin del sistema se configur con la velocidad mxima, y se aumento el tiempo decada paso 15ms, para detenerse con un tiempo de paso de 150ms en promedio.

Figura 3.12: Lazowhilepara posicionamiento de los filtros

Se utiliz una estructura Stacked Sequencepara ejecutar dos rutinas, una despus de la otra.La primera que ajusta la posicin inicial, ocupa el primer cuadro de esta estructura, figura3.13,en esta se insert el mismo lazo de la figura 3.12, sin embargo se vari la lgica dedeteccin de un filtro seleccionado a uno especfico.

Figura 3.13: Primer cuadro de la estructura Stacked Sequence

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En el siguiente framese encuentra la segunda rutina, que permite seleccionar y posicionarcualquiera de los cuatro filtros, en ella se conserva la misma estructura de la figura3.12, sinembargo este se agrega dentro de otro while, para que una vez que se ejecute y el motor hayagirado el programa siga ejecutndose y se pueda iniciar de nuevo hasta que se oprima unbotn de terminar.

Para seleccionar cada filtro se agreg una estructura case, como la de la figura3.14.Cadacaso representa el filtro que se desea poner, dentro de cada uno se coloca otra estructuracasecon otros cuatro casos que representan el cdigo y la direccin del prximo filtro dependien-do del actual.

Figura 3.14: Bloques de estructura para seleccionar el cdigo de un filtro seleccionado

La estructura de la figura3.14se coloca dentro de unwhilecomo se muestra en la figura3.15,esto permite seleccionar el filtro deseado y luego ejecutar la estructura de la figura3.12, yaque este se ejecuta hasta que se oprima el botn de stop local (Cambio de Filtro) o el delwhileprincipal.

Figura 3.15: Estructurawhilepara seleccionar prximo filtro

El segundo cuadro completo se ilustra en la captura de la figura3.16. El bloque de la figura

3.12se coloca dentro de uncase, ya que este no se ejecuta si se selecciona cambiar al mismo

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filtro que el que se encuentra frente a la fuente, o si se desea terminar el programa, paraevitar que el motor realice algn paso no deseado. Adems se integran cuatro indicadoresbooleanos en la parte inferior que se activan en caso de que el fitro actual les corresponda,como se muestra en la parte inferior, para indicar al usuario que filtro se encuentra frente ala fuente.

Figura 3.16: Segundo cuadro de la estructura stacked sequence

3.3.2. Entorno grfico

Esta parte es con la cual el usuario tendr contacto, aqu se mostrarn los controles e indi-cadores con los cuales el usuario interactuar. La interfaz al igual que el instrumento virtualconsta de dos partes, una para cada rutina. El instrumento estar protegido con contrasea,por lo que no se tiene acceso al diagrama de bloques, a menos que la conozca. Adems sedefini un tamao de ventana fijo. Al iniciar el programa debe desplegarse un cuadro de

dilogo con dos botones para indicarle al usuario que para empezar el programa, el sistemade filtros ajustar su posicin, los botones selectores son Aceptar y Finalizar, para continuarel programa o terminarlo, respectivamente. En la figura3.17se muestra el respectivo cuadrodilogo.

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Figura 3.17: Cuadro de dialogo de inicio del programa

La interfaz del programa se implantar sobre un contenedor que est formado por pestaas.Inmediatamente despus de seleccionar Aceptar en el cuadro de dilogo se mostrar la pri-mera pestaa, la cual contiene un mensaje, figura3.18,que indica que el los filtros se estnajustando. Una vez que esta termina de ejecutar cambia a la pestaa dos, esto por el bloqueselector de pestaa.

Figura 3.18: Interfaz del instrumento virtual

Antes del cambio de pestaa un cuadro de dilogo avisar al usuario que ya el sistema es-t ajustado. La segunda pestaa, figura3.19contiene el selector de filtro deseado, y unosindicadores que muestran cual filtro se encuentra actualmente frente a la fuente, el cual serefresca despus de cada cambio. Adems se agregan dos botones, uno llamado CambiarFiltro el cual inicia el movimiento del motor el nmero de pasos correspondiente al filtro

seleccionado, y el segundo permite terminar el programa.

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Ambos botones se inhabilitan si el motor est en movimiento, seal dada por un indicador,durante este ciclo, tres indicadores muestran el estado de los sensores pticos. Una vez queel usuario desee terminar el programa y presiona el botn de terminar aparecer un cuadrode dilogo que le preguntar si desea salir o volver al programa.

Figura 3.19: Interfaz del instrumento virtual

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Captulo 4

Validacin del sistema

El circuito y el instrumento virtual diseado se pusieron a prueba con un motor a pasos de 4.5V y un disco de cartn y aluminio de 30 cm de radio com una masa de aproximadamente 400g, simulando un sistema similar al del disco que sostiene los filtros de plomo, esto porquedurante el desarrollo del proyecto el sistema mecnico, que se utilizar en el laboratorio delCICANUM an no haba sido construido.

Las pruebas se realizaron en el Laboratorio de Automtica de la Escuela de Ingeniera Elec-

trica de la Universidad de Costa Rica, el software se ejecut en una computadora personalcon Windows 7, a travs del programa LabView 2010.

Se utilizaron dos mtodos para la comprobacin del funcionamiento del sistema. El primermtodo consisti en ejecutar el sistema mediante la manipulacin directa de una persona queseleccionara los filtros, en el segundo mtodo se ejecut una rutina que escogiera al azarlos filtros para su posicionamiento. Los objetivos de estos mtodos fueron obtener posiblesfuentes de error, presicin, y robustez del sistema.

En las pruebas se determin que el disco siempre se posicionara tal y como se selecciondesde el computador, se prob que el sistema de sensores detectara correctamente las marcas,

y que el sistema lograra decodificarlas, y que se detuviera en la posicin seleccionada. Dadoque el motor mueve el borde del disco aproximadamente 1 cm por cada paso, se comprobque no superara esta distancia del filtro seleccionado en cada posicionamiento. Se ajust auna velocidad que permitiera un fluido movimiento del disco con el torque suficiente parapoder moverlo. Adems se comprob la seguridad del equipo, es decir que los parmetrostales como corrientes y tensiones se mantuvieran bajo rangos seguros para que estos no sedaen.

Para ambas pruebas los 20 posicionamientos para cada una se realizaron en un tiempo pro-medio de 4 segundos, para un giro de 45 grados, y 7 segundos para uno de 90 grados, luegode solicitar el cambio de filtro desde el computador, esto con un tiempo de 50 ms por paso.

Para las pruebas el disco se detuvo entre 3 y 6 milimetros despus del inicio de la marca

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CAPTULO 4. VALIDACIN DEL SISTEMA 36

negra.En ambas pruebas el sistema respondi satisfactoriamente, colocando en una posicin fijadael filtro seleccionado, sin embargo no se cont con un motor de ms torque, por lo quesiempre se present una pequea oscilacin debido a la inercia del disco, problema que sesoluciona seleccionando un motor con suficiente torque de sostenimiento.

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Captulo 5

Conclusiones y recomendaciones

5.1. Conclusiones

A partir de dispositivos optoelectrnicos emisores y detectores de infrarrojos se logr imple-mentar un conjunto de sensores que lograron detectar con xito cuando un filtro especficose encontraba en la posicin deseada.

Se logr implementar un circuito electrnico basado en optoacopladores y puentes H, quefuncion como interfaz Arduino-motor.

Se logr controlar el posicionamiento del sistema de filtros de radiacin para un laboratoriodel CICANUM, a travs de la computadora con el programa creado en LabVIEW.

Se confirm la robustez del sistema mediante dos pruebas distintas, una mediante la mani-pulacin de una persona, y la segunda a travs de una rutina automtica.

5.2. Recomendaciones

Para la implemementecin de los sensores de posicin se recomienda la utilizacin de losdispositivos NTE3105, los cuales cuentan en un solo empaque con un emisor y detector deinfrarojos, ya que estn diseados especficamente para realizar la tarea que complen lossensores implementados en este proyecto.

Es muy importante dimensionar el motor a pasos de acuerdo a las dimensiones del disco quesostiene los filtros, como se muestra en el Apndice C, adems es recomendable adicionarun sistema de engranajes que dismuniya la carga sobre el motor, por lo que se puede utilizarun modelo de menor torque, ms econmico.

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Bibliografa

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BIBLIOGRAFA 39

trica (LSCD), haciendo uso de un motor de DC o AC. Instituto Nacional de Investiga-ciones Nucleares. Mxico.

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Apndice A

Instrucciones de conexin delHardware

A.1. Cuadro de componentes

Cuadro A.1: Caractersticas del motor seleccionadoComponente Modelo Cantidad Valor

Microcontrolador Arduino UNO 1Cable USB 1

Optoacoples PC817 4Resistencias 4 220 Ohm 1/4WResistencias 4 330 Ohm 1/4WResistencias 3 47 Ohm 1/2 WResistencias 3 6.8k Ohm 1/4 WDiodo IRED Radio Shack 276-143 3

Fototransistor NTE3034A 3

Mdulo Puentes H L298Motor a Pasos

Hojas del fabricante:

1. L298http://www.st.com/internet/com/TECHNICALRESOURCES/.pd f

2. PC817ftp://ftp.elektroda.net/pub/Karty20katalogowe/pc817xx.pdf

3. NTE3034Ahttp://www.nteinc.com/specs/3000to3099/pdf/nte3034a.pdf

40
http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00000240.pdfhttp://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00000240.pdfhttp://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00000240.pdfhttp://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00000240.pdfhttp://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00000240.pdfftp://ftp.elektroda.net/pub/Karty20katalogowe/pc817xx.pdfhttp://www.nteinc.com/specs/3000to3099/pdf/nte3034a.pdfhttp://www.nteinc.com/specs/3000to3099/pdf/nte3034a.pdfftp://ftp.elektroda.net/pub/Karty20katalogowe/pc817xx.pdfhttp://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00000240.pdf

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APNDICE A. INSTRUCCIONES DE CONEXIN DEL HARDWARE 41

A.2. Conexin del MotorAdvertencia:Al conectar un motor paso a paso con el Mdulo de Puente H L298, asegresede que la fuente de alimentacin del motor est apagada. Aisle cualquier conductor no usadodel motor, de modo que l no se pueda poner en cortocircuito. Nunca desconecte el motormientras que el accionamiento est energizado. Nunca conecte los conductores del motor ala tierra o a una fuente de alimentacin.

De acuerdo a la conexin del nmero de cables terminales del motor PaP, estos se dividen enlos de 4 cables y 6 cables. Asegrese de conocer cada una de estas y guese por las siguientesinstrucciones:

Motores de 4 conductores: Los motores de 4 conductores, o bipolares, pueden ser conecta-dos solamente de una forma. Siga el diagrama de cableado mostrado en la figura A.1.

A B

Q3 Q8

Q6

Q7

Q5Q1 Q2

Q4

Figura A.1: Conexin del L298 con el motor a pasos bipolar

Motores de 6 conductores:Los motores de 6 conductores, figuraA.2o unipolares, se pue-den conectar en serie con el cable central desconectado. En modo en serie, los motores

producen ms torque en velocidades bajas, pero no pueden funcionar tan rpidamente. Enla operacin en serie, el motor se debe hacer funcionar con corriente menor que la nominalen un 30% para evitar calentamiento. El diagrama elctrico este mtodo de conexin es elmismo que se muestra en la figuraA.1.

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Figura A.2: Motor de 6 conductores

A.3. Conexin optoacopladores

En la figuraA.3se muestra el esquemtico de este circuito, su conexin con el Arduino y elmdulo de L298. Su implementacin en unaprotoboard, usada en el proyecto, se muestra enla figuraA.4.

Optoacoples

Computador

Motor PaPFuente de Alimentacin

ARDUINOU

NO

PUERTOSE/S

DIITA!ES

Figura A.3: Esquemtico de la interfaz de optoacoples

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GND5

6 7 8

In4 In3 In2 In1 GND

PUERTOS E/S ARDUINO UNO

PUERTOS MDULO L298

Figura A.4: Implementacin en una protoboardde la interfaz de optoacoples

A.4. Conexin sensores infrarrojos

La conexin de cada uno de los optoacoples se realiza segn el esquemtico de la figuraA.5, en la figuraA.6se muestra su implementacin en unaprotoboard, como la usada en elproyecto. Recordar que el disco debe colocarse con el lado de las marcas frente al sensor amenos de 0.5 cm de este.

Vo

Figura A.5: Esquemtico de un optoacople del sensor infrarrojo

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GND 2 3 4

5V

PUERTOS E/S ARDUINO UNO

Figura A.6: Implementacin en unaprotoboardde los sensores

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Apndice B

Manual de usuario del instrumentovirtual

Antes de utilizar el intrumento vrtual es necesario haber configurado el Arduino para quelogre comunicarse correctamente con LabVIEW, el cual ya debe estar instalado en el compu-tador. Para esto se deben seguir las siguientes instrucciones:

1. Instalar los controladores odriversde NI-VISA. Link paraWindows

2. Instalar el JKI VI Package Manager (VIPM) Community Edition (Free) Link

3. Conectar el Arduino a el PC como se describe enLink

4. Cargar el Firmware de la interfaz de LabVIEW para Arduino como se describe enLink

Una vez realizados estos pasos se puede utilizar la Interfaz de LabVIEW para Arduino.

B.1. Elementos de la interfaz de usuario

En la FiguraB.1se presenta la imagen de la interfaz implementada en LabVIEW.

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http://joule.ni.com/nidu/cds/view/p/id/2251/lang/enhttp://www.jki.net/vipmhttp://digital.ni.com/public.nsf/allkb/0F9DADF9055B086D86257841005D1773?OpenDocumenthttp://digital.ni.com/public.nsf/allkb/8C07747189606D148625789C005C2DD6?OpenDocumenthttp://digital.ni.com/public.nsf/allkb/8C07747189606D148625789C005C2DD6?OpenDocumenthttp://digital.ni.com/public.nsf/allkb/0F9DADF9055B086D86257841005D1773?OpenDocumenthttp://www.jki.net/vipmhttp://joule.ni.com/nidu/cds/view/p/id/2251/lang/en

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APNDICE B. MANUAL DE USUARIO DEL INSTRUMENTO VIRTUAL 46

Figura B.1: Interfaz del programa

La interfaz se compone de los elementos que se mencionarn a continuacin:

1. Panel de indicadores de posicin actual del filtro: Indica por medio de un LED cual delos cuatro filtros de emisin de radiacin se encuentra frente a la fuente de Cesio 137.

2. Indicador de motor en movimiento: Es un indicador LED cuadrado que se enciendecuando el motor est posicionando un filtro.

3. Pestaa de seleccin de filtro: Es una pestaa donde se selecciona uno de los 4 filtrosque se desea posicionar frente a la fuente.

4. Botn Cambiar Filtro: Una vez que es oprimido el sistema posiciona frente a la fuenteel filtro seleccionado en la pestaa de seleccin de filtro. Se inhabilita hasta que esta

tarea se complete.5. Botn de Terminar: Es el botn para salir del programa. Este se inhabilita mientras se

est posicionando un filtro.

6. Indicadores de Estado de los sensores: Mientras se est posicionando un filtro, estosindicadores en forma de LED redondo muestran en tiempo real el estado del conjuntode tres sensores infrarrojos.

7. VISA resource: Es una pestaa que permite elegir el puerto de comunicacin que co-rresponde al Arduino UNO.

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B.2. Pasos para usar la interfaz y su controlador1. Realizar todas las conexiones del sistema como se mostraron en el Apndice A.

2. Leer la informacin presentada en la seccin .

3. Abrir el programa en LabVIEW.

4. En este aparecer la interfaz de la FiguraB.1.Antes de empezar a ejecutar el programa,asegrese de que en la pestaa VISA resource est seleccionado el puerto de comuni-cacin correspondiente al Arduino UNO, si no sabe cual es, dirgase al men inicio deWindows, d botn derecho a Mi Equipo, seleccione propiedades, en la ventana que

aparece seleccioneAdministrador de Dispositivos. Una vez que lo haya seleccionadoaparecer la ventana de la figuraB.3,busque en la categora PORT y el puerto a el cualcorresponde ARDUINO UNO.

Figura B.2: Ventana de administracin de dispositivos

5. Despus de abrirse la interfaz en el panel frontal de LabVIEW, y estar seguro que todoest bien conectado entre la computadora y el motor, se presiona el botn con unaflecha del panel frontal de LabVIEW para correr el programa. Figura ??.

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Figura B.3: Botn de inicio

6. Si se realizaron correstamente los pasos anteriores, aparecer un mensaje solicitandosi se empieza el ajuste de los filtros, si se presiona cancelar el programa terminar, si sepresiona aceptar el programa continuar y se ajusta el filtro de 10% frente a la fuente,esta operacin puede tardar hasta 10 segundos.

7. Una vez ajustado, se desplegar un mensaje indicando que ya puede seleccionar elfiltro que se desee posicionar, a travs de la pestaa de seleccin de filtro.

8. Para iniciar el ajuste, presione el botn de Cambiar Filtro.

9. El ajuste empezar inmediatamente, y se indicar mediante el indicador de movimientodel motor.

10. Una vez que se ha ajustado el filtro deseado, el indicador del panel de posicin actualdel filtro, correspondiente al filtro seleccionado se encender.

11. Para salir del programa, presione el botn Terminar.

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Apndice C

Dimensionamiento del motor a Pasos

El torque que requiere ser suministrado por el sistema de accionamiento al actuador, el motora pasos, debe ser mayor que el torque resistivo de la carga, este se puede determinar como lasuma del torque de aceleracin y del torque resistivo a velocidad constante, se recomiendaaplicar al motor un factor de seguridad entre 20 a 100 %, dependiendo del sistema, paraevitar que el motor deje de ejecutar pulsos o se pare por cambios de carga, ya que hay variosefectos difciles de cuantificar, tal como la velocidad del lubricante, desgaste del actuador,entre otros.

La frmula para el torque mnimo que el motor debe suministrar es:

Tmotor= Tacel+ Tresist (C.1)

Donde Tacel es el torque que requiere la carga para acelerar y desacelerar la inercia totaldel sistema (inercia incluyendo la del motor y del actuador). YTresistes el torque de carga avelocidad constante para hacer funcionar el mecanismo, vencer la friccin, y fuerzas externasde carga, etc. El torque requerido para acelerar o desacelerar una carga con inercia con uncambio lineal de velocidad es:

Tacel [N.m] =Jtotal[kg.m2] (velocidad[RPM]/tiempo[s]) 2/60 (C.2)

Jtotal es la inercia del motor ms la inercia de la carga (reflejada al eje del motor en casode usar un sistema de engranajes). El factor 2/60 es usado para convertir el cambio envelocidad, expresada en RPM, a una velocidad angular (radianes/segundo).

Como se describi en el desarrollo del proyecto, el motor PaP se encargar de mover undisco de acero que contiene los filtros, en el cuadroC.1se muestran los clculos necesariospara calcular el momento de inercia de este cuerpo, que bsicamente es un cilindro muydelgado.

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APNDICE C. DIMENSIONAMIENTO DEL MOTOR A PASOS 50

Cuadro C.1: Frmulas del cilindro

Es importante recordar que los motores PaP adems de ser clasificados por su ngulo de pasoo tipo de conexin, tambin se clasifican de acuerdo al tamao de su carcasa. Por ejemplo unmotor de tamao 11 tiene un dimetro de 1.1 pulgadas, de la misma manera uno de 23 tiene2.3 pulgadas de dimetro, este tipo de clasificacin lo defini la NEMA. Sin embargo el largode un motor puede variar de acuerdo a su modelo, sin importar su clasificacin de tamao.Por regla general el torque de un motor PaP se incrementa con el largo de su cuerpo.

Las caractersticas de torque-velocidad son la clave para seleccionar el motor adecuado parauna aplicacin especfica. A continuacin se brinda un ejemplo de dimensionamiento paraun motor con un juego de engranajes que gire un disco de acero, muy parecido al del sistemade posicionamiento de filtros.

Caractersticas del disco:

Dimetro del disco= 30 cm.

Espesor del disco= 0.5 cm.

Material= acero (densidad 7,850 kg/m3).

Resolucin= 1.8o por paso.

Tiempo de aceleracin= 0.05 s.

Torque resistente durante el movimiento referido al eje del motor: 0,5 N-m.Reductor = 20:1.

Inercia del reductor = 1,4351104kgm2

Utilizando las frmulas del cuadroC.1se calcula el momento de inercia para el disco:

Jdisco=L r4/2=

0,005 7850 0,34

2 0,5[kg m2] (C.3)

Jtotal= Jreductor+Jdisco/i2 =1,4351 104 + 0,5/202 =0,0013935[kg m2] (C.4)

Dondeies la razn de reduccin por el juego de engranes.

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Si cada paso se configura en el instrumento virtual para que se realice en 0.05 segundos,y cada revolucin se lleva a cabo con 200 pasos, el disco girar a 6 RPM. Utilizando laecuacinC.2obtenemos el torque para acelerar el cuerpo:

Tacel[N.m] =0,0013935[kgm2] (6[RPM]/0,05[s]) 2/60=0,017511[N.m] (C.5)

De la ecuacinC.1,el torque necesario para mover el disco es:

Tmotor=0,017511 + 0,5=0,517511[N.m] (C.6)

Sin embargo, este es el torque necesario para mover el disco antes de que se haya escogido un

motor e includo la inercia del rotor del motor. Por lo que ahora se procede a seleccionarlo.Por ejemplo una opcin razonable sera el motor 780079-01 de National Instruments, elcual es un modelo NEMA 23 de 24 VDC. Su inercia del rotor es de 0.0248 kgm2, valorinsignificante por lo que no afectara los clculos anteriores.

En la grfica de la figuraC.1se observa la carcterstica torque velocidad del 780079-01,se observa que el factor de seguridad aqu es aproximadamente 0.88 N.m/0.517511 N.m, esdecir, un factor de 1,7 o 60% sobre el valor mximo de torque resistivo. En el cuadro C.2semuestran las caractersticas principales, brindadas por el fabricante.

Este sistema trabajar sin problemas, pero como medida adicional en caso de seguridad sepuede escojer un reductor de relacin mas grande, por ejemplo, 30:1, que reducir la inerciade la carga en relacin a la inercia del motor.

Torque versus velocidad a 2.7A

velocidad

y

Figura C.1: Curva de velocidad torque para el 780079-01 de National Instruments

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Cuadro C.2: Caractersticas del motor seleccionado

Nmero de parte Amps/fase Torque de retencin Inercia del rotor780079-01 2.7 1.27 N.m 0.0248 kg-m2 103

Inductancia/fase Resistencia/fase Mxima velocidad Resistencia trmica0C/watt4.6 mH 0.85 ohms 3000 rpm 4.64

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Apndice D

Propuesta de fuente de alimentacin

A partir del modelo de motor seleccionado en el AnexoD,que requera de 24V de alimenta-cin y hasta 2.7A por fase, se propone esta sencilla fuente lineal de 24V que puede entregarhasta 5 A, manejando una considerable potencia de 120W.

Figura D.1: Esquemtico de la fuente propuesta

El diseo se bas en el circuito integrado LM338, un regulador lineal. Este integrado proveeuna tensin fija a la salida, dada por la relacin de las resistencias R1 y R2, mientras quemantiene constante la corriente de salida hasta en 5A. En la entrada se tiene un transformadorT1, un puente rectificador de diodos B1 y un capacitor electroltico C1 de 10.000 F. Elcapacitor C1 se encarga de mantener la tensin lo suficientemente continua en la entrada delregulador, regulando una tensin de rizado de 8 V pico-pico.

En la salida del regulador se tiene en serie las resistencias R1 y R2 que definen el valor de latensin de salida, y el preset de ajuste R3. Los capacitores C2 y C3 son recomendados por el

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APNDICE D. PROPUESTA DE FUENTE DE ALIMENTACIN 54

fabricante para eliminar el posible ruido y mantener el circuito estable (bypass). El capacitorC4 ayuda a mantener la tensin de salida constante ante bruscas variaciones de carga.

En este diseo, el valor de R1 es fijo, 120 ohm. R2 y R3 determinan de que voltaje serla fuente, sus valores son 2ky 470, respectivamente. Para el puente de diodos se puedeutilizar un modelo integrado de hasta 20 A para tener muy bajas probabilidades de falla.Adems en la entrada se deben conectar dos fusibles en cada terminal del secundario deltransformador, de 5A, de esta forma evitamos que una corriente superior dae el motor.

Para el LM388 un disipador de 10 x 15 cm, con 3 o 4 aletas de 3 cm a lo largo es suficien-te.

Cuadro D.1: Componentes de la fuente de alimentacinT1 Transformador 120:24V 5AB1 Puente de diodos 10 AC1 10000 F

C2, C3 100 nFC4 2200 FU1 LM388R1 120 ohm 1/8 WR2 2k ohm 1/2W

R3 potenciometro 1k ohmD1, D2 1N4004

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