Universidad Politécnica Salesiana. Freire. ME I – PWM para Motor DC.

Resumen— En esta práctica aplicaremos uno de los métodos para el control de velocidad de un motor DC

mediante la variación de ancho de pulso o PWM.

Índice de Términos— Eficiencia, Regulación y Rendimiento.

I.INTRODUCCIÓNEl PWM o modulación mediante ancho de pulso, es una situación especial de la configuración aestable del integrado 555 como se muestra en la Fig. 1, el cual contiene una resistencia variable que permite modificar el ancho de pulso para el funcionamiento de algunos elementos electrónicos como se puede apreciar en la Fig. 2, Por ejemplo la variación del encendido y apagado de un LED o incluso la reducción de la velocidad de un motor DC.

Fig. 1 – Configuración Aestable del Integrado 555

Los valores de Ra y Rb serán calculados mediante las ecuaciones 1 y 2 respectivamente.

(Ec. 1)

(Ec. 2)

NOTA: El Capacitor será dimensionado mediante el método de selección, puesto a que en el mundo existe más variedad de resistencias que capacitores.

La modulación de ancho de pulso es una técnica utilizada para controlar dispositivos, o para proveer un voltaje variable de corriente continua.

La señal generada tendrá frecuencia fija y tiempos de encendido y apagado variables, es decir el período de la señal se mantendrá constante, pero la cantidad de tiempo que se mantiene en alto y bajo dentro de un período puede variar.

Fig. 2 – Variación de ancho de pulso mediante PWM

II. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

A. Revisión de los equipos

Antes de proceder a conectar y poner en funcionamiento los equipos, nos corroboramos de que todo se encuentre en perfecto estado, como son: fusibles, cables, motores, etc.

B. Conexión de los equipos

Una vez revisado los equipos y sus respectivos manuales o guías, procedemos a armar las conexiones que sean requeridas.

C. Manejo de los equipos

Una vez conectado los equipos, procedemos a realizar la práctica para la resolución del problema.

III. FUNCIONAMIENTO

El presente circuito permite regular y controlar la velocidad desde detenido hasta el máximo posible del motor por medio de un potenciómetro, debido a que funciona por modulación de ancho de pulso la fuerza del motor se ve poco afectada incluso a velocidades mínimas.

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Informe – Control de Velocidad para un Motor DCFREIRE, Santiago.

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El circuito se basa en un circuito integrado NE555 el cual genera un tren de impulsos necesario para controlar el transistor TIP3055, el cual acciona por pulsos el motor de continua.

El diodo en paralelo con el motor impide que, cuando se quita la corriente, el transistor se queme. Los componentes entre los terminales 2, 6 y 7 del integrado es decir el potenciómetro y el capacitor cerámico de 100uF regulan el tiempo de alta variando la frecuencia de oscilación del circuito y, por ende, la velocidad del motor se verá afectada.

La regulación o control de velocidad se obtiene mediante PWM o Modulación por Ancho de Pulsos. El pin de salida nº 3 del circuito integrado 555 nos provee una onda rectangular ajustable o señal de salida, lo que básicamente significa que podemos variar el ancho de pulso de al onda, lo que provoca cambios en la velocidad del motor.

La salida del 555 excita el transistor por medio de una resistencia que limitadora de corriente, el transistor actúa como switch por lo que la perdida de energía en él es despreciable.

IV. CÁLCULOS

En la presente práctica cabe recalcar los sistemas que se van a utilizar, los cuales se realiza un diagrama de bloques en la Fig. 3.

Fig. 3 – Diagrama de Sistemas.

Sistema de ControlComprende todo lo que se refiere a la configuración aestable del integrado 555, la cual se define por los siguientes parámetros.La frecuencia que hemos utilizado en el circuito de control es de 15Hz, puesto a que esta frecuencia, nos permitirá apreciar el control que se realiza al motor.

Para el funcionamiento del 555 con una frecuencia de 15Hz, se procede a dimensionar las resistencias Ra, Rb y el capacitor C.Para esta parte del proyecto, se recomienda asumir el capacitor, puesto a que los capacitores tienen menos variedad de valores que las resistencias, es así que para nuestro capacitor se asumió 100nF, con esto procedemos a obtener las resistencias Ra y Rb mediante las ecuaciones 1 y 2.

Como se dijo anteriormente que el capacitor se asume a 100nF, entonces despejamos Rb y hallamos su valor calculando para un valor T/2 para estabilizar la señal, es decir, idealmente el Ta será el mismo que Tb con una Rb establecida..

Entonces en la resistencia Rb se procederá a colocar un potenciómetro que hará reducir el ancho de tiempo de alta para una mayor extensión en tiempo de alta, haciendo funcionar el motor a una velocidad considerable.Rb nos dará el control del PWM, es está resistencia variable que nos permitirá controlar la velocidad del motor.Luego procedemos a calcular Rb mediante la fórmula:

Pero como se mencionó anteriormente, lo ideal es que Ta = Tb, pero para cálculos de dimensionamiento, se procede aumentando o disminuyendo a un valor conocido Ra, en este caso, Ra = 1KΩ.

De esta manera se ha obtenido la parte del integrado 555 en configuración aestable, como se muestra en la Fig. 4.

Fig. 4 – Configuración aestable del integrado 555

NOTA: Los diodos que se encuentran en paralelo, invertidos y cada uno a cada lado del potenciómetro, sirven como un sistema de switcheo que permite al potenciómetro la variación exacta de carga que necesita el motor.

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El Capacitor de 470uF, se ha colocado para anular cualquier tipo de ruido generado por algún elemento o ruido del exterior.

La señal de salida del integrado 555 es con la que se trabajará y comandará al transistor para que permita el aumento de voltaje al motor, permitiendo que este aumente su velocidad.Para poder observar si existe pulso o no, se procede a insertar un LED de alta intensidad, calculando su respectiva resistencia mediante divisor de tensión como se muestra a continuación en la ecuación 3.

(Ec. 3)

Donde:Vr: voltaje de referenciaVd: voltaje en el diodoId: corriente de funcionamiento del diodo

Sistema de PotenciaComprende todo lo que se refiere al uso de transistores y motores dc, en nuestro caso se ha utilizado un amplificador de corriente TIP3055 el cual nos dará el soporte al motor.Para el diseño o dimensionamiento del TIP nos basamos en algunas características.

Corriente de Colector (máximo) Voltaje Colector-Emisor (máximo) Frecuencia de Switcheo (máximo) Potencia de disipación del TIP (máximo)

Como datos tenemos a la corriente de colector, que es de 1,5 A, este valor se consiguió en las prácticas anteriores del motor Shunt.El voltaje colector-emisor de 70V, que de igual manera se obtuvo en las prácticas anteriores del motor Shunt.La frecuencia de switcheo para este caso es el valor de la frecuencia con la que está trabajando el integrado 555, es decir, de 15 Hz.La potencia de disipación se obtiene mediante la formula P=VI, donde el voltaje y corriente a utilizar son los valores de voltaje colector-emisor y la corriente de colector, respectivamente.Es decir:

En la revision del Datasheet del TIP3055, tenemos:

Corriente de Colector (15A) Voltaje Colector-Emisor (70V) Frecuencia de Switcheo (2,5MHz) Potencia de disipación del TIP (90)

Como se puede observar, el voltaje de colector emisor es el mismo y la potencia es menor, pero esto se puede solucionar con un disipador de calor; he considerado este TIP, ya que es

el que dará la corriente suficiente como para hacer girar el motor, con un costo adicional que la resistencia que vaya acoplado con la señal del 555, sea de alta potencia, por la corriente de base de retroceso; y el uso de un disipador de calor que en los Datasheet nos muestra.En este caso el encapsulado del TIP3055 es del tipo TO247AD, el cual nos permite el uso de un disipador del tipo FK243M1 a 247 V, el cual se ajusta correctamente con el TIP.

V. CONCLUSIONES

En cuanto a la descripción del funcionamiento de un motor de corriente continua, se analizaron los diferentes aspectos relacionados con su funcionamiento, y los parámetros que influyen en el control de la velocidad de los mismos, a partir de esto se obtuvo un modelo matemático, donde, están contemplados dichos parámetros, este modelo matemático es una aproximación al comportamiento real del sistema.

Se observó que el temporizador 555 en el circuito de PWM esta configurado como un oscilador aestable por lo que es necesario usar un interfaz entre el circuito del 555 y el motor que deseamos manejar , la razón principal es la corriente requerida por el motor cuando se necesita trabajar con carga.

El capacitor de 470uF tiene la funcion de filtrar la señal sistema es decir el motor produce fluctuaciones en la tension de alimentacion cuando funciona, estas fluctuaciones afectan al circuito de control del temporizador 555, el capacitor tendería a disminuir las fluctuaciones, y los diodos 1N4148 aislan el tiempo de carga y descarga del capacitor de oscilación del integrado 555 y permiten regular con un solo potenciometro en forma opuesta cuando sube el uno y disminuye el otro.

En cuanto al circuito de potencia se debe tomar en cuenta varios factores para que el presente circuito pueda trabajar correctamente, se recomienda que aun cuando las corrientes suministradas a los motores no excedan los 2A que posee como corriente nominal a 250 V, se utilicen componentes con capacidades de voltaje y corrientes aun mayores, y que estos sean conectados a disipadores de calor de tamaño suficiente para evitar su calentamiento.

Basándome en el análisis hecho y los resultados arrojados por el presente circuito se observó que la variación de la resistencia en el potenciómetro aquella que soporta tensiones y corrientes mayores, es lo que permite variar o modular el ciclo de trabajo de la señal que alimenta el motor, por tanto tener un control de la velocidad del mismo.

VI. RECOMENDACIONES

Es de suma importancia tener cuidado al momento de realizar las conexiones, especialmente en lo que se refiere a la etapa de control ya que si el circuito

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genera alguna corriente de fuga, el TIP3055 en la etapa de potencia se puede dañar permanentemente.

Se debe tomar principal atención en las tierras. La tierra del motor debe concordar con la tierra de la fuente y del sistema que envía la señal al motor.

REFERENCIAS [1] Teoría y Análisis de Máquinas Eléctricas, GUTIERREZ,

Agustín, Lima – Perú, 2000, Capítulo 4, 4.11 – Regulación de un Transformador, Págs.: 132 – 133, Enlace: http://www.iesmarenostrum.com/departamentos/tecnologia/mecaneso/mecanica_basica/operadores/ope_rueda.htm

[2] DatasheetTIP3055, Enlace: http://pdf.datasheetcatalog.net/datasheet/mospec/TIP2955.pdf

Autor

Santiago Freire

EstudianteUniversidad Politécnica Salesiana2013

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