Proyecto de la Grúa

2. Análisis y Diseño
3. Diagramación y Experimentación
4. Prototipos Pruebas y Troubleshoting
5. Conclusiones
6. Bibliografía

Introducción

El reporte que se presenta a continuación consideramos es de vital importancia ya que describe un proyecto que consiste en construir una grúa que sea capaz de levantar 1 libra y para lo cual debemos ser capaces de utilizar un motor tipo stepper (de pasos) y diseñar y construir; un circuito combinacional que con la ayuda de un "reloj", tren de pulsos podamos enviarle la secuencia correcta al stepper para que este pueda moverse.

Nos hemos dado cuenta que debido a lo difícil que es diseñar y construir un dispositivo, siempre es bueno guardar de forma segura todo el trabajo elaborado ya que puede servir para futuras referencias y como el destruir o desarmar el circuito es inevitable a pesar de la lastima que da desarmar todo un trabajo que lleva días elaborar, al menos todo el proceso puede quedar resguardado en un reporte final en el cual se especifiquen todos los detalles, ideas, problemáticas y soluciones que se dieron en el desarrollo del proyecto.

De manera que el reporte que se le presenta esta elaborado cuidadosamente para que ningún detalle quede perdido y todo eso para cumplir con el objetivo de poder servir de guía para futuras generaciones y de referencia tanto de nosotros mismos como de otros estudiantes de la carrera.

Análisis y Diseño

En esta fase, analizamos varias ideas ya que para hacer este circuito hay varias soluciones.

Entre las posibles soluciones que teníamos como opción están las siguientes:

Opción 1:

Armar el circuito con un Oscilador (555), Contador (74LS191), Memoria UV EPROM, Optoacopladores (PC-817 Sharp) y Transistores Tip 120 para amplificaron de potencia.

Esta opción implicaba construir el generador de tren de pulsos "reloj" a partir de un integrado 555 el cual alimentaría un contador de 0-15 decimal el cual a su salida tendría 4 bits ya que (2 bits) elevado a la 4 es = a 15.

Esta salida de 4 bits asignaría la dirección de la memoria EPROM que debería ser programada con un programa llamado 4gw de BKPrecision Electronics utilizando una computadora y una programadora de EPROM’s.

Al direccionar la EPROM el contenido de dicha dirección saldría por 4 bits los cuales serían la secuencia programada para mover el motor stepper.

Sin embargo debido que el motor esta formado por 2 bobinas que al no tener corriente circulando por ellas buscan descargarse (feedback) y el voltaje de alimentación generalmente es mayor a 5 voltios (lógica TTL) se debía ingeniar un método para separar la parte análoga de la digital y para ello serían necesarios unos Optoacopladores los cuales son unos integrados que dentro tienen un fotodiodo y un fototransistor o sea que funcionan con luz y por lo tanto únicamente permiten el paso de corriente en 1 solo sentido sin embargo su salida es negada.

Del otro lado de los Optoacopladores, se busca amplificar la potencia del motor. Para ello se utilizarán transistores con saturación en el colector buscando un beta muy grande para luego conectar el motor stepper y diodos al colector de este transistor.

Opción 2:

Armar el mismo circuito anteriormente explicado con la única variante de que en lugar de utilizar una memoria EPROM se utilizarán Multiplexores tantos como la secuencia de movimiento lo demande. Por ejemplo:

Si tenemos una secuencia:

ABCD

1001 à 9

1010 à A

0110 à 6

0101 à 5 Donde AB es una bobina y CD la otra

tendremos un MUX por cada columna de la tabla de combinaciones de la secuencia del stepper.

1

0 Bit de salida X 4 veces para cada Bobina, si la secuencia se incrementa el tamaño del mux variará

Dir del contador para A

 Opción 3:

Utilizar flip flops tipo "d" con el objetivo de que el circuito sea más pequeño ya que no se utilizará un contador pues los flip flops podrán almacenar dentro de ellos un 1 o un 0 mientras no se cambie de estado. Siempre utilizar transistores darlington para amplificar la potencia del motor.

Opción 4:

La mas fácil de todas, comprar un motor stepper con driver controlador el cual es un integrado que permita manipular el motor sin necesidad de construir un mayor circuito para ello. La cual fue descartada debido que no pudimos comprar el motor en mención.

Opción N:

Muchas otras opciones que ni siquiera fueron consideradas.

Finalmente después de evaluar cual era la opción mas factible y accesible para nosotros, nos inclinamos por la número 1 ya que esa opción es la que involucraba mas "investigación" por parte nuestra ya que utiliza muchas fases que nunca hemos trabajado antes como la parte del contador, el reloj y por supuesto la programación de una "Erasable and Electrically Programmable Memori" EPROM.

Las demás opciones fueron descartadas debido a su alto costo o a que no estamos muy familiarizados con los flip flops.

El diagrama de bloques del proyecto es como sigue:

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Diagramación y Experimentación

En esta fase, nos dedicamos a diseñar cada uno de los componentes que conforman el proyecto y acomodarlo. Todo mediante simulación utilizando el simulador Circuit Maker.

En la simulación incluimos todas las fases y nos sirvió para poder hacer una lista de los componentes que necesitábamos.

La simulación quedo de la siguiente manera:

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El listado de los componentes es el siguiente:

Integrados:

1 Integrado 555.

1 Contador 74LS191

1 Decodificado BCD-7Segmentos 7447

1 Display ánodo común.

2 Compuertas Negadoras 74LS04

1 Compuerta Or 74LS32

1 Compuerta Xor 74LS86

4 Optoacopladores PC 817

1 Memoria EPROM 27XXX

Transistores:

4 Transistores Darllington Tip-120 NPN.

4 disipadores tipo TO.220 para los transistores darlington con sus tornillos.

Control:

2 Push Buttons.

Resistencias:

2 Resistencias de 1K Ohms Para el 555

7 Resistencias de 250 Ohms Para el Display

2 Resistencias de 1K Ohms Para los push buttons

4 Resistencias de 100 Ohms Para el ánodo del fotodiodo del opto acoplador.

4 Resistencias de 5K Ohms Para el fototransistor del opto acoplador.

4 Resistencias de 3K Ohms Para la base del transistor amplificador de potencia.

1 Potenciómetro de 10K

Diodos:

1 led verde para la oscilación del 555

4 diodos de 2 Amperios para el colector del transistor amplificador Tip-120

Filtros:

1 capacitor electrolítico de 4.7 micro faradios Esta capacitancia es la que van entre las patas 2, 6, 5 y determina la velocidad de oscilación y por consiguiente la velocidad del motor. Puede variar entre 10 micros y 50 micros.

1 capacitor cerámico de 0.043 micro faradios.

Diagrama del generador de pulsos 555:

 Diseño del control de la grúa:

Se diseñaron dos botones para mover la grúa para arriba y abajo, cuando no se presionan se mantiene estable.

El diseño de las compuertas es de la siguiente manera:

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Secuencia del motor stepper:

Para poder encontrar las bobinas en el motor stepper, medimos continuidad entre sus 6 cables de esta manera encontramos los dos juegos de bobinas con su vcc común a cada grupo.

Luego para saber cuales eran los cables de la bobina, medimos la resistencia entre ellos dando entre el común y una terminal de la bobina 0.5 Ohms y entre los dos cables extremos de la bobina 0.9 Ohm por lo tanto esos dos cables son los de la bobina y el tercero el común de voltaje a ella.

Debe tenerse en cuenta que cuando el motor se desconecta, sus bobinas comienzan a descargarse inversamente por lo cual podrían dañar el circuito combinacional al cual están conectadas. Por esta razón debe colocarse un diodo en inversa en paralelo con la bobina.

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La secuencias ingresadas a la memoria EPROM son las siguientes:

Todas en Hexadecimal.

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Calculo de la resistencia en la base del transistor amplificador:

Debido que utilizamos un transistor Tip-120 con una beta = 1000, es necesario calcular la resistencia de base optima para que el motor tenga potencia.

Primero calculamos la potencia del motor, de la siguiente manera:

I motor = V motor / R una fase (bobina) = 4/5 = 0.8 A.

Pot = (V motor) (I motor) = (4)(0.8) = 3.2 Watts.

La potencia del motor siempre debe mantenerse aunque se varie la corriente o el voltaje.

I colector = 0.8 Amperios = corriente que necesita el motor.

I base = ???

Beta = 1000

Por lo tanto, como

IC = (beta)(IB)

IC = (1000)(IB)

I Base = I Colector / Beta = 0.8 / 1000 = 0.8 mili Amperios

V R base = V entrante – V base-emisor = 5 – 2.5 = 2.5 V.

Para calcular la resistencia de la base ?

I Rbase = I base = V Rbase / R base à

R base = V Rbase / I base = 2.5 V / 0.8 mA = 3.125 K Ohms

Resistencia de Base Real = 3.125 * (0.8 – 0.9) = 2.5 K Ohms <= RB <= 3.125 K Ohms

Es preferible reducir el valor de la resistencia para que la corriente en el colecto aumente para que de esta manera nos aseguremos la potencia deseada.

Por lo tanto, para el transistor Tip-120 NPN tenemos que:

• El Emisor va a tierra.
• La Base va hacia una resistencia de 3K Ohms.
• El Colector va hacia un diodo de 2 Amperios que a su vez está conectado a VCC en el cátodo y a la bobina en su ánodo.

El diseño desde los opto acopladores hasta los transistores sigue el siguiente esquema:

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Prototipos Pruebas y Troubleshoting

Una vez analizado esto, armamos el circuito en "galletas" de protoboard y realizamos pruebas a cada fase para asegurarnos de que cada parte del proyecto funcionara correctamente.

Primero probamos el 555 con un led para ver si realmente oscilaba.

Luego para comprobar que el contador realmente contaba como debía ser, utilizamos un decodificador de BCD-7 segmentos y un display ánodo común.

Luego con puntas lógicas verificamos el programa de la EPROM

Nuestro prototipo fue terminado y al probarlo definitivamente tuvimos los siguientes problemas:

Problema:

Las bobinas del motor se descargaron en sentido contrario al apagar el circuito provocando una retroalimentación dando como resultado un corto circuito en el circuito, dañando la memoria EPROM.

Solución:

Colocar diodos en inversa entre el colector del transistor y las bobinas (4) del motor stepper. Y conseguir otra memoria.

Problema:

Los Transistores se calentaban demasiado.

Solución:

Colocar disipadores de calor.

Problema:

El motor giraba muy lento y sin fuerza.

Solución:

Modificamos el diseño del 555, agregando un potenciómetro de 10K en R2 y modificando constante mente la capacitancia del capacitor de las patas 2,5,6 ya que este determina la velocidad de oscilación del 555. Quedando fijo uno de 14 micro faradios.

Problema:

Valores de resistencias, No teníamos una resistencia de 3K la cual era necesaria en la base del transistor.

Solución:

Colocamos en serie 2 resistencias de 2.2K y 1K.

Conclusiones

1. Este proyecto nos deja una gran experiencia y aunque nos quito mucho tiempo de clases nos deja amplios conocimientos que antes del proyecto no poseíamos.
2. Es muy importante construir dispositivos de este tipo para desarrollar la inteligencia y habilidad de resolver problemas ya que nos enseña a pensar demasiado y a buscar diversas alternativas para resolver un problema en particular.
3. Los sistemas se ven inmersos en el proyecto que a pesar de estar relacionado mas con la electrónica, siempre existen sistemas que crear para controlar el dispositivo o programar. Nos enseña a los de sistemas a utilizar diversas herramientas como los simuladores y ahora el programa que programa la memoria EPROM. Incrementa nuestros conocimientos.

Bibliografía

1. NTE ECG Versión 10.
2. Circuit Maker.
3. BK Precision.
4. Internet (muchos PDF’s) DATASHEETS de los integrados.
5. Manuales y ejemplos.
6. Los cuates, el Ingeniero y Auxiliar.

Elaborado por:

Fredy Estuardo Castillo Roca

Correo Electrónico:

Carrera:

Ingeniería en Sistemas

Universidad Galileo.

Facultad de Ingeniería en Sistemas Electrónica y Ciencias de la Computación FISICC.

Ingeniería en Sistemas.

Diseño y Construcción de Dispositivos Electrónicos

Guatemala 1 de Abril de 2004