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PROYECTO FIN DE CARRERA CONTROL CON MICROCONTROLADOR DE UN PROTOTIPO DE VOLANTE DE INERCIA LEVITADO POR SUPERCONDUCTORES Autor: Alberto Aparicio Miñana Directores: Jesús Letosa Fleta Mario Mora Alfonso Zaragoza. Septiembre 2010. Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 2 “A mi familia, a mis padres y a mi hermana. A mis directores de proyecto: D. Jesús Letosa D. Mario Mora Los cuales me han permitido embarcarme en este proyecto juntos hemos conseguido los objetivos propuestos no sin sufrir quebraderos de cabeza A D.Joaquín Mur, maestro de taller del Dep de ingeniería eléctrica, que me facilito los ensayos mediante material y nos suministro el Spray aislador. Al personal de laboratorio del departamento de ingeniería eléctrica: D. Juan A. Tejero Goméz D. Alfredo Benedicto Exposito D. Carlos Fuertes Torre a los que a lo largo del proyecto he estado interrumpiendo en sus quehaceres pidiéndoles material y ayuda, siendo siempre muy bien atendido. A los maestros del taller de materiales: D. Israel Cabistany García D. José A. Gómez García que me ayudaron a realizar las modificaciones en el prototipo los cuales siempre estuvieron dispuestos a echarme una mano y siguieron muy de cerca la evolución del prototipo A todos les doy las gracias Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 3 Índice 1.Introducción ................................................................................................................... 4 2.Objetivos ........................................................................................................................ 5 3. Microprocesadores........................................................................................................ 6 3.1 Introducción ................................................................................................................ 6 3.2 Historia de los microprocesadores .............................................................................. 6 3.3 ¿que es un microprocesador? ...................................................................................... 7 3.4 ¿Qué es un microcontrolador ..................................................................................... 7 3.5 Los microcontroladores actuales ................................................................................ 8 3.6 El microcontrolador que vamos a usar ....................................................................... 9 4. Programar el microcontrolador ................................................................................... 11 4.1 Diferencias entre ensamblador y C ........................................................................... 12 4.2 Programación para la aplicación desarrollada en este proyecto ............................... 13 4.3 Diagramas de flujo.................................................................................................... 33 4.3.1 Main ....................................................................................................................... 33 4.3.2 Interrupción del TPM ............................................................................................ 34 4.3.3 Interrupción de parada ........................................................................................... 35 4.3.4 Rutina de encendido .............................................................................................. 35 5. Sensor de velocidad. ................................................................................................... 36 5.2 Conclusiones ............................................................................................................. 38 6. Sistema de posicionamiento. ...................................................................................... 40 6.1 Pinza ......................................................................................................................... 40 6.2 Colocación de la pinza en el prototipo. .................................................................... 47 6.3 Los dedos .................................................................................................................. 49 6.4 Las garras .................................................................................................................. 49 6.5 El rodamiento ........................................................................................................... 52 6.5.1 La instalación del rodamiento................................................................................ 52 7. Fuente de alimentación ............................................................................................... 56 8.Variador de frecuencia................................................................................................. 58 9. Unión de los distintos dispositivos ............................................................................. 60 9.1 Ruido electromagnético: ........................................................................................... 67 10. Otros ensayos realizados .......................................................................................... 70 10.1 Ensayo de velocidad del rotor según la frecuencia de alimentación. ..................... 70 10.2 Ensayo de vibraciones ............................................................................................ 71 11. Conclusiones ............................................................................................................. 72 12. Bibliografía ............................................................................................................... 74 13. Anexos ...................................................................................................................... 76 13.1 Anexo 1: ................................................................................................................. 76 13.2 Anexo 2: ................................................................................................................. 80 Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 4 1. Introducción Este proyecto, es la continuación de otros proyecto fin de carrera anteriores que han añadido elementos al proyecto final de carrera desarrollado por D. Pedro J. Lambea "Prototipo de volante de inercia levitado mediante superconductores”, el proyecto en el que nos encontramos ahora trata de su control mediante un microcontrolador. El objetivo final de este prototipo es convertirlo en un sistema de almacenamiento y recuperación de energía. Actualmente solo está en funcionamiento la parte de almacenamiento, se tiene la intención que próximos proyectos logren recuperar la energía cinética del rotor convirtiéndola en eléctrica. Lo que se ha conseguido con la realización de este proyecto es que el prototipo aumente de velocidad hasta su velocidad máxima de forma automática, a la cual se desconecta de la red. Entonces el volante sigue girando por su propia inercia, por el rozamiento con el aire y con los cristales de hielo. El rotor se frena hasta alcanzar la velocidad mínima a la cual se conecta a red para que alcance de nuevo la velocidad máxima, y lo mantenemos dentro de este rango de velocidad. Cuando este realizada la parte de recuperación, al conectar una carga el prototipo cederá la energía cinética acumulada para generar energía eléctrica lo cual hará que se frene. Al alcanzar la velocidad mínima volvería a conectarse a la red para volver a cargarse. Se ha empleado un microcontrolador para que se encargue de las funciones que son necesarias para controlar el prototipo. Además se ha diseñado y construido un sistema de anclaje del rotor cuando los superconductores no estén en activos, este estado ocurre cuando no se usa el prototipo, y cuando están activos lo sustenta a la distancia optima para que el rotor pueda levitar y que evita que el estator al ser alimentado lo atraiga. Es el microcontrolador el cual controla este sistema para su funcionamiento de forma automática A lo largo de esta memoria se exponen los diseños electrónicos y mecánicos realizados y la programación del microcontrolador. Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 5 2. OBJETIVOS El objetivo principal es el control del rotor manteniéndolo en un rango de velocidad. Para conseguir esto empleamos un microcontrolador, el cual según las revoluciones a la que está girando el rotor, adopta las decisiones conexión y desconexión de la alimentación. Diseño de un sensor de revoluciones que informe al microcontrolador de la velocidad que hay en cada momento en el rotor. Colocación de un sistema de anclaje del rotor el cual se encarga de la función de sustentar el rotor. Tanto cuando el prototipo esta en uso que evita que el rotor sea atraído por el estator, esto se produce en el momento de la carga y para que lo coloque de nuevo en la posición correcta para que el rotor pueda levitar, como cuando no se utiliza el prototipo, al tenerlo almacenado o se está trasladando al lugar de la demostración, el sistema sujeta el rotor impidiendo que este pueda rozar o golpear en ningún lugar. Mediante este sistema sea conseguido reducir el rozamiento del rotor ya que hasta la fecha para evitar que fuera atraído se usaban unos centradores que ejercían fuerza sobre el eje del rotor para que este no rozara con el estator. Diseño de la etapa de control del sistema de anclaje, este sistema interconecta el microcontrolador con el sistema de anclaje y dependiendo de la velocidad que tengamos se le mandara una orden determinada para que adopte una de las dos posiciones que tiene el sistema. Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 6 3. Microprocesadores 3.1 Introducción Antes de nada voy a poner un poco los antecedentes de los microcontroladores para hacernos una idea de su evolución, repercusiones en la industria, explicar un poco su estructura de funcionamiento y lo que son capaces de aportar a nuestro proyecto 3.2 Historia de los microprocesadores Hasta hace unos 40 años no existían los microprocesadores, se diseñaban circuitos electrónicos para cada aplicación constituidos por muchos componentes electrónicos y había que realiza cálculos matemáticos complejos. Estos circuitos lógicos utilizaban muchos elementos discretos (tampoco tenían los tamaños tan reducidos de los actuales, por lo que los tamaños de los circuitos eran considerables), tales como transistores, resistencias, diodos, condensadores, bobinas, etc..... Lo normal era que se produjeran muchos fallos a causa de tolerancias, ruidos en el sistema, fallos de los mismos componentes.... teniendo que ser ajustados introduciendo mas componentes los cuales complicaban aun más el diseño. Era impensable que pudiesen hacer tareas diferentes a aquellas para las que habían sido diseñadas, para ello había que cambiar la mayoría de sus elementos, más bien era construirlos de nuevo. Una empresa japonesa BUSICOM le encargó a una incipiente compañía norteamericana que le produjera circuitos para una calculadora de bajo coste. INTEL desarrollo varios modelos de circuitos para ese propósito, entre los circuitos encargados había uno especial: el primer microprocesador integrado. BUSICOM no se mostró interesada en el invento, ya que entre las opciones había soluciones más fáciles y más baratas. INTEL sí supo ver el potencial del invento y les compró los derechos para comerciarlo. En 1971 apareció en el mercado el 4004, una máquina digital sincrónica compleja. Un microprocesador de 4 bits que podía efectuar 6000 operaciones por segundo. TEXAS INSTRUMENTS fue la empresa que sintió interés por este producto. Ambas empresas trabajaron juntas para desarrollar en 1972 el 8008, con 16Kb de memoria, 45 instrucciones y capaz de efectuar 300.000 operaciones por segundo. Otras empresas se sumaron a desarrollar microprocesadores propios para hacer competencia a INTEL tales como MOTOROLA, WESCON, ZILOG, LA TECNOLOGIA MOS.... así se inicio una revolución sin parangón en el avance de la tecnología. Introduciéndose rápidamente en todos los ámbitos, tras esto aun mas empresas se unieron a su desarrollo, ningún invento en la historia ha evolucionando a tal velocidad. En la actualidad el avance de los microprocesadores a dado como resultado a los microcontroladores, capaces de dar inteligencia a cualquier maquina. Se los puede programar para que hagan cualquier tarea, responder a condiciones cambiantes y que responda a las necesidades propias de sus operarios. Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 7 3.3 ¿Qué es un microprocesador? Un microprocesador depende de algunos circuitos integrados adicionales externos como por ejemplo: memorias RAM para almacenar los datos temporalmente y memorias ROM para almacenar el programa que se encargaría del proceso del equipo, un circuito integrado para los puertos de entrada y salida y un decodificador de direcciones. 3.4 ¿Qué es un microcontrolador? Un microcontrolador es un circuito integrado programable que básicamente incluye 4 bloques: una CPU (unidad central de procesamiento) una memoria ROM y una memoria RAM, y unos puertos de entrada y salida (Inputs/Outputs). Este dispositivo electrónico es capaz de llevar a cabo procesos lógicos. Estos procesos o acciones son programados por el usuario a través de un programador, como ejemplo pongo el que estoy usando el Codewarrior aunque existen muchos mas según el microcontrolador que estemos usando, cada marca desarrolla sus propios programas para optimizar los recursos de sus productos, además existen distintos lenguajes de programación (Ensamblador, C, C++) El microcontrolador es un circuito integrado que incluye todos los componentes de un computador pero no su tamaño y por esto es posible montar el controlador en el propio dispositivo al que gobierna. (embedded controller). Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 8 3.5 Los microcontroladores actuales Los microcontroladores están a nuestro alrededor sin que seamos conscientes de ellos, unos realizan funciones sencillas y otros llevan a cabo procesos complejos. Los podemos encontrar controlando el funcionamiento de los ratones y teclados de los ordenadores, en los teléfonos, en los microondas, en los televisores.... El siglo XXI será testigo de la conquista de estos diminutos computadores, que gobernarán la mayor parte de los aparatos que fabricaremos y usaremos los humanos. Cada vez existen más productos que incorporan un microcontrolador con el fin de aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y coste, mejorar su fiabilidad y disminuir el consumo. Algunos fabricantes de microcontroladores superan el millón de unidades de un modelo determinado producidas en una semana. Este dato puede dar una idea de la masiva utilización de estos componentes. Los microcontroladores están siendo empleados en multitud de sistemas presentes en nuestra vida diaria, como pueden ser juguetes, microondas, frigoríficos, televisores, computadoras, impresoras, módems, el sistema de arranque de nuestro coche, etc. Y otras aplicaciones con las que seguramente no estaremos tan familiarizados como instrumentación electrónica, control de sistemas en una nave espacial, etc. Una aplicación típica podría emplear varios microcontroladores para controlar pequeñas partes del sistema. Estos pequeños controladores podrían comunicarse entre ellos y con un procesador central, probablemente más potente, para compartir la información y coordinar sus acciones, como ocurre en cualquier PC. Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 9 3.6 El microcontrolador que vamos a usar Ya visto que nos ofrece usar un microcontrolador ahora vamos a presentar el que vamos a utilizar. En el mercado existen muchísimos microcontroladores unos más sencillos y otros más complejos dependen mucho de para que van a ser usados, no merece la pena poner microcontroladores complejos que después tengan que realizar procesos sencillos ya que cuantas más prestaciones puedan ofrecer más se encarece su precio. Así que hay que elegir el microcontrolador adecuado para el producto ya sea para no quedarnos cortos en sus prestaciones o para no desaprovecharlo dejando opciones sin emplear. El microcontrolador elegido para el proyecto (la elección de este microcontrolador no debe serme atribuida, fue elegido por D. Oliver González Gomeras quien realizo el proyecto predecesor a este) es el DEMO9S08LC60 de la empresa Freescale (antigua MOTOROLA). Debo añadir que la elección de dicho microcontrolador fue la adecuada ya que es de la misma familia del microcontrolador estudiado en la asignatura de Microprocesadores e instrumentación electrónica lo que facilita en gran medida trabajar con el. Las diferencias respecto al estudiado en clase son que incorpora una pantalla lcd por lo que no hay que añadir mas periféricos para el visualizado de la velocidad y otras funciones, además de eso incorpora un puerto mas de entradas y salidas lo cual nos permite un mayor abanico de posibilidades a la hora de conectar diversos sensores o puertos de comunicación. Ilustración 1. Microcontrolador usado en el proyecto. Imagen cogida del proyecto de Oliver González Gomeras con su permiso Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 16 // configurar puertos // PTA[7..0] output PTAD = 0x00; PTADD = 0xFF; // PTB[7..0] output PTBD = 0x00; PTBDD = 0xFF; // configuracion PTC como output // ptc2 entrada del sensor de velocidad en el conector del micro pin 13 PTCD = 0x00; PTCDD = 0b01110011; //PTC2, PTC7, PTC3, ACTIVO PULL UP PTCPE=0b10001100; Habiendo terminado de configurar los puertos seguimos con la inicialización del modulo TPM y configuración de este para tiempos de 1 milisegundo, mas tarde nos permitirá realizar los retrasos, además de ser necesario para el funcionamiento de la pantalla lcd. El módulo TPM tiene dos canales, en este caso configuraremos para este menester el canal dos. // Contador en el tpm2 de 1ms TPM2MOD = 8000; // Stop timer y selección de 1 como prescaler divisor TPM2SC = 0x00; Por último en esta rutina inicializo la pantalla lcd y la preparo para su uso posterior. Para concluir cierro la rutina mediante un } // Initializes LCD Driver Peripheral LCDInit(); LCDOnOffState(); } La rutina siguiente es una rutina especial del TPM1. Aunque este módulo será reconfigurado posteriormente, debe incluirse ahora para que sea reconocido, ya que debe mantenerse un cierto orden en la estructura del código. A este tipo de rutinas se les denomina interrupciones por que se activan cuando ocurre un suceso dejando de ejecutar la parte del código donde se encontraba en ese momento tras ejecutarla vuelve al punto de lectura en el que se encontraba. En este caso se activa cada vez que la bandera del TPM1 se pone a 1, esto ocurre cada vez que el Pin 13 que es el que recibe la señal del sensor de velocidad cambia de 3.51 V a 0 V. Al tratarse de una interrupción del TPM su nombre dentro del programa nos es impuesto por el fabricante (Vtpm1Ch0) y ocupa un lugar especial en el registro de la memoria, el 5. Cada vez que se ejecuta esta interrupción aumentamos en una unidad la variable RPS, tras ser incrementada validamos la interrupción volviendo a poner la bandera en 0 y regresa al código donde se encontraba el programa cuando se produjo la interrupción. Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 17 /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // RUTINA DE ATENCION A LA INTERRUPCION DEL CANAL 0 // // DEL TPM1 (TPM1CH0) // // SE EJECUTA CADA VEZ QUE HAY UNA VARIACION // // EN EL PTC2 DE 0->1 // // LO QUE HACE QUE SE PONGA A 1 EL CHOF // /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// interrupt 5 void Vtpm1Ch0(void) { RPS++; //incremento de la variable // limpia el flag de interrupción CHOF TPM1C0SC_CH0F=0; } Esta rutina está sacada de una de las demos que vienen incluidas con el microcontrolador en un CD adjunto al CD del codewarrior, el fabricante nos las facilita para que su comprador mediante esas demos sepa programar convenientemente, en mi opinión es muy beneficiosa esta iniciativa porque permite ver los pequeños detalles de la programación que se pueden pasar por alto, los cuales viéndolos en un ejemplo pueden ser fácilmente subsanados. Tuve que introducirla en el código ya que vi que sin ella la pantalla no funcionaba. No puedo precisar su relación exacta con la LCD pero debe de ser por llamadas a esta rutina desde la librería de la LCD. Me he servido de ella para realizar pequeños retrasos que me permitieran controlar los tiempos de visualización en la LCD. Esta rutina solo tiene lugar cuando desde alguna parte del código es llamada. En este momento es cuando configuramos su duración, teniendo como máximo 255 mseg, ya que usa una variable de tipo char la cual tiene un rango para poder guardar datos en la memoria de 0 a 255. ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Delay // -------------------------------------------------------------------------------------- // Retraso de multiplos de 1ms ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// void Delay(unsigned char del) { // Seleccion fBUS como fuente del reloj timer e inicio del timer TPM2SC = 0x08; while(del) if(TPM2SC&0x80) { del--; // limpiar TOF TPM2SC &= ~0x80; } // Parar el timer TPM2SC = 0x00; } Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 18 Las dos rutinas siguientes también las he tomado de una de las demo. Ambas están relacionadas con hacer aparecer cadenas de texto en la pantalla. La primera de ellas llamada PrintString muestra las cadenas de texto de forma fija así que hay un numero de caracteres que podremos mostrar en pantalla, eso está limitado a 7 todos los caracteres que pongamos de más no aparecerán en pantalla, esta limitación se debe a la pantalla la cual no dispone de más segmentos para poder representar las letras. La segunda se hace llamar SlideString hace que los caracteres de la cadena de texto se deslicen por la pantalla por lo que podremos visualizar cadenas mas largas que con la rutina anterior. Cada una de estas rutinas es útil para cosas distintas: la primera para la presentación de datos como la velocidad y mostrar en pantalla textos cortos, principalmente a los que hay que atender. La segunda la he usado mas para textos de carácter informativo. Ambas rutinas serán llamadas desde distintas partes del programa para que se ejecuten. //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // PrintString // // ------------------------------------------------------------------------------------- // // MUESTRA DATOS EN LA LCD // //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// void PrintString(unsigned char *str) { unsigned char i; LCDClear(); for(i = 0; str[i] != 0; i++) LCDPutChar(str[i], i+1); } ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // SlideString // -------------------------------------------------------------------------------------- // DESLIZA LAS PALABRAS POR LA LCD ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// void SlideString(unsigned char *str, unsigned char d) { unsigned char i, j, start; for(i = 0; str[i] != 0; i++) { Delay(d); LCDClear(); if(i < NUM_DIGITS) start = 0; else start = i-NUM_DIGITS+1; for(j = start; j <= i; j++) LCDPutChar(str[j], NUM_DIGITS-i+j); } } Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 19 Esta rutina es del tipo interrupción y se sucede cada segundo, se encarga de hacer posible la visualización en pantalla de la velocidad del rotor y según el valor de la velocidad toma unas decisiones u otras. Como antes he explicado se programó el TPM para que cada segundo produjera una interrupción, ahora nos encontramos en ese punto. Se vió que actualizar la pantalla cada segundo no merecía la pena ya que la velocidad no variaba considerablemente como para realizar la medición de esta solo en este tiempo. Existía la posibilidad de aumentar el TPM pero no mucho más de 1 segundo (ver la rutina de TPM para su explicación) Así que lo que se ha hecho es crear una variable llamada tiempo que se incrementa cada vez que se inicia esta rutina. Si la variable tiempo no es 3 (que serian tres segundos dado que la rutina se produce cada segundo) entonces valida la interrupción y sigue con el resto del programa. En el caso que la variable tiempo sea 3 entra en una subrutina que lo primero que hace es una formula matemática (Esta es la razón por la que se incluyó la librería math) esta fórmula calcula las vueltas por minuto. La variable RPS cada vez que se ejecuta esta rutina va incrementándose conforme le llegan datos por el pin 13 (puede ser que se pierdan algunas vueltas a causa de que necesitamos entrar en esta rutina 3 veces y cada vez que entra al microcontrolador le cuesta algún nanosegundo, si en ese tiempo coincidiera con la llegada de un dato al pin este dato no se registraría no contabilizándose la vuelta, al ser la posibilidad tan baja e incurrir en una pequeña imprecisión no se ha tenido en cuenta ). Uno de los problemas con los que me he encontrado ha sido el visualizar el dato en pantalla. El dato se encuentra guardado en binario y para que el usuario entienda el dato hay que convertirlo a decimal, para ello creé dos rutinas que debían hacer esta labor pero no conseguí que realizaran su propósito, de todas formas las hago constar por si en un futuro se consigue, estas se llaman BinaString e Itoa. Así que me encontraba en la situación de tener el dato pero no poderlo mostrar en pantalla. Además el microcontrolador tomaba las medidas oportunas al producirse el dato que las activaba. Esto se solucionó mediante la instrucción IF la cual hace que si la variable que le ponemos en este caso el dato es igual a la variable entonces que entre en una subrutina que escriba en pantalla mediante la rutina PrintString el dato el cual lo hemos escrito en la programación como una cadena de texto. El problema de usar esto es que tenemos que escribir todos los datos en la memoria del microcontrolador lo cual ocupa mucha memoria y si nos dejamos un dato de escribir este no aparecerá en pantalla siendo ignorado. Principalmente hay 3 tipos de velocidades las que están por encima del rango, las que están en rango de trabajo y las que están por debajo. Según en qué tipo velocidad haya en el rotor el microcontrolador deberá hacer cosas distintas. Si la velocidad está por encima del rango de trabajo que es de 2500 el límite superior. Entonces en pantalla nos aparecería una señal de alarma para llamar la atención al operario tras eso se escribe en pantalla +2500 rpm. Tras eso el microcontrolador procede a desconectar la alimentación y a soltar la pinza que sujeta el rotor, se hace en este orden a causa de que si primero se soltara la pinza antes de desconectar la alimentación automáticamente el rotor seria atraído por campo magnético del estator posiblemente produciendo daños debido a la alta velocidad del rotor. Si la velocidad esta en rango simplemente en la pantalla aparecerá la velocidad a la que se encuentra en ese momento el rotor. Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 20 Si la velocidad es inferior a la velocidad de trabajo entonces el microcontrolador muestra una alerta, indica la velocidad a la que se encuentra y procede a sujetar el rotor con la pinza y conectar la alimentación. Tras mostrar la velocidad en pantalla se limpian las variables RPS y tiempo inicializándolas, además de validar la interrupción y salir de esta. La variable estado sirve para que la toma de decisión no se esté realizando una y otra vez si ya sea efectuado. //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// //RUTINA DE MOSTRAR EN PANTALLA Y TOMA DE DECISIONES // // se actualiza cada segundo // /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// interrupt 7 void Vtpm1tovf(void) { tiempo++; { //actualiza pantalla cada 3 segundos asi mejoramos la precision al contar durante mas tiempo. cuando tiempo = 3 entonces hacemos esta parte del codigo y antes de salir de aqui hay que limpiar el tiempo if(tiempo == 3){ vueltasmin=20*RPS; { if(vueltasmin >= 2300 ){ LCDWriteSegment(ALARM,0); SlideString("+2300 RPM", 255); estado = 0; PTAD=0b00000000; PTAD=0b00000010; PrintString("desc de red"); PrintString("abrir"); } if(vueltasmin < 1700){ if(estado == 0){ PTAD=0x00; PrintString("cerrar"); PTAD=0b00000100; PrintString("arrancar"); Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 21 estado++; } if (vueltasmin == 0 && vueltasmin < 15 ) { PrintString("0 RPM"); } if(vueltasmin < 37 && vueltasmin > 17) { PrintString("30 RPM"); } if(vueltasmin < 500 && vueltasmin > 479) { PrintString("490 RPM"); } if(vueltasmin < 478 && vueltasmin > 459) { PrintString("470 RPM"); } if(vueltasmin < 468 && vueltasmin > 439) { PrintString("450 RPM"); } if(vueltasmin < 438 && vueltasmin > 419) { PrintString("430 RPM"); } if(vueltasmin < 418 && vueltasmin > 409) { PrintString("410 RPM"); } if(vueltasmin < 408 && vueltasmin > 379) { PrintString("390 RPM"); } if(vueltasmin < 378 && vueltasmin > 359) { PrintString("370 RPM"); } if(vueltasmin < 358 && vueltasmin > 299) { PrintString("330 RPM"); } Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 22 if(vueltasmin < 298 && vueltasmin > 199) { PrintString("250 RPM"); } if(vueltasmin < 198 && vueltasmin > 99) { PrintString("150 RPM"); } if(vueltasmin < 98 && vueltasmin > 79) { PrintString("90 RPM"); } if(vueltasmin < 78 && vueltasmin > 59) { PrintString("70 RPM"); } if(vueltasmin < 58 && vueltasmin > 39) { PrintString("50 RPM"); } if(vueltasmin < 998 && vueltasmin > 899) { PrintString("950 RPM"); Delay(255); Delay(255); } if(vueltasmin < 898 && vueltasmin > 799) { PrintString("850 RPM"); } if(vueltasmin < 798 && vueltasmin > 699) { PrintString("750 RPM"); Delay(255); Delay(255); } if(vueltasmin < 698 && vueltasmin > 679) { PrintString("690 RPM"); Delay(255); Delay(255); } if(vueltasmin < 678 && vueltasmin > 659) { PrintString("670 RPM"); Delay(255); Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 23 Delay(255); } if(vueltasmin < 658 && vueltasmin > 639) { PrintString("650 RPM"); Delay(255); Delay(255); } if(vueltasmin < 638 && vueltasmin > 619) { PrintString("630 RPM"); Delay(255); Delay(255); } if(vueltasmin < 618 && vueltasmin > 599) { PrintString("610 RPM"); Delay(255); Delay(255); } if(vueltasmin < 598 && vueltasmin > 579) { PrintString("590 RPM"); Delay(255); Delay(255); } if(vueltasmin < 578 && vueltasmin > 559) { PrintString("570 RPM"); Delay(255); Delay(255); } if(vueltasmin < 558 && vueltasmin > 539) { PrintString("550 RPM"); Delay(255); Delay(255); } if(vueltasmin < 538 && vueltasmin > 519) { PrintString("530 RPM"); Delay(255); Delay(255); } if(vueltasmin < 518 && vueltasmin >=500 ) { PrintString("500 RPM"); } Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 24 if(vueltasmin < 1550 && vueltasmin > 1500){ PrintString("1525 RPM"); } if(vueltasmin < 1600 && vueltasmin > 1551) { PrintString("1575 RPM"); } if(vueltasmin < 1650 && vueltasmin > 1601) { PrintString("1625 RPM"); } if(vueltasmin < 1700 && vueltasmin > 1651) { PrintString("1675 RPM"); } if(vueltasmin < 1499 && vueltasmin > 1479) { PrintString("1490 RPM"); } if(vueltasmin < 1478 && vueltasmin > 1459) { PrintString("1470 RPM"); } if(vueltasmin < 1458 && vueltasmin > 1439) { PrintString("1450 RPM"); } if(vueltasmin < 1438 && vueltasmin > 1419) { PrintString("1430 RPM"); } if(vueltasmin < 1418 && vueltasmin > 1399) { PrintString("1410 RPM"); Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 25 } if(vueltasmin < 1398 && vueltasmin > 1379) { PrintString("1390 RPM"); } if(vueltasmin < 1378 && vueltasmin > 1359) { PrintString("1370 RPM"); Delay(255); Delay(255); } if(vueltasmin < 1358 && vueltasmin > 1339) { PrintString("1350 RPM"); } if(vueltasmin < 1340 && vueltasmin > 1320) { PrintString("1330 RPM"); } if(vueltasmin < 1318 && vueltasmin > 1299) { PrintString("1310 RPM"); } if(vueltasmin < 1299 && vueltasmin > 1199) { PrintString("1250 RPM"); } if(vueltasmin < 1198 && vueltasmin > 1099) { PrintString("1150 RPM"); Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 32 Para finalizar llegamos al MAIN aquí es de donde parte el microcontrolador para efectuar la lectura del código. Aquí introducimos la llamada a las distintas rutinas las cuales tras realizarse vuelve al main y sigue con la siguiente. La llamada de las rutinas sigue un orden adecuado para que nuestro sistema funcione adecuadamente. //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // EN ESTA PARTE SE ENCUENTRA EL MAIN // //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// void main(void) { EnableInterrupts; /* enable interrupts */ /* include your code here */ PeriphInit(); mensajebienvenida(); kbinit(); encendido(); initTPM(); // for(;;) { __RESET_WATCHDOG(); /* feeds the dog */ } /* loop forever */ /* please make sure that you never leave main */ }. Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 33 4.3 Diagramas de flujo 4.3.1 Main Inicio del main PeriphInit Mensaje bienvenida uso de SlideString kbinit Off Rutina de encendido Pulsar On On InitTPM Tiempo =1 seg Pulso velocidad Interrupción mostrar Velocidad y Pulsar off Contar velocidad toma de decisiones Rutina de parado Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 34 4.3.2 Interrupción del TPM Transcurso de 1 seg interrupt 7 Vtpm1tovf Incrementa Tiempo No FIN ¿Tiempo = 3? Si RPS*20= vueltasmin Limpiar RPS y Tiempo No ¿En rango? Por debajo ¿Por encima o por debajo? Si Por encima Cerrar Desconectar Pinza alimentación Conectar Abrir Alimentación pinza Mostrar vueltasmin Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 35 4.3.3 Interrupción de parada Pulsar OFF interrupción de parada CERRAR PINZA Desconectar de red Rutina de encendido 4.3.4 Rutina de encendido Rutina de encendido PrintString: encendido Off Botón de On On? Fin de la rutina de encendido Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 36 5. Sensor de velocidad. Una de las variables a controlar es la velocidad del motor para mantenerlo dentro de un rango de velocidad (entre 1800 y 2500 RPM). Para determinar la velocidad necesitamos utilizar un sensor. Existen varios sistemas de formas para determinar la velocidad de motores estos son: la dinamo tacométrica, el encoder relativo, el encoder absoluto, sensor de efecto hall y los sensores fotoeléctricos. El sensor elegido es el fotoeléctrico ya que era el único se adaptaba al proyecto, a continuación expongo los motivos. Tuve que descartar tanto la dinamo tacometrica como los encoders por motivos constructivos del motor, ya que no disponemos de espacio para poder introducirlos, ya que precisan estar acoplados al eje y girar solidarios a este, además nos anula la propiedad fundamental del motor que es no tener rozamiento mecánico, y por tanto perdidas. Se descarto el sensor de efecto Hall por creer que podría verse afectado su funcionamiento ya que el sensor de efecto hall se basa en la creación de un campo eléctrico en un conductor al ser atravesado por un campo magnético. Para ello en el rotor se colocaría un pequeño imán que cada vez que pasara por delante el sensor hall induciría una corriente. Con esto podemos determinar las revoluciones del motor ya que cada vez que se produjeran significaría que el imán a dado una vuelta, pero existía la posibilidad de que su funcionamiento estuviera comprometido por que la zona de trabajo del sensor va a estar muy próxima a uno de los imanes que permite que el rotor este suspendido por lo que el sensor Hall se hallaría bajo la influencia de un campo magnético constante que podría provocar posibles lecturas erróneas. En la siguiente imagen podemos observar la fuerza del campo magnético producida por el imán el cual ha imantado el rodamiento que está en su proximidad y poniendo una llave Allen es capaz de sujetarla. Ilustración 3. Llave Allen suspendida por el campo magnético Entre los tipos de sensores fotoeléctricos decidí que fuera infrarrojo, los hay también verdes, porque es el menos influenciado por la luz ambiente. Aparte del sensor necesitábamos un circuito para acomodar la señal y hacerla mas estable y adaptar los niveles de tensión para poderlo conectar a nuestro microcontrolador, así que se diseño una placa de circuito impreso para esta función. Esta placa fue hecha por el Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 37 departamento de ciencias. Ellos basándose en el diseño que les facilite y las características que debía tener, hicieron una serie de modificaciones para mejorar el diseño en algún aspecto y para adaptarlo a los componentes a los que tenían mas accesibilidad. El sensor fotoeléctrico utilizado es el OPB706B del fabricante OPTEK Technology. Ver la carpeta datasheet para ver las características del sensor fotoeléctrico, y los planos de la placa impresa del sensor de velocidad pueden verse en la carpeta de documentos. Antes de conectar el sensor de velocidad al microcontrolador realizamos una serie de ensayos. El primero fue un ensayo estático para ver si los valores esperados en la salida eran los correctos. Al no recibir reflexión el receptor la salida debería ser de 5 V. Esto es lo que tendría que salir cuando el eje del motor está realizando una vuelta. Según vemos en la imagen el valor está muy próximo a 5 V Al recibir la reflexión deberíamos obtener el valor de 0 V eso nos indicaría que se a producido una vuelta ya que la reflexión solo se produce cuando el haz de luz choca contra la pegatina que hay puesta en el eje. Como vemos en esta imagen uso mi dedo para que el rayo de luz infrarroja choque e incida sobre el receptor obteniendo un valor muy próximo a 0 V Después se realizó un ensayo dinámico para realizarlo se utilizo un ventilador de ordenador que nos facilito el maestro de taller D. Joaquín Mur, su finalidad era comprobar que el sensor era capaz de conmutar a distintas velocidades dándonos una señal que después permitiera al microcontrolador contar los flancos (cada flanco una vuelta). Uno de los problemas que podíamos esperar era que el las conmutaciones se produjeran picos antes que la tensión se estabilizara. Estos picos nos falsearían la velocidad induciéndonos a errores, ya que el microcontrolador los tomaría como cambio de flanco. Se trato de observar las conmutaciones usando el osciloscopio pero no se vio ningún pico. Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 38 Ilustración 4. Ventilador usado en los ensayos Ilustración 5. Señal a la salida del sensor Aunque según las recomendaciones encontradas en Internet y las referencias del fabricante el microcontrolador podía soportar en la entrada del puerto 5 V. Se decidió bajar a 3,23 voltios para equipararla a la tensión que puede dar el microcontrolador, si el puerto está configurado como salida, la cual es 3.3V. Y proteger en cierta medida al microcontrolador. Así que se realizo un divisor de tensión, colocando una resistencia de 2K1 y otra de 2K9, aproximadamente las caídas tendrían que ser de 2,1V y de 2,9. 5V 2,1V 2K1 2,9V 2K9 Ilustración 9 Esquema de conexión microcontrolador sensor de velocidad Se observo que las tensiones al estar las resistencias no se repartían como en un principio se había pensado y esto se debió a que no había tenido en cuenta la resistencia interna del sensor la cual se calculo y es de 2KΩ. En circuito abierto el sensor entregaba a la salida 5V pero la tensión total que entregaba con las resistencias era de 3.51V. Se realizaron unos cálculos para conseguir tener a la entrada del microcontrolador una señal con el valor de 3,27 V resistencia que se coloco fue de 3800Ω. Microcontrolador Sensor velocidad Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 39 2K resistencia interna 5 V 3K8 Ilustración 10 Esquema de conexión utilizado, microcontrolador sensor de velocidad Otro de los ensayos una vez conectado el sensor al microcontrolador fue sobre su precisión obteniéndose los siguientes resultados. Se realizo el ensayo con el ventilador anteriormente citado el cual arranca a la velocidad de 550 RPM por lo que fue imposible ver revoluciones por debajo de esta medida ya que este se paraba. Tacómetro Microcontrolador 551 520 651 600 662 650 839 800 924 900 1056 1000 1430 1350 1615 1590 1657 1610 1700 1650 Tabla 1.Velocidades del ventilador registradas por el tacómetro y por el microcontrolador Como puede observarse el microcontrolador muestra en pantalla una velocidad que podemos considerar como exacta con algún margen de error. Nota: Véase en la carpeta planos la placa del sensor, y entre los archivos pdf se encuentra el datasheet del sensor óptico empleado. Microcontrolador Sensor velocidad Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 40 6. Sistema de posicionamiento. Las funciones del sistema de posicionamiento son: 1ª Sujetar el rotor cuando no hay campo magnético, esta situación se da en los periodos en los que no se está trabajando con el prototipo 2ª Se encarga en colocar el rotor a distancia óptima para la levitación. 3ª Cuando el prototipo está conectado a la red impida que el rotor sea atraído por el campo magnético que crea el estator. Este sistema lo componen distintos elementos: una pinza paralela eléctrica, ella es la que ejercería la fuerza para posicionar el rotor. Para poder transmitir la fuerza de la pinza se realizaron dos piezas en forma de L (los dedos). Los dedos sirven de sujeción de unas piezas llamadas garras que inciden sobre la banda del rodamiento, al cerrarse la pinza las garras gracias a su diseño consiguen levantar el rotor posicionándolo a distancia de levitación, además impiden que cuando el prototipo es alimentado el rotor se mueva de dicha posición. Al rotor se le ha añadido un rodamiento al que se le puso un casquillo para asegurarlo al eje y una banda exterior que es sobre ella las garras ejercerán la fuerza de la pinza. Este sistema fue una de las cosas que se quedaron pendientes en el proyecto anterior. Todas las piezas metálicas hubo que diseñarlas y fueron fabricadas en el taller de precisión de la universidad de Zaragoza. 6. 1 Pinza paralela eléctrica. La pinza elegida por Oliver Gonzalez Gomeras autor del anterior proyecto es la GEP1406C de la marca SOMMER AUTOMATIC. Es capaz de ejercer una fuerza de 350 N al cerrarse además posee de sistema de autoretención para no perder la posición en la que se encuentre aun estando desconectada de la alimentación lo que nos es muy útil en los periodos de no utilización del prototipo. Ilustración 6. Pinza parte frontal Ilustración 7. Pinza parte lateral Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 41 Ilustración 8. Vista superior de la pinza Hasta ahora se empleaban estas piezas para colocar el rotor: Para colocarlo a distancia óptima de levitación: entre las pastillas superconductoras inferiores y el imán del rotor se colocaba una lámina de plástico de pequeño espesor. Ilustración 9. Lámina de plástico Para impedir que el rotor fuera atraído por el estator: se usaban dos centradores. Colocados arriba y debajo del estator y entre el eje. De esta forma se evitaban los movimientos laterales producidos por el campo magnético. Ilustración 10. Centrador Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 48 misma altura que el rodamiento del eje. Para sujetar la pinza en dicha posición se utilizan 8 tuercas y 8 arandelas. Las espigas se sujetan a la pieza mediante otras 8 tuercas que impiden cualquier movimiento. La pieza permite que las espigas puedan mover la pinza hacia adelante y hacia atrás para poder ajustar mejor la distancia de los dedos al centro del eje. Nota: existe la posibilidad de usar espigas de métrica 6 ya que los agujeros en la pinza están roscados con esa métrica pero con la limitación que solo están en parte haciendo más complicado y limitado el ajuste por eso se descarto. De hecho la pieza por si acaso se hizo para que también pudieran pasar las espigas de métrica 6 Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 49 6.3 Los dedos Los dedos son la parte que sirve para transferir la fuerza de la pinza y sustentar las garras. Trato de simplificarse al máximo su diseño. Se usaron las referencias que daba el fabricante de la pinza. La longitud de los dedos se debe a la distancia existente entre la posición de la pinza una vez instalada y el eje del rotor que es donde estará el rodamiento. La fuerza que puede ejercer la pinza depende de la longitud de los dedos los cuales son de 57 cm, así que la fuerza se agarre será de 250N, en las hojas de características de la pinza aparece un grafico de fuerzas donde puede verse pág. 12. Esta fuerza es más que suficiente para la labor que va a desempeñar. Los dedos se sujetan a la pinza mediante 4 tornillos de métrica 6 y 4 casquillos de centraje a los que se les hizo un alojamiento en los dedos para que encajaran. Para sujetar las garras en los dedos hay 1 prisionero tipo Allen de métrica 2.5. Ilustración 22. Dedos Para ver las medidas ver plano Nº1, podrá encontrar entre los pdfs adjuntos el de las pinzas paralelas eléctricas allí encontrara todas las características de la pinza. 6.4 Las garras Son las piezas que inciden contra la banda que hay en el rodamiento. A estas piezas se les ha dado una forma cóncava, al contrario que la banda metálica del rodamiento, para que se acoplaran convenientemente, al cerrarse el diseño de convexidad y concavidad de ambas piezas hace que el rotor se levante de la posición que ocupa cuando esta levitando ya que por el peso tiende a caer. En un primer diseño se creyó que sería suficiente sujetar el rotor por medio de unas garras con tan poca superficie de contacto. Mediante ellas el rotor se sujetaba pero al soltarlo no eran capaces de recuperarlo. Se estuvo intentando ajustarlo al máximo pero no se tuvo éxito además presentaban otro problema y este era que cuando se conectaba el motor a red aún manteniéndolo a frecuencias de 10 Hz para intentar arrancar el motor las pinzas no lograban sujetar el eje el cual era atraído por el estator bloqueándolo al instante. Así que fueron descartadas y se procedió a rediseñarlas. Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 50 Ilustración 23. Primer diseño sujetando el rotor El segundo diseño trataba de suplir las limitaciones de su antecesor se aumento la superficie de contacto tanto longitudinalmente, para impedir que fuera atraído en cualquier dirección, como en espesor, se le dio un espesor mayor que el de la banda del rodamiento para facilitar a la vuelta en posición. Ilustración 24. Garras 2º diseño Ilustración 25. Garras 2º diseño Para sujetar la nueva pieza se reutilizo el antiguo diseño al que se le realizo un agujero roscado en el que atornillaríamos un tornillo de tipo Allen. Ilustración 26 . Tornillo que sujeta la garra Ilustración 27. Portagarras al portagarras Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 51 Ilustración 28. Garra montada Una vez instaladas las nuevas garras se presento un pequeño problema, ensayo sin giro en el rotor, y era que al caer el rotor se quedaba levemente suspendido por las 4 esquinas inferiores de las garras. Para solucionarlo se avellanaron las esquinas. Ilustración 29. Detalle de la garra con las esquinas avellanadas El problema del rotor que se quedaba levemente suspendido de las esquinas fue solucionado con el diseño anterior, pero cuando se probo el prototipo con los superconductores enfriados debidamente y con el rotor girando a 2500 RPM , se vio que el rotor tenía cierta oscilación en su giro y al soltarlo del sistema de posicionamiento este rozaba contra la superficie de las garras, ya que las puntas no se alejaban del rodamiento lo suficiente. Para solucionar esto se cortaron 8 mm de cada lado de las garras. Para ver las medidas véase el plano Nº2 Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 52 6.5 El rodamiento En el eje del rotor se puso un rodamiento al que se le añadió un casquillo para poderlo acoplar ya que el eje no era de una medida normalizada (diámetro de 13,67 mm) por lo que no había ningún rodamiento con esa medida. Se puso un rodamiento con un diámetro interior de 17 mm, al que se le realizó un casquillo. En el casquillo se colocó un prisionero para asegurar el rodamiento al eje para evitar que se soltara a causa de la contracción causada por el frío que produce el nitrógeno liquido que enfría la estructura, en un principio se realizó un casquillo sin prisionero se vio que ajustaba perfectamente hasta que se soltó, atribuyendo este hecho a una diferencia de temperatura que le provocó la contracción del eje y del casquillo. Además de eso al rodamiento se le añadió una banda metálica exterior convexa que seria sobre la que las garras incidirian levantando el rotor para dejarlo en la posición. 6.5.1 La instalación del rodamiento Para poder poner el rodamiento en el eje hubo que desmontar casi por completo el prototipo se soltaron los 4 tornillos que unen la base superior con las columnas que lo sustentan. Ilustración 30. Tornillo Antes de retirar la base superior de la estructura hay que soltar el racor que une la tubería que comunica el depósito superior con el inferior. Ilustración 31. Racor Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 53 En este punto ya se puede retirar la parte superior. Ilustración 32. Prototipo desmontado Una vez retirada la parte superior soltamos las tuercas mariposas que sujetan la tapa metálica superior que protege el estator ya que el rotor se encuentra en su interior tras esto desatornillamos el imán superior y así de este modo podemos sacar la tapa metálica que anteriormente hemos soltado. Ilustración 33. Tuerca mariposa Aflojamos el imán inferior para poder retirar el eje con el rotor, al igual que por la parte superior hay una tapa metálica por la parte inferior, así que sino retiramos el imán no se podrá extraer el rotor de dentro del estator. Se soltó el prisionero que sujetaba el rotor al eje. Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 54 Se llevó el eje al taller de mecánica de precisión de la Universidad de Zaragoza para que mediante una prensa introdujerán y colocarán en su sitio el rodamiento, el cual quedo completamente ajustado en la parte superior del eje pero aun así se apretó el prisionero para asegurarlo, visto lo ocurrido con su anterior diseño. Ilustración 34. Rodamiento Se procedió a realizar la operación inversa para el montaje aunque al añadir el rodamiento se alteró en cierta medida el montaje ahora hay que introducir por la parte inferior del eje la tapa metálica superior que habíamos retirado del estator después meter el rotor y ponerlo en la zona central del eje quedando así la tapa entre el rodamiento y el rotor. Tras realizar esta operación el resto continua siendo igual. Ilustración 35. Eje con el rotor, tapa y rodamiento Ilustración 36. Pinza montada en el prototipo Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 55 Una vez ya instalado todo se vio que el rodamiento en eje del rotor le añadía cierto peso de mas que hacia que la distancia de levitación inferior se redujera llegando casi a rozar con el depósito inferior, si se mantenía mucho tiempo sin girar el hielo formado impedía que el rotor volviese a girar. Se estuvo pensando en usar los antiguos porta imanes los cuales eran de plástico y de esta forma reducir el peso ya que los actuales son metálicos pero había muchas reticencias a esta medida ya que fueron eliminados del prototipo en proyectos anteriores a causa de problemas con las dilataciones, al enfriarse las pastillas superconductoras para provocar la levitación. Aun así se cree que en un futuro próximo será necesario reducir el peso del eje haciéndolo de plástico a causa de que con el tiempo las pastillas van perdiendo sus propiedades. Ilustraciones 37 y 38 . Vista de la distancia de levitación y formación de cristales de hielo Ilustración 39. Distancia optima de levitación NOTA: cuidado con poner el sistema de posicionamiento lo más arriba posible para conseguir la levitación por que el rodamiento se congela haciendo que no pueda girar el rotor Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 56 7. Fuente de alimentación Hasta ahora para alimentar todo lo anterior se usaba una fuente de alimentación que los maestros de taller del departamento de electricidad me prestaban para realizar los ensayos. Pero no siempre iba ser posible disponer siempre de ella ya que se usa para que los alumnos realicen prácticas. Ilustración 40. Fuente de alimentación del laboratorio Así que para no tener que depender de su disponibilidad, además de ser grande y teniendo en cuenta que el prototipo será usado para fines didácticos por lo que sería transportado para ser mostrado, se decidió comprar una fuente de alimentación propia más pequeña y que se adaptara mejor a las características que necesitamos de ella. La fuente de alimentación elegida es de la casa MEAN WELL y el modelo es el T-120D dispone de 3 salidas de alimentación a distintas tensiones 24V, 12V y 5V. Ilustración 41. Fuente de alimentación Como característica indicar que dispone de un selector de red ya para 220V o 110V Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 57 Ilustración 42. Selector de red Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 64 Ilustración 49. Esquema del 4N35 Para cortar el suministro de alimentación del motor se reutilizo la placa de relees realizada en el proyecto anterior para proteger el microcontrolador se uso un optoacoplador para su control. Ilustración 50. Placa de relés El pin 1 lo conectamos al microcontrolador y el pin 2 a tierra. Al pin 5 lo conectamos a 5V que nos da la fuente de alimentación y en el pin 4 conectamos una resistencia para limitar el paso de corriente ya que la placa de relees se diseño para que el mismo microcontrolador se pudiera conectar directamente y su control fuera mediante un transistor por lo que la resistencia que se puso a la entrada del transistor era la adecuada para limitar la corriente a la tensión de 3,3V. la resistencia que hay es de 1KΩ. I=3.3/1000=0,0033 A Así que con 5V debíamos tener la misma intensidad para no dañar el transistor. R=5/0,0033=1515,15Ω Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 65 La resistencia que se obtenía era de 1515Ω y como ya teníamos una de 1000Ω habría que añadir una de 500Ω. Finalmente se añadió una de 1KΩ ya que se comprobó que disparaba igualmente. I=5/2000=0,0025 A 2,5mA es la corriente que circula por el transistor y por el optoacoplador cuando el microontrolador da la orden de cerrar el relee de alimentación. Se realizo una placa de circuito impreso, para la circuitería de control y la acomodación del sensor de velocidad, usando unas placas en las que las pistas ya están trazadas y simplemente hay que cortar mediante un cúter o similar para retirar la pista que no se emplea y para separar los distintos componentes. Ilustración 54 placa de circuito impreso con pistas trazadas El plano del circuito impreso es el siguiente: Ilustración 55 esquema de la placa de acomodación Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 66 Todas las resistencias empleados para limitar la corriente que circulara por los optoacopladores son de 1 K las cuales permiten que las intensidades que circulan se mantengan dentro de los márgenes que pueden soportar dejando un margen de seguridad para evitar posibles daños. En esta placa también se encuentra la resistencia que se ha añadido al sensor de velocidad. Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 67 9.1 Ruido electromagnético: Primeramente para comprobar su funcionamiento se probo todo con el ventilador y todo funcionaba, pero al instalarlo en el prototipo dejo de funcionar correctamente. Al conectar a red el prototipo el microcontrolador se reiniciaba o recibía señales erróneas del sensor de velocidad que le hacían tomar decisiones incorrectas. Esto se produjo a causa del campo magnético que generaban las bobinas del estator. Este ruido de carácter electromagnético se filtraba a través de los cables y de los circuitos impresos. A 1 metro de distancia el ruido electromagnético comenzaba a reducirse comprobándose en que el microcontrolador realizaba menos decisiones erróneas. Pero para que el sensor de velocidad pudiera tomar las vueltas del rotor el sensor fotoeléctrico debía estar cerca del rotor y por lo tanto cerca del estator, el cual corrompía la señal. Así que hubo que apantallar y proteger toda la circuitería electrónica. Se compraron cables apantallados que sustituyeron a los que se estaban empleando. Los circuitos impresos se metieron en cajas metálicas. Se compraron conectores metálicos para ponerlos en las cajas, ya que los de plástico no aislaban el sistema de los ruidos electromagnéticos. A las cajas se les puso tomas de tierra, al prototipo se le puso una toma de tierra para reducir el ruido. Con todas estas medidas se consiguió que el sistema funcionara. CAJA RELÉ En su interior se encuentra el relé que conecta o desconecta de red el prototipo A esta caja se le han puesto conectores de seguridad donde se conectan las bananas de seguridad puestas en los cables del variador y los que alimentan las bobinas del prototipo. La elección de estos conectores se debe a tratar de evitar posibles accidentes. Alimentan al prototipo a 220V. También se ha puesto una toma tierra para el prototipo. El relé es alimentado a 12V para que pueda abrir o cerrar y a la caja tiene toma tierra para apantallar el interior Por el otro lado de la zona de tensión se encuentra un conector metálico de 2 pines. El pin 2 es el que se encarga en mandar la orden al relé para su apertura o cierre. El pin 1 actualmente no tiene función Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 68 CAJA DE ACOMODACIÓN: En el interior de esta caja se encuentra la placa del circuito impreso del sensor de velocidad y la placa de acomodación. Esta caja también tiene toma de tierra para evitar los ruidos electromagnéticos. Justo debajo de la toma de tierra se encuentra el conector que permite que la pinza y el relé reciban la señal de control. En el pin 1 está conectado el cable que comunica a la pinza y en el pin 2 está conectado al que comunica con el relé. Internamente este conector se conecta con el conector fuente de la placa de acomodación (ver plano circuito ilustración 55 para ver conexión) El conector que esta junto al anterior es el que alimenta con la fuente de alimentación. 1: Conectado a GND 2: Conectado a 12V 3: Conectado a 24V 4: conectado a 5V Junto a este está el que conecta el sensor de velocidad. 1 emisor K 2 emisor A 3 receptor E 4 receptor C En el otro lado de la caja se encuentra el que conecta con la caja del microcontrolador. 1pinza 2 sensor vel 3 GND 4 Rele Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 69 CAJA DEL MICROCONTROLADOR: En su interior se encuentra el microcontrolador. Se le han añadido botones a la caja para que puedan pulsarse los botones de reset, on, off. Para poder visualizar la pantalla se ha realizado una ranura a la que sea puesto una lamina de plástico para evitar que entre polvo al interior. El conector instalado en esta caja es de 8 pines actualmente solo son empleados 4, se espera que en un futuro el resto de pines se habiliten para otros sensores 1GND 2 sensor vel 3 pinza 8 placa rele Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 70 10. Otros ensayos realizados 10.1 Ensayo de velocidad del rotor según la frecuencia de alimentación. HZ RPM medida con una tacómetro RPM medida con el microcontrolador 0 0 0 17.9 85 90 29 255 250 33.8 372 390 43.4 500 490 51.5 700 650 55.6 792 750 61.8 943 950 74.3 1180 1250 80.3 1277 1350 83.1 1362 1430 87.2 1476 1525 96.2 1743 1825 102.6 1870 1930 114.2 2125 2225 120 2221 2350 Tabla 2. Velocidades Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 71 10.2 ENSAYO DE VIBRACIONES El maestro de taller que está realizando la campana de vacio me pidió que observara si el prototipo vibraba mucho cuando se encuentra en funcionamiento. Ya que se tiene la intención en el futuro de sustituir las patas actuales por unas ruedas para facilitar el trasporte y debajo de la placa en las que se sujetan las patas añadir otra placa de plástico sobre la que encajará herméticamente la campana. Con este ensayo quería ver si retirando las 4 patas las cuales cada una pesa 2.5 kilos el prototipo continuaba siendo estable, la función del peso de las patas era dar estabilidad al prototipo, si el prototipo no era estable a causa de no tener el peso que le confieren la patas habría que añadir alguna otra placa más pesada en la base para que cumpliera dicha función. Se llevo al motor hasta los 50 Hz, observándose que no existía ningún tipo de vibración. Posteriormente a este ensayo se ha aumentado el rango de trabajo de 50 Hz a 130 Hz para darle mayor estabilidad al rotor en su giro y sea observado cierta vibración por lo que habría que pensar que si se sustituyen las patas habría que añadir peso para no comprometer la estabilidad del prototipo. Lo que sí que se realizo fue cortar las espigas que sobresalían por debajo del prototipo para que las nuevas piezas que se están fabricando encajaran correctamente. Ilustración 51. Tornillos que sobresalen por la parte inferior Ilustraciones 52 y 53. Detalle de los tornillos cortados Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 72 11. CONCLUSIONES Con la realización de este proyecto se ha conseguido que el prototipo funcione de forma automática sin tener que intervenir ningún operario. El microcontrolador gestiona todos los procesos a partir de la velocidad del prototipo o si el operario le da alguna orden de paro. Aunque no funciona tan bien como se esperaba, la levitación del rotor es muy escasa y llega a rozar en la parte inferior, este rozamiento hace que se frene más rápido de lo que en un principio se creía. Esta levitación tan escasa se debe a la instalacion del rodamiento el cual aumenta el peso del rotor. Además es posible que los superconductores por el paso del tiempo hayan perdido ciertas capacidades. Un futuro proyecto tendrá que estudiar la posibilidad de reducir el peso del rotor para aumentar la levitación. Hasta ahora todas operaciones había que realizarlas manualmente, conectar y desconectar la alimentación del prototipo para mantenerlo en el rango de trabajo se realizaba manualmente con un interruptor trifásico. Ahora ya no es necesario que un operario retire la lamina de plástico ni los centradores sus funciones han sido adquiridas por la pinza. Además la pinza nos permite hacer pruebas sobre el prototipo sin necesidad de utilizar nitrógeno por lo que facilita los ensayos. Todas estas operaciones las gestiona el microcontrolador basándose en la velocidad que detecta gracias al sensor de velocidad. En la pantalla del microcontrolador ahora se puede ver la velocidad del rotor, no es la exacta ya que alguna vuelta se pierde mientras las contamos, pero su error es mínimo. Se ha sustituido el variador de frecuencia de prácticas que se utilizaba desde el proyecto de Pedro J. Lambea por uno propio que será utilizado solo para el prototipo. Además mediante este proyecto se ha dejado preparado para que en un futuro realizar modificaciones que completarían el prototipo tales como son la campana de vacío, las ruedas para el transporte. La intención de poner la campana de vacío se debe a eliminar los problemas actuales de creación de hielo en las partes frías del prototipo que después debemos secar con un secador para que no se oxiden y se deteriore además de que estos cristales provocan cierto rozamiento con el eje del rotor. Y de esta forma mejoraríamos el rendimiento del prototipo ya que no consumiría tanto nitrógeno. Y la posibilidad de realizar en el futuro modificaciones en el comportamiento del proyecto actualizando el software que ejecuta el microcontrolador, como pueden ser el programa del sensor de nivel de nitrógeno, de un sensor de temperatura o del programa que active la bomba de vacío. Otro de los aspectos que se tendrá que tener en cuenta en proyectos siguientes es el diseñar y construir un nuevo rotor para aligerarlo de peso ya que las pastillas superconductoras a lo largo del tiempo están perdiendo sus propiedades y a causa de añadir peso al ser añadido el rodamiento. También se tiene la intención de modificar el rotor para que pueda actuar como generador Personalmente decir que a pesar de los quebraderos de cabeza que he tenido para ir solucionando los problemas con los que me he encontrado a lo largo de la ejecución del proyecto, me siento satisfecho y contento de haberme embarcado en su realización. Ya que me ha permitido profundizar mis conocimientos en un gran abanico de campos relacionados con lo estudiado durante la carrera. Además de permitirme el manejo de Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 73 distintas herramientas que había en los talleres que al principio me daban reparo utilizarlas por miedo a estropearlas, gracias al proyecto en la actualidad me puedo manejar con ellas fluidamente y de forma segura tanto para mí como para las propias maquinas. Escuela universitaria de ingeniería técnica industrial EUITIZ 80 13.2 Anexo líneas de código no empleados: A continuación de escriben las líneas de código cuya finalidad era cambiar los datos de la variable velocidad de binario a decimal para ser mostrado en pantalla. No se consiguió que esta parte del código funcionara correctamente. Código de la rutina binastrig Void binastring( unsigned int value, char *str) { Char aux; Unsigned int unit; Aux=0; Str[0] = str[1] = str[2] = str [3] = str[4] = “0”; Str[5] = 0; Unit = 10000; While (value) { If (value>=unit) { Value -=unit; Str[aux]++; }else { Aux++; Unit /= 10; } Código de la rutina itoa /* itoa: convierte datos , n, a cadenas de caracteres, s.*/ Void itoa (int n, char s [] ) { Int i, sign; If ((sign = n) < 0) /* graba sign*/ n = -n: i=0; do ( /* genera digitos en orden inverso*/ s[i++] = n % 10 + `0`; /* obtener el digito siguiente*/ }while ((n /= 10) > 0); If (sign < 0) s[i++] = ´-´; s[i] = ´/0´; reverse (s); }