1
Informe 7 Control de válvulas proporcionales utilizando PWM Cadena Edison, Díaz Santiago, Rodríguez Andy, Vargas Jonathan,Vasconez Paúl. Universidad de las Fuerzas Armadas E.S.P.E.
Determinar las caracteristicas de potencia necesarias para la activac activación ión de la electroelectro-válvu válvula la proporcio proporcional nal desde desde Arduino. Variar el caudal a la activacion del cilindro neumático.
—This article article specifie specifiess the connec connection tion and contro controll Resumen—This design design of electro electro-hy -hydra draulic ulic propor proportio tional nal valve, valve, checkin checkingg the operating operating conditions and consideration considerationss that must be taken into account for controlling position of a single-acting single-acting cylinder using this valve.. Index Terms—Control de posicion, Cilindro de simple efecto, Electrovalvulas proporcional.
I. I NTRODUCCIÓN
L
os actuadores neumáticos han sido utilizados habitualmente debido a sus conocidas ventajas: bajo coste, facilidad de mantenimiento, alta prestaciones, elevada relación potencia-peso, etc. Sin embargo presentan diferentes características que provocan la necesidad de un estudio bastante detallado para su uso en aplicaciones donde se requiera una elevada precisión como es el caso de la robótica. Alguna de estas características son: funcionamiento no lineal debido a la compresibilidad del aire, presencia de fenómenos de fricción, utilización de válvulas no lineales. El modelado y control de cilindros neumáticos es dificultoso debido fundamentalmente fundamentalmente a las propiedades no lineales del aire así como a las características no lineales al comprimirse el aire dentro de la cámara del cilindro. En primer lugar se introduce el modelo teórico no lineal de partid partidaa compue compuesto sto por los eleme elemento ntoss que integ integran ran la plataforma experimental utilizada, en este caso se utiliza una válvula proporcional para el control de caudal de un cilindro, un sensor de presión para la verificación de funcionamiento, un potenciometro que nos permitira variar el porcentaje de caudal y posteriormente se desarrolla una estrategia de control utilizando un PWM.
I I I . M ARCO TEÓRICO III-A.
Electroválvulas Electroválvulas Proporcional Proporcional
Se entiende por válvula proporcional aquélla en la que una magnitud física del fluido (caudal o presión) a la salida de la válvula es proporcional a una señal eléctrica analógica de entrada (0-10v, 0-20mA, 4-20mA). para este diseño se utilizo una electroválvula Proporcional SAI 2100 – VEP312, cuyas caracteristicas son: Regulación de la presión en función de consigna analógica Conectable a tarjeta amplificadora de control Presión de trabajo: 0-0.1 Mpa. • • •
Figura 1. Electroválvula Neumática proporcional
I I . O BJETIVOS II-A.
Objetivo Principal
Realizar un modelado experimental para el control de velocidad de un cilindro neumático, utilizando un PWM que actuar actuaraa a una válvul válvulaa propor proporcio cional nal y contro controlad ladoo desde la plataforma Arduino permita varia el caudal a la activación de un cilindro neumático. II-B.
Objetivos Secundarios
Comprender la utilizacion y aplicacion de válvulas proporcionales. Reali Realizar zar un PWM que permi permita ta contro controlar lar una válvul válvulaa proporcional.
III-B.
Potenciómetro otenciómetro
Un potenciómetro es un resistor cuyo valor de resistencia es variable. De esta manera, indirectamente, se puede controlar la intensidad de corriente que fluye por un circuito si se conecta en paralelo, o la diferencia de potencial al conectarlo en serie, un potenciómetro deslizante lineal se caracteriza porque la pista resistiva es recta, de modo que el recorrido del cursor también lo es. Han estado de moda hace unos años y se usa, sobre todo, en ecualizadores gráficos, pues la posición de sus cursores representa la respuesta del ecualizador. Son más frágiles que los rotatorios y ocupan más espacio. Además suelen ser más sensibles al polvo.
2
Figura 2. Potenciometro lineal Figura 4. Modulación por Ancho de Pulso
III-C.
Arduino Uno
Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares
IV. C ONTROL DE POTENCIA POR PWM En esta técnica se aplica a la bobina DC de la electrovalvula proporcional el voltaje resultante del interrumpiendo la corriente a la bobina en pulsos de alta frecuencia. El ancho del pulso determinará el valor promedio de voltaje entregado a la bobina. Esta técnica es muy eficiente ya que el transistor logra una disipacion de potencia correcta y no genera un calor significativo. Para esta practica el voltaje que alimenta a la electroválvula proporcional varia desde 12V(100%) a 0V (0 %), el procentaje viene dado por el ciclo de trabajo del PWM . Para variar este ciclo de trabajo se utiliza un potenciometro, cuyo valor analógico es proporcional a el ciclo de trabajo que genera la placa Arduino. IV-A. ¿Cómo se logra variar el ancho del pulso para modular la potencia?
Figura 3. Arduino Uno
III-D.
Los mosfets de potencia (power mosfets) son componentes electrónicos que nos permiten de controlar corrientes muy elevadas. Como en el caso del los mosfets comunes, tienen tres terminales de salida que se llaman: Drain, Source y Gate (D, S y G).La corriente principal pasa entre Source y Drain (ISD) mientras que el control de esta corriente se obtiene aplicando una tensión sobre el terminal Gate (respecto al terminal Source), conocida como VGS.
Modulación por ancho de Pulso
La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas en inglés de pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.
Figura 5. Conexión directa de un MOSFET a un microcontolador
3
VII. D IAGRAMA E LÉCTRICO El pulso en la salida OUT permite un pulso de ancho variable (+V) dependiente del voltaje de referencia. El aumento del ancho del pulso aumentará el voltaje promedio entregado a la bobina de la válvula. Estos transistores pueden manejar grandes corrientes lo que posibilita manejar las corrientes típicas de 1.5 o 2 amperios de las bobinas de las válvulas. Mas adelante se muestra la conexión del transistor MOSFET cuya excitación de compuerta proviene de la salida PWM de la placa Arduino.
V. MATERIALES
No ÍTEM 1 Motor 2 Compresor 3 Calderín 4 Filtro 5 Regulador de presión 6 Electroválvula Proporcional 7 Electro valvula monoselenoide 3/2 8 Cilindro neumático doble efecto 9 Arduino 10 Potenciómetro 11 Resistencias 12 Transistor NPN 13 Mosfet 12 Mangueras neumáticas
CÓDIGO M COM01 D F Rp EV1 EV2 C0 P1 R1,R2,R3 2N3904 IRF510 -
Cuadro I: Lista de Materiales
VI. D IAGRAMA M ECÁNICO
Figura 7. Diagrama Eléctrico
CANTIDAD 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 4
VII I. C ÓDIGO EN A RDUINO
Algoritmo 1 Código Arduino float sensor=A4; int pwm = 9; int porcentaje; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(pwm,OUTPUT); pinMode(sensor,INPUT); } void loop() { porcentaje=analogRead(sensor); analogWrite(pwm,porcentaje); delay(50); Serial.println(pwm); } IX. A NALISIS DE R ESULTADOS X. CONCLUSIONES Y R ECOMENDACIONES
Figura 6. Diagrama Mecánico
Las válvulas proporcionales permiten el control de presión o flujo en los sistemas neumáticos logrando movimientos de control de fuerza o la velocidad de cilindros. Las válvulas proporcionales juegan un papel importante en los sistemas programables de regulación. La asociación de una electrónica inteligente a la potencia de la neumática ofrece soluciones nuevas e innovadoras para las aplicaciones mas variadas. Las válvulas proporcionales permiten controlar y regular un fluido en función de un valor de consigna. La asociación de estas válvulas a una electrónica de pilotaje permite mejorar su nivel de precisión y por tanto, ampliar su campo de aplicación.
4
XI. B IOGRAFÍA
Andy Robinsson Rodríguez Granda , nació en Ibarra -Ecuador el 31 de Diciembre de 1992. Estudió la primaria en la Unidad Educativa Bilingüe Reino de Dinamarca y la secundaria en el Colegio Experimental Juan Pio Montufar teniendo la especialización Físico- Matemático en el año 2010. Actualmente se encuentra cursando octavo semestre de la carrera de Ingeniería Electrónica en Automatización y Control en la Universidad de las Fuerzas Armadas (ESPE).
Edison Cadena , nacío en Quito el 1 de Diciembre del 1991.Realizó sus estudios primarios en la Unidad Educativa Corazon de María , continuo sus estudios en el colegio "Central Tecnico" obteniendo su tpitulo de bachiller técnico en Electrónicca actualmente estudia el octavo semestre de la carrera Ingeniería en Automatización y Control en la Universidad de las Fuerza Armadas “ESPE ”
Jonathan Renato Vargas Flores , nació en Quito el 10 de Marzo de 1992, realizó sus estudios primarios en la escuela San Francisco de Quito, su educación secundaria la curso en el colegio Sebastian de Benalcázar, obteniendo el ttulo de bachiller en Fsico Matemtico, actualmente su Carrera Universitaria los realiza en la Escuela Politécnica del Ejército en la Carrera de Electrónica, Automatización y Control.
Santiago Díaz ,nacio en Quito el 2 de Enero de 1988, sus estudios primarios los realizo en la escuela Alberto Acosta, sus estudios secundarios los realizó en el colegio San Jose la Salle actualmente estudia el octavo semestre de la carrera Ingeniera en Automatización y Control en la Universidad de las Fuerza Armadas ESPE
Paúl Darío Vasconez, nació en Quito el 25 de agosto de 1990 sus estudios primarios los realizó en la escuela Abelardo Moncayo sus estudios secundarios en el Instituto Tecnológico superior Central Técnico, actualmente es estudiante de la Universidad de las Fuerzas Armadas Espe Automatización y Control.
5
XII. H OJA DE DATOS
Figura 8. Hoja de datos
