Placa control motor continua, con micro-controlador ARM Cortex Mx

[Valen]

Velocidad del plato de garras, sin utilizar un sensor de pulsos.
A partir de la velocidad obtenida por el estimador matemático programado en el micro-controlador de la placa, se obtiene la velocidad del motor, la cual se usa en el proceso de regulación de la velocidad de la máquina.
Además, a partir de este dato, es posible obtener la velocidad en el plato de garras, simplemente dividiéndolo por la reducción que introducen las poleas.

He ampliado el proyecto, para incluir tres botones en la pantalla LCD destinada a mostrar la corriente consumida, y la velocidad de la máquina.

Si observamos las imágenes adjuntas, pulsando:
El botón de la izquierda, se muestra la velocidad del motor.
El botón intermedio, se muestra la velocidad del plato de garras, cuando usamos el set de poleas 1 (velocidad lenta).
El botón de la derecha, se muestra la velocidad del plato de garras, cuando usamos el set de poleas 2 (velocidad rápida).



Vemos que no hay sensor de pulsos conectado, pero muestra la velocidad del plato de garras...!





Detalle de los botones que permiten seleccionar el grupo de poleas que estamos usando.


Modificaciones realizadas.
Al estudiar las capacidades del microprocesador que lleva la pantalla, comprobamos que dividir la velocidad de del motor por la reducción del set de poleas que estamos usando, no es una tarea trivial.

La primera opción, que sería hacer que el microprocesador del display divida la velocidad estimada del motor, por la reducción de las poleas, y a continuación muestre en pantalla el valor obtenido, no es viable:

Resulta que este microprocesador es muy sencillo, y no soporta números decimales (en coma flotante, float). Además, los números enteros son de solo dos bytes. Estas limitaciones hacían que solo se pudieran mostrar incrementos de velocidad de 100 rpm, lo que considero inaceptable.

Por ello, ha habido que modificar el conjunto del proyecto, para que:
- Las reducciones de las poleas se modifican y almacenan en la pantalla LCD, mediante un menú adecuado.
- Al arrancar, la pantalla envía la reducción actualmente utilizada, a la placa PCB de control, a través de la UART.
- La placa envía la velocidad, dividida por esa reducción de las poleas.
- El display simplemente muestra los datos que recibe.

Intentaré subir un vídeo en breve, para mostrar lo bien que funciona.

[Valen]

Cambiar los valores de reducción de las poleas.
En este proyecto, se ha empleado como valor por defecto de la reducción de los juegos de poleas, las del torno Optimum 180x300 Vario. Pero, naturalmente, es posible modificar estos valores, para adaptarlos a nuestra máquina.

En la imagen mostrada a continuación, se detalla el proceso para modificar estos valores.



Operativa para modificar el coeficiente de reducción de un grupo de poleas:
1) Se hace una pulsación larga sobre la cifra "Speed".
2) En la pantalla que muestra las reducciones, verificamos si queremos cambiar alguna, y en ese caso, pulsamos el botón correspondiente.
3) Introducimos en el teclado el nuevo valor de la reducción, con un máximo de dos decimales.

El pulsar la tecla "Enter", se almacena el nuevo dato, y se envía a la placa de control, para que comience a utilizarlo.

Recordar que cada valor de reducción de las poleas, está asociado a uno de los botones mostrados en la pantalla principal.
El motor, lógicamente, siempre tiene reducción 1. Sin embargo, se permite modificar este valor para necesidades particulares de cada usuario.

[pritt]

Como siempre, una maravilla de trabajo y de explicaciones.

Respecto a lo comentado de los trifásicos: Desconozco los motivos de Valen, seguro que mucho más justificados que los que yo pueda dar, pero creo que para máquinas tan "pequeñas" y enfocadas evidentemente al "hobby", a veces el meter un trifásico y variador es como el matar moscas a cañonazos.

Eso por un lado, por otro, hablamos de máquina que rondan sobre los 1000 €, soliendo encontrarse algunas ofertas que los dejan sobre los 800: Invertir lo que cuesta un motor más variador es para considerarlo seriamente.

A eso hay que añadir que suelen ser máquinas que compramos los aficionados para "iniciarnos", con lo que de primeras el saber y asumir un cambio a trifásico + variador puede ser algo "traumático".

Por último suelen ser máquinas "de paso" que terminan por venderse y muchas veces se valora más el que tengan pocas modificaciones que el que tengan muchas mejoras.

Un saludo y perdón por "ensuciar" un poco el post.

[Valen]

Gracias Pritt,

Ajuste del estimador matemático.
ahora tengo que calibrar y ajustar el estimador matemático. Necesito medir la velocidad de giro del motor y la del plato de garras con dispositivo independiente. Usaré un tacómetro óptico. Empezaré el trabajo con uno sencillo que tengo hace años, y finalzaré el trabajo con un aparato de calidad profesional.

Problema a resolver:
El valor que proporciona el estimador matemático no tiene en cuenta todos los efectos que se producen en un motor de continua, como son el efecto de desmagnetización que produce la fuerza contra-electromotriz y el desplazamiento del eje neutro del campo principal, de todo lo cual:
- Disminuye el valor global del campo magnético de la maquina.
- Disminuye la fuerza electromotriz de la máquina.
- Disminuye indirectamente el rendimiento.
- Crea peligro de chispas en el colector.
- Aumenta las dificultades para realizar una buena conmutación.
- Aumento considerable de las pérdidas en el hierro al existir una mayor densidad de flujo.
- Desplazamiento del “plano o línea neutra”(plano en el que se anula el campo).
- etc.

Solución:
Por todo ello, el valor de velocidad que nos estima el Estimador Matemático conlleva un cierto error (digamos un 10%) que es fácil de minimizar, ya que la relación entre velocidad de la máquina y corriente consumida es lineal.
Esta relación sigue, además, una línea recta que pasa por cero (a cero corriente, cero velocidad). Por tanto, solo hay que ajustar ligeramente la pendiente de la recta, librándonos de determinar la recta de regresión Y/X por el método de los mínimos cuadrados.



- Finalmente, verificaré que las reducciones de poleas que calculé a partir de los diámetros de las poleas, es correcta.

[Valen]

Comparación de medidas: Tacómetro óptico vs. Estimador Matemático.

En todas las fotos que se presentan a continuación, se muestran dos medidas: La del tacómetro óptico, y la del estimador matemático, en el display que hemos desarrollado para este proyecto.

En una primera aproximación, vemos que las lecturas de ambos sistemas (Estimador matemático y tacómetro óptico) ofrecen lecturas muy semejantes.
Para juzgar los resultados obtenidos, hay que aclarar que el tacómetro óptico que he tomado como referencia es un producto sencillo, que tiene su propia tolerancia.

Haré algunas pruebas y ajustes más, y daré por válido esta forma de medir la velocidad del plato de garras, sin usar un sensor de pulsos. En la pantalla de la placa de control, el valor de la velocidad es el de la línea inferior, con la etiqueta "Speed".

[Valen]

Reflexiones sobre medir la velocidad con Estimador Matemático o con Sensor de pulsos.
(Estas reflexiones se refieren exclusivamente a tacómetros de un máximo de 4 pulsos/vuelta, y al estimador matemático desarollado en este proyecto)

Es posible medir la velocidad por dos métodos:
- Conectando un sensor de impulsos.
- Aprovechando el estimador matemático interno.

El primer método es más exacto, especialmente a alta velocidad. La ventaja del segundo método es que no necesita un sensor de pulsos.

Pros y contras de cada método:
A largo plazo, los sensores de pulso siempre son un problema, ya que se ensucian con virutas metálicas, etc. y pueden acabar dejando de funcionar. Por lo tanto, poder medir la velocidad sin usar un sensor externo es -objetivamente- una gran ventaja.

Por otro lado, los sensores de pulsos tienen conexiones eléctricas muy delicadas, que captan interferencias fácilmente, las cuales pueden llegar a distorsionar la medición real. Además, conllevan la existencia de tres cables entre el sensor y la placa de control, lo que complica la instalación y su mantenimiento.

Por el contrario, la medición de la velocidad basada en el uso del estimador matemático interno, evita estos problemas, ofreciendo una medida de velocidad estable y suficientemente confiable.

En realidad, su único inconveniente es que, al estimar la velocidad del motor, en lugar de la del husillo de la máquina, es necesario agregar botones en la pantalla, para indicar al sistema de control qué relación de poleas estamos utilizando.
Sin embargo, en máquinas pequeñas es normal que solo se use la velocidad baja, por lo que el botón solo tendrá que presionarse una vez.

¿Qué método es más preciso?
El método basado en tacómetro, es en general, más preciso. Sin embargo, es difícil instalar correctamente el sensor de pulsos, y es habitual ver sensores demasiado cerca o demasiado lejos de los imanes a detectar, produciéndose medidas erróneas. Toda instalación debería ser calibrada con un tacómetro óptico, pero desgraciadamente no es algo que se suela hacer.

A velocidades muy bajas, los tacómetros funcionan mal, porque reciben pocos pulsos por segundo, o lo que es lo mismo, reciben poca información. Sin embargo, a medida que se incrementa la velocidad, su precisión mejora notablemente, hasta llegar a los límites de medida del aparato.

Por otro lado, los estimadores matemáticas funcionan muy bien a velocodades bajas y medias, pero van perdiendo precisión a medida que aumenta la velocidad, ya que el núcleo magnético del motor va dejando de tener un comportamiento lineal, debido a la saturación que produce el flujo magnético.

Conclusión:
Como vemos, cada método tiene sus fortalezas y debilidades, aunque mi preferencia se decanta claramente por el uso de estimadores matemáticos.

[Valen]

Comparación de medidas: Tacómetro óptico vs. Sensor de pulsos.

Al igual que hemos verificado la exatitud de la estimación de la velocidad que hace el método del estimador matemático, también necesitamos verificar el funcionamiento cuando medimos la velocidad con un sensor de pulsos.

En las imágenes se muestra el sensor Hall empleado en esta prueba. También se aprecian tres medidas. Como vemos, las cifras obtenidas por el tacómetro óptico y el obtenido por la placa de control, son semejantes.

Aunque en las fotos no se puede ver, normalmente las medidas que ofrece un tacómetro basado en un sensor de pulsos, tienen cierta variabilidad, por lo que si no hacemos nada, se producirá un efecto de parpadeo continuo de la cifra mostrada en el display. Para evitarlo, se aplican varias técnicas, como el filtrado paso-bajo software de este dato, o la histéresis.

Ahora, a la vista de los resultados obtenidos, decidiré los parámetros más adecuados para terminar de estabilizar la imagen en la pantalla, sin que pierda capacidad de modificación cuando la velocidad cambie significativamente.

[Valen]

Ya está disponible la primera vesión del manual de la placa. Este es el enlace desde donde descargarlo:

https://1drv.ms/b/s!AhT-j3GeVZzjgapaUQep-BzrAjfUVg

El texto está en inglés, pero pronto lo tendré en español.

Está completamente ilustrado con dibujos en 3D que me ha llevado mucho tiempo generar.

Espero que os guste.

[Valen]

Ya he terminado la versión en español del manual de la placa.

Éste es el enlace para la descarga:
https://1drv.ms/b/s!AhT-j3GeVZzjgapdc9OhOVceMekeCg

espero que os guste.

[Valen]

Paso a producción.
Por fin he podido finalizar el proyecto.  Trabajo como ingeniero en una fábrica, así que emplearé la terminología adecuada a esta situación:   

Ha llegado el momento de pasar la placa, "a producción".

He encargado algunas PCB, he hecho acopio de materiales, y ahora toca la tediosa tarea de montar manualmente los componentes electrónicos.

El montaje de las placas se subdivide en tres fases:
- Motaje de componentes SMD (de montaje superficial).
- Montaje de componentes discretos de potencia.
- Revisión de funcionamiento, y ajuste si es necesario.


Por tanto, el estado actual del estocaje, es el siguiente:
- Una placa-prototipo, totalmente funcional.
- Tres placas totalmente terminadas, y disponibles.
- Dos placas a la espera de la recepción de material.

He verificado que, en efecto, los tiempos de fabricación se han reducido enormemente, sobre todo, si fabricas varias placas a la vez y así el tiempo de preparación del entorno de trabajo se divide entre todas ellas.
Creo que en ese caso, el tiempo de montaje de cada placa será de unas dos horas y media, si todo va bien, y funciona a la primera, o los defectos son sencillos (como una soldadura de mala calidad, etc.)

Esta versión de la placa me encanta, ya que partía de un diseño de contrastada calidad y eficiencia, y esto me ha permitido disfrutar, dedicando el tiempo a otras cosas, como simplificar la electrónica, añadir nuevas funcionalidades, etc. Espero que a la mayoría le guste tanto como a mi....

En mi página web, he creado un repositorio con todos mis manuales, en español y en inglés:
https://sites.google.com/site/controlofmachines/descargas

De esta forma, ya no es necesario bucear por mi página web, buscando el que nos interesa.

[stylusptk]

   Como siempre Valen, un placer leer tus post 

   Gracias por el tiempo que le dedicas a explicarlo todo tan bien 

Salu2

[DominicZe]

Me parece un gran proyecto!! enhorabuena!

Donde se puede adquirir esta placa?

Un saludo y gracias por compartir!

[Valen]

Gracias a vosotros.

Hace ya años, construí mi propia página web, donde voy centralizando todo lo referido a estos desarrollos:
https://sites.google.com/site/controlofmachines/home

En ella se pueden encontrar más detalles de los diseños, ejemplos de uso reales, manuales completos de todos los desarrollos, con un email para cualquier pregunta.

[Valen]

Como es difícil decirlo todo por escrito, he preparado un vídeo demostrativo de lo que es capaz de hacer esta placa.



En él muestro cómo funciona la placa, en directo. Para ello, la he conectado a mi torno Optimum 18x300 Vario, aunque el entorno más habitual de uso es el de las fresadoras de unas 850 vatios, tipo BF20, etc.

El algoritmo de control implementado en el micro-controlador, es capaz de ajustarse a motores de unos 500 vatios, como mi torno, o a máquinas de unos 850 vatios, como muchas de estas fresadoras. Para indicarle la potencia de nuestra máquina, solo es necesario cerrar/abrir un "pad" de soldadura, y reiniciar el equipo.

Esta placa PCB tiene las mismas medidas de las placas originales, y los taladros en la misma posición. También tiene una altura semejante, por lo que reparar una máquina, sustituyendo una placa original quemada, por la que presentamos aquí, es en una tarea trivial.

Éste es el enlace al vídeo, en mi canal de YouTube:

https://youtu.be/u_yUZXsPydo

Espero que os guste. Yo, por mi parte, tengo que agradecer a mi sobrino de 13 años, el trabajo al otro lado de la cámara. 

[Valen]

Sobre el conjunto eléctrico-electrónico que acciona las máquinas herramienta para aficionados.
Es sabido por todos, la profunda insatisfacción que existe en el colectivo de aficionados a las máquinas herramienta, con la calidad de la electrónica y de los motores que se montan en estas máquinas.
Periódicamente, vemos hilos de personas que se quejan de que el motor se ha quemado, o que la placa electrónica ha dado un chispazo, y ha dejado de funcionar.
Debido a ello, se ha extendido la impresión de que los motores de corriente continua son un mal producto, o que al menos los que se montan en las máquinas son de ínfima calidad. Lo mismo ocurre con las placas electrónicas.

En el texto que viene a continuación, voy a intentar analizar este asunto, y cómo se puede solucionar. Parto del siguiente supuesto, que nace de lo que yo he experimentado con mi torno y mi fresadora:
- Las placas de potencia que controlan estos motores, son de muy baja calidad.
- Los motores de continua empleados son de calidad media-baja.

El motor de corriente continua.
En primer lugar, quiero romper una lanza en favor de los motores de corriente continua, como máquina en general. En algunos foros se les demoniza, y aunque hay quien piense que son lo peor de lo peor, y que por eso se mueren uno detrás de otro, esto no es cierto.
El motor de continua es una máquina muy noble, con un comportamiento previsible. No necesita sistemas electrónicos complejos para ofrecer unas prestaciones aceptables y es de coste muy reducido.
Efectivamente, son máquinas con cierta capacidad para auto-regularse, por lo que, en muchas aplicaciones, es suficiente alimentarlos con una fuente de tensión continua, para obtener los resultados esperados.

El caso de máquinas herramienta es un tanto particular, ya que sus necesidades son más exigentes de lo habitual: Requieren un par motor y velocidad constante, para que al comenzar a mecanizar, la velocidad del husillo se mantenga y así obtengamos un buen acabado. Sin embargo, esto no descalifica a los motores de continua para su uso en máquinas herramienta, simplemente necesitan de una alimentación regulada.

(Continúa en la siguiente página....)