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Autor Tema: Placa control motor continua, con micro-controlador ARM Cortex Mx  (Leído 5137 veces)

Desconectado Valen

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Re:Placa control motor continua, con micro-controlador ARM Cortex Mx
« Respuesta #45 en: 10 Marzo 2019, 11:50 »
¿Por qué se queman los motores de continua, en las máquinas herramienta?
Hay varias causas, no todas achacables a la baja calidad del motor. Veamos varias situaciones desgraciadamente muy comunes:

1) El motor da un chispazo, suena un ruido fuerte, y saltan los fusibles de la máquina e incluso las protecciones de la vivienda.
En muchos casos, la placa electrónica también se daña.
La avería es grave, y la reparación muy costosa en términos de dinero (aunque fácil de llevar a cabo).
Cuando saltan las protecciones, inmediatamente tenemos que pensar en que se ha producido una sobrecarga, es decir en un posible cortocircuito. Un motor se cortocircuita cuando sus bobinados pierden el aislamiento, quedando las espiras eléctricamente unidas.
Causa más probable:
Una utilización abusiva de la máquina, que ha sometido al motor a sobrecorrientes constantes, las cuales calientan los devanados más allá de sus límites aconsejables. Esto va degradando paulatinamente el barniz aislante del hilo de cobre de los devanados, hasta que pierde su capacidad de aislamiento, y se produce el cortocircuito.
A partir de aquí, deben actuar las protecciones de la máquina, cortando instantáneamente la alimentación, para intentar salvar la placa electrónica que alimenta el motor, que ahora está en riesgo de quemarse debido al cortocircuito franco al que la estamos sometiendo.
Desgraciadamente, muchas máquinas se entregan de fábrica con fusibles totalmente fuera de rango, muy sobredimensionados, que ni siquiera llegan a quemarse, y acaban actuando las protecciones de la vivienda. Esto ocurre, en mi opinión, porque algunos fabricantes emplean economías de escala, y montan los mismos fusibles a todas sus máquinas.
Soluciones:
Utilizar fusibles correctamente dimensionados. Si el fabricante incluyera fusibles de valores ajustados, no se podría sobrecargar la máquina, ya que actuarían inmediatamente.
(Por ejemplo, mi torno de 500 vatios se entrega con fusibles de 10 Amperios, cuando lo correcto sería fusibles de 5 Amperios).
Si posteriormente el usuario, bajo su responsabilidad, los cambia por unos de mayor amperaje para que no actúen tan a menudo, sería el responsable de la inevitable posterior destrucción del motor, que antes o después llegará.
También se puede diseñar una placa de control que no permita corrientes sostenidas en el tiempo, que pongan en peligro la máquina. Los fabricantes no lo suelen incluir ya que obliga a utilizar una electrónica más compleja y cara, por ejemplo, con un microcontrolador.

El usuario de la máquina herramienta se ha de concienciar de que una máquina para aficionados tiene unos límites claros que no se deben sobrepasar. Desgraciadamente, me he encontrado muchos casos de personas que me preguntan cómo eliminar estas “molestas” protecciones.

2) Se produce una destrucción de las escobillas del motor, del colector, o de ambas partes.
Cuando las escobillas o el colector de rotor se dañan, siempre es debido a las chispas que se crean durante la conmutación.
Debido a ello, se ha extendido la creencia de que estas partes del motor de continua son su gran punto débil, y que esto las incapacita para ser empleados en máquinas herramienta de cierta calidad.
En realidad, si la alimentación es correcta, y se controla bien la reacción de inducido del motor, la conmutación en el colector de delgas no da problemas. Los motores de continua, bien cuidados, con una alimentación correcta, duran muchos años, sin dar ningún problema.

3) Ruido grave de fondo, parecido al de un gran transformador.
Las placas electrónicas originales producen este efecto tan molesto en los motores a los que alimentan. En general, estas placas básicas montan un puente de tiristores y un diodo de libre circulación (algunas, incluso omiten éste último), o incluso usan puentes semicontrolados, totalmente contraindicados para este uso.
Causa más probable:
El puente de tiristores alimenta el motor con trozos de semiciclos, recortados de la onda sinusoidal de la red eléctrica. Es decir, pulsos positivos, de valor cambiante, a frecuencias bajas (50 Hz).
Estos trenes de pulsos cambiantes, a bajas frecuencias, generan un flujo de la misma naturaleza en el hierro de la máquina, que la somete a fuertes vibraciones de baja frecuencia, produciéndose ese zumbido tan molesto.
Soluciones:
La solución es sencilla, pero más cara: La placa electrónica ha de entregar una alimentación totalmente continua, para cualquier valor de alimentación. De esta forma el flujo magnético será constante y no provocará vibraciones en el hierro de la máquina. Es decir, la electrónica ha de ser más elaborada y por tanto, más cara.
« última modificación: 25 Marzo 2019, 13:18 por Valen »
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Re:Placa control motor continua, con micro-controlador ARM Cortex Mx
« Respuesta #46 en: 10 Marzo 2019, 11:50 »
¿Cómo soluciona este diseño, los problemas planteados?
1) La placa genera una tensión continua totalmente plana, para cualquier valor de alimentación.
Para ello se ha diseñado una “fuente conmutada” que opera a 10 kHz, que evita la más mínima vibración en el hierro, y tampoco provoca resonancias mecánicas.
Además, incluye un enorme condensador electrolítico, que actúa como estabilizador de la tensión y corriente entregada al motor, manteniendo los valores estables "aguas abajo", incluso antes grandes demandas puntuales.
Todo ello hace que la máquina herramienta sea muy silenciosa, siendo esta una de las grandes mejoras que ofrece.

2) Emplea un potente micro-controlador ARM Cortex M4, que permite incluir todo tipo de controles software.
Si la corriente consumida por la máquina supera los 5 amperios durante más de un cierto tiempo programado, la placa desconecta la alimentación, y obliga a reiniciar el equipo.
El objetivo es evitar que una utilización abusiva de la máquina sobrecaliente los devanados del motor, degradándolos. De esta forma evitamos que se lleguen a cortocircuitar, con los efectos anteriomente descritos.

3) El puente de tiristores usado en placas chinas, se ha sustituido por un IGBT de uso industrial, que se ha seleccionado muy sobredimensionado. De hecho, me consta que es capaz de gobernar motores del doble de potencia que el de las típicas fresadoras para aficionados, y que además es capaz de hacerlo en las peores condiciones de inductancias parásitas, etc.
Este IGBT, conmutando a 10 kHz, genera una onda rectangular de gran calidad que, en conjunción con el enorme condensador electrolítico, aplican al motor una alimentación continua, totalmente plana.
« última modificación: 11 Marzo 2019, 22:27 por Valen »
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Re:Placa control motor continua, con micro-controlador ARM Cortex Mx
« Respuesta #47 en: 01 Abril 2019, 18:18 »
Distribución en bloques de la placa.
El diseño de la placa está totalmente condicionado por la necesidad de ser compatible con las placas de potencia que se montan en las máquinas herramienta más habituales (Fresadoras y tornos alemanes y chinos).
Por ello, las dimensiones de alto, largo y ancho estaban prefijadas. Además, por simplicidad, se han colocado los conectores en la misma posición que en las placas originales.

Como novedad, en esta versión he incluido el filtro EMC contra el ruido eléctrico, dentro de la propia placa. Esto no se incluye en las placas chinas, lo que obliga llevar a cabo un cableado engorroso.

En las imágenes que se muestran a continuación, se ven tres zonas:

- Filtro EMC.
- Circuito de Potencia.
- Circuito de Control.


1) El filtro EMC evita que el ruido eléctrico, producido por la conmutación de los diodos del puente rectificador, y la conmutación del IGBT, pueda llegar a la red eléctrica general, y lo que es aún más importante, que pueda entrar en el circuito de mando, alterando su funcionamiento.
Este filtro emplea tres condensadores de polipropileno (los mejores y más caros....) junto con una bobina (choke) que en conjunto, conforman un filtro de gran calidad. La placa tiene un conector de "tierra" (típico cable verde y amarillo) que es necesario conectar para mejorar el funcionamiento del filtro.

2) El circuito de control está construido con componentes SMD (de montaje superficial) y un micro-controlador ARM Cortex M4 de 32 bits, que implementa todos los algoritmos de control que hemos descrito en este hilo.
Esta zona de control está eléctricamente aislada del resto de la placa, y se relaciona con el circuito de potencia mediante componentes aislados:
- Un driver de IGBT.
- Un sensor Hall de corriente.
- La fuente de alimentación de 3,3v
De esta forma, cualquier problema en la zona de potencia quedará siempre aislado, no pudiendo llegar a la zona de control, que es desde donde el operario maneja la máquina herramienta.

3) La zona de potencia incluye un condensador electrolítico de gran tamaño, que garantiza la estabilidad de la corriente y la tensión "aguas abajo", en el motor. También incluye un sistema de conmutación de la onda continua, mediante un IGBT y un diodo de potencia de libre circulación. El IGBT va protegido frente a picos de conmutación, por un condensador de polipropileno. Finalmente, incluye una pequeña fuente que, a partir de los 316v del condensador electrolítico, obtiene 15v para alimentar el driver del IGBT.


« última modificación: 02 Abril 2019, 07:41 por Valen »
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Re:Placa control motor continua, con micro-controlador ARM Cortex Mx
« Respuesta #48 en: 02 Abril 2019, 20:15 »
Ruido generado por la máquina, antes y después de instalar esta placa de control.
Rebuscando entre los vídeos de mi canal en Youtube:
https://www.youtube.com/channel/UCFWVbpkuHroVm2BXEySvLvA
he encontrado material para poder comparar cómo suena el motor con la placa original, y con la nueva placa de control.



Vídeos comparativos:
He encontrado el vídeo que grabé al comprar el torno Optimum 180x300 vario, con la máquina totalmente original:
https://www.youtube.com/watch?v=nIRhHe-OrRY

Y he grabado uno equivalente, con la nueva placa instalada:
https://youtu.be/EGJxneRBkHI

Como se ve, la mejora es espectacular....  ;D
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Re:Placa control motor continua, con micro-controlador ARM Cortex Mx
« Respuesta #49 en: 06 Mayo 2019, 22:12 »
Yo tengo la versión anterior de la placa y la he montado pues quiero mejorar la fresadora ahora que es CNC
hoy he realizado pruebas con el control original y con el de Valen.

Obviamente no tengo un laboratorio para hacer mediciones precisas y la única herramienta ha sido un medidor de Decibelios de la tablet.

En primer lugar se nota como el zumbido eléctrico característica de los motores de reste tipo desaparece y llega a ser inapreciable.
En la velocidad mas baja , esto se traduce en una reducción de casi 10 decibelios de 40 DB aprox a mínimas revoluciones con la placa de Valen a casi 52 con el control original de la fresadora .
a media velocidad y máxima , la verdad es que ya no se aprecian grandes diferencias , pues el ruido mecánico de la fresadora, (la mía esta modificada con poleas) hace que no se puedan apreciar grandes diferencias.

Otra cosa que he notado es que en cualquiera de las dos sentidos con la placa de Valentín , alcanzo el máximo de revoluciones , mientras que con el control original de la BF en contramarcha . la velocidad máxima se reduce mucho , no es algo critico , pues es raro utilizar la fresadora en contramarcha a mucha velocidad  pero da una idea de lo bien que efectúa la electrónica el control del motor , ajustándose a los dos sentidos.

Os dejo un pequeño vídeo , Gracias Valentin.

https://www.youtube.com/watch?v=le7Rd7Pmn8A&feature=youtu.be
Torno Myford ML7, Fresadora Optimum BF 20, Torno Optimum D250 x 550 CNC con CNCDue By PAcol, Sierra cinta HBM, TOS NM80,  cacharreria varia

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Re:Placa control motor continua, con micro-controlador ARM Cortex Mx
« Respuesta #50 en: 06 Mayo 2019, 22:34 »
Gracias por el vídeo,
las fresadoras son bastante ruidosas debido a los rodamientos, engranajes (si los lleva).... La mía también la transformé a poleas (gracias Wels) y aún así hace más ruido del que yo quisiera. Eso me ha llevado a que casi siempre utilice un cabezal de fresado rápido Proxxon BFW 40/E, que no hace ni el más mínimo ruido, y es suficiente para los materiales blandos (resina de poliuretano, aluminio) con los que yo trabajo habitualmente.

La placa trabaja a una frecuencia conmutada de 8-10kHz, que elimina completamente la resonancia mecánica en el hierro del motor, debido al flujo magnético variable. La alimentación de tensión continua pura hace que el movimiento del motor sea tranquilo a cualquier velocidad de giro, sin vibraciones.

El ruido eléctrico es el que se escucha a velocidades bajas (zumbido nulo), porque al subir de velocidad, lo que predomina es el ruido mecánico, que no tiene nada que ver con la placa.

Otra ventaja de esta placa es su mejor regulación del par y de la velocidad, respecto de la placa original china. Esto se debe al uso de micro-controladores que implementan modernos algoritmos de regulación y control, en vez del sistema usado en la placa china, que utiliza un sencillo amplificador operacional.

Además, la placa protege al motor, desconectando el funcionamiento si se está haciendo un uso abusivo de la máquina durante varios segundos. Si no lo hiciera, el motor se acabaría quemando, y detrás de él, caería también la placa.

Esto muy contento con este diseño. En todos los años que lleva funcionado, nunca se ha quemado ninguna placa en el uso habitual, incluso mecanizando acero duro durante horas. Solo he visto incidencias por cortocircuitos accidentales.
« última modificación: 08 Mayo 2019, 12:30 por Valen »
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Re:Placa control motor continua, con micro-controlador ARM Cortex Mx
« Respuesta #51 en: 30 Mayo 2019, 10:51 »
Hola buenos dias. Me preguntaba si su placa me podria servir para el motor que le adjunto en una foto. Se trata de un motor que se usa en las maquinas de andar.

He oido de su post, a traves de un hilo que yo he creado, porque me hace falta saber que motor, o que puedo usar para un aparato que tengo hecho, Le traslado el hilo y si es usted tan amable de verlo e indicarme desde su punto de vista, se lo agradezco.

https://foro.metalaficion.com/index.php?topic=32729.45

Gracias y un saludo

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Re:Placa control motor continua, con micro-controlador ARM Cortex Mx
« Respuesta #52 en: 30 Mayo 2019, 11:22 »
Sí, en principio, la placa se puede usar para ese motor. Según veo en la placa de características, es un motor de corriente continua con estátor de imanes permanentes, de 180 Voltios de tensión nominal, 6,3 Amperios de corriente máxima nominal, y velocidad máxima 5200 rpm. 

El software del micro-controlador de la placa está programado para que, si se supera un consumo de 5 amperios durante más de 5,5 segundos, se desconecte, y te oblique a reiniciar. Se trata de proteger al motor.

La placa de características de la imagen indica que puede consumir hasta 6,3 amperios, pero eso sería a máxima carga, así que se podría ampliar este parámetro, si se considera necesario.
« última modificación: 31 Mayo 2019, 07:26 por Valen »
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Re:Placa control motor continua, con micro-controlador ARM Cortex Mx
« Respuesta #53 en: 30 Mayo 2019, 13:26 »
Un proyecto excelente.Gracias por tus aportes.
Saludos.
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Re:Placa control motor continua, con micro-controlador ARM Cortex Mx
« Respuesta #54 en: 01 Junio 2019, 10:43 »
El motor de cada máquina tiene sus propios requisitos. Opciones de configuración.

Cada usuario tiene sus requisitos para sus máquinas herramienta. Existe una gran variedad de máquinas alemanas, chinas, etc. que se distribuyen bajo diferentes marcas, pero que en esencia son muy parecidas.
Hasta 1.000 vatios, todas ellas emplean motores de corriente continua, con estátor de imanes permanentes. Esta es una decisión que considero correcta, ya que mantiene la máquina herramienta en unos precios razonables, y utiliza una electrónica sencilla, de pequeño tamaño, más barata que otras soluciones.

Cuando decidí implementar esta nueva versión de la placa de control de potencia, incluí unos "pads" de soldadura, que permiten configurar su comportamiento.



Sgún se ve en las imágenes, hay 4 pads de soldadura:

- Opt1: Activa el tacómetro basado en sensor de pulsos, como un sensor Hall.
- Opt2: Indica si el sensor de pulsos trabaja con 1 pulso por vuelta o con 4 pulsos por vuelta.
Aunque esta placa es capaz de ofrecer un tacómetro basado en un sensor de pulsos tradicional, realmente se recomienda hacer uso del estimador matemático de la velocidad que hace uso del modelo equivalente del motor que se ha programado en el micro-controlador, y que es capaz de estimar la velocidad con una precisón asombrosa, sin necesidad de cableados ni sensores externos.

- 800w: Indica si el motor que vamos a conectar es del rango aproximado de los 550 vatios, como el torno Optimum 180x200 Vario, o si el motor es de unos 850 vatios, como la fresadora Optimum BF20 Vario y su equivalentes en otras marcas.
Lo que hace el pad, es decidir qué modelo matemático de motor y qué parámetros de los reguladores PI se van a cargar. Aunque al final todos los valores disponibles son capaces de regular cualquiera de estos motores, si le indicamos a la placa el rango de motor que vamos a usar, facilitaremos una regulación más precisa y rápida.
En la imagen, la placa está configurada para ser usada en una fresadora BF20, u otra máquina de potencia semejante (torno o fresadora, eso da igual).

- Custom: Se incluyó para cargar opciones a gusto del usuario de la placa. Por ejemplo, si usa una fresadora Fresadora Helfer FV25-V, los parámetros se pueden ajustar a su motor, de 1000 vatios, para obtener un funcionamiento más preciso.

¿Cómo se consigue esto, en el software?
Normalmente, se crea un fichero de configuración "header", que contiene los parámetros de cada caso, y cuyos valores se seleccionan durante el arranque de la máquina.



Curiosidades:

En la imagen de detalle de la placa, se aprecian otros muchos detalles interesantes:

- Anagrama "ARM" sobre el micro-controlador: Esta es la arquitectura de micro-controladores que utilizan casi el 90% de los sistemas embebidos.(De ahí el daño que le hace a Huawei que ARM le haya prohibido usar chips con su arquitectura, mucho más grave que no poder usar Android).

- Conector hembra de 10 pines: Se utiliza para cargar el programa en el micro-controlador, y para hacer procesos de depuración, ya sea por el método tradicional de puntos de ruptura, o por el mucho más moderno, de depurar sin parar la ejecución del programa.
Esta moderna característica incluida en ARM posibilita depurar placas como la de este proyecto cuyo software, debido la las transformadas de Laplace y transformadas en Z, no trabaja en el mundo real sino en un mundo imaginario, que solo existe si el tiempo de ejecución del programa es fijo.

- Conector "Tachometer": Aunque la placa no lo necesita para saber la velocidad de la máquina, es posible conectar un sensor tradicional. Sin embargo, el método recomendado es valerse del circuito equivalente programado en el software, para obtener una velocidad estimada suficientemente precisa, sin conexiones externas.

- Conector "Potentiometer": Aquí se conecta cualquier potenciómetro lineal de unos 4,7 kilo ohmios, y ya podemos regular la velocidad. Es importante resaltar que ha de ser "lineal" ya que se venden muchos potenciómetros "logarítmicos" para el control del volumen de los sistemas de audio. El valor de 4,7 kohms sólo es indicativo, en realidad se puede emplear cualquier valor de varios kilo ohmios.

- Etiqueta "Optocoupler": Es el driver del que dispone el circuito de control para disparar el IGBT de potencia que alimenta el motor. De esta forma, si se avería el IGBT, no puede dañar al circuito de control.
« última modificación: 20 Junio 2019, 07:54 por Valen »
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Re:Placa control motor continua, con micro-controlador ARM Cortex Mx
« Respuesta #55 en: 10 Agosto 2019, 11:19 »
Opciones de placas y Tipos de pantallas.
Todos hemos expermientado alguna vez un susto por el precio que tienen los componentes electrónicos y las placas electrónicas en general, sobre todo aquellas que tienen un uso tan específico como el CNC, el control de motores, etc.
Uno de los objetivos principales del desarrollo de esta versión de la placa, es el de lograr la máxima simplicidad y por tanto economía, manteniendo o mejorando sus parámetros de funcionamiento.

¿Pantalla sí o pantalla no?

Un caballo de batalla en este diseño era qué hacer con la conexión de pantallas, que se usan para indicar la velocidad de giro de la máquina o la corriente consumida. La realidad es que solo un 30% de las placas se acaban usando con pantalla, ya que muchas máquinas incluyen su propio tacómetro que puede serguir usándose, con el consiguiente ahorro económico.

Por ello, y dado el elevado precio que tiene el Convertidor dc - dc que habilita el uso de pantallas en esta placa:
https://es.rs-online.com/web/p/convertidores-dc-dc-aislados/7065445/
decidí que solo se monte si se pide específicamente que la placa esté preparada para usar una pantalla.

Tipos de pantalla soportados.
Una vez decidido el uso de pantalla, disponemos de dos modelos:

Pantalla OLED.
Ya estaba disponible en la versión anterior de la placa. Tiene un contraste inigualable, aunque su tamaño es reducido. No es táctil, por lo que no admite ser usada como interfaz de usuario para introducir datos, por lo que solo se puede usar si vamos a medir la velocidad con un sensor de pulsos.

Pantalla Táctil.
Es la recomendada en esta versión de la placa.
Está disponible en tres tamaños, todos ellos mucho más grandes que la pantalla OLED, aunque su contraste no sea tan perfecto.
Al ser táctil, se ha podido usar como interfaz de usuario para la introducción de parámetros. Esto a permitido usarla para mostrar la velocidad de la máquina a partir del estimador matemático de la velocidad, evitando el uso de sensores de pulsos.

Comentario:
No es posible comprar una de estas pantallas, conectarla, y que comience a funcionar. Es necesario cargar un firmware desarrollado por mi, que establece la comunicación entre la placa PCB y la pantalla, para intercambien datos.

En las imágenes mostradas a continuación, de izquierda a derecha, se ven las tres posibilidades: Pantalla OLED, Pantalla Táctil (Tamaño intermedio), Sin pantalla ni Convertidor dc - dc.







« última modificación: 10 Agosto 2019, 11:44 por Valen »
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Re:Placa control motor continua, con micro-controlador ARM Cortex Mx
« Respuesta #56 en: 12 Agosto 2019, 22:28 »
Funcionamiento en el torno Optimum vario 180x300

Una persona me pidió un vídeo para ver cómo funcionaba el conjunto, y verificar si había algún tipo de vibración, ruido, etc.

Le grabé este vídeo:
 https://youtu.be/PcKOBF8EKtA

en el que creo que se muestran muy bien las bondades de esta placa, y las de la pantalla.

« última modificación: 13 Agosto 2019, 12:34 por Valen »
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Re:Placa control motor continua, con micro-controlador ARM Cortex Mx
« Respuesta #56 en: 12 Agosto 2019, 22:28 »

 

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