Sistema de control de motores de Corriente Continua
basado en el microcontrolador LM629

Hardware del Sistema II
Microcontrolador
Puente H

Sistema de control de motores de Corriente Continua basado en el microcontrolador LM629
MICROCONTROLADOR ( µC)

Capítulo V

Índice

MICROCONTROLADOR

Justificación

A estas alturas no es necesario hacer la presentación de éste tipo de componentes, que llevan ya muchos años, desde la década de los ochenta, introducidos en el mundo electrónico y en la vida cotidiana.

No vamos pues a entrar en su utilidad, sino que nos ceñiremos a nuestra aplicación y su actividad en ella.

	
	Las necesidades de control de nuestro sistema son las siguientes:
	* Un puerto paralelo de ocho bits, de comunicación con el MPID.

	* Señales de control para el MPID, en concreto:

	* Selección del periférico, "Chip select", CS.

	* Señal de aviso de lectura, RD.

	* Señal de aviso de escritura, WR.

	* Selección de uso del puerto de comunicaciones para datos o instrucciones del MPID, PS.

	* Reloj que se enviará al MPID, CLKp.

	* Línea de recepción de interrupciones generadas por el MPID.

	* Línea de RESET "hardware" del MPID. 

	* Línea de recepción de interrupciones generadas por el puente H.

	* Líneas de información de datos aportados por el puente H.



	Las capacidades que precisaremos del µC van a ser:


	* Velocidad, reloj, superior a 8 Mhz, dado que ésta va a ser la velocidad del MPID.

	* Dos puertos paralelo de 8 bits mínimo, uno para la comunicación con el PID y el otro para señales de control.

	* Memorias RAM y ROM. No se considera necesario ampliar la memoria.

	* Puerto serie para comunicación con el exterior del sistema.

	* Memoria EPROM para su uso en la comunicación con el exterior del sistema.


	Son muchos los microcontroladores que actualmente cumplen estos requisitos mínimos y diversas las casas que los fabrican. Existen, además de los microcontroladores clásicos, los DSP (Digital Signal Proccessing), cuya arquitectura interna difiere del µC con objeto de agilizar la comunicación, para el trabajo en tiempo real, pero en nuestro caso esta actividad la llevará a cabo el MPID, por tanto el µC es adecuado y suficiente.

	Fabricantes de referencia en este campo son "Motorola" e "Intel". Se ha buscado información de ambas casas, teniendo ofertas similares. En concreto, y aunque se ha optado por la familia 8051 de "Intel", se estudió la familia 68HC11 de "Motorola", que aporta en su modelo MC68HC11F1 un convertidor analógico digital (ADC) interno de 8 bits que pudiera resultar útil en el manejo de datos analógicos procedentes del puente H.

	Pero esto se va a resolver en forma diferente, y por otro lado en la comparativa de velocidades del reloj, la oferta de la familia 8051 es más ventajosa.

	No podemos obviar tampoco que la información disponible de la familia 8051 ha sido mayor, siendo muy utilizados y muy estudiados. Por tanto hemos optado por un sistema ya conocido y ampliamente experimentado. 

	La elección del modelo, con arreglo a las necesidades dio como resultado el uso del 87C51RC, encapsulado DIP, con 40 contactos.

	Sin embargo, y como era de esperar, al recabar información en la página "web" de Intel, encontramos la última actualización de la familia, los 8XC251XX, que prometen compatibilidad "hardware" y "software" con la primitiva MCS51, mejorando aspectos externos e internos. El encapsulado es de 44 pines, PLCC, puesto que no es preciso mantener compatibilidad. Aunque no es objeto del trabajo, en paralelo con la descripción del nuevo modelo seleccionado incluimos datos del antiguo en plan comparativo.

	El modelo seleccionado, equivalente al 87C51RS va a ser el 87C251SB de la misma casa Intel. Entre corchetes [x], se incluyen las diferencias, cuando las hay, con el antiguo modelo. 

	Sus características generales son:

	* 1 K Byte de memoria RAM. [512 bytes]

	* 16 K ROM / OTPROM / EPROM. [32K] 

	* Reloj (CLK) de 16 Mhz. [12 Mhz]

	* 4 puertos paralelo bidireccionales de 8 bits.

	* 3 contadores de 16 bits con:

		 1 contador arriba / abajo 
 Salida de reloj 
	* Puerto serie programable "Full Duplex"

	* Set de instrucciones ampliado

	* 3 contadores de 16 bits

	* Estructura de Interrupciones

		 Siete fuentes de interrupción 
		 Cuatro niveles de prioridad

	* Vigilante Watchdog hardware

	* Reducción de consumo tipos "idle" y "power down".

	* Más detalles en las características del fabricante.

µC 87C251SB. DESCRIPCIÓN DE PATILLAS

PIN	SIGNO	DESCRIPCIÓN	ALTERNATIVA
01	VSS1	ALIMENTACIÓN
02	P1.0	PUERTO 1.0 / T2
03	P1.1	PUERTO 1.1 / T2EX
04	P1.2	PUERTO 1.2 / ECI
05	P1.3	PUERTO 1.3 / CEXO
06	P1.4	PUERTO 1.4 / CEX1
07	P1.5	PUERTO 1.5 / CEX2
08	P1.6	PUERTO 1.6 / CEX3 / WAIT #
09	P1.7	PUERTO 1.7 / CEX4 / A17 / WCLK
10	RST	RESET.
11	P3.0	PUERTO 3.0. / RECEPCIÓN SERIE	RXD
12	VCC2	ALIMENTACIÓN
13	P3.1	PUERTO 3.1. / TRANSMISIÓN SERIE	TXD
14	P3.2	PUERTO 3.2 / INTERRUPCION 0.	/INT0
15	P3.3	PUERTO 3.3 / INTERRUPCION 1.	/INT1
16	P3.4	PUERTO 3.4 / TIMER 0.	T0
17	P3.5	PUERTO 3.5 / TIMER 1.	T1
18	P3.6	PUERTO 3.6 / ESCRITURA.	/WR
19	P3.7	PUERTO 3.7 / LECTURA / A16	/RD
20	XTAL2	CRISTAL DE RELOJ EXTERNO / ENTRADA.
21	XTAL1	CRISTAL DE RELOJ EXTERNO / COMÚN.
22	VSS	COMÚN ALIMENTACIÓN.
23	VSS2
24	P2.0	PUERTO 2.0 / DIRECCIÓN ALTA 8.	A8
25	P2.1	PUERTO 2.1 / DIRECCIÓN ALTA 9.	A9
26	P2.2	PUERTO 2.2 / DIRECCION ALTA 10	A10
27	P2.3	PUERTO 2.3 / DIRECCIÓN ALTA 11.	A11
28	P2.4	PUERTO 2.4 / DIRECCIÓN ALTA 12.	A12
29	P2.5	PUERTO 2.5 / DIRECCIÓN ALTA 13.	A13
30	P2.6	PUERTO 2.6 / DIRECCIÓN ALTA 14..	A14
31	P2.7	PUERTO 2.7 / DIRECCIÓN ALTA 15.	A15
32	/PSEN	STROBE MEMORIA EXTERNA.	-
33	ALE	HABILITA LATCH DIRECCIONES / ENTRADA PROGRAMACIÓN EPROM.	/PROG
34	VSS2
35	/EA	HABILITA ACCESO EXTERNO / ALIMENTACIÓN PROGRAMACIÓN EPROM.	VPP
36	P0.7	PUERTO 0.7 / DIRECCIÓN BAJA 7.	AD7
37	P0.6	PUERTO 0.6 / DIRECCIÓN BAJA 6.	AD6
38	P0.5	PUERTO 0.5 / DIRECCION BAJA 5.	AD5
39	P0.4	PUERTO 0.4 / DIRECCION BAJA 4.	AD4
40	P0.3	PUERTO 0.3 / DIRECCION BAJA 3.	AD3
41	P0.2	PUERTO 0.2 / DIRECCION BAJA 2..	AD2
42	P0.1	PUERTO 0.1 / DIRECCION BAJA 1.	AD1
43	P0.0	PUERTO 0.0 / DIRECCION BAJA 0.	AD0
44	VCC	ALIMENTACIÓN POSITIVA	-

Sistema de control de motores de Corriente Continua basado en el microcontrolador LM629
Puente H

PUENTE H

Descripción de la arquitectura del dispositivo puente H

En la figura 2.6 se muestra la arquitectura equivalente mediante cuatro interruptores del diseño conocido como puente " H ".

Este puente recibe una alimentación de DC y permite un control bidireccional de la corriente que circula por el motor.

Figura 2.6 Puente H

Etapa de potencia

Justificación



	Los requerimientos de potencia de nuestro trabajo están por encima de las soluciones completamente integradas para el control de motores de corriente continua, al superarse los 10 W que soporta esta solución. 

	En consecuencia, la etapa de potencia ha de ser construida con componentes activos y discretos y dimensionados éstos para atender los requerimientos previstos. 

	La topología no ofrece alternativa, una vez decidido el controlador que la va a dirigir, el LM629, con salida PWM, por lo que se diseñará un puente en H. 

	Igualmente sucede con los elementos de conmutación, que entran en la gama de posibilidades de los MOSFET, no existiendo necesidad de una potencia mayor que requiriera IGBT o conmutadores controlados de mayor potencia. 
	
	El control del puente, proveniente del controlador, va a llevar el disparo de los MOSFET mediante "drivers" integrados del tipo IR2110, de "International Rectifiers", específico para este tipo de aplicaciones, que soporta entrada PWM y salidas complementarias referenciada a masa una y flotante la otra, para solventar los problemas inherentes al referenciado del disparo en las líneas de puerta no referenciadas a la masa de potencia, Q3 y Q1. También aporta una desactivación del puente por exceso de corriente que proviene del "sensado" de la corriente de la línea de potencia. 

	El proceso de selección de componentes del puente y su dimensionado se detalla posteriormente. 

	A continuación se resume el funcionamiento básico de esta topología. 

	Convertidor "Full-Bridge", puente completo (H). 

	Partiendo de una alimentación continua (potencia) aplicada sobre Q1 (+) y Q2 (-) y aplicando señales de disparo a los MOS FET, se pueden dar las siguientes situaciones: 

		1 Conducción de Q1 y Q4: 

	La carga inductiva se ve sometida a una tensión de magnitud igual a la de la fuente, invertida en signo. Por ella circula una corriente de sentido negativo respecto de la referencia.  

		2 Conducción de Q1 y Q3 o Q2 y Q4: 

	La carga resulta cortocircuitada, con tensión cero y sin circulación de corriente. 

		4 Conducción de Q3 y Q4 o Q1 y Q2: 

	Estas situaciones resultan prohibidas, porque tienen como consecuencia cortocircuitar la potencia. 

	Cuando aplicamos un control de puerta a los MOSFET en forma que ésta sea la misma para Q2 y Q3 e igual pero complementaria para Q1 y Q4, el circuito alternará el signo de tensión y corriente siguiendo el ciclo de disparo (ciclo de trabajo) sobre la carga. Al tratarse de una carga inductiva, y si el ciclo de trabajo fue calculado para permitir la carga y descarga del bobinado, a través de la carga circula una corriente media que excitará el motor de forma proporcional al tiempo en que resulten disparadas las líneas de MOSFET. 

	Con las combinaciones descritas anteriormente, fácilmente se ve que, actuando sobre el disparo, podemos regular el nivel de la corriente media de excitación del motor (velocidad) y su sentido (sentido de giro). Igualmente se puede para el motor, impidiendo que circule corriente por su bobinado. Este es el tipo de control que precisa nuestra aplicación. 

	Concretando, al disponer de un control de disparo en forma de magnitud y signo, lo que éste pretende es regular la velocidad mediante el ancho del pulso considerado respecto de una frecuencia fija (ciclo de trabajo) y su sentido de giro con la señal de signo. 

	Consideraciones. 

	Se fijará una magnitud máxima de la alimentación (potencia), que será la máxima potencia del motor que podamos situar como carga. Esta potencia máxima viene limitada por las prestaciones del tipo de MOSFET seleccionado. Se determinarán las dimensiones de diodos rápidos (Schotky) entre drenador y fuente de los MOS FET, en función de los picos de tensión por carga inductiva esperados. 

	Se fijará un ciclo de trabajo que también tendrá un máximo, del orden de kilo hercios, determinado por la capacidad de los MOSFET. Esta frecuencia limitará también el tipo de carga que se pueda situar, porque debe ser coherente con las características inductivas del motor, en el sentido de que sus bobinados sean capaces de seguir el ciclo de carga y descarga requerido. El ciclo de trabajo se fijará mediante el reloj del controlador LM629. Esta señal de control se conducirá al driver IR2110 a través de opto acopladores, para evitar interferencias entre el circuito lógico y el de potencia, aislándolos entre sí. 

	Se fijarán unos "tiempos muertos" en los cuales no exista excitación de puerta ninguna, durante las transiciones, para dar tiempo a los MOSFET a alcanzar el estado requerido de conducción o bloqueo, ya que su capacidad de entrada en puerta retrasa su respuesta.  

	De lo contrario se producirán combinaciones indeseadas. Se determinarán por las características de los MOSFET y se fijarán en la entrada de los "drivers" IR2110 mediante una red R-C. Al tratarse de nano segundos, estos tiempos no resultan significativos con respecto de la frecuencia de trabajo. 

	Se determinará el tipo y dimensionado de los disipadores de los MOS FET para garantizar la potencia máxima fijada, calculados sobre la impedancia térmica que suponga la conmutación. La realimentación del sistema tomará muestras de un "encoder" fijado sobre el rotor del motor, conducida al controlador LM629 mediante "line drivers" de línea diferencial. 

	Se tomará muestra del consumo de corriente del puente, mediante sensado sobre la línea de retorno de potencia, para controlar su magnitud máxima y media que será tratada y digitalizada por un interfase diseñado al efecto, para su lectura por el µC, con objeto de que éste determine los límites de funcionamiento esperado y active una protección si se ven superados. 

	Se establecerá un control de exceso de temperatura que se tomará sobre el disipador de los MOSFET y activará una interrupción del µC. Se diseñará el interfase que conduzca esta señal de interrupción.

Formas de señales del PWM.

El puente H, realiza la interfaz fácilmente con diferentes formas de señal PWM.

A continuación se describen las dos formas más populares de PWM.

1. Simple señal de fase del PWM. Esta consiste de una simple señal de una variable de ciclo obligado en la cual son en codificadas ambas la dirección y la información de la amplitud como se ve en la figura 2.6a.

Donde una señal PWM con un ciclo obligado del 50% representa el manejo del cero, ya que el valor de la red de voltaje (integrada sobre un período) entregado a la carga es cero.

Figuras 2.6a y 2.6b

2. Signo y magnitud de PWM, consiste de una dirección separada y una señal de amplitud ver figura 2.6b. La señal de magnitud es modulada de ciclo obligado, y la ausencia de una señal de pulso (una lógica continua de nivel bajo), representa un manejo de cero. La corriente entregada a la carga es proporcional al ancho de pulso.

Limitación de corriente.

El circuito de protección para la limitación de corriente será incorporado dentro del diseño del puente H. Pero como cualquier dispositivo de potencia, es importante que se considere el efecto de la corriente que surge sustancialmente a través del dispositivo. El sensado de corriente se tomara a través de una resistencia de 0.1ohmio, este estará formado por un "AO" del tipo LM 324 y este conectara a un comparador del tipo LM 311.

Sistema de control de motores de Corriente Continua basado en el microcontrolador LM629
CREDITOS

Créditos

PROYECTO PARA LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE BACHILLERATO + 4 DE CNAM FRANCIA
Autores:
Juan Antonio Pizarro Martín
Julio Martín Rodríguez
Ángel Puerta Rubio
CURSO 2001/2002
JAPM 2007

CNAM ESPAÑA http://www.salesianosloyola.com/CNAM/INDEX.HTM

CNAM FRANCIA http://www.cnam.fr/36392593/0/fiche___pagelibre/

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Capítulo V

Índice

Microcontrolador

Puente H

MICROCONTROLADOR

Justificación

A estas alturas no es necesario hacer la presentación de éste tipo de componentes, que llevan ya muchos años, desde la década de los ochenta, introducidos en el mundo electrónico y en la vida cotidiana.

No vamos pues a entrar en su utilidad, sino que nos ceñiremos a nuestra aplicación y su actividad en ella.

µC 87C251SB. DESCRIPCIÓN DE PATILLAS

PUENTE H

Descripción de la arquitectura del dispositivo puente H

En la figura 2.6 se muestra la arquitectura equivalente mediante cuatro interruptores del diseño conocido como puente " H ".

Este puente recibe una alimentación de DC y permite un control bidireccional de la corriente que circula por el motor.

Figura 2.6 Puente H

Etapa de potencia

Justificación

Formas de señales del PWM.

El puente H, realiza la interfaz fácilmente con diferentes formas de señal PWM.

A continuación se describen las dos formas más populares de PWM.

1. Simple señal de fase del PWM. Esta consiste de una simple señal de una variable de ciclo obligado en la cual son en codificadas ambas la dirección y la información de la amplitud como se ve en la figura 2.6a.

Donde una señal PWM con un ciclo obligado del 50% representa el manejo del cero, ya que el valor de la red de voltaje (integrada sobre un período) entregado a la carga es cero.

Figuras 2.6a y 2.6b

Limitación de corriente.

Créditos

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Microcontrolador
Puente H