UNIDAD 2 Introducción a los Sistemas Mecatronicos

2.1 Sensores & Transistores

sensores: se refiere a un elemento que produce una señal relacionada con la cantidad que se esta midiendo con frecuencia se utiliza el termino transductor en vez de sensor.

Transductor: elemento que al someterlo a un cambio físico experimenta un cambio relacionado.

TERMINOLOGÍA DEL FUNCIONAMIENTO

Rango: define los limites entre los cuales pueden variar la entrada.

Margen: valor máximo de las entradas menos el valor mínimo.

Error: es la diferencia entre el resultado de una medición y el verdadero de la cantidad que se mide.

ERROR= VALOR MEDIDO-VALOR REAL

Exactitud: grado hasta el cual un valor producido por un sistema de medición podría estar equivocado. Es por lo tanto igual a la suma de todos los errores posibles

Sensibilidad: relación que indica qué tanta salida se obtiene por unidad de entrada es decir salida-entrada.

Error por histeresis: los transductores pueden producir distinta salidas de la misma magnitud que se miden si dicha magnitud se obtuvo mediante un incremento o una relación.

Al elegir un sensor de desplazamientos, posición o proximidad deberá tener encuenta lo siguiente:

-La magnitud del desplazamiento

-Desplazamiento lineal o angular

-Resolución que necesita

-Exactitud que se necesita

-Material del que esta hecho

-Costo

SENSORES POTENCIOMETROS

Potenciometros es un elemento resistente que tiene un contacto deslizante que puede desplazarse a lo largo de dicho elemento. Se puede utilizar tanto en desplazamientos lineales como rotacionales.

SENSORES NEUMÁTICOS

Estos sensores utilizan aire comprimido y el desplazamiento o la proximidad de un objeto se transforma en un cambio en la presión del aire.

INTERRUPTORES DE PROXIMIDAD

 Existen diversas modalidades de interruptores que actúan por la presencia de un objeto y sirven como sensores de proximidad cuya salida corresponde al estudio estado encendido o apagado.

Micro-interruptor: pequeño interruptor eléctrico que requiera un contacto físico y una pequeña fuerza de acción para cerrar los contactos.

SENSORES DE DESPLAZAMIENTO

Miden la magnitud que se desplaza un objeto

SENSORES DE POSICIÓN

Posición de un objeto relacionado con un punto de referencia

SENSORES DE PROXIMIDAD

Modalidad de sensor de posición y determina en que momento un objeto se mueve dentro de una distancia critica del sensor

Potenciometro: tiene contacto deslizante que puede desplazarse a lo largo de dicho elemento

Deformimetro de resistencia eléctrica: es un alambre metálico una cinta de papel metálico o una tira de material semiconductor.

Capacitancia: "c" de capacitor de placas paralelo entes dadas por la expresión

C= E1E0A/d

Es el área de sobre posición a dos placas y de es la separación entre las placas.

Transformador diferencial de variación lineal TDVL: formada por tres devanados especializados de manera simétrica a lo largo del tubo.

SENSORES DE PROXIMIDAD POR CORRIENTE DE FOURAULT

Cuando a una derivada se aplica a una corriente alterna se crea un campo magnético alterno

INTERRUPTOR DE PROXIMIDAD INDUCTO

Devanado enrrrollado en un núcleo

CODIFICADOR

Dispositivo que produce una salida digital como resultado de un desplazamiento lineal o angular.

CODIFICADOR DE INCREMENTO

Detectan cambios en la rotación a partir de una posición de datos.

TRANSDUCTOR

Elemento que al someterlo a un cambio físico experimenta un cambio relacionado. Para su funcionamiento es el rango, error, exactitud, margen, exactitud y sensibilidad.

2.2 Acondicionamiento de Señal

La señal de salida del sensor de un sistema de medición en general se debe procesar de una forma adecuada para la siguiente etapa de la operación la señal puede ser pequeña y sería necesaria amplificarla.

AMPLIFICADOR OPERACIONAL 

Amplificador de alta ganancia en general 100 000 o mas estan disponibles como circuitos ntegrador en chips de silicio que consta de entradas (-) y (+). La salida depende de omo se hagan las conexiones de estas entradas

INTERCONECTADORES CON UN MICROPROCESADOR 

Los dispositivos de entrada y de salida están conectados con un sistema de microprocesadores mediante puertos. 

Interfos: se refiere a un elemento que se usa para interconectar diversos dispositivos y puertos.

Los microprocesadores requieren entradas de tipo digital por ello, cuando un sensor produce una salida analógica  es necesario una convenio de señal analogía a digital.

Puertos: los dispositivos de entrada y salida estran conectados con sistema de microprocesador 

Interfaz: elemento que se usa para interconectar diversos dispositivos y un puerto 

PROCESO DEL ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES

Protección: para evitar daño al siguiente elemento, por ejemplo un microprocesador se colocan resistencias imitadoras de corriente.

Tipo de señal adecuado: es necesario convertir una señal a un voltaje de cd o de alguna corriente.

Nivel: es un termopar, la señal de salida es de unos cuantos móviles si la señal se va a  un convertidor analógico o digital.

Eliminación o disminución de ruido: eliminar el ruido de una señal se utiliza filtros 

Manipulación de señal: convertir una variable en función lineal, Las señales que producen algunos sensores.

Amplificador inverso: la entrada se lleva a la entrada inversora a través de la resistencia R1, en tanto que la entrada que la entrada no inversora a través de la resistencia R2 y llega  a la entrada invasora el amplificador operacional tienes una ganancia de voltaje de unos 100 000 y el cambió de voltaje de salida en general se limita casi +- 10 v.

Amplificador no inversor: la entrada se lleva a la entrada invasora a través de la resistencia R1 en tanto que la entrada no invasora se conecta a la tierra.

Se establece un trayectoria de retroalimentación que inicia la salida. La salida se puede conectar considerando como tomada desde un circuito.

Amplificador logarítmico: la salida de algunos sensores no es lineal. Es necesario utilizar un acondicionamiento de señal para linealizar la salida de estos sensores.

Este es un ejemplo de esta acondicionamiento de señal. En la mayoría de retroalimentación hay diodos cuyas característica son no lineales.

Comparador: indica cual de los dos voltajes es mayor y con ese fin se puede utilizar un amplificador operacional sin retroalimentación u otros componentes. Un de estos voltajes se aplica en la entrada inversora y otro a la no inversora .

2.3 Sistema de Actuación (eléctrica, mecánica, neumáticos e hidráulicos)

Sistemas Electricos

Al estudiar los sistemas electricos que se emplean como actuadores de control deberan tenerse en cuanta los siguientes dispositivos y sistemas. 

DISPOSITIVOS DE COMUNICACIÓN 

Como los interruptores mecánicos y los interruptores de estado solido ( diodos, transistores y tiristores) en los que la señal de control encienden o apagan un dispositivo eléctrico.

DISPOSITIVOS TIPO SELENOIDE 

Una corriente que paso por un solenoide acciona un núcleo de hierro.

SISTEMAS MOTRICES

Por ejemplo, motores de cd y de ca, en los cuales la corriente que pasa por el motor produce una rotación. 

INTERRUPTORES MECÁNICOS

Son elementos que con frecuencia se usan como sensores para producir y enviar entradas a diversos sistemas, el revelador eléctrico es un ejemplo de interruptor mecánico que en los sistemas de control se usan como actuador.

REVELADORES

El revelador eléctrico responde a la señales de control mediante una sencilla acción de conmutación de encendido/apagado ( on/off) 

Hay  dos  juegos  de  contacto  uno  que  se  cierra  y  otro  que  se  abre  devido  a  la  accion 

Los  reveladores  en  los  sistemas  de  control  se   usan  dos  reveladores  para  controlar  el  funcionamiento  de  válvulas, neumáticos  los  que  a  su  vez  controlan  el  movimiento  de  los  vástagos de  3  cilindros  a, b y c

REVELADORES  DE  RETARDO

son  reveladores  de  control  y  su  acción  de  conmutación  se  producen  con  un  retardo  por  lo  general  es  ajustable  y  se  inicia  al  pasar  una  corriente  por  el  devanado  de  el  revelador.

INTERRUPTORES  DE  ESTADOS  SÓLIDOS

Para  realizar  la  conmutación  electrónica  de  los  circuitos  se  utilizan  diversos  dispositivos  de  estado  solido

1.- Diodos

2.- Tiristores y triacs

3.- Transisitores bipolares

4.- Mosfets de potencia

DIODOS

Permite el paso de una cantidad significativa de corriente solo en una dirección el diodo se considera como un elemento direccional que permite el paso de corriente solo cuando su polarización es directa el ánodo es positivo respecto al cátodo.

TIRISTORES Y TRIACS

El tiristor o rectificador controlado por silicio ( SCR) es un diodo con una compuerta que controla las condiciones en los que se le activan.

Si la corriente en la compuerta es cero y la polarización del tiristor es inversa, por este pasa una corriente despreciable.

si el tiristor tiene polarización directa, la corriente también es despreciable, hasta que rebasa el voltaje de ruptura.

TRANSISTORES BIPOLARES

Existen dos tipos de  transistores bipolares el npn y el pnp. en el transistor npn la corriente principal entra por el emisor y sale por el colector.

En un transistor npn conectado como ilustra, circuito conocido como tipo emisor común, la relación entre la corriente de colector Ic y la diferencia de potencial entre el colector y el emisor 

Cuando el valor de Vce aumenta el valor Vce la unión base colector se polariza en forma directa y la corriente del colector ya no puede aumentar.

MOSFET´S

Hay dos tipos: de canal n y de canal p: la principal diferencia en el uso de un Mosfet para conmutación y un transistor bipolar para el mismo propósito es que no entra corriente a la compuerta para lograr dicho control.

Los circuitos de excitación se simplifican dado que no es necesario ocuparse de la magnitud de la corriente.

Con los MOSFET´S son posibles las conmutaciones a muy altas frecuencias hasta 1 MHz, la interconexión con un microprocesa es mucho mas sencilla que con transisitores bipolares.

Selenoides

Los selenoides se pueden usar como actuadores operados electricamente. LAs válvulas de selenoide son uno ejemplo de estas dispositivos y se utilizan para controlar el flujo de los fluidos en sistemas hidráulicos o neumáticos  Cuando una corriente pasa por el devanado, un núcleo de hierro es atraído hacia el devanado.

MOTORES DE CD

Se emplean como elementos de control final en los sistemas de control por posición o de velocidad. Los motores se pueden clasificar en dos categorias: motores de cd y motores de ca

PRINCIPIOS BÁSICOS

Motores de cd: una espiral de alambre que girade manera libre en medio del campo de un imán permanente. Cuando el devanado pasa una corrriente, las fuerzas resultantes generadas en sus lados y en angulo recto

En un motor de cd convenciona llos devanados de alambre montan en las ranuras de cilindro de material magnetico conocido como armadura 

MOTOR DE CD DE IMÁN PERMANENETE

El caso de un motor de cd convenciona lcon un imán permanente que se tiene una densidad de flujo de valor constante.

MOTOR DE CD CON DEVANADO DE CAMPO 

Los motores de cd con devanados de campo se dividen en motores enserie, en paralelo, compuestos, y de excitación  independiente dependiendo de la manera que se encuentra conectados.

MOTOR DERIVACIÓN

Los devanados de armadura y de campo entrán en paralelo genera el par de rotación de menor intensidad en el arranque tiene una velocidad sin carga mucho menor y menor y permite una buena regulación de la velocidad.

MOTOR DE EXCITACIÓN COMPUESTA

Este tiene dos devanados de campo uno en serie con la armadura y otro en paralelo. En estos motores se intenta conjuntar lo mejor del motor en serie y del motor en paralelo un par de rotación de la velocidad.

MOTOR DE EXCITACIÓN INDEPENDIENTE

 En este motor el control de las corrientes de armaduras y de campo es independiente  se le puede considerar como un caso especial del motor con paralelo

CONTROL DE MOTORES DE CD

La velocidad que alcanza un motor de imán permanente dependiente de la magnitud de la cantidad que pasa por el devanado de la armadura. En un motor con devanado de campo para controlar la velocidad se puede utilizar el control del voltaje.

Modulación por ancho de pulso: se utiliza la tecnica para la cual una fuente de voltaje de cd constante y se selecciona su voltaje para que varie su valor promedio

2.4 Modelado de Sistemas Básicos

Los elementos basicos que se utilizan para representar sistemas mecanicos son los: resortes, amortiguadores y masas.

-Los resortes representan la rigurez del sistema.

-Los amortiguadores las fuerzas que se oponen al movimiento.

-Las masas, la inercia o resistencia a la aceleración.

SISTEMAS DE ROTACIÓN

Si existe una rotación los elementos básicos equivalentes son el resorte de torsión, el amortiguador giratorio y el momento de inercia.

Con los elementos básicos de entrada es el toque y la salida el movimiento angular, con un resorte de torsión, el desplazamento angular es proporcional al toque T.

En el amortiguador giratorio un disco gira dentro de unfluido y el torque resistivo T es proporcional a la velocidad angular w y el elemento básico momento de inercia tiene la propiedad de uqe mientras una suma más grande sea el momento de inercia mayor sea el momento de inercia mayor sea el torque.

MODELADO A SISTEMAS MECANICOS

Diagrama de cuerpo libre: cuando son varias las fuerzas que actúan simultáneamente en un cuerpo, la fuerza equivalente se determinan mediante una suma vectorial.

MODELADO A SISTEMAS ELECTORNICOS

Los elementos básicos de los sistemas electronicos son los inductores, capacitores y resistores.

-Inductores: La diferencia de potencial V presente en todo momento depende de la razón del cambio del a corriente.

-Capacitor: La diferencia del potencial depende de la carga de las placas.

En los sistemas de fluidos hay tres elementos básicos que se pueden considerar los equivalentes de la resistencia, la capacitación y inductancia.

Se puede considerar que los sistemas de fluidos pertenecen a dos categorías hidráulicos donde el fluido es un líquido no comprensible que por lo tanto experimentan cambios de densidad.

Resistencia hidráulica  es la que presenta un líquidos cuando fluye atraves de una válvula o debido a los cambios en el diámetro de la tubería.

Capacitancia hidráulica: es l termino que describe la energía almacenada en un líquido cuando este se almacena en forma de energía potencial

2.5 Micloprocesadores

Las computadoras constan de tres secciones: unidad central de proceso (CPU) la cual reconoce y ejecuta as instrucciones de un programa: los circuitos de intefase de entrada y de salida; controlan las comunicaciones entre las computadoras y el mundo externos y la memoria; se almacenan las intersecciones y datos de un programa.

Las señales digitales se desplazan de una sección a otra a travez de vías llamadas buses.

BASES

Bus datos se utilizan para transmitir palabras o desde el CPU, la memoria o las interfases de entrada salida.

Entre más lineas tenga el bus de datos más larga podrá ser la palabra

Bus de dirección: transporta señales que indica donde se pueden encontrar los datos mediante la selección de alguna localidad de memoria o puertos de entrada.

Bus de control: medio atraves se encuentra las señales que sincronizan cada uno de los elementos.

CPU

La CPU: sección del procesador donde se procesan los datos, se extraen instrucciones del a memoria que se decodifican y se ejecutan.

Unidad de control: define la duración y la secuencia de las operaciones.

Unidad aritmética y lógica: se ocupa de las operaciones con los datos. Los datos internos que en un momento dado utiliza el CPU

Acumulador: el registro acumulador donde en forma temporal se guardan los resultados de la unidad aritmética.

Registro del programa: mediante este registro cpu controla su posición del programa.

Registro de instrucción: Este registro sus instrucciones.

Memoria: se guardan todo tipo binario están integrado por uno o varios circuitos los datos pueden ser codificados de instrucciones de un programa.

ROM: se guardan datos en forma permanente se utiliza un dispositivo de memoria conocido como memoria de solo lectura, la memoria ROM se programa con el contenido que se requiren durante la fabricación del circuito integrado.

PROM:  se refiere a las memorias ROM que puede programar el usuario.

EPROM: se refiere a las memorias ROM que se puede programar y modificar.

EEPOM: la PROM electricamente bonable es similar  a las EPROM pero para el borrador se utiliza un voltaje relativamente alto.

RAM: los datos temporales es decir aquellos en los que en un momento se realizan operaciones.

2.6 Controladores Programables

Controlador lógico programable: se define como un dispositivo electrónico digital que usa un memoria lógica programable para guardar instrucciones y llevar acabo funciones lógicas de configuración de secuencia de sincronización de conteo y aritméticas  para el control de maquinaria y procesos este tipos se denominan lógicos debido a su programación básicamente tiene que ver con la ejecución de operaciones lógicas.

LOS PLC: tienen la gran ventaja de que permiten modificar un sistema sin tener que volver alambrar las conexiones de los dispositivos de entrada y de salida.

PLC son similares a las computadoras, tienen características especificas que permiten su empleo con controladores.

-Son robustos y están diseñados para resistir vibraciones, temperatura, humedad.ruido

-La interfaz para la entrada y la salida esta dentro del controlador.
-La programación consiste en operaciones lógicos y conmutación.

ESTRUCTURA BÁSICA

Consta de unidad de procesamiento cpp y circuitos de entrada/salida: la CPU controla y procesa todas las operaciones dentro del PLC.