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Uso de los sensores Hall BLDC como codificadores de posición: Parte 2

Uso de un analizador Digilent Analog Discovery 2 para visualizar la salida del sensor Hall BLDC

La siguiente información tiene por objeto ayudar a interpretar la salida lógica del sensor Hall con el fin de determinar la posición, la dirección y la velocidad. Aunque la salida se puede utilizar para la conmutación del motor, ese aspecto del funcionamiento del motor BLDC no se explica aquí.

Descripción general

Visualizar la salida de los sensores de efecto Hall ayuda a entender y procesar las señales durante el desarrollo y la programación de un proyecto. Adquirir los datos puede requerir una fuente de alimentación, un analizador de lógica, un osciloscopio y algunos indicadores e interruptores. Como alternativa a un equipo de mayor costo, los sistemas basados en computadora son, a menudo, un sustituto adecuado.

Digilent AD2

El analizador basado en computadora AD2 (Analog Discovery 2) (1286-1117-ND) de Digilent utiliza GUI (interfaces gráficas de usuario) para emular dispositivos del mundo real como osciloscopios, generadores de funciones, fuentes de alimentación, medidores, registradores, indicadores led e interruptores. Los usuarios configuran eléctricamente un proyecto a través de cabeceras de extremidad del hilo desmontables y pueden guardar todas las configuraciones y ajustes de la GUI. Las siguientes configuraciones son específicas de esta parte del proyecto de sensores Hall BLDC como codificadores e incluyen cuatro formas diferentes de visualizar la salida del sensor.

Instalación de la salida del sensor y la entrada/salida del AD2 en un tablero de prueba

Fije el módulo del AD2 en el extremo izquierdo del tablero de prueba (438-1045-ND o similar) utilizando los sujetadores de gancho y lazo (3M162604-ND). Conecte el AD2 a una computadora con el cable USB suministrado; luego conecte una fuente de alimentación externa de 5 V, 2 A al AD2 (no suministrada, 102-3425-ND o similar). Use las secciones de las cabeceras de las clavijas de paso de 0.100 en ángulo recto (S1121EC-10-ND) y la tabla de extremidad del hilo del AD2 (vea a continuación) para conectar las extremidades del hilo del AD2 al tablero de prueba comenzando con los dos conductores de canal de alcance positivo. Conecte el conductor de la fuente V+ del AD2 al lado positivo (+) del riel de alimentación inferior. Conecte todos los conductores de puesta a tierra del AD2 y los conductores de alcance negativo al lado negativo del riel de alimentación inferior. Use cables puente sólidos (BKWK-3-ND) para hacer todas las demás conexiones del tablero y unir los lados negativo y positivo de los rieles de alimentación superior e inferior respectivamente (Figura 1).

Tabla 1: Tabla de extremidad del hilo del AD2 (Fuente de la imagen: Digilent, Inc.)

Figura 1 (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Nota:El alcance del AD2 se limita a dos canales para probar las tres salidas del sensor. Cualquier combinación de alcance a las conexiones del sensor es aceptable para las pruebas.

La salida del sensor es baja activa, lo que significa que, cuando se activa, la salida está conectada al riel de alimentación negativa. Cuando no se activa, se dice que la salida es flotante. No es positiva ni negativa. Cuando no se activa, se debe colocar la salida del sensor en el riel de alimentación positiva para establecer dos estados definidos que aparecen como una onda cuadrada en el alcance del AD2. Inserte tres resistencias de 4 KΩ a 8 KΩ en el tablero de prueba para usarlas como empujes para la salida del sensor (Figura 2).

Figura 2 (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Software

WaveForms es el software descargable requerido para poner en marcha el AD2. Una vez descargado e instalado, seleccione el menú desplegable Espacio de trabajo y luego seleccione Nuevo de la lista. Un nuevo espacio de trabajo se abre y está listo para configurarse (Figura 3).

Figura 3 (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Nota: Hay opciones de guardado disponibles para cuando se haya finalizado la configuración.

Fuente de alimentación: los rieles de alimentación del tablero de prueba requieren 5 V para dar energía a los sensores. Seleccione la pestaña Fuentes en la página de bienvenida de WaveForms (Figura 4). Haga que el cuadro de diálogo Fuentes flote seleccionando el ícono de acoplar/desacoplar. Adapte el tamaño del cuadro para que ocupe una cantidad mínima de espacio de visualización. (Figura 5).

Figura 4 (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Figura 5 (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Configure la fuente seleccionando 5 V del selector desplegable Voltaje de Fuente positiva (V+). Asegúrese de que la Fuente negativa (V-) esté apagada alternando el botón. El botón debe decir “Apagado” y mostrar una “X” roja. Habilite la salida estableciendo la Habilitación maestra en “Encendido” (Figura 6).

Figura 6 (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Osciloscopio: la herramienta de alcance le permite al usuario examinar visualmente y medir las formas de onda de salida del sensor. Seleccione la pestaña Alcance en la página de bienvenida de WaveForms (Figura 7). Haga que el cuadro de diálogo Fuentes flote seleccionando el ícono de acoplar/desacoplar. Adapte el tamaño del cuadro para que ocupe una cantidad mínima de espacio de visualización.

Figura 7 (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

El alcance se puede configurar de muchas maneras y dispone de una amplia gama de funciones para el usuario. Para este proyecto, haga coincidir los cuadros de diálogo y los menús desplegables de configuración en la ventana Alcance de WaveForms con la configuración en la Figura 8. Asegúrese de que la fuente de alimentación Habilitación maestra en la ventana Fuentes esté encendida y luego seleccione el botón Escanear en la ventana Alcance. Gire el motor BLDC de forma manual para ver cómo aparece la salida de onda cuadrada de los sensores en la ventana Alcance (Figura 9).

Figura 8 (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Figura 9 (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

A medida que el motor gira más rápido o más lento, note el cambio en la frecuencia de las ondas cuadradas y cómo el desplazamiento entre las señales permanece constante. Intercambie las extremidades del hilo en las clavijas de la cabecera para observar la salida restante del sensor o para observar el desplazamiento entre diferentes combinaciones de ondas. Las funciones de alcance le permiten al usuario ver la frecuencia y la amplitud de la onda y realizar mediciones en tiempo real.

Este es un buen momento para guardar el espacio de trabajo. Seleccione Espacio de trabajo en el menú de WaveForms para revelar las opciones de guardado.

Analizador de lógica: otra forma de observar la relación de la señal y visualizar la lógica alta y baja (unos y ceros) entre las ondas cuadradas es mediante el analizador de lógica.

El primer paso es agregar algunas rutas de circuitos y conductores al tablero de prueba para apoyar la función del analizador. Agregue una cabecera de tres posiciones y cables puente al tablero de prueba; luego conecte los cables de entrada/salida digital 15, 14 y 13 a la cabecera. Agregue cables puente sólidos para conectar la salida del sensor a la cabecera. Consulte la Figura 10 y la tabla de extremidad del hilo del AD2 suministradas anteriormente.

Figura 10 (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Seleccione Analizador de lógica en la lista de funciones de la barra lateral izquierda en la página de bienvenida de WaveForms y luego seleccione el ícono verde “+” para agregar un canal de entrada/salida digital de la lista. Agregue los canales 15, 14 y 13 al analizador. Haga que el cuadro de diálogo Analizador de lógica flote seleccionando el ícono de acoplar/desacoplar. Adapte el tamaño del cuadro para que ocupe una cantidad mínima de espacio de visualización.

El analizador se puede configurar de muchas maneras y dispone de una amplia gama de funciones para el usuario. Para este proyecto, haga coincidir los cuadros de diálogo y los menús desplegables de configuración en la ventana Analizador de lógica de WaveForms con la configuración en la Figura 11.

Figura 11 (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Seleccione Ver en el menú Analizador; luego seleccione Datos para activar la ventana de datos. Arrastre la ventana a un espacio abierto en el monitor de la computadora. Asegúrese de que la fuente de alimentación Habilitación maestra en las ventanas Fuentes esté encendida y luego seleccione el botón Escanear en la ventana Analizador de lógica. Gire el motor BLDC de forma manual para ver cómo aparece la salida de onda cuadrada de los sensores en la ventana Analizador y que los valores binarios aparezcan en la ventana Datos (Figura 12).

Figura 12 (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Los valores binarios en la ventana Datos coinciden con los valores determinados en la primera parte de este tutorial (vea Recursos adicionales a continuación). Si la rueda se gira paso a paso, se puede observar el aumento o la caída de las ondas cuadradas, así como ir paso a paso con las combinaciones binarias, una a la vez (001, 101, 100, 110, 010, 011).

E/S estática: para tener una indicación adicional, se pueden asignar ledes simulados a los canales digitales de salida del sensor.

Seleccione E/S estática en la lista de funciones de la barra lateral izquierda en la página de bienvenida de WaveForms. Haga que el cuadro de diálogo E/S estática flote seleccionando el ícono de acoplar/desacoplar. Adapte el tamaño del cuadro para que ocupe una cantidad mínima de espacio de visualización.

No es necesario configurar ya que la indicación led es la configuración predeterminada para cada canal. Gire el motor BLDC de forma manual y observe los ledes que se alternan entre ENCENDIDO y APAGADO a medida que el analizador de lógica detecta los bordes ascendentes y descendentes de las ondas cuadradas. Tenga en cuenta que el estado del led refleja las combinaciones binarias en la ventana Datos (Figura 13).

Figura 13 (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

También se puede configurar la E/S estática como interruptores lógicos para controlar circuitos del mundo real. Como opción para este ejemplo, se puede usar un motor de impulsión DC para hacer girar el motor BLDC utilizando una rueda de fricción y un estante de pruebas. La forma más sencilla de operar manualmente el motor BLDC involucra solo una fuente de alimentación externa y un SSR (relé de estado sólido, CC1126-ND) (Figura 14). Conecte el conductor negativo que se extiende desde el lado de control del SSR a uno de los rieles de alimentación negativa en el tablero de prueba del proyecto y luego conecte el conductor positivo del SSR al conductor de E/S digital 7 del AD2.

Figura 14 (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Configure el DIO 7 como un interruptor en contrafase en la ventana de la E/S estática utilizando el selector desplegable junto al número de la E/S. Con la fuente de alimentación configurada por debajo del voltaje máximo de entrada del motor, alterne el interruptor del AD2 para encender y apagar el motor. Use el marcador de voltaje de la fuente de alimentación externa para ajustar la velocidad del motor. Poner en marcha los SSR controlados por los canales de la E/S estática permite a los usuarios activar y desactivar una lista infinita de dispositivos periféricos que están aislados del tablero de prueba y de las fuentes de alimentación del AD2.

Resumen

Puede que el Digilent Analog Discovery 2 no tenga toda la capacidad de un equipo de laboratorio independiente de alta gama, pero puede ayudar a visualizar las señales generadas por muchos dispositivos y sensores electrónicos. Sin las herramientas de visualización, el experimentador solo puede imaginar lo que está sucediendo para detectar y controlar las señales en un circuito y cómo el circuito responde a esas señales.

Recursos adicionales:

Uso de los sensores Hall BLDC como codificadores de posición

Parte 1: Anatomía y funcionamiento de los motores acoplados al cubo BLDC con sensores de efecto Hall

Parte 3: Uso de un microcontrolador Teensy 3.5 para calcular la posición, la dirección y la distancia

Información sobre el autor

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Don Johanneck, desarrollador de contenido técnico de Digi-Key Electronics, ha trabajado para esta empresa desde 2014. Fue promovido recientemente y su responsabilidad actual es de escribir las descripciones de videos y contenido sobre productos. Don obtuvo un título de Ciencias aplicadas en tecnología electrónica y sistemas automatizados en Northland Community & Technical College a través del programa de becas de Digi-Key. También disfruta del control por radio y restauración y experimentación con máquinas antiguas.

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