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én UNIVERSIDAD DE JAÉN Escuela Politécnica Superior de Jaén

Trabajo Fin de Grado

DISEÑO DE UN MODELO DE SIMULACIÓN PARA UN

GENERADOR DE ULTRASONIDOS

Alumno: José Gil Ruiz Salcedo Tutor: Prof. D. Miguel de la Fuente Ruz Dpto: Electrónica y automática

Noviembre, 2018

JOSE GIL RUIZ SALCEDO DISEÑO DE UN MODELO DE SIMULACIÓN PARA UN GENERADOR DE ULTRASONIDOS

E s c u e l a P o l i t é c n i c a S u p e r i o r d e J a é n P á g i n a 2 | 82

Índice 1. INTRODUCCIÓN. ........................................................................................................... 8

2. OBJETIVO. ...................................................................................................................... 9

3. CAPITULO 1: LOS ULTRASONIDOS, EL EFECTO PIEZOELECTRICO..................... 10

3.1. LOS ULTRASONIDOS. ..................................................................................... 10

3.2. APLICACIONES DE LOS ULTRASONIDOS. .................................................... 11

3.3. EL EFECTO PIEZOELÉCTRICO EN LA CERAMICA. ...................................... 12

3.4. COMPORTAMIENTO BÁSICO DE UN CUERPO CERÁMICO PIEZOELÉCTRICO. ...................................................................................................... 13

3.5. PROPIEDADES DE LOS TRANSDUCTORES PIEZOELÉCTRICOS. .............. 15

3.6. COMPENSACIÓN SERIE DE LA CAPACIDAD ESTÁTICA EN LOS TRANSDUCTORES. ..................................................................................................... 18

3.7. CONSTRUCCIÓN DE LOS TRANSDUCTORES. ............................................. 19

4. CAPÍTULO 2: PROPIEDADES DE LA ETAPA DE GENERACION DE ULTRASONIDOS DE ALTA POTENCIA. .......................................................................................................... 20

4.1. CÁLCULO DE LA INDUCTANCIA DE COMPENSACIÓN DE CAPACIDAD ESTÁTICA DEL TRANSDUCTOR PZT- 8. ................................................................... 25

4.2. CÁLCULO DE LA INDUCTANCIA TEÓRICA EQUIVALENTE PARA 6 TRANSDUCTORES. ..................................................................................................... 26

4.3. MEDICIÓN DE LA BOBINA DE COMPENSACIÓN INSTALADA EN EL GENERADOR. .............................................................................................................. 26

4.4. MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA PARÁSITA DE LA BOBINA DE COMPENSACIÓN. ........................................................................................................ 27

4.5. MEDICIÓN DEL LA INDUCTANCIA DEL TRANSFORMADOR INSTALADO EN EL GENERADOR .......................................................................................................... 27

4.6. MEDICIÓN DE LAS RESISTENCIAS PARASITAS EN EL TRANSFORMADOR. .................................................................................................... 28

5. CAPITULO 3. GENERADOR DE SEÑAL DE EXCITACIÓN. ....................................... 29



5.1. ESTRUCTURA DE UN GENERADOR DE ALTA POTENCIA. .......................... 29

5.2. CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN. ...................................................................... 30

5.3. SISTEMA DE ESTIMACION DE INTENSIDAD. ................................................ 31

5.4. CIRCUITO DE CONTROL SOBRE LA PUERTA DE IGBTS (DRIVERS). ........ 32

5.5. CIRCUITO AMPLIFICADOR SEMIPUENTE (Half bridge). ............................... 33

5.6. CIRCUITO FEEDBACK. .................................................................................... 34

5.7. CIRCUITO DE CONTROL. ................................................................................ 35

5.8. CIRCUITO ACONDICIONAMIENTO DE LA COMUNICACIÓN RS485. ........... 36

6. CAPITULO 4: DISEÑO Y ANALISIS DEL MODELO DE SIMULACIÓN ....................... 37

6.1. MODELOS DE SIMULACIÓN DE LA PLACA DE POTENCIA. ......................... 37

6.2. ANALISIS EXPERIMENTAL Y SIMULACIÓN DE LA PLACA DE POTENCIA. . 41

6.2.1. ANÁLISIS DEL BARRIDO DE FRECUENCIA. ................................................ 42

6.2.2. ANÁLISIS EXPERIMENTAL Y SIMULACION DE LA PLACA DE POTENCIA AL 5% DEL CICLO DE TRABAJO ..................................................................................... 43

6.2.3. ANÁLISIS EXPERIMENTAL Y SIMULACION DE LA PLACA DE POTENCIA AL 10% DEL CICLO DE TRABAJO. .................................................................................. 54

7. CONCLUSIÓN .............................................................................................................. 65

APÉNDICES ......................................................................................................................... 66

APÉNDICE A. DISEÑO Y PROGRAMACIÓN DEL INTERFACE HMI. ............................... 66

1. DISEÑO DEL SELECTORES DE CICLO DE TRABAJO y FRECUENCIA. ...... 68

2. DISEÑO DE LOS DISTINTOS BOTONES. ....................................................... 71

3. DISEÑO DE LA COMUNICACIÓN SERIE Y FUNCIONES COMUNES. .......... 73

APÉNDICE B. PLANOS Y ESQUEMAS .............................................................................. 75

1. Esquema de la placa de potencia. ................................................................................ 75

2. Esquema de la placa de control. ................................................................................... 76

ANEXOS .............................................................................................................................. 77



1. GUIA DE USUARIO DEL HMI. ................................................................................. 77

REFERENCIAS. ................................................................................................................... 82

Bibliografía ................................................................................................................ 82

Software utilizado ..................................................................................................... 82



Índice de ilustraciones

Ilustración 1 ......................................................................................................................... 12 Ilustración 2 ......................................................................................................................... 14 Ilustración 3 ......................................................................................................................... 15 Ilustración 4 ......................................................................................................................... 16 Ilustración 5 ......................................................................................................................... 17 Ilustración 6 ......................................................................................................................... 18 Ilustración 7 ......................................................................................................................... 18 Ilustración 8 ......................................................................................................................... 19 Ilustración 9 ......................................................................................................................... 20 Ilustración 10 ....................................................................................................................... 21 Ilustración 11 ....................................................................................................................... 22 Ilustración 12 ....................................................................................................................... 22 Ilustración 13 ....................................................................................................................... 23 Ilustración 14 ....................................................................................................................... 23 Ilustración 15 ....................................................................................................................... 24 Ilustración 16 ....................................................................................................................... 25 Ilustración 17 ....................................................................................................................... 26 Ilustración 18 ....................................................................................................................... 27 Ilustración 19 ....................................................................................................................... 27 Ilustración 20 ....................................................................................................................... 28 Ilustración 21 ....................................................................................................................... 29 Ilustración 22 ....................................................................................................................... 30 Ilustración 23 ....................................................................................................................... 30 Ilustración 24 ....................................................................................................................... 31 Ilustración 25 ....................................................................................................................... 31 Ilustración 26 ....................................................................................................................... 32 Ilustración 27 ....................................................................................................................... 33 Ilustración 28 ....................................................................................................................... 34 Ilustración 29 ....................................................................................................................... 35 Ilustración 30 ....................................................................................................................... 35 Ilustración 31 ....................................................................................................................... 36 Ilustración 32 ....................................................................................................................... 37 Ilustración 33 ....................................................................................................................... 38 Ilustración 34 ....................................................................................................................... 39 Ilustración 35 ....................................................................................................................... 40 Ilustración 36. ...................................................................................................................... 41 Ilustración 37 ....................................................................................................................... 42 Ilustración 38 ....................................................................................................................... 43 Ilustración 39 ....................................................................................................................... 44 Ilustración 40 ....................................................................................................................... 44 Ilustración 41 ....................................................................................................................... 44



Ilustración 42 ....................................................................................................................... 45 Ilustración 43 ....................................................................................................................... 45 Ilustración 44 ....................................................................................................................... 46 Ilustración 45 ....................................................................................................................... 46 Ilustración 46 ....................................................................................................................... 47 Ilustración 47 ....................................................................................................................... 47 Ilustración 48 ....................................................................................................................... 48 Ilustración 49 ....................................................................................................................... 48 Ilustración 50 ....................................................................................................................... 49 Ilustración 51 ....................................................................................................................... 49 Ilustración 53 ....................................................................................................................... 50 Ilustración 52 ....................................................................................................................... 50 Ilustración 54 ....................................................................................................................... 51 Ilustración 55 ....................................................................................................................... 51 Ilustración 56 ....................................................................................................................... 52 Ilustración 57 ....................................................................................................................... 52 Ilustración 58 ....................................................................................................................... 53 Ilustración 59 ....................................................................................................................... 53 Ilustración 60 ....................................................................................................................... 54 Ilustración 61 ....................................................................................................................... 54 Ilustración 62 ....................................................................................................................... 55 Ilustración 63 ....................................................................................................................... 55 Ilustración 64 ....................................................................................................................... 56 Ilustración 65 ....................................................................................................................... 56 Ilustración 66 ....................................................................................................................... 57 Ilustración 67 ....................................................................................................................... 57 Ilustración 68 ....................................................................................................................... 58 Ilustración 69 ....................................................................................................................... 58 Ilustración 70 ....................................................................................................................... 59 Ilustración 71 ....................................................................................................................... 59 Ilustración 72 ....................................................................................................................... 60 Ilustración 73 ....................................................................................................................... 60 Ilustración 74 ....................................................................................................................... 61 Ilustración 75 ....................................................................................................................... 61 Ilustración 77 ....................................................................................................................... 62 Ilustración 76 ....................................................................................................................... 62 Ilustración 78 ....................................................................................................................... 63 Ilustración 79 ....................................................................................................................... 63 Ilustración 81 ....................................................................................................................... 64 Ilustración 80 ....................................................................................................................... 64 Ilustración 82 ....................................................................................................................... 66 Ilustración 83 ....................................................................................................................... 68 Ilustración 84 ....................................................................................................................... 68 Ilustración 85 ....................................................................................................................... 69 Ilustración 86 ....................................................................................................................... 69



Ilustración 87 ....................................................................................................................... 69 Ilustración 88 ....................................................................................................................... 70 Ilustración 89 ....................................................................................................................... 71 Ilustración 90 ....................................................................................................................... 71 Ilustración 91 ....................................................................................................................... 71 Ilustración 92 ....................................................................................................................... 72 Ilustración 93 ....................................................................................................................... 72 Ilustración 94 ....................................................................................................................... 72 Ilustración 95 ....................................................................................................................... 72 Ilustración 96 ....................................................................................................................... 72 Ilustración 97 ....................................................................................................................... 73 Ilustración 98 ....................................................................................................................... 73 Ilustración 99 ....................................................................................................................... 77



1. INTRODUCCIÓN.

Este trabajo se basa en la simulación del conjunto generador y carga de un

equipo de ultrasonidos de alta potencia.

La simulación es el proceso de diseñar un modelo de un sistema real y

experimentar con él, comprender su comportamiento, evaluar su funcionamiento y

poder extrapolar los resultados al sistema real.

Se denominan ultrasonidos a las ondas mecánicas propagadas por un medio

material, cuya frecuencia supera a la del sonido audible por el humano, 20 kilohercios

(20 KHz) y con intensidades acústicas que varían entre 0.1W cm2 hasta varios kW

cm2.

Mientras que las aplicaciones de baja intensidad han tenido un continuo

desarrollo a lo largo de casi todo el siglo XX (ensayos no destructivos, ecografía

médica, sensores, etc.), el campo de los Ultrasonidos de alta Potencia permanece

todavía, en muchos aspectos, inexplorado.

Recientemente, técnicas emergentes basadas en ultrasonidos de alta potencia,

se están utilizando para diferentes tipos de aplicaciones como:

- Separación y precipitación de partículas finas en humos industriales.

- Eliminación de espumas industriales.

- Desecación de lodos en la extracción de minerales.

- Deshidratación de alimentos.

- Lavado de textiles.

Estando estas en constante desarrollo y creando nuevas tecnologías para aumentar

el campo de aplicación.



2. OBJETIVO.

El objeto del trabajo es diseñar un modelo de simulación del conjunto generador

y carga de un equipo de ultrasonidos de alta potencia.

Para ello, a partir de una serie de ensayos en el laboratorio, se calculan las

propiedades físicas de los transductores piezoeléctricos de potencia y se analiza el

generador de señal de excitación. Así se podrá crear el modelo de simulación del

sistema.

Por último, a partir de este modelo a escala, se podrá dimensionar el diseño

de un sistema de mayor potencia.



3. CAPITULO 1: LOS ULTRASONIDOS, EL EFECTO PIEZOELECTRICO.

En este capítulo se explica en qué consisten los ultrasonidos los cuales se

generan mediante cerámicas piezoeléctricas. Definiremos sus propiedades y

aplicaciones. Además de los aspectos constructivos del conjunto de un transductor

piezoeléctrico.

3.1. LOS ULTRASONIDOS.

Se denominan ultrasonidos a las ondas mecánicas propagadas por un medio

material, cuya frecuencia supera a la del sonido audible por el humano, 20 kilohercios

(20 KHz) y con intensidades acústicas que varían entre 0.1W cm2 hasta varios kW

cm2.

Los ultrasonidos se pueden producir mediante el efecto magnetoestrictivo. Este

fenómeno lo presentan los materiales ferromagnéticos los cuales, bajo la acción de

un campo magnético experimentan variaciones en sus dimensiones generando así

vibraciones mecánicas.

También se puede producir por cristales cerámicos como el cuarzo (SiO2) o el

titanato de bario (BaTiO3). Que al aplicarles un campo eléctrico oscilante estos

experimentan vibraciones mecánicas. Mediante estas cerámicas piezoeléctricas que

veremos más adelante, se generan los ultrasonidos de alta potencia que más tarde

simularemos en nuestro modelo.

Desde el punto de vista de su aplicabilidad en diversos campos, ofrece varias

ventajas: puede ser dirigido como un haz, cumple las leyes de reflexión y de

refracción y puede ser reflejado por objetos de pequeño tamaño.

Sin embargo, también tiene limitaciones: se propaga muy poco a través de

medios gaseosos y la cantidad de energía acústica reflejada depende de las

desigualdades del medio.



3.2. APLICACIONES DE LOS ULTRASONIDOS.

Dependiendo de las necesidades específicas que requieren ciertas

aplicaciones se generaran ultrasonidos para:

Aplicaciones de baja potencia:

- Diagnósticos médicos ultrasónicos.

- Aparatos de exploración sísmica.

- Transductores de retardo acústico.

- Ensayos no destructivos por ultrasonidos.

Aplicaciones de alta potencia:

- Separación y precipitación de partículas finas en humos industriales.

- Eliminación de espumas industriales.

- Desecación de lodos en la extracción de minerales.

- Deshidratación de alimentos.

- Lavado de textiles.

Y es en estos últimos, los ultrasonidos de alta potencia, sobre los que se va a

realizar el modelo de simulación.



3.3. EL EFECTO PIEZOELÉCTRICO EN LA CERAMICA.

Para entender este efecto se considera la microestructura del material. Desde

el punto de vista eléctrico, estos materiales contienen dipolos elementales como se

observa en la ilustración 1, que consiste en una carga negativa y una positiva a una

cierta distancia.

Estos dipolos antes del proceso de fabricación, no muestran preferencia alguna

en la dirección que tienen, están orientados la ilustración 1a.

Para obtener el efecto piezoeléctrico en estos materiales, los dipolos

primeramente deben ser orientados. Para ello se exponen a una alta temperatura a

la vez de un fuerte campo eléctrico externo, durante la exposición los dipolos quedan

como se muestra en la ilustración 1b.

Después de esta exposición, la dirección de los dipolos quedara como en la

ilustración 1c.

Ilustración 1



3.4. COMPORTAMIENTO BÁSICO DE UN CUERPO CERÁMICO PIEZOELÉCTRICO.

En la ilustración 2 se puede observar el comportamiento de un cilindro cerámico

piezoeléctrico. Polarizado a lo largo de su eje.

En La ilustración 2 (a) muestra el cilindro sin carga. Si sobre el aplicamos una

fuerza externa que produzca compresión sobre este material podremos obtener en

los extremos del dipolo una tensión eléctrica positiva como se puede observar en la

ilustración 2 (b). Al revés si aplicamos una fuerza externa de tracción sobre el

material, hace que aparezca una tensión eléctrica negativa entre los dipolos como

se puede observar en la ilustración 2(c)

Estos son ejemplos en los que actúa como un generador, transformando la

energía mecánica en energía eléctrica.

De manera inversa a la anterior, se podrá transformar esa energía eléctrica que

aplicamos a la cerámica, en energía mecánica. Deformando estos materiales

mediante la aplicación de campos eléctricos.

En la ilustración 2(d) y 2(e), se puede observar que aplicando una tensión

continua el material permanece en compresión o tracción, dependiendo de la

polarización que se le aplique.

En la ilustración 2 (f) se observa que aplicando una tensión alterna, este

material está en compresión o tracción, en función del semiciclo en el que se

encuentre esta señal alterna haciendo que el material vibre.

A partir de esas vibraciones podremos obtener el fenómeno físico conocido

como ultrasonido, para ello se han diseñado los transductores de ultrasonidos.



Ilustración 2



3.5. PROPIEDADES DE LOS TRANSDUCTORES PIEZOELÉCTRICOS.

Entre sus diversas propiedades, se destacan las piezoeléctricas y

electromecánicas. Las piezoeléctricas se caracterizan por el conocimiento del

material con el que está construido el transductor. Estas definen la conversión de la

energía eléctrica en mecánica del transductor como se ha visto en los puntos

anteriores. Las electromecánicas se caracterizan por determinar las frecuencias de

resonancia y antiresonancia en el modo de vibración. Éstas se usan para evaluar los

efectos piezoeléctricos en el conjunto del transductor.

Circuito equivalente de los transductores:

En la Ilustración anterior se puede observar el circuito equivalente de un

transductor. Está compuesto de resistencias, condensadores y bobinas. En cuanto

a las resistencias, la resistencia R0 equivale a la resistencia de pérdidas del

dieléctrico, la resistencia R1 es la resistencia dinámica del circuito oscilante, la RL es

la resistencia de carga de radiación que se puede considerar 0. En cuanto a los

condensadores, la capacidad C0 equivale a la capacidad estática del piezoeléctrico

y C1 la capacidad dinámica. Por último, la inductancia dinámica L1.

Este circuito se puede ver también simplificado para facilitar el cálculo y

medición de sus magnitudes eléctricas L1, R1 y C1 que representan respectivamente

la masa, el amortiguamiento mecánico y la constante elástica.

Ilustración 3



Curvas de resonancia de un transductor:

En las siguientes ilustraciones puede observar la medida de la impedancia y de

la admitancia de un transductor piezoeléctrico a la frecuencia de resonancia (fs) y de

antiresonancia (fp). Estas experimentan un mínimo y un máximo en función de la

frecuencia. A continuación se muestran las gráficas.

Comportamiento de la admitancia:

En este caso, de la admitancia a la frecuencia de resonancia (fs) tendrá un

máximo y un mínimo en la frecuencia de antiresonancia como se puede observar en

la siguiente Ilustración.

Ilustración 4



Comportamiento de la impedancia:

Respecto a la impedancia, se obtendrá una impedancia mínima a la frecuencia

de resonancia y una impedancia máxima a la frecuencia de antiresonancia (fp) como

se puede ver a continuación.

Ilustración 5



Ilustración 7

3.6. COMPENSACIÓN SERIE DE LA CAPACIDAD ESTÁTICA EN LOS TRANSDUCTORES.

Es necesario compensar la capacidad estática de los transductores cuando son

excitados, ya que si no se compensa esta capacidad no se podrá llevar a resonancia

el transductor. Para ello se pueden realizar dos ajustes que pueden ser serie o

paralelo.

Circuito de compensación en serie de la capacidad estática:

Para compensar la capacidad estática C0, en el caso que vamos a estudiar se

utiliza un ajuste en serie que se realiza introduciendo una inductancia en serie con

el circuito equivalente del transductor, como se observa en la ilustración 6.

Gráfica de la variación de impedancia en función de la frecuencia:

Esta Ilustración muestra que a la frecuencia de resonancia (fs), la impedancia

del transductor experimenta un mínimo.

Ilustración 6



3.7. CONSTRUCCIÓN DE LOS TRANSDUCTORES.

Estos transductores como vemos en la ilustración 8a, están construidos por dos

cerámicas piezoeléctricas. Unidas a dos masas una arriba y otra abajo mediante un

tornillo en el eje central que pre-comprime las cerámicas piezoeléctricas.

En función de la dimensión de las masas con las que se comprime y también

de la cerámica piezoeléctrica, se define la potencia del transductor.

En la ilustración 8b su modelo dinámico equivalente:

- K es la constante elástica del transductor, propiedad física de la cerámica

piezoeléctrica.

- C es la capacidad estática del transductor, propiedad física de la cerámica

piezoeléctrica.

- F representa la fuerza que genera la oscilación de la cerámica.

- Y representa el movimiento lineal de la fuerza.

- M representa la masa que pre-comprime la cerámica piezoeléctrica.

Construcción y modelo de un transductor piezoeléctrico de alta potencia:

Ilustración 8



4. CAPÍTULO 2: PROPIEDADES DE LA ETAPA DE GENERACION DE ULTRASONIDOS DE ALTA POTENCIA.

Se medirán y calcularán las propiedades de la etapa de generación de

ultrasonidos de alta potencia, para poder diseñar el modelo simulación de la carga.

En la ilustración 9 se puede observar el diagrama de bloques del generador de

ultrasonidos de alta potencia. En él, vemos dos bloques rodeados, transformador de

alta frecuencia y transductores.

Transductor piezoeléctrico BJC- 30100T- 68H PZT- 8:

En la ilustración 9 se puede observar uno de los transductores piezoeléctricos

que componen la etapa de generación. Estos transductores se pueden aproximar

mediante distintos elementos de un circuito equivalente simplificado, como vimos en

capítulos anteriores.

Los elementos que lo constituyen son la resistencia (Rm), condensadores C0 y

Cm e inductancia Lm. se podrán obtener estos datos mediante mediciones indirectas

en el laboratorio. A partir de la frecuencia de resonancia (fs), se obtendrá la

resistencia Rm, y posteriormente la capacidad CLf a frecuencias muy por debajo de

fs.

Ilustración 9



Modelo simplificado del circuito equivalente de un transductor piezoeléctrico PZT- 8:

A partir del modelo de la ilustración 10 y del circuito de la ilustración 11, se

obtiene la resistencia Rm, será calculada directamente con la ecuación 1.

Para ello intercalamos en el entre fuente y transductor una resistencia R1=1KΩ,

sabiendo que es mucho mayor que la impedancia del transductor a fs.

La impedancia de resonancia está representada por la resistencia Rm en

paralelo con el condensador C0, sabiendo que la impedancia de C0 es tan alta que

tiene un efecto despreciable.

A la frecuencia fs el voltímetro da una lectura mínima V2, de tal forma que el

valor de Rm puede ser determinado mediante la Ecuación (1). En cuanto al V1, éste

mide los extremos de la fuente de tensión. A lo largo de este punto se visualizarán

estos conceptos.

𝑉 𝑉1 (1)

En este modelo equivalente simplificado se llama Rm a R1, Cm a C1 y Lm a L1

para no inducir a error respecto al modelo equivalente no simplificado que se ha

mostrado anteriormente.

Ilustración 10



Circuito para medición y cálculo de las propiedades físicas del transductor PZT- 8:

Como está especificado anteriormente, en esta Ilustración se observa la

disposición de los elementos para proceder a la medida de las tensiones V1 y V2.

Medida de las tensiones V1 y V2:

En esta Ilustración se puede ver los elementos experimentales que se han

usado para la medición de las tensiones V1 y V2.

Ilustración 12

Ilustración 11



Visualización de la tensión 1:

En esta Ilustración visualizamos la tensión 1 y como se puede ver, el valor de

tensión eficaz es de 7,16V.

Ilustración 13

Visualización de la tensión 2:

En esta Ilustración visualizamos la tensión 2 y como se puede ver, el valor de

tensión eficaz es de 1,85V.

Ilustración 14



Medida de la capacidad C1f:

A continuación, se mide la capacidad Clf del transductor piezoeléctrico, que

como se puede ver en la ecuación (2), es la suma de la capacidad estática y la

capacidad del circuito equivalente del transductor.

Todo ello a una frecuencia mucho menor que la de resonancia, por ejemplo 1

kHz, y se obtendrá un valor Clf. Esta medición se puede observar en la Ilustración

15.

𝐶 𝐶 𝐶 (2)

Ilustración 15

Como conclusión se puede ver que en las mediciones efectuadas sobre el

transductor piezoeléctrico BJC-30100T-68H PZT-8, ha dado los siguientes datos:

fs=30kHz, C1f=5,534nF, Rm=350Ω calculada con la Ecuación (1), C0=5200pF

parámetro dado por el fabricante y Cm=334pF y Lm=8.4266uH que los calculamos

con la Ecuación (2) y Ecuación (3):

𝐿 (3)



4.1. CÁLCULO DE LA INDUCTANCIA DE COMPENSACIÓN DE CAPACIDAD ESTÁTICA DEL TRANSDUCTOR PZT- 8.

Una vez calculadas las propiedades físicas, sabemos que el transductor a su

frecuencia de resonancia se comporta como una carga resistiva pero éste tiene una

capacidad estática que hay que compensar mediante una inductancia en serie

(ilustración 16).

Circuito de compensación de la capacidad estática:

Mediante las propiedades calculadas en el apartado anterior y con las

ecuaciones (4) y (5), calcularemos el valor de la inductancia de compensación que

requiere nuestro transductor a nivel individual con una frecuencia de resonancia de

57.3KHz.

Frecuencia de resonancia en serie:

𝑓 (4)

Inductancia serie de compensación:

𝐿 𝜔 2 𝜋 𝑓 (5)

El valor de la inductancia Lser=1.484mH.

Ilustración 16



4.2. CÁLCULO DE LA INDUCTANCIA TEÓRICA EQUIVALENTE PARA 6 TRANSDUCTORES.

Para calcular esta inductancia se sabe que los transductores están conectados

en paralelo, cada uno de estos necesita a su vez ser conectado en serie con la bobina

que compense la capacidad estática.

Se calcula la bobina de compensación a partir del dato obtenido anteriormente

para 6 transductores, que van a ser excitados a una frecuencia de resonancia de

57.3KHz.

𝐿 𝐿 //𝐿 //𝐿 //𝐿 //𝐿 //𝐿 247.3µ𝐻 (7)

4.3. MEDICIÓN DE LA BOBINA DE COMPENSACIÓN INSTALADA EN EL GENERADOR.

Esta inductancia se ha medido con un multímetro en este caso la inductancia del

prototipo, esta inductancia esta optimizada para la compensación de la capacidad

estática de la carga.

Medición de la bobina:

Ilustración 17



4.4. MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA PARÁSITA DE LA BOBINA DE COMPENSACIÓN.

Esta resistencia no se ha podido calcular pero si se ha podido medir con un multímetro la resistencia que tiene la inductancia del prototipo.

Medición de la resistencia:

4.5. MEDICIÓN DEL LA INDUCTANCIA DEL TRANSFORMADOR INSTALADO EN EL GENERADOR

Se ha realizado la medición de estas bobinas para crear un modelo de simulación que se asemeje en lo máximo posible a la realidad.

Medición en el primario: Medición en el secundario:

Ilustración 18

Ilustración 19



4.6. MEDICIÓN DE LAS RESISTENCIAS PARASITAS EN EL TRANSFORMADOR.

Se ha realizado la medición de estas resistencias para crear un modelo de simulación que se asemeje en lo máximo posible a la realidad.

Medición en el primario: Medición en el secundario:

Ilustración 20



5. CAPITULO 3. GENERADOR DE SEÑAL DE EXCITACIÓN.

En este capítulo, se realiza la descripción de cada uno de los circuitos que

aparecen en la placa de potencia y en la placa de control del generador.

5.1. ESTRUCTURA DE UN GENERADOR DE ALTA POTENCIA.

El diagrama de bloques representa el generador elegido para la alimentación

de los transductores.

Esta estructura es la más adecuada para cualquier aplicación que necesite una

generación de ultrasonidos de alta potencia, dimensionando correctamente cada

bloque a las necesidades que requieran los transductores.

Tendrá 8 módulos, se nombran 5 los cuales, constituyen la placa de potencia y

la de control:

- Rectificado y filtrado de señal, circuito de alimentación.

- Circuito de control (Drive), sobre el circuito amplificador de potencia.

- Circuito amplificador de potencia.

- Circuito de control lógico.

- Feedback, distintos sensores.

Diagrama de bloques de la etapa de potencia de un generador:

Ilustración 21



Ilustración 23

5.2. CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN.

En el circuito de alimentación, el generador se ha de conectar a la red eléctrica

230V. A partir de ahí mediante un puente rectificador y tres condensadores que filtran

la señal proporciona una tensión de 300V. Esta tensión será la de excitación en los

transductores.

Esquema del sistema de alimentación de la placa de potencia:

La placa de control se alimenta mediante una conexión independiente de 230V

al conector SV1. Para convertir esta señal en una de 5V dc, utiliza un regulador de

tensión LM7805 con sus correspondientes condensadores de protección. También

se alimenta mediante un convertidor Ac-Dc, que proporcionará un rango de tensión

de 3.3 a 24Vdc según se necesite. A continuación, se muestra en la siguiente

Ilustración.

Esquema del sistema de alimentación placa de control:

Ilustración 22



Ilustración 24

Ilustración 25

5.3. SISTEMA DE ESTIMACION DE INTENSIDAD.

Este circuito se utiliza para realizar una estimación de la intensidad. Emplea un

transformador de intensidad que conectado a la entrada de alimentación, se encarga

de generar una tensión a la salida, después la placa de control realiza la estimación

a partir de la medida de potencia a la entrada.

Esquema del transformador de estimación de intensidad:

Circuito de acondicionamiento de la intensidad estimada:

Este circuito acondiciona la señal obtenida anteriormente. Mediante un

rectificador de onda completa se crea una señal continua, que es filtrada más tarde

por el condensador C11, después el diodo zener elimina el rizado que queda tras del

condensador C11, por ultimo un divisor de tensión y otro condensador que se

encargan de proporcionar la señal para la lectura mediante una entrada del

microcontrolador.



Ilustración 26

5.4. CIRCUITO DE CONTROL SOBRE LA PUERTA DE IGBTS (DRIVERS).

Este circuito integrado, genera el voltaje y el nivel de corriente necesarios para

activar la etapa de potencia de manera precisa y eficiente. En su interior incorpora

una fuente de tensión, que sigue a la señal PWM que le entra. Mediante aislamiento

galvánico protege al microcontrolador ante sobretensiones.

El circuito de acondicionamiento de señal cuenta con dos supresores de voltaje

antes de la puerta como protección contra sobretensiones.

Circuito de Drivers:



Ilustración 27

5.5. CIRCUITO AMPLIFICADOR SEMIPUENTE (Half bridge).

El semipuente amplificador está diseñado con cuatro IGBTs, dos ramas en

paralelo, para dividir la intensidad por estas ramas y así poder generar mayor

potencia. Cuando estos entran en conmutación generan una señal cuadrada a partir

de una tensión “continua” para suministrar la potencia a la carga.

A la derecha del circuito vemos una red snubber para la protección en la

conmutación de los IGBTs y dos condensadores para la invertir la señal que se

aplicará a los transductores.

Puente inversor monofásico (Half bridge):



5.6. CIRCUITO FEEDBACK.

El módulo feedback, está compuesto por los distintos sensores como la

temperatura de la carcasa y del fluido, presión y corriente. Estos se encargan de la

reacción del microcontrolador ante fallos en el sistema.

En la Ilustración 28 podemos observar que las entradas corresponden a: (25)

temperatura del fluido, (26) temperatura de la carcasa, (27) presión y (20) Corriente.

Circuito de entrada al microcontrolador de los sensores:

Ilustración 28



5.7. CIRCUITO DE CONTROL.

Se puede observar que las entradas y salidas más relevantes del

microcontrolador corresponden a los sensores que se han detallado anteriormente.

También las salidas (36 y 3), que proveen de una señal PWM, como la de la

ilustración 29, con la que podremos definir la frecuencia de conmutación y el tiempo

que estarán en conducción los IGBTs (ciclo de trabajo).

Señal de control PWM sobre los IGBTs:

Ilustración 29

Circuito del microcontrolador:

Ilustración 30



5.8. CIRCUITO ACONDICIONAMIENTO DE LA COMUNICACIÓN RS485.

Este circuito básicamente acondiciona la señal de comunicación al

microcontrolador, mediante los opto acopladores proporciona un aislamiento

galvánico.

Mediante el integrado ST485, asegura que ante una señal de entrada no

balanceada, la acondiciona y proporciona una balanceada de entrada al

microcontrolador.

Comunicación RS485:

Ilustración 31



6. CAPITULO 4: DISEÑO Y ANALISIS DEL MODELO DE SIMULACIÓN

En este capítulo se diseña un modelo de simulación de la carga que se va a

conectar a nuestro generador. Después, se comparan los datos obtenidos en el

modelo de simulación con los del generador del laboratorio.

Esta simulación, al igual que la del laboratorio, se realizará con distintos ciclos

de trabajo, se medirán mediante un osciloscopio los valores de tensión e intensidad

en los transductores.

6.1. MODELOS DE SIMULACIÓN DE LA PLACA DE POTENCIA.

Para la simulación se utilizará el software de simulación Orcad Pspice.

Se simularán las condiciones a las que va a trabajar el generador con una carga

de 6 transductores. Para ello, se ha diseñado este modelo de simulación definiendo

cada componente con los valores anteriormente calculados y los valores medidos en

el prototipo que se va a simular.

Modelo de simulación de la fuente de alimentación mediante un puente rectificador:

Ilustración 32



Modelo de simulación del puente inversor:

Se simulará el circuito de la Ilustración 33, y para poder observar el

comportamiento de los IGBTs, G60N100 a diferentes ciclos de trabajo.

Ilustración 33



Modelo de simulación del circuito de compensación de capacidad estática:

Este circuito está formado por una bobina (Ls) que se encarga de la

compensación de la capacidad estática de la carga.

Se ha representado como un modelo real que incluye una resistencia parasita

en serie, esta inductancia y su resistencia se han medido con un multímetro para

obtener una simulación más real del prototipo. Que como se dice anteriormente está

compuesta de un total de 6 transductores en paralelo.

Además, se diseña un transformador con los valores de inductancia y de

resistencias parásitas, medidos también en el laboratorio para que el modelo de

simulación sea lo más real posible.

Ilustración 34



Modelo de simulación del circuito simplificado equivalente del transductor:

Se simulará la carga para ver su comportamiento a distintos ciclos de trabajo y

frecuencia, para así saber poder comparar con los resultados del generador.

Ilustración 35



6.2. ANALISIS EXPERIMENTAL Y SIMULACIÓN DE LA PLACA DE POTENCIA.

Se ha simulado el circuito con el mismo número de Transductores que el equipo analizado. De esta forma la simulación se

realizará con un ciclo de trabajo de entre un 5% y un 10%, debido a que el recipiente de limpieza está vacío y esto conllevaría

someter el recipiente a temperaturas demasiado altas pudiendo llegar a romper el mismo.

Para ello primero se hará un barrido de frecuencia para saber la frecuencia de resonancia. Después se analizarán tensiones e

intensidades en distintos puntos del generador.

Circuito de simulación de la placa de potencia:

Ilustración 36.



6.2.1. ANÁLISIS DEL BARRIDO DE FRECUENCIA.

Se ha analizado el generador variando la frecuencia de generación para obtener

de manera experimental la frecuencia de resonancia del conjunto de los transductores.

Este análisis se ha realizado aumentando la frecuencia del generador a la vez

que se observa la evolución de la intensidad. Se sabe que es la frecuencia de

resonancia cuando este valor es máximo, debido a que la impedancia de los

transductores será mínima.

Tabla 1

Barrido de frecuencia F I(A) F I(A) 54 9,8 57,5 18,6 55,5 10,2 57,7 18,4 56 10,4 57,8 16,6 56,1 11 57,9 15,4 56,3 11,6 58 15 56,5 16,6 58,1 14,9 56,6 17,6 58,3 14,6 56,8 18,4 58,6 14,6 57,1 18,7 59 12,9 57,2 18,8 59,5 11,6 57,3 19 59,9 11,4 57,4 18,8

02468

101214161820

52 54 56 58 60 62

Inte

nsid

ad (A

)

Frecuencia (KHz)

Frecuencia de resonancia

Frecuenciaderesonancia

Ilustración 37



6.2.2. ANÁLISIS EXPERIMENTAL Y SIMULACION DE LA PLACA DE POTENCIA AL 5% DEL CICLO DE TRABAJO

En este apartado se analiza la tensión e intensidad en distintos puntos de la placa

y la carga de 6 transductores a una potencia del 5%.

6.2.2.1. ANÁLISIS DE LA SEÑAL DE EXCITACIÓN EN LOS IGBTs.

Los IGBTs es una parte importante de analizar ya que se encargan adecuar la

señal de alimentación de los transductores, en ellos se debe de analizar la tensión e

intensidad que hay en los distintos puntos.

Medida de tensión simulada y experimental en la puerta:

Ilustración 38



Ilustración 39

Gráficas de tensión simulada y experimental de excitación en la puerta:

Como se observa en las siguientes ilustraciones, se excita la puerta con una

tensión aproximada de 20V y una frecuencia de 57.3KHz. Se puede observar en las

ilustraciones 40 y 41 el ancho de pulso de las señales de excitación y Cada señal de

excitación completa, simulada ilustración 42 y en el generador ilustración 43.

Ilustración 41

Ilustración 40

19.9200ms 19.9300ms 19.9400ms 19.9500ms19.9115msV(U1:2,E1:4)

0V

10.0V

20.0V

-6.1V

19.933m19.931m

19.9200ms 19.9300ms 19.9400ms 19.9500ms19.9115ms

V(R5:2,0)

0V

10.0V

20.0V

-6.1V

19.931m19.915m



Ilustración 42

Ilustración 43

Time19.91400ms 19.91600ms 19.91800ms 19.92000ms 19.92200ms 19.92400ms 19.92600ms 19.92800ms 19.93000ms19.91271ms

V(U1:2,C69:2) V(R5:2,0)

0V

5.0V

10.0V

15.0V

18.4V



6.2.2.2. ANÁLISIS DE LA TENSION E INTENSIDAD ANTES DE BOBINA DE COMPENSACION.

Este punto es importante ya que se analiza la tensión e intensidad de la bobina

que hace que la capacidad estática esté compensada.

Es un punto en el que se puede observar la forma de onda de la tensión aplicada

a los transductores antes de la bobina de compensación.

Medida de tensión simulada y experimental antes de la bobina:

Ilustración 44

Ilustración 45



Gráfica de tensión simulada y experimental antes de la bobina:

Time19.9050ms 19.9100ms 19.9150ms 19.9200ms 19.9250ms 19.9300ms 19.9350ms 19.94V(TX1:3)

0V

200V

400V

-107V

Ilustración 46

Ilustración 47



Medida de intensidad simulada y experimental antes de la bobina:

Ilustración 48

Ilustración 49



Gráficas de intensidad simulada y experimental antes de la bobina:

Ilustración 50

Ilustración 51

19.90ms 19.91ms 19.92ms 19.93ms 19.94ms-I(TX1:3)

-10A

0A

10A

19.940ms19.923ms



Ilustración 52

6.2.2.3. ANÁLISIS DE LA TENSIÓN E INTENSIDAD EN LOS TRANSDUCTORES.

Aquí se analiza la tensión e intensidad que hay en los transductores, esta

medición es importante, permitirá saber qué forma de onda hay en ellos.

Medida de tensión simulada y experimental en los transductores:

Como se observa en la Ilustración 52 y 53, la sonda de tensión se conecta en

uno de los transductores siendo esta la misma en todos, ya que están conectados en

paralelo.

Se ha simulado para un ciclo de trabajo del 5%, una frecuencia de resonancia

de 57.3 KHz y una carga de 6 transductores. También se puede observar en la

Ilustración la conexión de la sonda que se ha medido en el laboratorio.

Ilustración 53



Gráfica de tensión simulada y experimental en los transductores:

En las gráficas de las ilustraciones de más abajo, se observa la tensión a la

frecuencia de resonancia.

Simulada en la Ilustración 54 y experimental en la Ilustración 55. Ambas tienen

una amplitud entorno a 1Kv de pico.

Ilustración 54

19.90ms 19.91ms 19.92ms 19.93ms 19.94ms 1

V(L5:1)-1.0KV

0V

1.0KV

19.935ms19.918ms

Ilustración 55



Medida de intensidad simulada y experimental en todos los transductores:

Esta intensidad se ha simulado para 6 transductores un ciclo de trabajo del 5%

y una frecuencia de resonancia de 57.3 KHz, a la vez que se ha medido con una pinza

amperimétrica que da el valor de esta y su forma de onda.

Ilustración 56

Ilustración 57



Gráficas de intensidad total simulada y experimental en el conjunto de transductores:

Se comparan los resultados obtenidos en la simulación y experimentalmente. La

gráfica de la Ilustración 58 obtenida en la simulación y en la gráfica de la Ilustración

59 medida experimentalmente, en ambas se puede observar a la misma frecuencia

una intensidad entorno a los 12A.

Ilustración 59

19.90ms 19.91ms 19.92ms 19.93ms 19.94ms-I(L5)

-10A

0A

10A

19.931ms19.914ms

Ilustración 58



6.2.3. ANÁLISIS EXPERIMENTAL Y SIMULACION DE LA PLACA DE POTENCIA AL 10% DEL CICLO DE TRABAJO.

En este apartado se analiza la tensión e intensidad en distintos puntos de la placa

y la carga de 6 transductores a una potencia del 10%.

6.2.3.1. ANÁLISIS DE LA TENSIÓN DE EXCITACIÓN EN LOS IGBTS.

Los IGBTs es una parte importante de analizar ya que se encargan adecuar la

señal de alimentación de los transductores, en ellos se debe de analizar la tensión e

intensidad que hay en los distintos puntos.

Medida de tensión simulada y experimental en la puerta:

Ilustración 61

Ilustración 60



Ilustración 62

Gráficas de tensión simulada y experimental de excitación en la puerta:

Como se observa en las ilustraciones de abajo, se excita la puerta con una

tensión aproximada de 20V y una frecuencia de 57.3KHz. Cada señal de excitación

tanto en la simulación, como en el generador ilustración 62 y 63.

Ilustración 63

19.9100ms 19.9200ms 19.9300ms 19.9400ms 19.9500ms

V(U1:2,E1:4)

0V

10.0V

-9.8V

19.9V

19.934ms19.930ms

19.9200ms 19.9300ms19.9141msV(R5:2,0)

0V

10.0V

-4.9V

19.9V

19.930ms19.916ms



Ilustración 65

19.9200ms 19.930019.9105msV(R5:2,0) V(U1:2,E1:4)

0V

10.0V

-4.9V

19.9V

Ilustración 64



6.2.3.2. ANÁLISIS DE LA TENSION E INTENSIDAD ANTES DE BOBINA DE COMPENSACION.

Este punto es importante ya que se analiza la tensión e intensidad de la bobina

que hace que la capacidad estática esté compensada.

Es un punto en el que se puede observar la forma de onda de la tensión aplicada

a los transductores antes de la bobina de compensación.

Medida de tensión simulada y experimental antes de la bobina:

Ilustración 66

Ilustración 67



Gráfica de tensión simulada y experimental antes de la bobina:

Ilustración 68

Ti19.9200ms 19.9300ms 19.9400ms 19.9500ms19.9113ms

V(TX1:3)

0V

200V

400V

-194V

19.933ms19.930ms

Ilustración 69



Medida de intensidad simulada y experimental antes de la bobina:

Ilustración 70

Ilustración 71



Gráficas de intensidad simulada y experimental antes de la bobina:

Ilustración 72

Time19.9200ms 19.9300ms 19.9400ms 19.9500ms 19.919.9118ms

-I(TX1:3)

-5.0A

0A

5.0A

10.0A

-9.8A

19.948ms19.931ms

Ilustración 73



Ilustración 74

6.2.3.3. ANÁLISIS DE LA TENSIÓN E INTENSIDAD EN LOS TRANSDUCTORES.

Aquí se analiza la tensión e intensidad que hay en los transductores, esta

medición es importante, permitirá saber qué forma de onda hay en ellos.

Medida de tensión simulada y experimental en los transductores:

Como se observa en la Ilustración 74 y 75, la sonda de tensión se conecta en

uno de los transductores siendo esta la misma en todos ya que están conectados en

paralelo.

Se ha simulado para un ciclo de trabajo del 10%, una frecuencia de resonancia

de 57.3 KHz y una carga de 6 transductores. También se puede observar en la

Ilustración la conexión de la sonda que se ha medido en el laboratorio.

Ilustración 75



Gráfica de tensión simulada y experimental en los transductores:

En las gráficas de las ilustraciones de más abajo, se observa la tensión a la

frecuencia de resonancia.

Simulada en la Ilustración 76 y experimental en la Ilustración 77. Ambas tienen

una amplitud en torno a 1.6Kv de pico a pico.

Ti19.90ms 19.91ms 19.92ms 19.93ms 19.94ms 19.

V(L5:1)-1.0KV

0V

1.0KV

19.936ms19.918ms

Ilustración 77

Ilustración 76



Medida de intensidad simulada y experimental en todos los transductores:

Esta intensidad se ha simulado para 6 transductores un ciclo de trabajo del 10%

y una frecuencia de resonancia de 57.3 KHz, también se ha medido en la carga con

una pinza amperimétrica que devuelve el valor de esta y su forma de onda.

Ilustración 78

Ilustración 79



Gráficas de intensidad total simulada y experimental en el conjunto de transductores:

Se comparan los resultados obtenidos en la simulación y experimentalmente. La

gráfica de la Ilustración 80 obtenida en la simulación y en la gráfica de la Ilustración

81 medida experimentalmente, en ambas se puede observar a la misma frecuencia

una intensidad entorno a los 19A.

Time19.9200ms 19.9300ms 19.9400ms 19.9500ms 19.919.9118ms

-I(TX1:3)

-5.0A

0A

5.0A

10.0A

-9.8A

19.948ms19.931ms

Ilustración 80

Ilustración 81



7. CONCLUSIÓN

Este trabajo me ha servido para ampliar mi conocimiento desde electrónica más

elemental hasta la electrónica de potencia. Trabajando tanto a nivel de hardware como

de software.

A nivel de hardware, analizando y viendo cómo se construyen las PBCs, y que

elementos utilizar en función de lo que requiere el sistema que se vaya a implementar.

A nivel de software, con el diseño del modelo de simulación del generador y

carga del equipo de ultrasonidos de alta potencia y también con el desarrollo del

interface de comunicación HMI para el control del generador.

El análisis de este generador y comprender como trabaja en cada parte ha

ayudado a realizar el modelo de simulación, a partir de este modelo a escala, se podrá

dimensionar el diseño de un sistema de mayor potencia.

.



APÉNDICES APÉNDICE A. DISEÑO Y PROGRAMACIÓN DEL INTERFACE HMI.

Para el diseño del interface se utiliza el software de diseño Code Typhon, ya que

proporciona una manera económica e intuitiva de diseñar y programar mediante el

lenguaje Free Pascal.

Interface de control de generador de ultrasonidos:

Este interface está compuesto por dos selectores, uno de ciclo de trabajo y otro

de frecuencia, estos valores se podrán seleccionar dentro de un rango de

funcionamiento del generador. Estos valores también se podrán seleccionar mediante

un teclado.

Se dispone de un cuadro para la visualización del envío de datos al

microcontrolador, y otro para la recepción de los datos que nos devuelve el

microcontrolador.

También distintos botones como el botón de enviar, botón de limpiar los cuadros

de visualización, botón SR del PWM, botón de visualización del teclado, botones para

Ilustración 82



el envío del ciclo de trabajo o frecuencia seleccionada por el teclado y selector de

puerto serie de comunicación.

Está dotado de un display para la visualización del estado físico del generador

como ciclo de trabajo, frecuencia, intensidad, presión de la cuba de limpieza,

temperatura de la carcasa y del fluido de limpieza.

A continuación se describen todos los componentes seleccionados buscando la

solución más útil y que mejor se adapte al dispositivo para facilitar la medida

experimental en el generador de ultrasonidos.



1. DISEÑO DEL SELECTORES DE CICLO DE TRABAJO y FRECUENCIA.

En primer lugar se selecciona en la paleta el selector TuEKnob. Con el inspector

de objetos se ha dado el formato que requiere el diseño.

Selector de ciclo de trabajo:

Editor de propiedades del ciclo de trabajo:

En este caso las propiedades más importantes se definen en la Ilustración 83,

Como el rango de valores en el que vamos a aumentar o disminuir el ciclo de trabajo

y el nombre del selector para luego su programación.

Ilustración 83

Ilustración 84



Display de visualización del valor del ciclo de trabajo:

Este display está vinculado con la programación del selector este cambia su valor

cuando se modifica el selector.

Selector de frecuencia:

Editor de propiedades del selector de frecuencia:

En este caso las propiedades más importantes se definen en la Ilustración 87,

Como el rango de valores para aumentar o disminuir frecuencia y el nombre del

selector para después programarlo.

Ilustración 85

Ilustración 86

Ilustración 87



Display de visualización del valor del ciclo de trabajo:

Este display nos permitirá ver el valor actualizado de la frecuencia en todo

momento.

Ilustración 88



2. DISEÑO DE LOS DISTINTOS BOTONES.

Botón teclado:

Este botón se ha programado para que una vez que lo pulsemos se haga visible

el teclado.

Teclado de selección:

Se programa este teclado para modificar la frecuencia y el ciclo de trabajo.

Botón SPWM:

Este botón se ha programado para que una vez que lo pulsemos el

microcontrolador envíe la señal PWM a los Drivers o no.

Ilustración 91

Programación del botón SPWM:

En la Ilustración 91 se ha programado la tecla para que cada vez que se pulse

cambie el nombre en el display y así saber cuándo el generador está enviando la señal

PWM, cada vez que se pulsa este envía un código distinto, ya sea Set o Reset.

Ilustración 90

Ilustración 89



Botón limpiar:

Este botón se ha programado para que una vez que lo pulsemos, se borre el la

información de los cuadros de texto tanto el de envío de datos como recepción.

Botón enviar:

Este botón se ha programado para enviar información por el puerto serie al

microcontrolador.

Botón abrir:

Este botón se ha programado para abrir o cerrar las comunicaciones mediante

el puerto serie con el microcontrolador.

Botón ciclo de trabajo:

Este botón se ha programado para enviar el valor de ciclo de trabajo

seleccionado en el teclado.

Botón frecuencia:

Este botón se ha programado para enviar el valor de frecuencia seleccionada en

el teclado.

Ilustración 92

Ilustración 93

Ilustración 94

Ilustración 95

Ilustración 96



3. DISEÑO DE LA COMUNICACIÓN SERIE Y FUNCIONES COMUNES.

Puerto serie:

Se selecciona TDataPortSerial para realizar la comunicación serie con el

microcontrolador.

Editor de propiedades del puerto serie:

Se seleccionan las propiedades del puerto serie en el inspector de objetos que

nos permitan la comunicación con el microcontrolador. Tendremos que seleccionar lo

que se puede observar en la siguiente Ilustración.

Programación de la función extraer datos:

En esta función se recibe la información del puerto serie y se procesa para

extraer de la trama los valores de intensidad, frecuencia, temperatura (de carcasa y

de fluido) y presión. Esta función se llamará desde el procedimiento SPDataAppear.

Ilustración 97

Ilustración 98



Programación del procedimiento actualizar indicadores displays:

En esta función se actualiza el valor de los displays de temperatura (carcasa y

fluido), presión e intensidad.

Programación del timer:

En este procedimiento se programa una interrupción llamada Timer 2 que tendrá

como objetivo solicitar al microcontrolador los valores actualizados de temperatura

(carcasa y fluido), presión e intensidad.

JOSE GIL RUIZ SALCEDO DISEÑO DE UN MODELO DE SIMULACIÓN DE UN GENERADOR DE ULTRASONIDOS


APÉNDICE B. PLANOS Y ESQUEMAS

1. Esquema de la placa de potencia.



2. Esquema de la placa de control.



ANEXOS

1. GUIA DE USUARIO DEL HMI.

1.1. INTRODUCCIÓN AL HMI Y COMANDOS DE CONTROL DEL GENERADOR.

Sistema operativo compatible:

La aplicación es compatible con cualquier sistema operativo Windows de 64 bits.

Conexión con el generador:

Las comunicaciones se realizaran mediante puerto serie, una vez conectado el

cable USB RS485, iniciaremos HMIUS.exe y seleccionar el puerto de

comunicaciones COM que será en función de donde se haya conectado el

USB, seguidamente se pulsara el botón abrir y si la comunicación se ha

establecido en el cuadro de recepción aparecerá ‘’conexión establecida’’.

Ilustración 99



Cuadro de envío de datos:

A través de él se podrán enviar instrucciones al generador

dichas instrucciones se envían a través del cuadro de envío

mediante una serie de comandos que definimos más abajo.

Comandos de control del Generador:

COMANDO DESCRIPCIÓN

1. M Modulo=1.

2. D Dirección=3.

3. #MDRERX$ Resetea el error 1,2 o 3. 0 resetea todos.

4. #MDRPIC$ Resetea el microcontrolador.

5. #MDGTC$ Devuelve temperatura carcasa.

6. #MDGTF$ Devuelve temperatura fluido.

7. #MDGCG$ Devuelve medida corriente.

8. #MDGPR$ Devuelve medida presión.

9. #MDGMM$ Devuelve pendiente recta tendencia.

10. #MDGOO$ Devuelve offset recta tendencia.

11. #MDGDT$ Devuelve todos los parámetros.

12. #MDSATUX$ Inicia/Para secuencia de autotuning.

13. #MDSDGX$ Inicia modo debug (0=off. 1=on).

14. #MDSRMX$ Arranca el PWM (0=off. 1=on).



15. #MDSFRXXX$ Ajusta la frecuencia del sistema.

16. #MDSPTXX$ Ajusta la potencia del sistema.

17. #MDSKYX$ Habilita/Deshabilita el teclado

18. #MDSMPTXX$ Cambiar máxima potencia del sistema.

19. #MDSMMXX$ Actualiza la pendiente de la recta de lectura de corriente.

20. #MDSOOXX$ Actualiza el offset de la recta de lectura de corriente.

21. #DXXXXX$ Envia datos via I2C

1.2. MENÚ PRINCIPAL.

Iniciar la emisión del generador:

Con el botón Set

Se conecta o desconecta la emisión del generador.

Modificación del ciclo de trabajo:

Mediante selector de ciclo de trabajo se selecciona el valor deseado

girando el selector, modificando en tiempo real su valor.

Mediante marcación con teclado podremos modificar el

ciclo de trabajo presionando primero el botón ‘’teclado’’,

después aparecerá el teclado para marcar el valor de



ciclo de trabajo y después para que se haga efectivo ese valor pulsaremos el botón

ciclo de trabajo.

El valor máximo del ciclo de trabajo que se selecciona es de 50% en ambas

formas de selección.

Modificación de la frecuencia:

Mediante selector de frecuencia se selecciona el valor deseado girando el

selector, modificando así en tiempo real su valor.

Mediante marcación con teclado podremos modificar la

frecuencia presionando primero el botón ‘’teclado’’,

después aparecerá el teclado para marcar el valor de

frecuencia, después para que se haga efectivo ese valor pulsaremos el

botón frecuencia.

El valor máximo de frecuencia que se selecciona es de 33 KHz en ambas formas

de selección.

Envío de comandos al generador:

Como definimos en la introducción al HMI, en el cuadro de

envío de comandos podemos marcar desde el

teclado del HMI o desde el teclado del ordenador el comando deseado y después

pulsar el botón enviar.

Botón limpiar:

Este botón limpiara los cuadros de texto tanto por si enviamos como si

recibimos información.



Display ciclo de trabajo:

El display muestra el valor en % del ciclo de trabajo que se

seleccione en el selector ciclo de trabajo dando un valor real que

se está mandando al generador.

Display Frecuencia:

El display muestra el valor de frecuencia en Hercios (Hz) a la que

está emitiendo el generador, este valor se modifica cuando esta

es cambiada desde el teclado del generador.

Display Intensidad:

El display de intensidad muestra el valor de intensidad en

Amperios (A) del generador, a medida que vamos variando el

ciclo de trabajo o la frecuencia.

Display Presión:

El display de presión muestra el valor de presión en kilopascal

(KPa), a la que está el líquido en la cuba de limpieza.

Display Tª Carcasa:

El display de Tª Carcasa muestra la temperatura en grados

centígrados (ºC), a la que está la carcasa del generador.

Display Tª Fluido:

El display de Tª Fluido muestra la temperatura en grados

centígrados (ºC), a la que está la carcasa del generador.



REFERENCIAS.

Bibliografía

[1] www.morgantechnicalceramics.commedia4126chapter2.pdf

[2] http://www.morgantechnicalceramics.com/media/4131/chapter6a.pdf

[3] http://www.morgantechnicalceramics.com/media/4131/chapter6b.pdf

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