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Elementos de Mecatrónica Dr. José Sebastián Gutiérrez Calderón Profesor Investigador - Ingenierías UP [email protected]

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Page 1: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Elementos de Mecatroacutenica

Dr Joseacute Sebastiaacuten Gutieacuterrez Calderoacuten Profesor Investigador - Ingenieriacuteas UP jsgutierrezupedumx

Temas generales del curso bull Conceptos baacutesicos de la mecatroacutenica

bull Caracteriacutesticas principales de los transductores

bull Sensores y sistemas de medicioacuten

bull Actuadores y mandos

bull Mecanismos para la automatizacioacuten

bull Control por computadora

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Unidad 4 Actuadores y mandos (continuacioacutenhellip)

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Existen tres tipos de actuadores

Neumaacuteticos

Hidraacuteulicos

Eleacutectricos

4

Actuadores

Actuadores

Neumaacuteticos Fuente de

energiacutea aire a presioacuten

Pistones motores vaacutelvulas

Hidraacuteulicos Fuente de

energiacutea fluido

Pistones motores vaacutelvulas

Eleacutectricos Fuente de energiacutea

electricidad

Motores AC DC paso a paso

servomotores

Actuadores eleacutectricos Al estudiar sistemas eleacutectricos que se emplean como actuadores de control deberaacuten tenerse en cuenta los siguientes dispositivos y sistemas

Dispositivos de conmutacioacuten como interruptores mecaacutenicos (relevadores) e interruptores de estado soacutelido (diodos tiristores y transistores) en los que la sentildeal de control enciende o apaga un dispositivo electroacutenico que puede ser un calentador o un motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos Dispositivos tipo solenoide en los cuales una corriente que pasa por un solenoide acciona un nuacutecleo de hierro por ejemplo una vaacutelvula neumaacuteticahidraacuteulico operada por solenoide donde la corriente de control que pasa por el solenoide se utiliza para regular el flujo neumaacuteticohidraacuteulico

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos Sistemas motrices por ejemplo motores de DC y AC en los cuales la corriente que pasa por el motor produce una rotacioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores El relevador tambieacuten conocido como releacute o relay es un dispositivo electromecaacutenico Estaacuten formados por una bobina y unos contactos los cuales pueden conmutar corriente continua o bien corriente alterna Permite controlar circuitos de salida que posean mayor potencia que los de entrada Al fluir corriente a traveacutes del solenoide se produce un campo magneacutetico que atrae la armadura metaacutelica mueve la varilla de empuje cierra los contactos del interruptor normalmente abierto (NO normally open) y abre los contactos del interruptor normalmente cerrado (NC normally closed)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control Cuando la salida del controlador es relativamente pequentildea y es necesario encender o apagar un elemento final es necesario una corriente mucho maacutes grande por ejemplo la corriente requerida en un motor En tal situacioacuten es posible utilizar relevadores para realizar este control

Una desventaja presente en los releacutes mecaacutenicos estaacute en su vida uacutetil por el sistema mecaacutenico presente en eacutestos Ademaacutes la conmutacioacuten en un releacute mecaacutenico genera transitorios y sobre picos que pueden alterar una medida o dantildear directamente la eficacia en la entrada de un sistema de adquisicioacuten como el Arduinoreg PLCrsquos o Microcontroladores y la salida en sistemas de control

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores De esta forma debido a que los relevadores son inductivos pueden generar un contra voltaje cuando deja de fluir la corriente de energizacioacuten o cuando sus interruptores de entrada van de un estado alto a uno bajo Como resultado se puede presentar dantildeo en el circuito de conexioacuten Para solucionar el problema se debe de conecta un diodo a traveacutes del relevador asiacute cuando se presente una fuerza electromotriz el diodo protegeraacute el sistema

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los motores eleacutectricos con frecuencia se usan como elemento de control final en los sistemas de control por posicioacuten o de velocidad Los motores se pueden clasificar en dos categoriacuteas principales

bull Motores de DC

bull Motores de AC

La mayoriacutea de los motores que se emplean en los sistemas de control modernos son motores de DC

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los principios baacutesicos del funcionamiento de un motor son los siguientes

Fuerza sobre un conductor eleacutectrico

Un conductor de longitud l lleva una corriente i en un campo magneacutetico con densidad de flujo B perpendicular al conductor la fuerza ejercida F es igual a Bil

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I

Fuerza F

L

B

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores

119865 = 119861119894119897 ∙ 119904119890119899(120572)

F=Fuerzan en newtons

B= Densidad de flujo magneacutetico1048708(teslas)

i= Corriente eleacutectrica que circula por el conductor1048708(amperes)

l= longitud del conductor

Sen(a)= Seno del aacutengulo que forman los campos B e I1048708

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Cuando decimos que un campo magneacutetico genera una corriente eleacutectrica en un conductor nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida)

La ley que explica esta interaccioacuten entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magneacutetico es la Ley de Faraday

120576 = minus119889120601119898

119889119905 (119907119900119897119905119904)

En donde fm es el flujo del campo magneacutetico Por tanto para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida se debe variar el flujo del campo magneacutetico a traveacutes de la superficie delimitada por el conductor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz

ldquoEl sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo producerdquo

El fenoacutemeno de la induccioacuten magneacutetica constituye el principio baacutesico de los generadores eleacutectricos de ahiacute que cualquier motor es al mismo tiempo un generador

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores En un motor convencional los devanados de alambre se montan en las ranuras de un cilindro de material magneacutetico conocido como armadura Esta armadura esta montada en cojinetes que le permite girar (rotor)

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Actuadores

Devanados

Armadura

Actuadores eleacutectricos - Motores Se monta la armadura en el campo magneacutetico que produciraacuten los polos de campo con los imanes permanentes o electroimanes

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Actuadores

Estator Estator

Rotor

Rotor

Actuadores eleacutectricos - Motores Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador El contacto eleacutectrico con los segmentos se logra mediante contactos de carboacuten conocidos como escobillas

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Conmutador

Escobillas

Actuadores

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores Conforme la armadura gira el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo

Esto es necesario para que las fuerzas que actuacutean en el devanado sigan actuando en la misma direccioacuten y la rotacioacuten continuacutee La direccioacuten de rotacioacuten del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo

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Actuadores

Conmutador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

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Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

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Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Temas generales del curso bull Conceptos baacutesicos de la mecatroacutenica

bull Caracteriacutesticas principales de los transductores

bull Sensores y sistemas de medicioacuten

bull Actuadores y mandos

bull Mecanismos para la automatizacioacuten

bull Control por computadora

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Unidad 4 Actuadores y mandos (continuacioacutenhellip)

3

Existen tres tipos de actuadores

Neumaacuteticos

Hidraacuteulicos

Eleacutectricos

4

Actuadores

Actuadores

Neumaacuteticos Fuente de

energiacutea aire a presioacuten

Pistones motores vaacutelvulas

Hidraacuteulicos Fuente de

energiacutea fluido

Pistones motores vaacutelvulas

Eleacutectricos Fuente de energiacutea

electricidad

Motores AC DC paso a paso

servomotores

Actuadores eleacutectricos Al estudiar sistemas eleacutectricos que se emplean como actuadores de control deberaacuten tenerse en cuenta los siguientes dispositivos y sistemas

Dispositivos de conmutacioacuten como interruptores mecaacutenicos (relevadores) e interruptores de estado soacutelido (diodos tiristores y transistores) en los que la sentildeal de control enciende o apaga un dispositivo electroacutenico que puede ser un calentador o un motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos Dispositivos tipo solenoide en los cuales una corriente que pasa por un solenoide acciona un nuacutecleo de hierro por ejemplo una vaacutelvula neumaacuteticahidraacuteulico operada por solenoide donde la corriente de control que pasa por el solenoide se utiliza para regular el flujo neumaacuteticohidraacuteulico

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos Sistemas motrices por ejemplo motores de DC y AC en los cuales la corriente que pasa por el motor produce una rotacioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores El relevador tambieacuten conocido como releacute o relay es un dispositivo electromecaacutenico Estaacuten formados por una bobina y unos contactos los cuales pueden conmutar corriente continua o bien corriente alterna Permite controlar circuitos de salida que posean mayor potencia que los de entrada Al fluir corriente a traveacutes del solenoide se produce un campo magneacutetico que atrae la armadura metaacutelica mueve la varilla de empuje cierra los contactos del interruptor normalmente abierto (NO normally open) y abre los contactos del interruptor normalmente cerrado (NC normally closed)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control Cuando la salida del controlador es relativamente pequentildea y es necesario encender o apagar un elemento final es necesario una corriente mucho maacutes grande por ejemplo la corriente requerida en un motor En tal situacioacuten es posible utilizar relevadores para realizar este control

Una desventaja presente en los releacutes mecaacutenicos estaacute en su vida uacutetil por el sistema mecaacutenico presente en eacutestos Ademaacutes la conmutacioacuten en un releacute mecaacutenico genera transitorios y sobre picos que pueden alterar una medida o dantildear directamente la eficacia en la entrada de un sistema de adquisicioacuten como el Arduinoreg PLCrsquos o Microcontroladores y la salida en sistemas de control

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores De esta forma debido a que los relevadores son inductivos pueden generar un contra voltaje cuando deja de fluir la corriente de energizacioacuten o cuando sus interruptores de entrada van de un estado alto a uno bajo Como resultado se puede presentar dantildeo en el circuito de conexioacuten Para solucionar el problema se debe de conecta un diodo a traveacutes del relevador asiacute cuando se presente una fuerza electromotriz el diodo protegeraacute el sistema

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los motores eleacutectricos con frecuencia se usan como elemento de control final en los sistemas de control por posicioacuten o de velocidad Los motores se pueden clasificar en dos categoriacuteas principales

bull Motores de DC

bull Motores de AC

La mayoriacutea de los motores que se emplean en los sistemas de control modernos son motores de DC

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los principios baacutesicos del funcionamiento de un motor son los siguientes

Fuerza sobre un conductor eleacutectrico

Un conductor de longitud l lleva una corriente i en un campo magneacutetico con densidad de flujo B perpendicular al conductor la fuerza ejercida F es igual a Bil

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I

Fuerza F

L

B

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores

119865 = 119861119894119897 ∙ 119904119890119899(120572)

F=Fuerzan en newtons

B= Densidad de flujo magneacutetico1048708(teslas)

i= Corriente eleacutectrica que circula por el conductor1048708(amperes)

l= longitud del conductor

Sen(a)= Seno del aacutengulo que forman los campos B e I1048708

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Cuando decimos que un campo magneacutetico genera una corriente eleacutectrica en un conductor nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida)

La ley que explica esta interaccioacuten entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magneacutetico es la Ley de Faraday

120576 = minus119889120601119898

119889119905 (119907119900119897119905119904)

En donde fm es el flujo del campo magneacutetico Por tanto para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida se debe variar el flujo del campo magneacutetico a traveacutes de la superficie delimitada por el conductor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz

ldquoEl sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo producerdquo

El fenoacutemeno de la induccioacuten magneacutetica constituye el principio baacutesico de los generadores eleacutectricos de ahiacute que cualquier motor es al mismo tiempo un generador

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores En un motor convencional los devanados de alambre se montan en las ranuras de un cilindro de material magneacutetico conocido como armadura Esta armadura esta montada en cojinetes que le permite girar (rotor)

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Actuadores

Devanados

Armadura

Actuadores eleacutectricos - Motores Se monta la armadura en el campo magneacutetico que produciraacuten los polos de campo con los imanes permanentes o electroimanes

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Actuadores

Estator Estator

Rotor

Rotor

Actuadores eleacutectricos - Motores Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador El contacto eleacutectrico con los segmentos se logra mediante contactos de carboacuten conocidos como escobillas

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Conmutador

Escobillas

Actuadores

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores Conforme la armadura gira el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo

Esto es necesario para que las fuerzas que actuacutean en el devanado sigan actuando en la misma direccioacuten y la rotacioacuten continuacutee La direccioacuten de rotacioacuten del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo

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Actuadores

Conmutador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

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Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

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Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

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Page 3: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Unidad 4 Actuadores y mandos (continuacioacutenhellip)

3

Existen tres tipos de actuadores

Neumaacuteticos

Hidraacuteulicos

Eleacutectricos

4

Actuadores

Actuadores

Neumaacuteticos Fuente de

energiacutea aire a presioacuten

Pistones motores vaacutelvulas

Hidraacuteulicos Fuente de

energiacutea fluido

Pistones motores vaacutelvulas

Eleacutectricos Fuente de energiacutea

electricidad

Motores AC DC paso a paso

servomotores

Actuadores eleacutectricos Al estudiar sistemas eleacutectricos que se emplean como actuadores de control deberaacuten tenerse en cuenta los siguientes dispositivos y sistemas

Dispositivos de conmutacioacuten como interruptores mecaacutenicos (relevadores) e interruptores de estado soacutelido (diodos tiristores y transistores) en los que la sentildeal de control enciende o apaga un dispositivo electroacutenico que puede ser un calentador o un motor

5

Actuadores

Actuadores eleacutectricos Dispositivos tipo solenoide en los cuales una corriente que pasa por un solenoide acciona un nuacutecleo de hierro por ejemplo una vaacutelvula neumaacuteticahidraacuteulico operada por solenoide donde la corriente de control que pasa por el solenoide se utiliza para regular el flujo neumaacuteticohidraacuteulico

6

Actuadores

Actuadores eleacutectricos Sistemas motrices por ejemplo motores de DC y AC en los cuales la corriente que pasa por el motor produce una rotacioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores El relevador tambieacuten conocido como releacute o relay es un dispositivo electromecaacutenico Estaacuten formados por una bobina y unos contactos los cuales pueden conmutar corriente continua o bien corriente alterna Permite controlar circuitos de salida que posean mayor potencia que los de entrada Al fluir corriente a traveacutes del solenoide se produce un campo magneacutetico que atrae la armadura metaacutelica mueve la varilla de empuje cierra los contactos del interruptor normalmente abierto (NO normally open) y abre los contactos del interruptor normalmente cerrado (NC normally closed)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control Cuando la salida del controlador es relativamente pequentildea y es necesario encender o apagar un elemento final es necesario una corriente mucho maacutes grande por ejemplo la corriente requerida en un motor En tal situacioacuten es posible utilizar relevadores para realizar este control

Una desventaja presente en los releacutes mecaacutenicos estaacute en su vida uacutetil por el sistema mecaacutenico presente en eacutestos Ademaacutes la conmutacioacuten en un releacute mecaacutenico genera transitorios y sobre picos que pueden alterar una medida o dantildear directamente la eficacia en la entrada de un sistema de adquisicioacuten como el Arduinoreg PLCrsquos o Microcontroladores y la salida en sistemas de control

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores De esta forma debido a que los relevadores son inductivos pueden generar un contra voltaje cuando deja de fluir la corriente de energizacioacuten o cuando sus interruptores de entrada van de un estado alto a uno bajo Como resultado se puede presentar dantildeo en el circuito de conexioacuten Para solucionar el problema se debe de conecta un diodo a traveacutes del relevador asiacute cuando se presente una fuerza electromotriz el diodo protegeraacute el sistema

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los motores eleacutectricos con frecuencia se usan como elemento de control final en los sistemas de control por posicioacuten o de velocidad Los motores se pueden clasificar en dos categoriacuteas principales

bull Motores de DC

bull Motores de AC

La mayoriacutea de los motores que se emplean en los sistemas de control modernos son motores de DC

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los principios baacutesicos del funcionamiento de un motor son los siguientes

Fuerza sobre un conductor eleacutectrico

Un conductor de longitud l lleva una corriente i en un campo magneacutetico con densidad de flujo B perpendicular al conductor la fuerza ejercida F es igual a Bil

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I

Fuerza F

L

B

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores

119865 = 119861119894119897 ∙ 119904119890119899(120572)

F=Fuerzan en newtons

B= Densidad de flujo magneacutetico1048708(teslas)

i= Corriente eleacutectrica que circula por el conductor1048708(amperes)

l= longitud del conductor

Sen(a)= Seno del aacutengulo que forman los campos B e I1048708

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Cuando decimos que un campo magneacutetico genera una corriente eleacutectrica en un conductor nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida)

La ley que explica esta interaccioacuten entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magneacutetico es la Ley de Faraday

120576 = minus119889120601119898

119889119905 (119907119900119897119905119904)

En donde fm es el flujo del campo magneacutetico Por tanto para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida se debe variar el flujo del campo magneacutetico a traveacutes de la superficie delimitada por el conductor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz

ldquoEl sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo producerdquo

El fenoacutemeno de la induccioacuten magneacutetica constituye el principio baacutesico de los generadores eleacutectricos de ahiacute que cualquier motor es al mismo tiempo un generador

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores En un motor convencional los devanados de alambre se montan en las ranuras de un cilindro de material magneacutetico conocido como armadura Esta armadura esta montada en cojinetes que le permite girar (rotor)

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Actuadores

Devanados

Armadura

Actuadores eleacutectricos - Motores Se monta la armadura en el campo magneacutetico que produciraacuten los polos de campo con los imanes permanentes o electroimanes

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Actuadores

Estator Estator

Rotor

Rotor

Actuadores eleacutectricos - Motores Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador El contacto eleacutectrico con los segmentos se logra mediante contactos de carboacuten conocidos como escobillas

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Conmutador

Escobillas

Actuadores

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores Conforme la armadura gira el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo

Esto es necesario para que las fuerzas que actuacutean en el devanado sigan actuando en la misma direccioacuten y la rotacioacuten continuacutee La direccioacuten de rotacioacuten del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo

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Actuadores

Conmutador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

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Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

31

32

Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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85

(ʘ‿ʘ)

Page 4: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Existen tres tipos de actuadores

Neumaacuteticos

Hidraacuteulicos

Eleacutectricos

4

Actuadores

Actuadores

Neumaacuteticos Fuente de

energiacutea aire a presioacuten

Pistones motores vaacutelvulas

Hidraacuteulicos Fuente de

energiacutea fluido

Pistones motores vaacutelvulas

Eleacutectricos Fuente de energiacutea

electricidad

Motores AC DC paso a paso

servomotores

Actuadores eleacutectricos Al estudiar sistemas eleacutectricos que se emplean como actuadores de control deberaacuten tenerse en cuenta los siguientes dispositivos y sistemas

Dispositivos de conmutacioacuten como interruptores mecaacutenicos (relevadores) e interruptores de estado soacutelido (diodos tiristores y transistores) en los que la sentildeal de control enciende o apaga un dispositivo electroacutenico que puede ser un calentador o un motor

5

Actuadores

Actuadores eleacutectricos Dispositivos tipo solenoide en los cuales una corriente que pasa por un solenoide acciona un nuacutecleo de hierro por ejemplo una vaacutelvula neumaacuteticahidraacuteulico operada por solenoide donde la corriente de control que pasa por el solenoide se utiliza para regular el flujo neumaacuteticohidraacuteulico

6

Actuadores

Actuadores eleacutectricos Sistemas motrices por ejemplo motores de DC y AC en los cuales la corriente que pasa por el motor produce una rotacioacuten

7

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores El relevador tambieacuten conocido como releacute o relay es un dispositivo electromecaacutenico Estaacuten formados por una bobina y unos contactos los cuales pueden conmutar corriente continua o bien corriente alterna Permite controlar circuitos de salida que posean mayor potencia que los de entrada Al fluir corriente a traveacutes del solenoide se produce un campo magneacutetico que atrae la armadura metaacutelica mueve la varilla de empuje cierra los contactos del interruptor normalmente abierto (NO normally open) y abre los contactos del interruptor normalmente cerrado (NC normally closed)

8

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores

9

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control Cuando la salida del controlador es relativamente pequentildea y es necesario encender o apagar un elemento final es necesario una corriente mucho maacutes grande por ejemplo la corriente requerida en un motor En tal situacioacuten es posible utilizar relevadores para realizar este control

Una desventaja presente en los releacutes mecaacutenicos estaacute en su vida uacutetil por el sistema mecaacutenico presente en eacutestos Ademaacutes la conmutacioacuten en un releacute mecaacutenico genera transitorios y sobre picos que pueden alterar una medida o dantildear directamente la eficacia en la entrada de un sistema de adquisicioacuten como el Arduinoreg PLCrsquos o Microcontroladores y la salida en sistemas de control

10

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores De esta forma debido a que los relevadores son inductivos pueden generar un contra voltaje cuando deja de fluir la corriente de energizacioacuten o cuando sus interruptores de entrada van de un estado alto a uno bajo Como resultado se puede presentar dantildeo en el circuito de conexioacuten Para solucionar el problema se debe de conecta un diodo a traveacutes del relevador asiacute cuando se presente una fuerza electromotriz el diodo protegeraacute el sistema

11

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los motores eleacutectricos con frecuencia se usan como elemento de control final en los sistemas de control por posicioacuten o de velocidad Los motores se pueden clasificar en dos categoriacuteas principales

bull Motores de DC

bull Motores de AC

La mayoriacutea de los motores que se emplean en los sistemas de control modernos son motores de DC

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los principios baacutesicos del funcionamiento de un motor son los siguientes

Fuerza sobre un conductor eleacutectrico

Un conductor de longitud l lleva una corriente i en un campo magneacutetico con densidad de flujo B perpendicular al conductor la fuerza ejercida F es igual a Bil

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I

Fuerza F

L

B

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores

119865 = 119861119894119897 ∙ 119904119890119899(120572)

F=Fuerzan en newtons

B= Densidad de flujo magneacutetico1048708(teslas)

i= Corriente eleacutectrica que circula por el conductor1048708(amperes)

l= longitud del conductor

Sen(a)= Seno del aacutengulo que forman los campos B e I1048708

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Cuando decimos que un campo magneacutetico genera una corriente eleacutectrica en un conductor nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida)

La ley que explica esta interaccioacuten entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magneacutetico es la Ley de Faraday

120576 = minus119889120601119898

119889119905 (119907119900119897119905119904)

En donde fm es el flujo del campo magneacutetico Por tanto para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida se debe variar el flujo del campo magneacutetico a traveacutes de la superficie delimitada por el conductor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz

ldquoEl sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo producerdquo

El fenoacutemeno de la induccioacuten magneacutetica constituye el principio baacutesico de los generadores eleacutectricos de ahiacute que cualquier motor es al mismo tiempo un generador

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores En un motor convencional los devanados de alambre se montan en las ranuras de un cilindro de material magneacutetico conocido como armadura Esta armadura esta montada en cojinetes que le permite girar (rotor)

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Actuadores

Devanados

Armadura

Actuadores eleacutectricos - Motores Se monta la armadura en el campo magneacutetico que produciraacuten los polos de campo con los imanes permanentes o electroimanes

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Actuadores

Estator Estator

Rotor

Rotor

Actuadores eleacutectricos - Motores Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador El contacto eleacutectrico con los segmentos se logra mediante contactos de carboacuten conocidos como escobillas

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Conmutador

Escobillas

Actuadores

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores Conforme la armadura gira el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo

Esto es necesario para que las fuerzas que actuacutean en el devanado sigan actuando en la misma direccioacuten y la rotacioacuten continuacutee La direccioacuten de rotacioacuten del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo

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Actuadores

Conmutador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

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Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

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Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Page 5: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos Al estudiar sistemas eleacutectricos que se emplean como actuadores de control deberaacuten tenerse en cuenta los siguientes dispositivos y sistemas

Dispositivos de conmutacioacuten como interruptores mecaacutenicos (relevadores) e interruptores de estado soacutelido (diodos tiristores y transistores) en los que la sentildeal de control enciende o apaga un dispositivo electroacutenico que puede ser un calentador o un motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos Dispositivos tipo solenoide en los cuales una corriente que pasa por un solenoide acciona un nuacutecleo de hierro por ejemplo una vaacutelvula neumaacuteticahidraacuteulico operada por solenoide donde la corriente de control que pasa por el solenoide se utiliza para regular el flujo neumaacuteticohidraacuteulico

6

Actuadores

Actuadores eleacutectricos Sistemas motrices por ejemplo motores de DC y AC en los cuales la corriente que pasa por el motor produce una rotacioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores El relevador tambieacuten conocido como releacute o relay es un dispositivo electromecaacutenico Estaacuten formados por una bobina y unos contactos los cuales pueden conmutar corriente continua o bien corriente alterna Permite controlar circuitos de salida que posean mayor potencia que los de entrada Al fluir corriente a traveacutes del solenoide se produce un campo magneacutetico que atrae la armadura metaacutelica mueve la varilla de empuje cierra los contactos del interruptor normalmente abierto (NO normally open) y abre los contactos del interruptor normalmente cerrado (NC normally closed)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control Cuando la salida del controlador es relativamente pequentildea y es necesario encender o apagar un elemento final es necesario una corriente mucho maacutes grande por ejemplo la corriente requerida en un motor En tal situacioacuten es posible utilizar relevadores para realizar este control

Una desventaja presente en los releacutes mecaacutenicos estaacute en su vida uacutetil por el sistema mecaacutenico presente en eacutestos Ademaacutes la conmutacioacuten en un releacute mecaacutenico genera transitorios y sobre picos que pueden alterar una medida o dantildear directamente la eficacia en la entrada de un sistema de adquisicioacuten como el Arduinoreg PLCrsquos o Microcontroladores y la salida en sistemas de control

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores De esta forma debido a que los relevadores son inductivos pueden generar un contra voltaje cuando deja de fluir la corriente de energizacioacuten o cuando sus interruptores de entrada van de un estado alto a uno bajo Como resultado se puede presentar dantildeo en el circuito de conexioacuten Para solucionar el problema se debe de conecta un diodo a traveacutes del relevador asiacute cuando se presente una fuerza electromotriz el diodo protegeraacute el sistema

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los motores eleacutectricos con frecuencia se usan como elemento de control final en los sistemas de control por posicioacuten o de velocidad Los motores se pueden clasificar en dos categoriacuteas principales

bull Motores de DC

bull Motores de AC

La mayoriacutea de los motores que se emplean en los sistemas de control modernos son motores de DC

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los principios baacutesicos del funcionamiento de un motor son los siguientes

Fuerza sobre un conductor eleacutectrico

Un conductor de longitud l lleva una corriente i en un campo magneacutetico con densidad de flujo B perpendicular al conductor la fuerza ejercida F es igual a Bil

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I

Fuerza F

L

B

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores

119865 = 119861119894119897 ∙ 119904119890119899(120572)

F=Fuerzan en newtons

B= Densidad de flujo magneacutetico1048708(teslas)

i= Corriente eleacutectrica que circula por el conductor1048708(amperes)

l= longitud del conductor

Sen(a)= Seno del aacutengulo que forman los campos B e I1048708

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Cuando decimos que un campo magneacutetico genera una corriente eleacutectrica en un conductor nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida)

La ley que explica esta interaccioacuten entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magneacutetico es la Ley de Faraday

120576 = minus119889120601119898

119889119905 (119907119900119897119905119904)

En donde fm es el flujo del campo magneacutetico Por tanto para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida se debe variar el flujo del campo magneacutetico a traveacutes de la superficie delimitada por el conductor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz

ldquoEl sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo producerdquo

El fenoacutemeno de la induccioacuten magneacutetica constituye el principio baacutesico de los generadores eleacutectricos de ahiacute que cualquier motor es al mismo tiempo un generador

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores En un motor convencional los devanados de alambre se montan en las ranuras de un cilindro de material magneacutetico conocido como armadura Esta armadura esta montada en cojinetes que le permite girar (rotor)

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Actuadores

Devanados

Armadura

Actuadores eleacutectricos - Motores Se monta la armadura en el campo magneacutetico que produciraacuten los polos de campo con los imanes permanentes o electroimanes

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Actuadores

Estator Estator

Rotor

Rotor

Actuadores eleacutectricos - Motores Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador El contacto eleacutectrico con los segmentos se logra mediante contactos de carboacuten conocidos como escobillas

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Conmutador

Escobillas

Actuadores

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores Conforme la armadura gira el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo

Esto es necesario para que las fuerzas que actuacutean en el devanado sigan actuando en la misma direccioacuten y la rotacioacuten continuacutee La direccioacuten de rotacioacuten del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo

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Actuadores

Conmutador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

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Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

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Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Page 6: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos Dispositivos tipo solenoide en los cuales una corriente que pasa por un solenoide acciona un nuacutecleo de hierro por ejemplo una vaacutelvula neumaacuteticahidraacuteulico operada por solenoide donde la corriente de control que pasa por el solenoide se utiliza para regular el flujo neumaacuteticohidraacuteulico

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos Sistemas motrices por ejemplo motores de DC y AC en los cuales la corriente que pasa por el motor produce una rotacioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores El relevador tambieacuten conocido como releacute o relay es un dispositivo electromecaacutenico Estaacuten formados por una bobina y unos contactos los cuales pueden conmutar corriente continua o bien corriente alterna Permite controlar circuitos de salida que posean mayor potencia que los de entrada Al fluir corriente a traveacutes del solenoide se produce un campo magneacutetico que atrae la armadura metaacutelica mueve la varilla de empuje cierra los contactos del interruptor normalmente abierto (NO normally open) y abre los contactos del interruptor normalmente cerrado (NC normally closed)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control Cuando la salida del controlador es relativamente pequentildea y es necesario encender o apagar un elemento final es necesario una corriente mucho maacutes grande por ejemplo la corriente requerida en un motor En tal situacioacuten es posible utilizar relevadores para realizar este control

Una desventaja presente en los releacutes mecaacutenicos estaacute en su vida uacutetil por el sistema mecaacutenico presente en eacutestos Ademaacutes la conmutacioacuten en un releacute mecaacutenico genera transitorios y sobre picos que pueden alterar una medida o dantildear directamente la eficacia en la entrada de un sistema de adquisicioacuten como el Arduinoreg PLCrsquos o Microcontroladores y la salida en sistemas de control

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores De esta forma debido a que los relevadores son inductivos pueden generar un contra voltaje cuando deja de fluir la corriente de energizacioacuten o cuando sus interruptores de entrada van de un estado alto a uno bajo Como resultado se puede presentar dantildeo en el circuito de conexioacuten Para solucionar el problema se debe de conecta un diodo a traveacutes del relevador asiacute cuando se presente una fuerza electromotriz el diodo protegeraacute el sistema

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los motores eleacutectricos con frecuencia se usan como elemento de control final en los sistemas de control por posicioacuten o de velocidad Los motores se pueden clasificar en dos categoriacuteas principales

bull Motores de DC

bull Motores de AC

La mayoriacutea de los motores que se emplean en los sistemas de control modernos son motores de DC

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los principios baacutesicos del funcionamiento de un motor son los siguientes

Fuerza sobre un conductor eleacutectrico

Un conductor de longitud l lleva una corriente i en un campo magneacutetico con densidad de flujo B perpendicular al conductor la fuerza ejercida F es igual a Bil

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I

Fuerza F

L

B

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores

119865 = 119861119894119897 ∙ 119904119890119899(120572)

F=Fuerzan en newtons

B= Densidad de flujo magneacutetico1048708(teslas)

i= Corriente eleacutectrica que circula por el conductor1048708(amperes)

l= longitud del conductor

Sen(a)= Seno del aacutengulo que forman los campos B e I1048708

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Cuando decimos que un campo magneacutetico genera una corriente eleacutectrica en un conductor nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida)

La ley que explica esta interaccioacuten entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magneacutetico es la Ley de Faraday

120576 = minus119889120601119898

119889119905 (119907119900119897119905119904)

En donde fm es el flujo del campo magneacutetico Por tanto para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida se debe variar el flujo del campo magneacutetico a traveacutes de la superficie delimitada por el conductor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz

ldquoEl sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo producerdquo

El fenoacutemeno de la induccioacuten magneacutetica constituye el principio baacutesico de los generadores eleacutectricos de ahiacute que cualquier motor es al mismo tiempo un generador

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores En un motor convencional los devanados de alambre se montan en las ranuras de un cilindro de material magneacutetico conocido como armadura Esta armadura esta montada en cojinetes que le permite girar (rotor)

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Actuadores

Devanados

Armadura

Actuadores eleacutectricos - Motores Se monta la armadura en el campo magneacutetico que produciraacuten los polos de campo con los imanes permanentes o electroimanes

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Actuadores

Estator Estator

Rotor

Rotor

Actuadores eleacutectricos - Motores Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador El contacto eleacutectrico con los segmentos se logra mediante contactos de carboacuten conocidos como escobillas

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Conmutador

Escobillas

Actuadores

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores Conforme la armadura gira el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo

Esto es necesario para que las fuerzas que actuacutean en el devanado sigan actuando en la misma direccioacuten y la rotacioacuten continuacutee La direccioacuten de rotacioacuten del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo

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Actuadores

Conmutador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

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Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

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Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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(ʘ‿ʘ)

Page 7: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos Sistemas motrices por ejemplo motores de DC y AC en los cuales la corriente que pasa por el motor produce una rotacioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores El relevador tambieacuten conocido como releacute o relay es un dispositivo electromecaacutenico Estaacuten formados por una bobina y unos contactos los cuales pueden conmutar corriente continua o bien corriente alterna Permite controlar circuitos de salida que posean mayor potencia que los de entrada Al fluir corriente a traveacutes del solenoide se produce un campo magneacutetico que atrae la armadura metaacutelica mueve la varilla de empuje cierra los contactos del interruptor normalmente abierto (NO normally open) y abre los contactos del interruptor normalmente cerrado (NC normally closed)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores

9

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control Cuando la salida del controlador es relativamente pequentildea y es necesario encender o apagar un elemento final es necesario una corriente mucho maacutes grande por ejemplo la corriente requerida en un motor En tal situacioacuten es posible utilizar relevadores para realizar este control

Una desventaja presente en los releacutes mecaacutenicos estaacute en su vida uacutetil por el sistema mecaacutenico presente en eacutestos Ademaacutes la conmutacioacuten en un releacute mecaacutenico genera transitorios y sobre picos que pueden alterar una medida o dantildear directamente la eficacia en la entrada de un sistema de adquisicioacuten como el Arduinoreg PLCrsquos o Microcontroladores y la salida en sistemas de control

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores De esta forma debido a que los relevadores son inductivos pueden generar un contra voltaje cuando deja de fluir la corriente de energizacioacuten o cuando sus interruptores de entrada van de un estado alto a uno bajo Como resultado se puede presentar dantildeo en el circuito de conexioacuten Para solucionar el problema se debe de conecta un diodo a traveacutes del relevador asiacute cuando se presente una fuerza electromotriz el diodo protegeraacute el sistema

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los motores eleacutectricos con frecuencia se usan como elemento de control final en los sistemas de control por posicioacuten o de velocidad Los motores se pueden clasificar en dos categoriacuteas principales

bull Motores de DC

bull Motores de AC

La mayoriacutea de los motores que se emplean en los sistemas de control modernos son motores de DC

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los principios baacutesicos del funcionamiento de un motor son los siguientes

Fuerza sobre un conductor eleacutectrico

Un conductor de longitud l lleva una corriente i en un campo magneacutetico con densidad de flujo B perpendicular al conductor la fuerza ejercida F es igual a Bil

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I

Fuerza F

L

B

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores

119865 = 119861119894119897 ∙ 119904119890119899(120572)

F=Fuerzan en newtons

B= Densidad de flujo magneacutetico1048708(teslas)

i= Corriente eleacutectrica que circula por el conductor1048708(amperes)

l= longitud del conductor

Sen(a)= Seno del aacutengulo que forman los campos B e I1048708

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Cuando decimos que un campo magneacutetico genera una corriente eleacutectrica en un conductor nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida)

La ley que explica esta interaccioacuten entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magneacutetico es la Ley de Faraday

120576 = minus119889120601119898

119889119905 (119907119900119897119905119904)

En donde fm es el flujo del campo magneacutetico Por tanto para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida se debe variar el flujo del campo magneacutetico a traveacutes de la superficie delimitada por el conductor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz

ldquoEl sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo producerdquo

El fenoacutemeno de la induccioacuten magneacutetica constituye el principio baacutesico de los generadores eleacutectricos de ahiacute que cualquier motor es al mismo tiempo un generador

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores En un motor convencional los devanados de alambre se montan en las ranuras de un cilindro de material magneacutetico conocido como armadura Esta armadura esta montada en cojinetes que le permite girar (rotor)

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Actuadores

Devanados

Armadura

Actuadores eleacutectricos - Motores Se monta la armadura en el campo magneacutetico que produciraacuten los polos de campo con los imanes permanentes o electroimanes

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Actuadores

Estator Estator

Rotor

Rotor

Actuadores eleacutectricos - Motores Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador El contacto eleacutectrico con los segmentos se logra mediante contactos de carboacuten conocidos como escobillas

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Conmutador

Escobillas

Actuadores

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores Conforme la armadura gira el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo

Esto es necesario para que las fuerzas que actuacutean en el devanado sigan actuando en la misma direccioacuten y la rotacioacuten continuacutee La direccioacuten de rotacioacuten del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo

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Actuadores

Conmutador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

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Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

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Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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(ʘ‿ʘ)

Page 8: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Relevadores El relevador tambieacuten conocido como releacute o relay es un dispositivo electromecaacutenico Estaacuten formados por una bobina y unos contactos los cuales pueden conmutar corriente continua o bien corriente alterna Permite controlar circuitos de salida que posean mayor potencia que los de entrada Al fluir corriente a traveacutes del solenoide se produce un campo magneacutetico que atrae la armadura metaacutelica mueve la varilla de empuje cierra los contactos del interruptor normalmente abierto (NO normally open) y abre los contactos del interruptor normalmente cerrado (NC normally closed)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores

9

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control Cuando la salida del controlador es relativamente pequentildea y es necesario encender o apagar un elemento final es necesario una corriente mucho maacutes grande por ejemplo la corriente requerida en un motor En tal situacioacuten es posible utilizar relevadores para realizar este control

Una desventaja presente en los releacutes mecaacutenicos estaacute en su vida uacutetil por el sistema mecaacutenico presente en eacutestos Ademaacutes la conmutacioacuten en un releacute mecaacutenico genera transitorios y sobre picos que pueden alterar una medida o dantildear directamente la eficacia en la entrada de un sistema de adquisicioacuten como el Arduinoreg PLCrsquos o Microcontroladores y la salida en sistemas de control

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores De esta forma debido a que los relevadores son inductivos pueden generar un contra voltaje cuando deja de fluir la corriente de energizacioacuten o cuando sus interruptores de entrada van de un estado alto a uno bajo Como resultado se puede presentar dantildeo en el circuito de conexioacuten Para solucionar el problema se debe de conecta un diodo a traveacutes del relevador asiacute cuando se presente una fuerza electromotriz el diodo protegeraacute el sistema

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los motores eleacutectricos con frecuencia se usan como elemento de control final en los sistemas de control por posicioacuten o de velocidad Los motores se pueden clasificar en dos categoriacuteas principales

bull Motores de DC

bull Motores de AC

La mayoriacutea de los motores que se emplean en los sistemas de control modernos son motores de DC

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los principios baacutesicos del funcionamiento de un motor son los siguientes

Fuerza sobre un conductor eleacutectrico

Un conductor de longitud l lleva una corriente i en un campo magneacutetico con densidad de flujo B perpendicular al conductor la fuerza ejercida F es igual a Bil

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I

Fuerza F

L

B

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores

119865 = 119861119894119897 ∙ 119904119890119899(120572)

F=Fuerzan en newtons

B= Densidad de flujo magneacutetico1048708(teslas)

i= Corriente eleacutectrica que circula por el conductor1048708(amperes)

l= longitud del conductor

Sen(a)= Seno del aacutengulo que forman los campos B e I1048708

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Cuando decimos que un campo magneacutetico genera una corriente eleacutectrica en un conductor nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida)

La ley que explica esta interaccioacuten entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magneacutetico es la Ley de Faraday

120576 = minus119889120601119898

119889119905 (119907119900119897119905119904)

En donde fm es el flujo del campo magneacutetico Por tanto para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida se debe variar el flujo del campo magneacutetico a traveacutes de la superficie delimitada por el conductor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz

ldquoEl sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo producerdquo

El fenoacutemeno de la induccioacuten magneacutetica constituye el principio baacutesico de los generadores eleacutectricos de ahiacute que cualquier motor es al mismo tiempo un generador

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores En un motor convencional los devanados de alambre se montan en las ranuras de un cilindro de material magneacutetico conocido como armadura Esta armadura esta montada en cojinetes que le permite girar (rotor)

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Actuadores

Devanados

Armadura

Actuadores eleacutectricos - Motores Se monta la armadura en el campo magneacutetico que produciraacuten los polos de campo con los imanes permanentes o electroimanes

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Actuadores

Estator Estator

Rotor

Rotor

Actuadores eleacutectricos - Motores Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador El contacto eleacutectrico con los segmentos se logra mediante contactos de carboacuten conocidos como escobillas

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Conmutador

Escobillas

Actuadores

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores Conforme la armadura gira el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo

Esto es necesario para que las fuerzas que actuacutean en el devanado sigan actuando en la misma direccioacuten y la rotacioacuten continuacutee La direccioacuten de rotacioacuten del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo

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Actuadores

Conmutador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

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Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

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Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

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0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

Page 9: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Relevadores

9

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control Cuando la salida del controlador es relativamente pequentildea y es necesario encender o apagar un elemento final es necesario una corriente mucho maacutes grande por ejemplo la corriente requerida en un motor En tal situacioacuten es posible utilizar relevadores para realizar este control

Una desventaja presente en los releacutes mecaacutenicos estaacute en su vida uacutetil por el sistema mecaacutenico presente en eacutestos Ademaacutes la conmutacioacuten en un releacute mecaacutenico genera transitorios y sobre picos que pueden alterar una medida o dantildear directamente la eficacia en la entrada de un sistema de adquisicioacuten como el Arduinoreg PLCrsquos o Microcontroladores y la salida en sistemas de control

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores De esta forma debido a que los relevadores son inductivos pueden generar un contra voltaje cuando deja de fluir la corriente de energizacioacuten o cuando sus interruptores de entrada van de un estado alto a uno bajo Como resultado se puede presentar dantildeo en el circuito de conexioacuten Para solucionar el problema se debe de conecta un diodo a traveacutes del relevador asiacute cuando se presente una fuerza electromotriz el diodo protegeraacute el sistema

11

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los motores eleacutectricos con frecuencia se usan como elemento de control final en los sistemas de control por posicioacuten o de velocidad Los motores se pueden clasificar en dos categoriacuteas principales

bull Motores de DC

bull Motores de AC

La mayoriacutea de los motores que se emplean en los sistemas de control modernos son motores de DC

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los principios baacutesicos del funcionamiento de un motor son los siguientes

Fuerza sobre un conductor eleacutectrico

Un conductor de longitud l lleva una corriente i en un campo magneacutetico con densidad de flujo B perpendicular al conductor la fuerza ejercida F es igual a Bil

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I

Fuerza F

L

B

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores

119865 = 119861119894119897 ∙ 119904119890119899(120572)

F=Fuerzan en newtons

B= Densidad de flujo magneacutetico1048708(teslas)

i= Corriente eleacutectrica que circula por el conductor1048708(amperes)

l= longitud del conductor

Sen(a)= Seno del aacutengulo que forman los campos B e I1048708

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Cuando decimos que un campo magneacutetico genera una corriente eleacutectrica en un conductor nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida)

La ley que explica esta interaccioacuten entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magneacutetico es la Ley de Faraday

120576 = minus119889120601119898

119889119905 (119907119900119897119905119904)

En donde fm es el flujo del campo magneacutetico Por tanto para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida se debe variar el flujo del campo magneacutetico a traveacutes de la superficie delimitada por el conductor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz

ldquoEl sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo producerdquo

El fenoacutemeno de la induccioacuten magneacutetica constituye el principio baacutesico de los generadores eleacutectricos de ahiacute que cualquier motor es al mismo tiempo un generador

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores En un motor convencional los devanados de alambre se montan en las ranuras de un cilindro de material magneacutetico conocido como armadura Esta armadura esta montada en cojinetes que le permite girar (rotor)

17

Actuadores

Devanados

Armadura

Actuadores eleacutectricos - Motores Se monta la armadura en el campo magneacutetico que produciraacuten los polos de campo con los imanes permanentes o electroimanes

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Actuadores

Estator Estator

Rotor

Rotor

Actuadores eleacutectricos - Motores Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador El contacto eleacutectrico con los segmentos se logra mediante contactos de carboacuten conocidos como escobillas

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Conmutador

Escobillas

Actuadores

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores Conforme la armadura gira el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo

Esto es necesario para que las fuerzas que actuacutean en el devanado sigan actuando en la misma direccioacuten y la rotacioacuten continuacutee La direccioacuten de rotacioacuten del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo

20

Actuadores

Conmutador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

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Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

28

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

30

Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

31

32

Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Actuadores eleacutectricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control Cuando la salida del controlador es relativamente pequentildea y es necesario encender o apagar un elemento final es necesario una corriente mucho maacutes grande por ejemplo la corriente requerida en un motor En tal situacioacuten es posible utilizar relevadores para realizar este control

Una desventaja presente en los releacutes mecaacutenicos estaacute en su vida uacutetil por el sistema mecaacutenico presente en eacutestos Ademaacutes la conmutacioacuten en un releacute mecaacutenico genera transitorios y sobre picos que pueden alterar una medida o dantildear directamente la eficacia en la entrada de un sistema de adquisicioacuten como el Arduinoreg PLCrsquos o Microcontroladores y la salida en sistemas de control

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Relevadores De esta forma debido a que los relevadores son inductivos pueden generar un contra voltaje cuando deja de fluir la corriente de energizacioacuten o cuando sus interruptores de entrada van de un estado alto a uno bajo Como resultado se puede presentar dantildeo en el circuito de conexioacuten Para solucionar el problema se debe de conecta un diodo a traveacutes del relevador asiacute cuando se presente una fuerza electromotriz el diodo protegeraacute el sistema

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los motores eleacutectricos con frecuencia se usan como elemento de control final en los sistemas de control por posicioacuten o de velocidad Los motores se pueden clasificar en dos categoriacuteas principales

bull Motores de DC

bull Motores de AC

La mayoriacutea de los motores que se emplean en los sistemas de control modernos son motores de DC

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los principios baacutesicos del funcionamiento de un motor son los siguientes

Fuerza sobre un conductor eleacutectrico

Un conductor de longitud l lleva una corriente i en un campo magneacutetico con densidad de flujo B perpendicular al conductor la fuerza ejercida F es igual a Bil

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I

Fuerza F

L

B

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores

119865 = 119861119894119897 ∙ 119904119890119899(120572)

F=Fuerzan en newtons

B= Densidad de flujo magneacutetico1048708(teslas)

i= Corriente eleacutectrica que circula por el conductor1048708(amperes)

l= longitud del conductor

Sen(a)= Seno del aacutengulo que forman los campos B e I1048708

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Cuando decimos que un campo magneacutetico genera una corriente eleacutectrica en un conductor nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida)

La ley que explica esta interaccioacuten entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magneacutetico es la Ley de Faraday

120576 = minus119889120601119898

119889119905 (119907119900119897119905119904)

En donde fm es el flujo del campo magneacutetico Por tanto para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida se debe variar el flujo del campo magneacutetico a traveacutes de la superficie delimitada por el conductor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz

ldquoEl sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo producerdquo

El fenoacutemeno de la induccioacuten magneacutetica constituye el principio baacutesico de los generadores eleacutectricos de ahiacute que cualquier motor es al mismo tiempo un generador

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores En un motor convencional los devanados de alambre se montan en las ranuras de un cilindro de material magneacutetico conocido como armadura Esta armadura esta montada en cojinetes que le permite girar (rotor)

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Actuadores

Devanados

Armadura

Actuadores eleacutectricos - Motores Se monta la armadura en el campo magneacutetico que produciraacuten los polos de campo con los imanes permanentes o electroimanes

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Actuadores

Estator Estator

Rotor

Rotor

Actuadores eleacutectricos - Motores Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador El contacto eleacutectrico con los segmentos se logra mediante contactos de carboacuten conocidos como escobillas

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Conmutador

Escobillas

Actuadores

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores Conforme la armadura gira el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo

Esto es necesario para que las fuerzas que actuacutean en el devanado sigan actuando en la misma direccioacuten y la rotacioacuten continuacutee La direccioacuten de rotacioacuten del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo

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Actuadores

Conmutador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

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Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

31

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Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Page 11: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Relevadores De esta forma debido a que los relevadores son inductivos pueden generar un contra voltaje cuando deja de fluir la corriente de energizacioacuten o cuando sus interruptores de entrada van de un estado alto a uno bajo Como resultado se puede presentar dantildeo en el circuito de conexioacuten Para solucionar el problema se debe de conecta un diodo a traveacutes del relevador asiacute cuando se presente una fuerza electromotriz el diodo protegeraacute el sistema

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los motores eleacutectricos con frecuencia se usan como elemento de control final en los sistemas de control por posicioacuten o de velocidad Los motores se pueden clasificar en dos categoriacuteas principales

bull Motores de DC

bull Motores de AC

La mayoriacutea de los motores que se emplean en los sistemas de control modernos son motores de DC

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los principios baacutesicos del funcionamiento de un motor son los siguientes

Fuerza sobre un conductor eleacutectrico

Un conductor de longitud l lleva una corriente i en un campo magneacutetico con densidad de flujo B perpendicular al conductor la fuerza ejercida F es igual a Bil

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I

Fuerza F

L

B

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores

119865 = 119861119894119897 ∙ 119904119890119899(120572)

F=Fuerzan en newtons

B= Densidad de flujo magneacutetico1048708(teslas)

i= Corriente eleacutectrica que circula por el conductor1048708(amperes)

l= longitud del conductor

Sen(a)= Seno del aacutengulo que forman los campos B e I1048708

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Cuando decimos que un campo magneacutetico genera una corriente eleacutectrica en un conductor nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida)

La ley que explica esta interaccioacuten entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magneacutetico es la Ley de Faraday

120576 = minus119889120601119898

119889119905 (119907119900119897119905119904)

En donde fm es el flujo del campo magneacutetico Por tanto para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida se debe variar el flujo del campo magneacutetico a traveacutes de la superficie delimitada por el conductor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz

ldquoEl sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo producerdquo

El fenoacutemeno de la induccioacuten magneacutetica constituye el principio baacutesico de los generadores eleacutectricos de ahiacute que cualquier motor es al mismo tiempo un generador

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores En un motor convencional los devanados de alambre se montan en las ranuras de un cilindro de material magneacutetico conocido como armadura Esta armadura esta montada en cojinetes que le permite girar (rotor)

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Actuadores

Devanados

Armadura

Actuadores eleacutectricos - Motores Se monta la armadura en el campo magneacutetico que produciraacuten los polos de campo con los imanes permanentes o electroimanes

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Actuadores

Estator Estator

Rotor

Rotor

Actuadores eleacutectricos - Motores Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador El contacto eleacutectrico con los segmentos se logra mediante contactos de carboacuten conocidos como escobillas

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Conmutador

Escobillas

Actuadores

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores Conforme la armadura gira el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo

Esto es necesario para que las fuerzas que actuacutean en el devanado sigan actuando en la misma direccioacuten y la rotacioacuten continuacutee La direccioacuten de rotacioacuten del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo

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Actuadores

Conmutador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

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Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

31

32

Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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(ʘ‿ʘ)

Page 12: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores Los motores eleacutectricos con frecuencia se usan como elemento de control final en los sistemas de control por posicioacuten o de velocidad Los motores se pueden clasificar en dos categoriacuteas principales

bull Motores de DC

bull Motores de AC

La mayoriacutea de los motores que se emplean en los sistemas de control modernos son motores de DC

12

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Los principios baacutesicos del funcionamiento de un motor son los siguientes

Fuerza sobre un conductor eleacutectrico

Un conductor de longitud l lleva una corriente i en un campo magneacutetico con densidad de flujo B perpendicular al conductor la fuerza ejercida F es igual a Bil

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I

Fuerza F

L

B

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores

119865 = 119861119894119897 ∙ 119904119890119899(120572)

F=Fuerzan en newtons

B= Densidad de flujo magneacutetico1048708(teslas)

i= Corriente eleacutectrica que circula por el conductor1048708(amperes)

l= longitud del conductor

Sen(a)= Seno del aacutengulo que forman los campos B e I1048708

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Cuando decimos que un campo magneacutetico genera una corriente eleacutectrica en un conductor nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida)

La ley que explica esta interaccioacuten entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magneacutetico es la Ley de Faraday

120576 = minus119889120601119898

119889119905 (119907119900119897119905119904)

En donde fm es el flujo del campo magneacutetico Por tanto para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida se debe variar el flujo del campo magneacutetico a traveacutes de la superficie delimitada por el conductor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz

ldquoEl sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo producerdquo

El fenoacutemeno de la induccioacuten magneacutetica constituye el principio baacutesico de los generadores eleacutectricos de ahiacute que cualquier motor es al mismo tiempo un generador

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores En un motor convencional los devanados de alambre se montan en las ranuras de un cilindro de material magneacutetico conocido como armadura Esta armadura esta montada en cojinetes que le permite girar (rotor)

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Actuadores

Devanados

Armadura

Actuadores eleacutectricos - Motores Se monta la armadura en el campo magneacutetico que produciraacuten los polos de campo con los imanes permanentes o electroimanes

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Actuadores

Estator Estator

Rotor

Rotor

Actuadores eleacutectricos - Motores Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador El contacto eleacutectrico con los segmentos se logra mediante contactos de carboacuten conocidos como escobillas

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Conmutador

Escobillas

Actuadores

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores Conforme la armadura gira el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo

Esto es necesario para que las fuerzas que actuacutean en el devanado sigan actuando en la misma direccioacuten y la rotacioacuten continuacutee La direccioacuten de rotacioacuten del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo

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Actuadores

Conmutador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

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Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

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Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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85

(ʘ‿ʘ)

Page 13: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores Los principios baacutesicos del funcionamiento de un motor son los siguientes

Fuerza sobre un conductor eleacutectrico

Un conductor de longitud l lleva una corriente i en un campo magneacutetico con densidad de flujo B perpendicular al conductor la fuerza ejercida F es igual a Bil

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I

Fuerza F

L

B

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores

119865 = 119861119894119897 ∙ 119904119890119899(120572)

F=Fuerzan en newtons

B= Densidad de flujo magneacutetico1048708(teslas)

i= Corriente eleacutectrica que circula por el conductor1048708(amperes)

l= longitud del conductor

Sen(a)= Seno del aacutengulo que forman los campos B e I1048708

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Cuando decimos que un campo magneacutetico genera una corriente eleacutectrica en un conductor nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida)

La ley que explica esta interaccioacuten entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magneacutetico es la Ley de Faraday

120576 = minus119889120601119898

119889119905 (119907119900119897119905119904)

En donde fm es el flujo del campo magneacutetico Por tanto para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida se debe variar el flujo del campo magneacutetico a traveacutes de la superficie delimitada por el conductor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz

ldquoEl sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo producerdquo

El fenoacutemeno de la induccioacuten magneacutetica constituye el principio baacutesico de los generadores eleacutectricos de ahiacute que cualquier motor es al mismo tiempo un generador

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores En un motor convencional los devanados de alambre se montan en las ranuras de un cilindro de material magneacutetico conocido como armadura Esta armadura esta montada en cojinetes que le permite girar (rotor)

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Actuadores

Devanados

Armadura

Actuadores eleacutectricos - Motores Se monta la armadura en el campo magneacutetico que produciraacuten los polos de campo con los imanes permanentes o electroimanes

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Actuadores

Estator Estator

Rotor

Rotor

Actuadores eleacutectricos - Motores Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador El contacto eleacutectrico con los segmentos se logra mediante contactos de carboacuten conocidos como escobillas

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Conmutador

Escobillas

Actuadores

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores Conforme la armadura gira el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo

Esto es necesario para que las fuerzas que actuacutean en el devanado sigan actuando en la misma direccioacuten y la rotacioacuten continuacutee La direccioacuten de rotacioacuten del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo

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Actuadores

Conmutador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

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Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

31

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Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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(ʘ‿ʘ)

Page 14: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores

119865 = 119861119894119897 ∙ 119904119890119899(120572)

F=Fuerzan en newtons

B= Densidad de flujo magneacutetico1048708(teslas)

i= Corriente eleacutectrica que circula por el conductor1048708(amperes)

l= longitud del conductor

Sen(a)= Seno del aacutengulo que forman los campos B e I1048708

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Cuando decimos que un campo magneacutetico genera una corriente eleacutectrica en un conductor nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida)

La ley que explica esta interaccioacuten entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magneacutetico es la Ley de Faraday

120576 = minus119889120601119898

119889119905 (119907119900119897119905119904)

En donde fm es el flujo del campo magneacutetico Por tanto para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida se debe variar el flujo del campo magneacutetico a traveacutes de la superficie delimitada por el conductor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz

ldquoEl sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo producerdquo

El fenoacutemeno de la induccioacuten magneacutetica constituye el principio baacutesico de los generadores eleacutectricos de ahiacute que cualquier motor es al mismo tiempo un generador

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores En un motor convencional los devanados de alambre se montan en las ranuras de un cilindro de material magneacutetico conocido como armadura Esta armadura esta montada en cojinetes que le permite girar (rotor)

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Actuadores

Devanados

Armadura

Actuadores eleacutectricos - Motores Se monta la armadura en el campo magneacutetico que produciraacuten los polos de campo con los imanes permanentes o electroimanes

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Actuadores

Estator Estator

Rotor

Rotor

Actuadores eleacutectricos - Motores Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador El contacto eleacutectrico con los segmentos se logra mediante contactos de carboacuten conocidos como escobillas

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Conmutador

Escobillas

Actuadores

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores Conforme la armadura gira el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo

Esto es necesario para que las fuerzas que actuacutean en el devanado sigan actuando en la misma direccioacuten y la rotacioacuten continuacutee La direccioacuten de rotacioacuten del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo

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Actuadores

Conmutador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

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Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

31

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Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Actuadores eleacutectricos - Motores Cuando decimos que un campo magneacutetico genera una corriente eleacutectrica en un conductor nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida)

La ley que explica esta interaccioacuten entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magneacutetico es la Ley de Faraday

120576 = minus119889120601119898

119889119905 (119907119900119897119905119904)

En donde fm es el flujo del campo magneacutetico Por tanto para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida se debe variar el flujo del campo magneacutetico a traveacutes de la superficie delimitada por el conductor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz

ldquoEl sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo producerdquo

El fenoacutemeno de la induccioacuten magneacutetica constituye el principio baacutesico de los generadores eleacutectricos de ahiacute que cualquier motor es al mismo tiempo un generador

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores En un motor convencional los devanados de alambre se montan en las ranuras de un cilindro de material magneacutetico conocido como armadura Esta armadura esta montada en cojinetes que le permite girar (rotor)

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Actuadores

Devanados

Armadura

Actuadores eleacutectricos - Motores Se monta la armadura en el campo magneacutetico que produciraacuten los polos de campo con los imanes permanentes o electroimanes

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Actuadores

Estator Estator

Rotor

Rotor

Actuadores eleacutectricos - Motores Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador El contacto eleacutectrico con los segmentos se logra mediante contactos de carboacuten conocidos como escobillas

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Conmutador

Escobillas

Actuadores

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores Conforme la armadura gira el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo

Esto es necesario para que las fuerzas que actuacutean en el devanado sigan actuando en la misma direccioacuten y la rotacioacuten continuacutee La direccioacuten de rotacioacuten del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo

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Actuadores

Conmutador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

22

Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

31

32

Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

35

(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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85

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Page 16: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz

ldquoEl sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo producerdquo

El fenoacutemeno de la induccioacuten magneacutetica constituye el principio baacutesico de los generadores eleacutectricos de ahiacute que cualquier motor es al mismo tiempo un generador

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores En un motor convencional los devanados de alambre se montan en las ranuras de un cilindro de material magneacutetico conocido como armadura Esta armadura esta montada en cojinetes que le permite girar (rotor)

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Actuadores

Devanados

Armadura

Actuadores eleacutectricos - Motores Se monta la armadura en el campo magneacutetico que produciraacuten los polos de campo con los imanes permanentes o electroimanes

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Actuadores

Estator Estator

Rotor

Rotor

Actuadores eleacutectricos - Motores Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador El contacto eleacutectrico con los segmentos se logra mediante contactos de carboacuten conocidos como escobillas

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Conmutador

Escobillas

Actuadores

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores Conforme la armadura gira el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo

Esto es necesario para que las fuerzas que actuacutean en el devanado sigan actuando en la misma direccioacuten y la rotacioacuten continuacutee La direccioacuten de rotacioacuten del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo

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Actuadores

Conmutador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

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Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

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Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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85

(ʘ‿ʘ)

Page 17: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores En un motor convencional los devanados de alambre se montan en las ranuras de un cilindro de material magneacutetico conocido como armadura Esta armadura esta montada en cojinetes que le permite girar (rotor)

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Actuadores

Devanados

Armadura

Actuadores eleacutectricos - Motores Se monta la armadura en el campo magneacutetico que produciraacuten los polos de campo con los imanes permanentes o electroimanes

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Actuadores

Estator Estator

Rotor

Rotor

Actuadores eleacutectricos - Motores Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador El contacto eleacutectrico con los segmentos se logra mediante contactos de carboacuten conocidos como escobillas

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Conmutador

Escobillas

Actuadores

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores Conforme la armadura gira el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo

Esto es necesario para que las fuerzas que actuacutean en el devanado sigan actuando en la misma direccioacuten y la rotacioacuten continuacutee La direccioacuten de rotacioacuten del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo

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Actuadores

Conmutador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

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Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

28

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

30

Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

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Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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85

(ʘ‿ʘ)

Page 18: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores Se monta la armadura en el campo magneacutetico que produciraacuten los polos de campo con los imanes permanentes o electroimanes

18

Actuadores

Estator Estator

Rotor

Rotor

Actuadores eleacutectricos - Motores Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador El contacto eleacutectrico con los segmentos se logra mediante contactos de carboacuten conocidos como escobillas

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Conmutador

Escobillas

Actuadores

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores Conforme la armadura gira el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo

Esto es necesario para que las fuerzas que actuacutean en el devanado sigan actuando en la misma direccioacuten y la rotacioacuten continuacutee La direccioacuten de rotacioacuten del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo

20

Actuadores

Conmutador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

21

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

22

Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

31

32

Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

45

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Page 19: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador El contacto eleacutectrico con los segmentos se logra mediante contactos de carboacuten conocidos como escobillas

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Conmutador

Escobillas

Actuadores

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores Conforme la armadura gira el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo

Esto es necesario para que las fuerzas que actuacutean en el devanado sigan actuando en la misma direccioacuten y la rotacioacuten continuacutee La direccioacuten de rotacioacuten del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo

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Actuadores

Conmutador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

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Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

27

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

28

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

30

Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

31

32

Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

35

(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

36

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

42

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

Page 20: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores Conforme la armadura gira el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo

Esto es necesario para que las fuerzas que actuacutean en el devanado sigan actuando en la misma direccioacuten y la rotacioacuten continuacutee La direccioacuten de rotacioacuten del motor de DC se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo

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Actuadores

Conmutador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

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Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

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Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

56

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

62

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

Page 21: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Hace antildeos la empresa mastecreg realizoacute un proyecto mecatroacutenico donde se implementoacute un contacto eleacutectrico con escobillas de carboacuten para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior de un robot de 360deg

21

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

22

Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

30

Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

31

32

Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

39

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

40

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

42

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

46

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

48

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Page 22: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten En los motores de imaacuten permanente los campos del estator son proporcionados mediante imanes permanentes

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Actuadores

Imaacuten permanente

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

31

32

Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Page 23: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente no requieren fuente de alimentacioacuten externa y por lo tanto no producen calentamiento

Un motor de imaacuten permanente es maacutes ligero y maacutes pequentildeo que otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del campo del imaacuten permanente es alta

Los motores de imaacuten permanente son faacuteciles de invertir al conmutar la direccioacuten del voltaje aplicado pues la corriente y el campo cambian de direccioacuten soacutelo en el rotor

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Imaacuten permanente

Rotor

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

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Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

Page 24: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Los motores de imaacuten permanente pueden ser motores con escobillas sin escobillas o de pasos

Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Un problema con los motores DC es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma perioacutedica la corriente que pasa por cada uno de sus devanados de la armadura

Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector las chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas Por ello las escobillas deben remplazarse de manera perioacutedica y recubrirse el colector Para evitar estos problemas se han disentildeado motores sin escobillas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

27

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

28

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

29

Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

30

Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

31

32

Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

35

(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

40

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

46

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

48

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

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Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

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Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Page 25: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

Estos motores consisten en un rotor de imaacuten permanente Un conductor por el que pasa corriente eleacutectrica en un campo magneacutetico experimenta una fuerza asimismo como consecuencia de la tercera ley de Newton el imaacuten tambieacuten experimenta una fuerza opuesta de igual magnitud

En un motor DC convencional el imaacuten esta fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento En cambio en el motor DC de imaacuten permanente sin escobillas sucede lo contrario los conductores por los que pasa la corriente estaacuten fijos y el imaacuten se mueve

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

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Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

36

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

37

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

38

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

39

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

45

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

46

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

48

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

49

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

56

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

62

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Page 26: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

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Actuadores

Rotor imaacuten permanente

Devanados Rotor imaacuten permanente

Devanados

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

27

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

28

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

30

Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

31

32

Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

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Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

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Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

Page 27: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores - Imaacuten Motores de imaacuten permanente sin escobillas

La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electroacutenica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados la conmutacioacuten se controla con la posicioacuten del rotor de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imaacuten provocando que rote en la misma direccioacuten

Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la posicioacuten del rotor e iniciar la conmutacioacuten de los transistores estos sensores se colocan alrededor del estator

Estos motores se utilizan cada vez maacutes cuando se necesita alto rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento Gracias a que no tienen escobillas estos motores no producen ruido y permite alcanzar altas velocidades

27

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

28

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

29

Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

30

Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

31

32

Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

35

(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

36

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

37

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

38

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

40

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

41

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

42

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

46

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

47

Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

49

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

62

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

64

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Page 28: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Lineal Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones fiacutesicas ordenadas por alguacuten sistema de control

Se le da el nombre de actuadores eleacutectricos cuando se usa la energiacutea eleacutectrica para que se ejecuten sus movimientos Los actuadores eleacutectricos se utilizan para robots sistemas mecatroacutenicos y de control de tamantildeo mediano pues eacutestos no requieren de tanta velocidad ni potencia Los robots sistemas mecatroacutenicos y de control que usan actuadores eleacutectricos se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

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Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

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Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

35

(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

56

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

62

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

64

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

Page 29: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Lineal Un actuador lineal eleacutectrico es un dispositivo que convierte el movimiento de rotacioacuten de un motor de corriente continua de bajo voltaje en movimiento lineal Un actuador lineal eleacutectrico consta de un motor un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca

29

Actuadores

motor

engranaje Rosca sin fin

Actuadores eleacutectricos - Lineal

30

Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

31

32

Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

35

(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

36

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

37

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

38

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

39

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

40

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

41

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

42

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

43

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

44

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

45

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

46

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

47

Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

48

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

49

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Page 30: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Lineal

30

Actuadores

Proyecto de laboratorio 6

31

32

Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

35

(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

41

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

45

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

46

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

47

Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

48

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

49

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

56

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

62

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

64

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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85

(ʘ‿ʘ)

Page 31: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Proyecto de laboratorio 6

31

32

Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

35

(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

36

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

37

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

38

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

39

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

40

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

41

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

42

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Page 32: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

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Proyecto de laboratorio 6

Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eleacutectrico fotorresistencias y un calentador paraboacutelico solar

Objetivo Objetivo

Caracteriacutesticas del sistema bull El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar

hasta la puesta del sol su uacutenico movimiento seraacute del este al oeste bull Si es posible deberaacute regresar a su posicioacuten original para el siguiente diacutea y

el control deberaacute ser automaacutetico bull Es importante disentildear el sistema completo un sistema autoacutenomo (calcular

bien la bateriacutea a utilizar)

35

(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

40

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

41

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

42

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

43

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

44

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

45

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

46

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

47

Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

48

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

49

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

56

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

62

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

64

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

Page 33: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

35

(ʘ‿ʘ)

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

36

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

37

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

38

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

39

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

La caracteriacutestica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique Este paso puede variar desde 90deg hasta pequentildeos movimientos de tan solo 18deg es decir que se necesitaraacuten 4 pasos en el primer caso (90deg) y 200 para el segundo caso (18deg) para completar un giro completo de 360deg Los motores paso a paso son ideales para la construccioacuten de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

38

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

39

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

40

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

41

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

42

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

43

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

44

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

45

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

46

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

47

Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

48

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

49

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

56

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

62

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

64

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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(ʘ‿ʘ)

Page 35: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso

Baacutesicamente estos motores estaacuten constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto nuacutemero de bobinas excitadoras bobinadas en su estator Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imaacuten permanente Toda la conmutacioacuten (o excitacioacuten de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador

Los motores paso a paso de imaacuten permanente se dividen a su vez en distintos tipos diferenciados por el tipo de bobinado Existen entonces motores paso a paso de imaacuten permanente unipolares (tambieacuten llamados unifilares)y los de imaacuten permanente bipolares (tambieacuten llamados bifilares)

37

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

44

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

45

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

47

Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

49

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Los motores unipolares son relativamente faacuteciles de controlar gracias a que poseen devanados duplicados y un terminal comuacuten a ambas bobinas

Tienen dos bobinas en cada eje del estator que estaacuten unidas por extremos opuestos de tal modo que al ser alimentada una u otra generan cada una un campo magneacutetico inverso al de la otra Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida dependiendo de sus conexiones internas

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

40

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

41

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

42

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

43

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

44

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

45

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

46

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

47

Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

48

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

49

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

56

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

62

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

64

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

Page 37: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Por ejemplo para controlar un motor de paso unipolar se pude usar el circuito integrado ULN2003A el cual es una arreglo de 7 transistores tipo Darlington o el ULN2803 arreglo de 8 transistores tipo Darlington los cuales permiten incrementar el voltaje que se le suministra al motor

39

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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(ʘ‿ʘ)

Page 38: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

El ULN2803 es una matriz Darlington de ocho canales utilizados para interconectar a los microcontroladores de alta tensioacuten altos dispositivos como solenoides laacutemparas relevadores etc Tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal En la salida tienen diodos de fijacioacuten para proteger los circuitos de baja potencia del microcontrolador

El ULN2003 es un conjunto de siete transistores Darlington al igual que el circuito integrado ULN2803 tiene la capacidad para conducir 500 mA en un solo canal

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

45

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

47

Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

48

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

49

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

56

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

62

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

64

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

Page 39: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores las cuales se detallan a continuacioacuten

Secuencia Normal Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas se obtiene un alto torque de paso y de retencioacuten

Secuencia del tipo wave drive En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave La contrapartida es que al estar solo una bobina activada el torque de paso y retencioacuten es menor

Secuencia del tipo medio paso En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y asiacute sucesivamente

41

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

42

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

43

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

44

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

45

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

46

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

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Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

49

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

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(ʘ‿ʘ)

Page 40: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia normal

42

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON ON OFF OFF

2 OFF ON ON OFF

3 OFF OFF ON ON

4 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

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Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

45

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

46

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

47

Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

48

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

49

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

56

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

64

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

Page 41: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash secuencia wave drive

43

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 OFF ON OFF OFF

3 OFF OFF ON OFF

4 OFF OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

44

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

45

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

46

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

47

Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

48

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

49

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

56

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

62

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

64

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

Page 42: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

44

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

1 ON OFF OFF OFF

2 ON ON OFF OFF

3 OFF ON OFF OFF

4 OFF ON ON OFF

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

45

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

46

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

47

Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

49

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

56

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

62

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

64

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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(ʘ‿ʘ)

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Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso unipolares ndash medio paso

45

Actuadores

PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D

5 OFF OFF ON OFF

6 OFF OFF ON ON

7 OFF OFF OFF ON

8 ON OFF OFF ON

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

46

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

47

Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

48

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

49

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

56

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

62

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

64

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

Page 44: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia maacutes complejos Como no tienen el doble bobinado de los unipolares los motores bipolares ofrecen una mejor relacioacuten entre torque y tamantildeopeso La configuracioacuten de los motores bipolares requiere que las bobinas reciban corriente en uno y otro sentido y no solamente un encendidoapagado como en los unipolares Esto hace necesario el uso de un Puente H sobre cada uno de los bobinados

46

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

47

Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

48

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

49

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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(ʘ‿ʘ)

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Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores necesitan la inversioacuten de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada Cada inversioacuten de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso cuyo sentido de giro estaacute determinado por la secuencia seguida A continuacioacuten se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares

47

Actuadores

PASO TERMINALES

A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

48

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

49

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

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Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

Page 46: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores Motores de paso bipolares

Estos motores tienen generalmente cuatro cables de salida El uso del puente H es necesario para cada bobina del motor es decir que para controlar un motor de pasos de 4 cables es necesario utilizar dos puentes H El L293D tiene dos puentes H y proporciona 600mA al motor y soporta un voltaje entre 45V y 36V

48

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

49

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

56

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

62

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

64

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

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Actuadores eleacutectricos - Motores Puente H

Para utilizar el motor en direccioacuten directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores llamado Puente H El L293 es un circuito integrado que se usa para el control de dos motores que pueden ser controladores simultaacuteneamente y ademaacutes en forma bidireccional

49

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

56

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

62

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

64

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

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(ʘ‿ʘ)

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Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es baacutesicamente un actuador mecaacutenico basado en un motor eleacutectrico y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser controlado tanto en velocidad como en posicioacuten

54

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

56

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

Page 49: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posicioacuten dentro de un rango de operacioacuten (generalmente de 180˚) y mantenerse estable en dicha posicioacuten Los servos se suelen utilizar en roboacutetica automatizacioacuten y modelismo (vehiacuteculos por radio control) debido a su gran precisioacuten en el posicionamiento

55

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

56

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

62

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

64

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

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Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

En general los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales

1 Motor DC Es el elemento que le brinda movilidad al servo Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales este motor gira en un sentido a su velocidad maacutexima Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso el sentido de giro tambieacuten se invierte

2 Engranajes reductores Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par motor)

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Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

62

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

64

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

Page 51: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

3 Sensor de desplazamiento Suele ser un potencioacutemetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posicioacuten angular del motor

4 Circuito de control Es una placa electroacutenica que implementa un control de la posicioacuten por realimentacioacuten Para ello este circuito compara la sentildeal de entrada de referencia (posicioacuten deseada) con la posicioacuten actual medida por el potencioacutemetro La diferencia entre la posicioacuten actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la direccioacuten necesaria para reducir el error

57

Actuadores

+

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

64

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

Page 52: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

58

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

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Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

Page 53: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Los servos disponen de tres cables

2 cables de alimentacioacuten (positivo y negativo) que suministran un voltaje 48-6V y un cable de control que indica la posicioacuten deseada al circuito de control mediante sentildeales PWM (Pulse Width Modulation)

59

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

62

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

64

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

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Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Las sentildeales PWM utilizadas para controlar los servos estaacuten formadas por pulsos positivos cuya duracioacuten es proporcional a la posicioacuten deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz)

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90˚ que corresponde a pulsos PWM comprendidos entre 09 y 21 ms Sin embargo tambieacuten existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de control variacutean entre 05 y 25 ms

60

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

61

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

62

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

64

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

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Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

64

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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(ʘ‿ʘ)

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Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

Page 57: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Antes de utilizar un servo habraacute que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dantildearlo Para bloquear al servomotor en una posicioacuten es necesario enviarle continuamente la sentildeal con la posicioacuten deseada De esta forma el sistema de control seguiraacute operando y el servo conservaraacute su posicioacuten y se resistiraacute a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicioacuten

63

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

64

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

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Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados Para controlarlo se debe calcular el ancho del pulso

En -90 grados = 05ms en +90 grados = 25ms por lo que el -45 grados = 1ms

Tambieacuten es posible dejar de enviar pulsos despueacutes que el servo se ha movido a su posicioacuten Pero si dejamos de enviar pulsos por maacutes de 50ms (dependiendo del servo) este podriacutea caerse lo que significa que no se estariacutea aplicando ninguna entrada al motor

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores

65

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

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Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Para el control de motores en DC provenientes de microprocesadores se utiliza la teacutecnica de modulacioacuten por ancho de pulsos (PWM pulse width modulation) debido a que la velocidad de giro es directamente proporcional a una tensioacuten (o voltaje) aplicado

Esta teacutecnica de modulacioacuten modifica el ciclo de trabajo de una sentildeal perioacutedica es decir el ancho relativo de su parte positiva en relacioacuten al periacuteodo Cuando mas tiempo pase la sentildeal en estado alto mayor seraacute la velocidad del motor

66

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

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Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Una sentildeal PWM tiene dos caracteriacutesticas importantes

- Frecuencia Las sentildeales PWM que se utilizan para regular motores

son normalmente ondas cuadradas perioacutedicas de 24V

67

Se puede apreciar que la sentildeal se repite continuamente El tiempo de cada repeticioacuten (nivel alto + nivel bajo de sentildeal) se conoce como periodo de la sentildeal y el inverso de este tiempo es lo que se conoce como frecuencia y se mide en Herz (Hz)

24v

24v

24v

0v

0v

0v

20 ciclo de trabajo

50 ciclo de trabajo

80 ciclo de trabajo

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

- Ciclo de trabajo (duty cycle) La proporcioacuten del tiempo que estaacute la sentildeal a nivel alto con respecto al tiempo que estaacute a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo

Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor Un regulador PWM de velocidad de un motor lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo de trabajo

68

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

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Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

Page 63: Elementos de Mecatrónica - robotica-up.org · Actuadores eléctricos - Relevadores Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control. Cuando la salida del controlador

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

69

Manteniendo una frecuencia constante de la sentildeal de salida de cualquiera de los puertos de un microcontrolador podemos aplicar una variacioacuten del tiempo de duracioacuten de la mencionada salida en estado alto - referencias de color rojo De esta manera si la variacioacuten es en aumento incrementaraacute el valor promedio del voltaje aplicado en el dispositivo conectado - referencias de color verde

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

72

Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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(ʘ‿ʘ)

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Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias ventajas sobre un circuito analoacutegico como lo son la precisioacuten y un mejor control de las variables involucradas ademaacutes de espacio y ahorro de energiacutea Como el micro trabaja a 5V puede usarse un transistor de potencia para controlar cargas mayores

70

Actuadores

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

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Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

75

Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1

include ltServohgt

Servo miServo

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

miServowrite(0)

71

Actuadores

Puerto Digital

Grados del servomotor (0deg a 180deg)

Libreriacutea

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 2

include ltServohgt

Servo miServo

int pos = 0

void setup()

miServoattach(9)

void loop()

for (pos = 0 pos lt= 180 pos += 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

for (pos = 180 pos gt= 0 pos -= 1)

miServowrite(pos)

delay(15)

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Actuadores

Variable para almacenar la posicioacuten del servo

Puerto Digital

Va de 0 grados a 180 grados pasos de 1 grado

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado

Libreriacutea

Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo

Tiempo-Velocidad

Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

77

85

(ʘ‿ʘ)

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Actuadores eleacutectricos - Motores PWM

Hay muchos circuitos analoacutegicos para el uso del PWM por ejemplo los basados en el famoso timer LM555 que por medio de voltaje hacemos que el pulso cambie su ancho

73

Actuadores

Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

74

Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Sensor Ultrasoacutenico El sensor consta de 4 pines VCC conectado a la salida de 5V de la placa Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar el pulso ultrasoacutenico Echo al pin de entrada digital que recibiraacute el eco de dicho pulso y GND a tierra

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Actuadores

Programa - Sensor Ultrasoacutenico (Arduino) long distancia long tiempo void setup() Serialbegin(9600) pinMode(12 OUTPUT) pinMode(11 INPUT) void loop() digitalWrite(12LOW) delayMicroseconds(5) digitalWrite(12 HIGH) delayMicroseconds(10) tiempo=pulseIn(11 HIGH) distancia= int(0017tiempo) Serialprintln(Distancia ) Serialprintln(distancia) Serialprintln( cm) delay(1000)

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Actuadores

Activacioacuten del pin 12 como salida para el pulso ultrasoacutenico

Activacioacuten del pin 11 como entrada tiempo del rebote del ultrasonido

Estabilizacioacuten del sensor

Enviacuteo del pulso ultrasoacutenico

Funcioacuten para medir la longitud del pulso entrante Mide el tiempo que transcurrido entre el enviacuteo del pulso ultrasoacutenico y cuando el sensor recibe el rebote

Foacutermula para calcular la distancia

Proyecto de laboratorio 7

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Proyecto de laboratorio 7

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