seminario “diseño y construcción de microrrobots” · • se utiliza un puente en h que se...

Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 1

SEMINARIO: DiseSEMINARIO: Diseñño y Construccio y Construccióón de Microrrobotsn de Microrrobots

CONTROL DE MOTORES

SEMINARIO“Diseño y construcción de

Microrrobots”

D. Jesús Ureña Ureñ[email protected]


GUIGUIÓÓNN

•MOTORES ... ¿PARA QUÉ?•Tracción y dirección en Micro-Robots

•Orientación de sistemas sensoriales

•MOTORES DC• Tipos y funcionamiento• Características y dimensionado de un motor DC• Reductoras y encoders• Selección de un motor para Micro-Robots• Control en lazo abierto

• Driver lineales• Puente en H

• Control en lazo cerrado

•Servomotores

•MOTORES P-P•Tipos y funcionamiento• Características y dimensionado de un motor DC• Control de motores paso a paso

•Alimentación: baterías


1. MOTORES ... 1. MOTORES ... ¿¿PARA QUPARA QUÉÉ??

Los motores permiten la conversión de energía eléctrica en mecánica, permitiendo el movimiento del robot.

Los movimientos pueden ser de rotación más o menos continua (caso de ruedas tractoras).

O de pequeños desplazamientos (caso de patas, dirección por volante, orientación de sensores, etc.)


¿¿CCÓÓMO SEMO SE DESPLAZA UN ROBOT?DESPLAZA UN ROBOT?

DIRECCIÓN DIFERENCIAL:Dos ruedas de tracción independientes

ARQUITECTURA TRICICLO:Tracción y dirección independientes

TIPO COCHETracción y dirección en dos ruedas


¿¿CCÓÓMO SEMO SE DESPLAZA UN ROBOT?DESPLAZA UN ROBOT?

MOVIMIENTO CON PATAS:Cada pata requiere dos rotaciones

DIRECCIÓN SÍNCRONA:Rotación simultánea de todas las ruedas


CINEMCINEMÁÁTICATICA DE UN ROBOTDE UN ROBOT

CINEMÁTICA DIRECTA:

¿Cómo afectan los movimientos de los ejes de un robot a su posición y orientación?

CINEMÁTICA INVERSA:

Para pasar de una posición a otra ¿qué movimientos de los ejes de un robot deben realizarse?

El tipo de configuración afecta fuertemente a la cinemática

Dirección diferencial: (giro sobre sí mismo)

Dirección tipo coche: (no giro sobre sí mismo)


2.2.-- MOTORES DC: TIPOS MOTORES DC: TIPOS

TIPOS DE MOTORES

Motores DC• Motores de imán permanente (PM) (estátor)

• Con núcleo de hierro (rotor)

• Sin núcleo de hierro (rotor))• Motores sin escobillas (brushless)• Motores de campo bobinado

• Conexión serie• Conexión paralelo

• Motores paso a paso• De imán permanente (PM)• De reluctancia variable• Híbridos

Motores AC• Motores AC monofásicos• Motores AC trifásicos

Motores de imán permanente -PM- (estátor)

Motores paso a paso -PP-


2.2.-- MOTORES DC: FUNCIONAMIENTOMOTORES DC: FUNCIONAMIENTO

FUNCIONAMIENTO MOTOR DC -PM-

Ley de Lorentz Esquema de conmutación por escobillas


2.2.-- MOTORES DC: CARACTERMOTORES DC: CARACTERÍÍSTICAS (1)STICAS (1)

CURVAS VELOCIDAD PAR

Parámetros significativos

Tensión nominal del motor: V

Corriente sin carga: Io

Corriente de arranque: Is=V/R

Velocidad sin carga: No

Par de parada: Ts

Rendimiento máximo: ηmáx

Potencia máxima: Pmáx=1/4 No TsPAR

Rendimiento

Velocidad

angularIntensidadPotencia


2.2.-- MOTORES DC: CARACTERMOTORES DC: CARACTERÍÍSTICAS (2)STICAS (2)

VARIACIONES DE TENSIÓN EMPLEO DE REDUCTORAS


2.2.-- MOTORES DC: HOJAS TMOTORES DC: HOJAS TÉÉCNICASCNICAS

Motores de 22mm en Miniatura de Control d.c.Características TécnicasCódigo RS 323-4896 323-4903 Potencia nominal (W) 5 5Tensión nominal (V) 6 12Velocidad sin carga (rpm) 8.760 9.970Par de parada (mNm) 20,7 22,6Velocidad (rpm) 5.800 6.600Velocidad máx. permisible (rpm) 10.600 10.600Corriente sin carga (mA) 169 10,4Corriente máx. continua (mA) 666 371Par máx. continuo (mNm) 6,48 6,34Dimensiones (mm)long. del cuerpo 31,9 31,9Ø del cuerpo 22 22Ø del eje 2 2

Unidades por Lote = 1 tipo código RS precio unitario Euros

1-4 5-9 10+6V 323-4896 35 30 2512V 323-4903 35 30 25

www.amidata.es


2.2.-- MOTORES DC: KIT PRMOTORES DC: KIT PRÁÁCTICOCTICO

MOTORES DE JUGUETES

• Rendimientos pobres

• Precios muy reducidos y fáciles de conseguir.

• Fácil de configurar mecánicamente


2.2.-- MOTORES DC: KIT PRMOTORES DC: KIT PRÁÁCTICO (2)CTICO (2)

MODIFICACIÓN DE SERVOMOTORES DE MODELISMO

• Uso como motor normal (requiere modificaciones)

• Uso como control de posición.

•Disponibles en tiendas de modelismo (baratos)

• Llevan reductora

• Ejemplos::

• Mabuchi

•Futaba

Desoldar módulo de control de posición

Eliminar pestillo de realimentación mecánica


MOTORES DC: ControlMOTORES DC: Control

DRIVER DE POTENCIA• Los circuitos digitales no pueden generar la

corriente que necesita un motor para funcionar• Se utiliza un circuito de potencia adaptador• El driver puede estar formado por componentes

discretos o por un circuito integrado• En control digital los drivers se comportan como

interruptores

Motor

Tensión de alimentación

del motor

Control


del motor

Control

Motor


2.2.-- MOTORES DC: CIRCUITOS DE EXCITACIMOTORES DC: CIRCUITOS DE EXCITACIÓÓN LINEALESN LINEALES

DRIVER LINEAL

• Basado en AOs de potencia (L165, L272, ...).

• El driver disipa bastante potencia al trabajar en zona lineal. ¡Sólo útil para bajas corrientes!

• No hay ruidos de conmutación

• No es fácil el interfaz con microcontroladores (DAC)

Vcc

R1R2

R1R2 R R R

R

M_+

_

+

Im = Ve · R2 / (R1·Rs)

±VinRs

Vcc

VM

En corriente

Vcc

R1R2

R1R2 R R R

R

M_+

_

+

Vm = Ve · (R2 / R1)

±Ve

En tensión


2.2.-- MOTORES DC: EXCITACIMOTORES DC: EXCITACIÓÓN CON PUENTE EN H (I)N CON PUENTE EN H (I)

CONTROL DEL SENTIDO DE GIRO (I)• Se utiliza un Puente en H que se implementa con cuatro

interruptores• Los interruptores se van abriendo de dos en dos• Nunca cerrar los dos de un mismo lado simultáneamente

Motor


del motor


del motor Motor


2.2.-- MOTORES DC: EXCITACIMOTORES DC: EXCITACIÓÓN CON PUENTE EN H (II)N CON PUENTE EN H (II)

Motor


del motor


del motor Motor

CONTROL DEL SENTIDO DE GIRO (II)• Se utiliza un Puente en H que implementa cuatro interruptores• Los interruptores se van abriendo de dos en dos• Nunca cerrar los dos de un mismo lado simultáneamente


2.2.-- MOTORES DC: EXCITACIMOTORES DC: EXCITACIÓÓN CON PUENTE EN H (III)N CON PUENTE EN H (III)

DRIVER NO LINEAL

• Basado en Puente en H: bien discreto, bien integrado (mejor para bajas potencias)

•El driver disipa poca potencia al trabajar los dispositivos en corte-conducción. ¡Útil para corrientes altas!

• Hay ruidos de conmutación• El interfaz con microcontroladores es más fácil (técnicas PWM)

Nivel alto: S1 y S4 conduciendo

Nivel bajo: S1 y S4 cortados

Trabajando con la diagonal S1-S4

Ciclo de trabajo:

D=ton/Tperiod

D=10%

D=40%

D=80%


2.2.-- MOTORES DC: PUENTE EN H (MODOS)MOTORES DC: PUENTE EN H (MODOS)

MODOS DE FUNCIONAMIENTO DEL PUENTE EN H CON DIODOS DE LIBRE CIRCULACIÓN: Necesario para trabajar con cambios de sentido de giro bruscos y a “contracarga”


2.2.-- MOTORES DC: PUENTE EN H MOTORES DC: PUENTE EN H ¿¿BIPOLAR O UNIPOLAR?BIPOLAR O UNIPOLAR?

BIPOLAR

• Control por corriente de base.

• Mayores pérdidas (caída de tensión en saturación de 1 - 1,5 V)

• Diodos de libre circulación aparte del BJT

UNIPOLAR

• Control por tensión (Vgsdel orden de 10 V). ¡Mayores tensiones de alimentación!

• Menores pérdidas (en conducción Ron de décimas de ohmio).

• Diodos de libre circulación integrados en el MOSFET

Si fuese canal N


2.2.-- MOTORES DC: PUENTE EN H (MOSFET MOTORES DC: PUENTE EN H (MOSFET --L6202L6202--))


2.2.-- MOTORES DC: PUENTE EN H (MOTORES DC: PUENTE EN H (BJTsBJTs --L293L293--))

Puente completo (para un motor)


2.2.-- MOTORES DC: PUENTE EN H (Modos de excitaciMOTORES DC: PUENTE EN H (Modos de excitacióón)n)

+V+V +V

PWMSIGNO

PWMSIGNO

PWM

a) b) c)

SIGNO: Selecciona una diagonal (sentido del motor)

PWM: Modula la conducción de sólo uno de los transistores de una diagonal.

SIGNO: Selecciona una diagonal (sentido del motor)

PWM: Modula la conducción de los dos transistores de una diagonal.

SIGNO: Implícito en la señal PWM (según el ciclo de trabajo esté por debajo o por encima del 50%)

PWM: Modula la conducción alterna de ambas diagonales.


2.2.-- MOTORES DC: PUENTE EN H (PWM+Sentido)MOTORES DC: PUENTE EN H (PWM+Sentido)

• Se selecciona el sentido de giro con la señal SIGNO

• Para cada sentido de giro la señal PWM puede variar con ciclos de trabajo 0<D<1

PWM SIGNO


2.2.-- MOTORES DC: PUENTE EN H (SMOTORES DC: PUENTE EN H (Sóólo PWM y ENABLE)lo PWM y ENABLE)

• La señal de ENABLE bloquea el funcionamiento del puente

• El sentido de giro va implícito en la señal PWM:

• 0<D<0,5 un sentido

• 0,5<D<1 otro sentido

• D=0,5 motor parado

ENABLE PWM

D=20% V medio negativaVmotor

t

Vmotor

t

D=80% V medio positiva

t

D=50% V medio nulaVmotor


2.2.-- MOTORES DC: PUENTE EN H (GeneraciMOTORES DC: PUENTE EN H (Generacióón PWM)n PWM)

COMPARACIÓN ANALÓGICA

Oscilador: generador de rampa

+

-

PWMSeñal de consigna (analógica)

COMPARACIÓN DIGITAL

Contador cíclico de N bits

PWM

CLK

Registro de consigna (N bits)Micro

Comparador digital de N bits

B

A

A>B


3.3.-- MOTORES DC: SENSADO Y LIMITACIMOTORES DC: SENSADO Y LIMITACIÓÓN DE CORRIENTEN DE CORRIENTE

MOTOR 1

MOTOR 2

RESISTORES DE SENSADOCOMPARADORES


2.2.-- MOTORES DC: ENCODERSMOTORES DC: ENCODERS

FUNDAMENTO• Una rueda con zonas homogéneas que dejan pasar una radiación

FABRICACIÓN “CASERA”


2.2.-- MOTORES DC: CONTROL EN LAZO CERRADOMOTORES DC: CONTROL EN LAZO CERRADO

EJEMPLO PARA CONTROL DE DIRECCIÓN DIFERENCIAL

Garantiza la velocidad ante irregularidades del terreno o cambios de par en las ruedas


2.2.-- SERVOMOTOR: CONTROL DE POSICISERVOMOTOR: CONTROL DE POSICIÓÓNN

• Permiten un control de posición entre determinados ángulos

• Fácil interfaz desde un microcontrolador.

•Muy útil en control de direcciones (triciclo), orientación de sensores, moviemientos de patas, etc.

INTERFAZ A TRES HILOS:

• Alimentación

• Masa

• Control


3.3.-- MOTORES PASO A PASO: FUNCIONAMIENTOMOTORES PASO A PASO: FUNCIONAMIENTO

FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE UN MOTOR P-P (imán permanente)

Se excita sólo la bobina 1 en sentido A-B

Se excita sólo la bobina 2 en sentido D-C

Se excita sólo la bobina 1 en sentido B-A

Se excita sólo la bobina 2 en sentido C-D


3.3.-- MOTORES PASO A PASO: OTROS TIPOSMOTORES PASO A PASO: OTROS TIPOS

RELUCTANCIA VARIABLE

HÍBRIDOS

En cualquier caso el objetivo es aumentar el número de pasos por vuelta


3.3.-- MOTORES PASO A PASO: MODOS DE TRABAJOMOTORES PASO A PASO: MODOS DE TRABAJO

MEDIO PASO: Bobinas excitadas simultáneamente

PASO COMPLETO: Bobinas excitadas independientemente


3.3.-- MOTORES PASO A PASO: MODOS DE EXCITACIMOTORES PASO A PASO: MODOS DE EXCITACIÓÓNN

EXCITACIÓN BIPOLAR: Bobinas excitadas por los extremos

PUENTE EN HPUENTE EN H

CA B D

EXCITACIÓN UNIPOLAR: Bobinas excitadas por toma intermedia

CA B D

Vcc


3.3.-- MOTORES PASO A PASO: EXCITACIMOTORES PASO A PASO: EXCITACIÓÓNN

EXCITACIÓN CON CIRCUITO DEDICADO

• T: Cada pulso indica un paso (regula velocidad de giro y posición final)

• S: Sentido de giro

•R: Señal de ENABLE


3.3.-- MOTORES PASO A PASO: EXCITACIMOTORES PASO A PASO: EXCITACIÓÓNN

• Ahora las señales de control se deben generar en el microcontrolador

EXCITACIÓN CON DRIVER ULN2003: Modo unipolar EXCITACIÓN CON PUENTE EN H L293:

Modo bipolar


BATERBATERÍÍAS: RequerimientosAS: Requerimientos

PARÁMETROS A CONSIDERAR DE UNA BATERÍA:

• Recargabilidad: muy interesante en robots móviles

• Tensión de la batería: Va descendiendo a medida que se descarga la batería.

• Corriente descarga (el valor máximo está impuesto por la resistencia interna en caso de cortocircuito)

• Densidad de energía o cantidad de energía que almacenan por unidad de masa (en w·h / kg )

• Capacidad de la batería: Indica la cantidad de energía almacenada y disponible para la aplicación.

LA CAPACIDAD SE MIDE EN mA·h

Por ejemplo, una batería de 5000 mA·h podría estar suministrando 5A durante una hora ó 100 mA durante 50 h.

• Deben proporcionar la energía que requieren:

• los sistemas electrónicos (alimentados con tensión constante)

• Los motores (con corrientes relativamente altas y variables en el tiempo)


BATERBATERÍÍAS: Cuadro comparativoAS: Cuadro comparativo


BATERBATERÍÍAS: Curvas de descarga y tamaAS: Curvas de descarga y tamaññosos

BATERÍAS

PORTABATERÍAS

CURVA DE DESCARGA


BATERBATERÍÍAS: Algunas consideracionesAS: Algunas consideraciones

En cuanto a tensión para los sistemas electrónicos lo normal es: 3V ó 5V

(Los circuitos digitales HC “toleran” la descarga de la batería (funcionan de 2 a 5 V)

Con tensiones de 3V se reducen los consumos pero hay que cuidar más la implementación para evitar la incidencia de ruidos externos.

Puede ser interesante emplear una batería independiente para alimentar los motores (dependiendo de la tensión de los mismos y de las necesidades de corriente)

Usar baterías recargables, incluso aprovechando las de los equipos de video, teléfonos móviles, etc.

Los circuitos analógicos pueden ser “muy sensibles” a variaciones de la alimentación por lo que puede ser útil el empleo de un regulador.


BATERBATERÍÍAS: AS: ¿¿Como alimentar los circuitos?Como alimentar los circuitos?

• Evitar que las corrientes de los motores “pasen” por los hilos de alimentación de otros circuitos

Circuitos para sensores, conversión A/D, etc.

Puente en H

Sistema digital (micro, generación PWM, etc.)

BATERÍA NOCircuitos para sensores, conversión A/D, etc.

Puente en H

Sistema digital (micro, generación PWM, etc.)

BATERÍA


BATERBATERÍÍAS: AS: ¿¿Como alimentar los circuitos?Como alimentar los circuitos?

• Deben evitarse lazos de masa en el trazado

• Deben emplearse bastantes condensadores de desacoplo e incluso dos alimentaciones.


BIBLIOGRAFBIBLIOGRAFÍÍAA

•Páginas de internet de fabricantes y distribuidores de motores y circuitos integrados:

• www.st.com (SGS-Thomson)

• www.unitrode.com (Unitrode)

•www.amidata.es (RS-Amidata)

• www.futaba.com (Futaba)

•Apuntes y libros de asignaturas de “Electrónica de Potencia” y “Sistemas Electrónicos de Control” del Dpto de Electrónica, incluyendo página WEB: www.depeca.alcala/docencia

•Libros sobre micro-robots:

• “Mobile Robots: Inspiration to implementation” J.L. Jones y A.M. Flynn. Ed. A K Peters. 1993.

• “Microbótica”. Angulo y otros. Ed. Paraninfo. 1999.


GRACIAS POR LA ATENCIGRACIAS POR LA ATENCIÓÓNN

Muchas gracias por la atención

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