Memoria CAPÍTULO 3 BREVE ESTUDIO SOBRE LOS MOTORES PASO A PASO... 18

Transcripción

1 Memoria iii Agradecimientos A través de estas líneas quiero expresar mi agradecimiento hacia las personas que me han prestado su colaboración durante la realización de este proyecto. Sin su ayuda habría sido imposible emprender tamaña empresa. En primer lugar tengo que agradecer a Xabier Carrera el haberme hecho de guía durante todo el proceso. Lo mismo que a Laurentzi Garmendia, que estuvo todos los días dispuesto a resolver mis preguntas. También a Javier Sánchez, Jordi Viñolas y Joan Savall, como jefes del Laboratorio, sobre todo a éste último por su lucidez en los momentos difíciles. No me puedo olvidar de Luis Unzueta, que fue quien me introdujo en el Laboratorio de Automoción, ya que sin su consejo nada de esto habría ocurrido. También he de dar las gracias a Jorge Biera, de AP Amortiguadores, por su inestimable colaboración proporcionando material e información. Mención especial merece Juan Lizeaga, quien puso su experiencia a mi servicio y siempre estuvo dispuesto a ayudarme con los montajes. También agradezco al personal del taller, por su profesionalidad. A Emilio Sánchez y Eduardo Gómez, por sacarme en varias ocasiones de apuros eléctricos, y a José Macayo por su plena colaboración en cuanto a motores se refiere. También he de agradecer a los compañeros del laboratorio en general por el buen ambiente que se ha respirado todo este tiempo. Y, por supuesto, a Blanca.

2 Memoria iv Resumen Esta memoria es parte de un proyecto de fin de carrera realizado en el Laboratorio de Automoción de Tecnun, Escuela Superior de Ingenieros de San Sebastián. El objetivo del proyecto es sustituir la suspensión del vehículo Car-Cross disponible en el laboratorio por un sistema más avanzado de suspensión semiactiva. Ello requiere la instalación de un complejo dispositivo de control de los motores paso a paso con que están equipados los amortiguadores. Así se conseguirá variar la dureza de la suspensión para adaptarla a distintos comportamientos dinámicos del vehículo. Lo primero fue ejercer un control mediante el software LabView del motor de pruebas con que contaba el laboratorio. Tras numerosos ensayos se logró un sencillo control sobre la cantidad de pasos girada por el eje del motor. Esto dio una idea aproximada del material necesario para implantar el sistema de control real. Después se procedió a ensayar los amortiguadores para caracterizarlos y obtener sus curvas fuerza-velocidad. Con esto se consiguió conocer su comportamiento para distintas leyes de dureza, puesto que son regulables. El último paso fue la instalación en el coche de todos los dispositivos. El núcleo central del sistema lo componen las dos cajas de mayor tamaño: la principal y la de convertidores. La caja principal es la que acoge la tarjeta de entrada/salida, es decir el centro de control del sistema de suspensión semiactiva. Además recoge y envía las señales de los sensores hacia el dispositivo de recogida de datos. La segunda de las cajas grandes está destinada a alimentar todos los dispositivos. Contiene varios convertidores de corriente continua que proveen de potencia al sistema. El último componente son las cuatro cajas con las tarjetas controladoras de los motores paso a paso. Estas tarjetas se encargan de generar los pulsos de corriente en la secuencia adecuada que hacen funcionar a los motores. A través de este proyecto se abre un claro camino hacia la consecución de un sistema que regule automáticamente la suspensión en función de la marcha del vehículo, en lo que sería una suspensión más puramente semiactiva.

3 Memoria v Índice AGRADECIMIENTOS... III RESUMEN......IV ÍNDICE......V ÍNDICE DE FIGURAS...VII CAPÍTULO 0 INTRODUCCIÓN... 1 CAPÍTULO 1 OBJETIVO... 2 CAPÍTULO 2 PUNTO DE PARTIDA Introducción El monoplaza Descripción Suspensión Conjunto muelle-amortiguador Suspensión delantera Suspensión trasera Sistema de adquisición de datos Sensores Sensores de fuerza Sensores de desplazamiento Convertidores Motor paso a paso Tarjeta controladora del motor Tarjeta de adquisición de datos CAPÍTULO 3 BREVE ESTUDIO SOBRE LOS MOTORES PASO A PASO Introducción Motores Paso a Paso Principio de funcionamiento Tipos Imán permanente Reluctancia variable Híbridos Modos de funcionamiento Secuencia normal Modo onda Medio paso Control Comentarios CAPÍTULO 4 CONTROL DEL MOTOR DE PRUEBAS Introducción Software LabView Programación en LabView Solución final... 30

4 Memoria vi Otras opciones barajadas CAPÍTULO 5 ENSAYO DE LOS AMORTIGUADORES Introducción Descripción de los amortiguadores Tecnología hidráulica Amortiguadores monotubo Condiciones del ensayo Resultados CAPÍTULO 6 DESCRIPCIÓN DETALLADA E IMPLANTACIÓN DEL SISTEMA EN EL VEHÍCULO Introducción Requisitos Diseño del sistema Introducción Proceso de diseño Elección del dispositivo central Diseño del sistema Componentes principales del sistema Caja principal Caja de convertidores Cajas de las tarjetas controladoras Selección del material Tratamiento del material Cajas Conectores Conectores Serie Binder Conectores tipo D Conectores Deustch Terminales Micro-terminales para Carril DIN Terminales para PCB Modo de aplicación al vehículo, Resultado de la instalación Descripción general Funcionamiento Estado actual del control CAPÍTULO 7 CONCLUSIONES Y FUTURAS LÍNEAS DE TRABAJO Mejoras generales Mejoras concretas CAPÍTULO 8 PRESUPUESTO Introducción Mediciones y consideraciones Cuadro de precios Listado de precios CAPÍTULO 9 BIBLIOGRAFÍA CAPÍTULO 10 URLS CONSULTADOS... 82

5 Memoria vii Índice de figuras Figura 1. Logotipo de APA-Kayaba... 1 Figura 2. Lotus T Figura 3. Esquema del sistema ABC de Mercedes-Benz... 4 Figura 4. Vista real del Car-Cross Melmac Tenroj T600 TT... 6 Figura 5. Modelización del Melmac en Pro-Engineer... 7 Figura 6. Conjunto muelle-amortiguador... 7 Figura 7. Regulación del amortiguador... 8 Figura 8. Suspensión delantera izquierda... 9 Figura 9. Suspensión trasera izquierda Figura 10. Data Logger Figura 11. Pantalla en el cuadro de mandos Figura 12. Sensor de fuerza delantero Figura 13. Sensor de fuerza trasero Figura 14. Sensor de desplazamiento Figura 15. Convertidores de alimentación de sensores y data-logger Figura 16. Tarjeta controladora del motor Figura 17. Interfaz de la tarjeta de National Instruments Figura 18. Ejemplo de motor paso a paso Figura 19. Motor para telescopio Figura 20. Imagen de un estator de cuatro bobinas Figura 21. Principio de funcionamiento de un motor paso a paso Figura 22. Motor paso a paso sin el rotor Figura 23. Imagen de un rotor de imán permanente Figura 24. Secuencias según la alimentación del estator Figura 25. Motor bipolar Figura 26. Motor unipolar Figura 27. Imagen de un rotor de reluctancia variable Figura 28. Secuencia normal Figura 29. Modo onda Figura 30. Medio paso Figura 31. Panel de Definitivo.vi Figura 32. Diagrama de bloques de El más simple.vi Figura 33. Detalle de Simple, reset activa avance.vi Figura 34. Completamente abierto, media posición y completamente cerrado Figura 35. Esquema simplificado de un amortiguador monotubo Figura 36. Esquema completo de un amortiguador monotubo Figura 37. Flujo de aceite a través del pistón durante la carrera de compresión. 39 Figura 38. Flujo de aceite a través del pistón durante la carrera de extensión Figura 39. Banco de ensayos Figura 40. Detalle de los amarres Figura 41. Segmentos de la trayectoria del cabezal Figura 42. Dispositivo de control del banco Figura 43. Curvas del amortiguador trasero izquierdo... 44

6 Memoria viii Figura 44. Diferencia entre la ley más dura y la más blanda en el delantero izquierdo Figura 45. Esquema básico del sistema Figura 46. SR9000 Smart Star Figura 47. BL2100 Smartcat Figura 48. Primera y segunda opciones Figura 49. Opción escogida Figura 50. Posible instalación de un teclado Figura 51. Caja principal Figura 52. Montaje de los tornillos fijadores de caja y PCB Figura 53. Caja de convertidores Figura 54. Caja de la tarjeta controladora Figura 55. Cajas fundidas a presión estándar Figura 56. Cajas fundidas a presión estándar revestidas de nylon, color negro.. 58 Figura 57. Placas de activación de motores paso a paso monopolar compacto.. 58 Figura 58. Conector jack hembra de chasis de 3 polos Figura 59. Micro-terminales Entrelec color gris Figura 60. Carril DIN miniaturizado con perfil en U Figura 61. Abrazadera de montaje StegoFix para carril DIN Figura 62. Terminales roscados para PCB de doble nivel de Phoenix Contact Figura 63. Terminales con contactos de clavija/conector hembra Figura 64. Clavijas de haz de pines con terminales roscados Figura 65. Separadores de latón roscados Figura 66. Convertidores de c.c. serie PM30 de salida única, de 30W Figura 67. C.I.s sensores de temperatura Figura 68. Termostato industrial bi-metálico Figura 69. Ventilador axial de corriente continua Tipo estándar Figura 70. Pasamuros roscados para cables de rosca métrica según EN Figura 71. Pasamuros moldeados de goma Figura 72. Conectores tipo 'D' macho comerciales Figura 73. Fundas termorretráctiles para conectores tipo 'D' Figura 74. Conjuntos de cierre atornillado para conectores 'D' Figura 75. Relés Omron G6E SPCO 3A Figura 76. Conectores macho y hembra para cable Serie Binder 680 de 5 vías.. 66 Figura 77. Cable de 6 núcleos 16x0,2mm (0,5mm2) Figura 78. Cable flexible para alimentación de red de 5 núcleos Figura 79. Configuración de los pines de los conectores Figura 80. Vista de las dos cajas pricipales Figura 81. Principio y final del cable que lleva las señales al data-logger Figura 82. Esquema de la caja de convertidores Figura 83. Ubicación de las cajas de las tarjetas controladoras delanteras y traseras Figura 84. Esquema simplificado... 74

7 Memoria 1 Capítulo 0 Introducción El presente proyecto se ha desarrollado en el Laboratorio de Automoción del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Escuela de Ingenieros-tecnun. En este laboratorio uno de los objetivos más importantes es que alumnos, becarios y doctorandos profundicen en las tecnologías de la automoción. No sólo es necesario estar informado de los progresos sino que hay que conocerlos con profundidad para poder basar en los mismos nuevas ideas o para que sirvan de base para posteriores desarrollos. Otra línea de trabajo en el laboratorio es la de colaboraciones con otras empresas. En este sentido este proyecto ha contado con el apoyo de AP Amortiguadores. AP Amortiguadores, S.A. es una compañía dedicada al diseño y fabricación de amortiguadores para turismos y furgonetas. Situada en la localidad de Ororbia en Navarra, fue fundada en el año 1974 y actualmente cuenta con un volumen de ventas de más de 100 millones de dólares al año, y unas 14 millones de unidades fabricadas anualmente. AP exporta el 80% de su producción principalmente a la Unión Europea y a Estados Unidos, y fabrica amortiguadores para los principales fabricantes europeos de coches como Renault, Ford, Volkswagen, Seat, Fiat, Audi, etc. Figura 1. Logotipo de APA-Kayaba En colaboración con esta empresa se ha profundizado en el diseño e implantación de los elementos necesarios para controlar una suspensión semiactiva en el Melmac Tenroj T600 TT, el monoplaza sobre el que se desarrolla la mayoría de los proyectos de este laboratorio. En este proyecto se ha realizado un estudio sobre la forma óptima de regular la dureza de los amortiguadores mediante unos motores paso a paso. Para ello ha sido necesario seleccionar adecuadamente los dispositivos que componen el sistema de control electrónico. Una vez seleccionados los dispositivos el siguiente paso ha sido programar la ley de control para facilitar una regulación sencilla de las propiedades de la suspensión. El presente proyecto se ha limitado a facilitar un control sencillo de la suspensión, dejando la puerta abierta a una futura implantación en el Melmac de una suspensión totalmente automática que se regule por sí misma según las características del terreno.

8 Memoria 2 Capítulo 1 Objetivo A través del siguiente proyecto se ha buscado mejorar la suspensión del monoplaza Car-Cross de competición Melmac Tenroj T600 TT. Sobre este vehículo se desarrolla y aplica la mayoría de las investigaciones del Laboratorio de Automoción. El objetivo ha sido avanzar en el desarrollo de una suspensión semiactiva para el Melmac. Este sistema debe ser capaz de variar las características de amortiguación de la suspensión en cualquier momento. Para ello se ha pretendido diseñar un dispositivo de control electrónico que, a través de una interfaz sencilla, provoque el cambio de dureza de los amortiguadores. Tras esto, el objetivo era el montaje del dispositivo en el monoplaza de forma que estuviese a punto para funcionar en ruta. El sistema de suspensión de un vehículo debe proporcionar, principalmente: una correcta maniobrabilidad, una absorción efectiva de las irregularidades de la carretera que se traduzca en confort de los pasajeros, y soportar las variaciones de cargas. Un buen nivel de confort implica la utilización de suspensiones blandas. Por el contrario para conseguir una buena maniobrabilidad la suspensión debe de ser dura. Durante el desarrollo de la suspensión es preciso encontrar un compromiso entre esos parámetros, que vendrá determinado en gran medida por el tipo de vehículo que se trate. Un sistema de suspensión pasiva tiene la capacidad de almacenar energía en los muelles y disiparla en los amortiguadores. Sus parámetros son fijos, y se eligen para alcanzar un compromiso entre estabilidad, sujeción de la carga y confort. Una suspensión de tipo activo es capaz de almacenar, disipar e introducir energía en el sistema. Puede variar sus parámetros dependiendo de las condiciones de operación y de los valores que pueden recoger los sensores instalados a bordo. Los sistemas de suspensión activos y semi-activos intentan resolver el citado compromiso adaptándose, en todo momento, a las condiciones de la carretera y maniobras del conductor, de forma que proporcionen simultáneamente un buen nivel de confort y un control óptimo del vehículo. Sin embargo, necesitan una electrónica asociada que los hace más caros que los sistemas convencionales, por lo que su utilización, hoy por hoy, queda reducida a coches de gama alta o muy deportivos. Los sistemas activos suelen utilizar actuadores en lugar de los habituales muelles y amortiguadores. Su consumo de potencia es muy elevado. La utilización más conocida de esta suspensión se produjo en la Fórmula 1, cuando Lotus desarrolló un sistema que probó en 1982 con su T92, en dos grandes premios y que utilizó ampliamente Williams a partir de 1987 con su T99, hasta su

9 Memoria 3 prohibición en 1994, por la FIA, con el objetivo de reducir tanto costos, como la velocidad de las carreras. Figura 2. Lotus T92 Para resolver el conflicto entre el soporte de carga efectivo y el confort del vehículo, de forma que se mantenga un contacto suficiente entre neumáticos y se elimine el balanceo en curva y el cabeceo en la frenada, se desarrolla la suspensión activa. La suspensión activa ofrece una solución tecnológica muy avanzada para conseguir este reto. Estos sistemas se presentan como una respuesta a la necesidad para desarrollar vehículos seguros y capaces de combinar grandes niveles de confort, control y maniobrabilidad. La capacidad de controlar el reparto de carga entre el eje delantero y trasero permite un mejor manejo del coche. Esto es posible debido a que el control de cada rueda es independiente, distribuyendo las fuerzas de compensación necesarias a cada una de las ruedas. Este efecto es especialmente necesario en situaciones críticas en la conducción, en las que se necesita una seguridad en el control de la dirección. Asimismo, gracias a que la carga está distribuida en las cuatro ruedas del coche, la tendencia a sobrevirar y a subvirar puede ser modificada. Las suspensiones puramente activas constan de un sistema con un actuador hidráulico que puede generar fuerzas para compensar el balanceo y cabeceo del vehículo. Un computador se encarga de monitorizar (mediante sensores) el comportamiento dinámico del coche y enviar señales eléctricas a las suspensiones delantera y trasera. Aquí será donde los componentes hidráulicos, consistentes en bombas, actuadores y servoválvulas, actuarán manteniendo un nivel óptimo de estabilidad. Sin embargo, en las suspensiones activas, esta característica de amortiguamiento es regulable gracias al sistema hidráulico y se consigue un reposicionamiento de la carrocería casi perfecto. Es el caso del sistema ABC (Active Body Control) diseñado por Mercedes-Benz (Figura 3).

10 Memoria 4 Figura 3. Esquema del sistema ABC de Mercedes-Benz Uno de los parámetros que indica la calidad de una suspensión activa o semiactiva es el tiempo de respuesta. Cuanto menor sea éste, más rápidamente será capaz de reaccionar la suspensión ante una irregularidad del terreno, un frenazo o un giro brusco. El tiempo de respuesta nos indica el ancho de banda. Si éste abarca un rango de frecuencias de hasta 3 ó 5 Hz el sistema de suspensión se denomina de baja frecuencia (Low Bandwidth Systems), mientras que si el rango abarca frecuencias más elevadas, hasta 10 ó 12 Hz, se denomina de alta frecuencia (High Bandwith Systems). El sistema de suspensión pasiva funciona tanto para un rango alto de frecuencias como para uno bajo. La suspensión activa puede controlar ambos rangos. A pesar de que el sistema para altas frecuencias ya ha sido ideado, todavía no ha sido implementado, debido al coste que supone. Lo que se está utilizando cada vez con más asiduidad son las suspensiones semiactivas, que controlan las bajas frecuencias con elementos activos y las altas con pasivos. Los sistemas semiactivos no suponen un costo ni un consumo de potencia tan altos como los activos. En estos sistemas los amortiguadores se denominan variables debido a que adaptan su característica en función de las condiciones de la carretera y maniobras del conductor. Estos sistemas se pueden encontrar en vehículos de gama alta. El objetivo de este proyecto se ha limitado a controlar la suspensión a voluntad, de forma sencilla, sin constituir un sistema de suspensión semiactiva en el sentido estricto. Pero se ha abierto un claro camino para diseñar una suspensión totalmente semiactiva que se regule automáticamente.

11 Memoria 5 Capítulo 2 Punto de partida 2.1 INTRODUCCIÓN En este capítulo se describirán los elementos más importantes con que se contaba en el laboratorio al inicio de este proyecto. 2.2 EL MONOPLAZA Descripción En el Laboratorio de Automoción se trabaja con un vehículo de competición tipo Car-Cross, Melmac Tenroj T600 TT, fabricado por Jornet. ES un tipo de vehículo planteado inicialmente para carreras de tierra, no obstante puede participar en otras disciplinas. El Car-cross o Kart-cross es una disciplina del automovilismo de las más espectaculares, baratas y sencillas de practicar, a la vez de las más competitivas debido a la excelente relación entre las variables precio, prestaciones, satisfacciones y mantenimiento. Los Car-Cross son vehículos monoplazas de tracción trasera, con el puesto de pilotaje dotado de los mandos habituales de un coche. Sus principales características de conducción son grandes aceleraciones y derrapadas. Su versatilidad le permite además participar en otras disciplinas como subidas o MotorShows. Melmac, distribuidor oficial de Tenroj, compite en la División IV de Autocross con varios de estos bólidos. Esta especialidad del automovilismo tiene sus orígenes en los EEUU, siendo importada a Europa por Francia en la década de los 80 donde experimentó un espectacular desarrollo. Fue importado a España en la década de los 90. Y en estos últimos años ha sufrido una notable evolución técnica. Sus características principales son: Chasis principal y secundario: tubular. Tubos de 40 y 32 mm Motor: central, Honda CBR600 F Potencia aproximada: 92 CV a rpm Par máximo: 12 dan a rpm Régimen máximo: rpm Tracción: a las ruedas traseras sin diferencial Peso: inferior a 300 kg Suspensión: se detallará en siguientes apartados

12 Memoria 6 Frenos: de disco macizo de 5 mm. Dos discos delanteros y uno trasero. Reparto de frenada delantero/trasero regulable. Dirección: tipo piñón/cremallera Cambio de marchas: secuencial de 6 velocidades. Dispone de unos actuadores situados en el volante para facilitar el cambio. No tiene marcha atrás. Transmisión: por cadena Figura 4. Vista real del Car-Cross Melmac Tenroj T600 TT El Melmac Tenroj ha sido modelizado utilizando el software de diseño paramétrico Pro/Engineer. Esta modelización es útil para los diversos estudios llevados a cabo en cada uno de los elementos. En la siguiente figura se puede observar una imagen de la modelización.

13 Memoria 7 Figura 5. Modelización del Melmac en Pro-Engineer Suspensión Conjunto muelle-amortiguador Cada conjunto está compuesto por un amortiguador hidráulico telescópico de tipo monotubo con gas a presión, y por un muelle helicoidal montados coaxialmente. Figura 6. Conjunto muelle-amortiguador

14 Memoria 8 Los amortiguadores monotubo van provistos de un dispositivo de regulación manual que permite variar la dureza de los mismos. Esto se consigue por medio de la variación de la sección de paso del aceite a presión dentro del tubo. Como se aprecia en la figura, girando la ruedecilla del extremo del tubo en un sentido o en otro se varía la característica de fuerza del amortiguador. Sin embargo dispone de un número limitado de posiciones determinado por la geometría interior de las secciones de paso del aceite. Figura 7. Regulación del amortiguador Asimismo también es posible regular manualmente la precarga del muelle a través del giro de una arandela situada en la carcasa exterior. Variando esta precarga se consigue modificar la fuerza que opone el muelle a su elongación Suspensión delantera La suspensión delantera es del tipo de doble triángulo, con el conjunto formado por muelle y amortiguador anclado al triángulo inferior en su parte exterior y al chasis por encima del triángulo superior en su parte interior. Los triángulos giran respecto a un eje en el chasis, mientras que el conjunto muelleamortiguador, al actuar ligeramente inclinado en otro plano, va anclado al triángulo inferior y al chasis mediante anclajes denominados silent-blocks que permiten esa cierta desalineación. La posición del triángulo superior es regulable longitudinalmente y las rótulas que articulan los triángulos con la mangueta pueden variar su posición colocándolas más o menos introducidas mediante una tuerca. De esta manera se puede variar la geometría de la suspensión para hacer la dirección más o menos estable si retrasamos o avanzamos respectivamente el triángulo superior respecto al inferior. Esta regulación permite modificar el ángulo de avance, que es el que controla la estabilidad de la dirección, es decir su tendencia a volver a la posición recta.

15 Memoria 9 Variando la cantidad de rosca que queda introducida en las rótulas se puede modificar, además de la anchura entre ruedas, la caída de las mismas, pudiendo adaptar la suspensión a recorridos de tierra o asfalto con más o menos curvas. Las caídas negativas mayores se utilizarán en tierra y con curvas, mientras que las caídas prácticamente nulas se usarán cuando se circule por asfalto. Figura 8. Suspensión delantera izquierda Suspensión trasera La suspensión trasera es una suspensión del tipo de doble triángulo, aunque en este caso consta de un trapecio superior y un triángulo y un brazo inferiores, todos ellos unidos a la mangueta mediante rótulas. Las uniones del chasis a trapecio, triángulo y brazo se realiza mediante pares de revolución no regulables. El conjunto muelle-amortiguador va unido mediante silent-blocks a la mangueta por encima del trapecio superior. Como en la suspensión delantera, las uniones rotuladas se pueden regular, así que se puede variar la caída para adaptar el vehículo al terreno por donde vaya a circular y también es posible modificar la convergencia de las ruedas sacando más o menos las rótulas traseras respecto a las delanteras. Además, se puede variar ligeramente la anchura de vías, sacando o introduciendo todas las rótulas dentro del margen de rosca que hay disponible.

16 Memoria 10 Figura 9. Suspensión trasera izquierda Sistema de adquisición de datos El coche lleva incorporado un sistema de adquisición de datos GEMS DA99 para recoger las señales de los sensores instalados en él. La unidad central recibe el nombre de data-logger (Figura 10), y es en ella donde se aloja una tarjeta PC Card responsable de almacenar los datos recogidos. El sistema es capaz también de representar los datos en una pantalla instalada en el cuadro de mandos del propio coche que sirve de información al piloto. Figura 10. Data Logger

17 Memoria 11 Sus principales características son: Unidad central: 110x110x45 mm. Peso: 450 gr 24 canales analógicos 6 canales de velocidad 8 entradas para termopares (temperatura) Resolución: hasta 16 bits Resolución en 8 bits con selección de modo: 8x1, 8x2, 8x4... Hasta 1 khz de frecuencia de muestreo Ranura PCMCIA para almacenaje de datos en tarjeta PCCard SRAM Conectores Autosport Pantalla digital con hasta 8 configuraciones de presentación Figura 11. Pantalla en el cuadro de mandos Sensores Sensores de fuerza El Car-Cross tiene instalados dos sensores de fuerza creados en el propio Laboratorio de Automoción, uno en el amortiguador delantero izquierdo y otro en el trasero izquierdo. Son de gran utilidad para, por una parte, saber cuánto sufre el chasis tubular y por otra conocer la carga que transfieren instantáneamente los conjuntos

18 Memoria 12 muelle-amortiguador, un dato interesante para ayudar a conocer y comprender el comportamiento dinámico del coche y del propio conjunto del amortiguador. Su diseño se basa en tecnología de galgas extensométricas. Los transductores de fuerza son dos diseños distintos, uno para cada suspensión. Éstos crean una señal eléctrica proporcional a la fuerza que los empuja. Siguiendo el esquema clásico, dicha señal es amplificada por unos amplificadores y recogida por el sistema de adquisición de datos (data-logger) instalado en el coche. Figura 12. Sensor de fuerza delantero Sensores de desplazamiento Figura 13. Sensor de fuerza trasero El coche cuenta con cuatro sensores de desplazamiento, uno en cada suspensión, que se encargan de medir la distancia entre extremos de los conjuntos muelle-amortiguador.

19 Memoria 13 Cada sensor consta de una pequeña caja situada en un extremo de cada amortiguador. Dicha caja contiene un potenciómetro accionado por una polea en la que se enrolla un cable sujeto al otro extremo del amortiguador, con lo que cuando varía la longitud del conjunto muelle-amortiguador cambia en la misma medida la longitud del cable del sensor Convertidores Figura 14. Sensor de desplazamiento El Car-Cross contaba al principio del proyecto con tres convertidores de potencia para suministrar alimentación al sistema de sensores y de adquisición de datos. Se encargaban de convertir los 12 voltios de la batería a 12V, 5V y ±5V todos ellos regulados y constantes. Figura 15. Convertidores de alimentación de sensores y data-logger

20 Memoria 14 Las características principales de estos convertidores son: Convertidor de 12V Convertidor de 5V Convertidor de ±5V Marca y modelo ASTEC AA15A- 024L-120S TRACO Ten TRACO Ten Tensión entrada (Vdc) Tensión salida (Vdc) Corriente salida (ma) Potencia (W) ±5 ±500 6 Tabla 1. Características principales de los convertidores En el Anejo 1 se pueden conocer con más profundidad las características de estos convertidores. 2.3 MOTOR PASO A PASO El laboratorio contó a lo largo del proyecto con varios motores paso a paso para pruebas. El primero de ellos se encuentra descrito en el Anejo 2. Los siguientes son similares a los que posteriormente se montarían en la suspensión. Cuentan con las siguientes especificaciones: 4 fases, unipolar, de 5 hilos (4 fases + común) Ángulo de paso: 7,5º 48 pasos / vuelta Limitación recorrido: 120º, 17 posiciones, bidireccional Consumo máximo: 1,6 A / fase Voltaje nominal: 13,5 V Los motores disponen de cinco cables soldados a sus respectivas fases, cada uno con su color identificativo, como muestra la Tabla 2.

21 Memoria 15 COLOR DEL CABLE FASE Verde A+ Rojo B+ Marrón GND Blanco B- Azul A- Tabla 2. Cables del motor El patrón de excitación de las fases responde a la siguiente secuencia: Posición estable Paso Fase A+ Fase B+ Fase A- Fase B- 1 (blanda) (dura) Tabla 3. Patrón de excitación

22 Memoria TARJETA CONTROLADORA DEL MOTOR Para generar la excitación de cada fase en la secuencia adecuada en cada momento se dispuso de una placa de activación de motores paso a paso en modo unipolar, de marca RS código Con este dispositivo se consigue generar la secuencia de alimentación de fases correcta a través de un control sencillo tipo enable/disable. Figura 16. Tarjeta controladora del motor Las entradas de esta tarjeta proporcionan control sobre habilitación/deshabilitación, paso completo/medio/onda, dirección y reloj. La velocidad del motor es ajustable mediante un reloj interno (20-600Hz) o externamente introduciendo desde fuera una señal de reloj. Las entradas/salidas lógicas son compatibles con TTL LS y CMOS, y las salidas de fase de MOSFET de potencia son en colector abierto. En el siguiente cuadro se indica la correspondencia de las fases indicadas en la tarjeta con las fases reales de los motores.

23 Memoria 17 EN LA TARJETA EN EL MOTOR PHA A+ PHC B+ PHB A- PHD B- Tabla 4. Correspondencia de las fases Las características técnicas y el manual de usuario pueden consultarse en el Anejo TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS Otro elemento con que contaba el laboratorio al inicio de este proyecto es una tarjeta de adquisición de datos de National Instruments modelo PC- 516/DAQCard. Se utilizó para ejercer el control del motor a través de un PC con un puerto PCMCIA. Dispone de 8 entradas analógicas, 4 entradas y 4 salidas digitales compatibles con TTL, además de 2 contadores. Su resolución es de 16 bits. Figura 17. Interfaz de la tarjeta de National Instruments El manual de la tarjeta se puede consultar en el siguiente URL:

24 Memoria 18 Capítulo 3 Breve estudio sobre los motores paso a paso 3.1 INTRODUCCIÓN En este capítulo se hará un breve estudio sobre los motores paso a paso, su principio de funcionamiento, tipos, control, etc. Pretende ser un acercamiento hacia este peculiar tipo de motores versátiles y utilizados en gran número de aplicaciones. Figura 18. Ejemplo de motor paso a paso 3.2 MOTORES PASO A PASO Los motores paso a paso son apropiados para la construcción de mecanismos en los que se requieren movimientos de alto grado de precisión. La característica principal de estos motores es que su eje gira un determinado ángulo por cada impulso de entrada. El resultado de este movimiento, fijo y repetible, es un posicionamiento preciso y fiable. Al aplicar un conjunto adecuado de impulsos eléctricos, el rotor gira un ángulo (llamado paso) determinado por las características constructivas del motor. De este modo el campo magnético giratorio que crea la corriente al atravesar las bobinas se ve conducido mejor a través de los dientes que del aire. El paso puede variar desde 90 hasta pequeños movimientos de tan solo 1,8, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90 ) y 200 para el segundo caso (1,8 ), para completar un giro completo de 360. Estos motores poseen la capacidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas está energizada, el

25 Memoria 19 motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas. Existe gran cantidad de aplicaciones que utilizan motores paso a paso. Se trata de casos donde es esencial un posicionamiento fijo y preciso de algún elemento. Figura 19. Motor para telescopio Como ejemplos cabe destacar los casos de actuadores lineales para máquina herramienta, aplicaciones médicas, actuación de posicionadores, impresoras, unidades de disquetera en ordenadores, registradores, plataformas inerciales, movimiento de cámaras y antenas en satélites, o telescopios Principio de funcionamiento Básicamente estos motores están constituidos por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un número de bobinas excitadoras arrolladas en su estator. Los motores eléctricos, en general, basan su funcionamiento en las fuerzas ejercidas por un campo electromagnético y creadas al hacer circular una corriente eléctrica a través de una o varias bobinas. Dicha bobina, denominada estator, se mantiene en una posición mecánica fija. En su interior, bajo la influencia del campo electromagnético creado por el paso de corriente, se coloca otra bobina, llamada rotor, en ocasiones recorrida por una corriente y capaz de girar sobre su eje. La bobina del rotor tendrá su propio campo magnético, con su propia orientación. Sin embargo tenderá a orientarse para buscar la posición de equilibrio

26 Memoria 20 magnético dentro del campo del estator. De esta forma arrastrará al eje a una nueva posición. Cuando el rotor alcanza la nueva posición de equilibrio, el estator cambia la orientación de sus polos, provocando así el cambio de polaridad de los dientes, con lo que el rotor tratará nuevamente de buscar la siguiente posición de equilibrio. Manteniendo dicha situación de manera continuada, se conseguirá un movimiento giratorio y continuo del rotor y a la vez la transformación de una energía eléctrica en otra mecánica en forma de movimiento circular. Figura 20. Imagen de un estator de cuatro bobinas Así pues, como muestra la Figura 21, si se excitan las bobinas del estator de forma adecuada (por ejemplo, cambiando la polaridad de la corriente) se puede hacer girar al eje en el instante deseado y un ángulo determinado.

27 Memoria 21 Figura 21. Principio de funcionamiento de un motor paso a paso Tipos Desde el punto de vista de su construcción, existen tres tipos básicos de motores paso a paso: de imán permanente, de reluctancia variable e híbridos Imán permanente En este tipo de motores, también llamados de polo de uñas, el rotor es un imán permanente. El estator lo forman varios polos salientes en forma de dientes (Figura 22), abrazados por bobinas que constituyen las fases.

28 Memoria 22 Figura 22. Motor paso a paso sin el rotor Su funcionamiento es muy simple: el rotor está permanentemente magnetizado, por lo que creará un campo magnético con una orientación determinada. A su vez, el estator también creará un campo magnético que envuelve al del rotor, con lo que el único con posibilidad de giro (el del rotor) tenderá a buscar la posición de equilibrio magnético. De esta forma se creará una fuerza electromagnética que arrastrará al rotor hasta una nueva posición. Figura 23. Imagen de un rotor de imán permanente

29 Memoria 23 Si se va cambiando la excitación del estator para crear un campo giratorio, el rotor seguirá fielmente tal giro y se podrá posicionar el eje del motor con gran precisión. Como se aprecia en la figura, al conmutar la alimentación de las fases se cambia la polaridad de las piezas ferromagnéticas del estator de N-S a S-N. Así el campo fijo del imán del rotor se ve atraído en cada paso a una nueva posición. Figura 24. Secuencias según la alimentación del estator Su principal ventaja es que su posicionamiento no varía aun estando sin excitación y en régimen de carga, debido a la atracción entre el rotor y los entrehierros del estator. Esto hace que sea el tipo de motores paso a paso más comunes en áreas como la robótica. Dependiendo del tipo de bobinas que se encuentran devanadas sobre el estator (y, por tanto, del modo de crear el campo giratorio) se pueden dividir este tipo de motores en:

30 Memoria 24 - Bipolares: constan de dos bobinas independientes por las que puede circular corriente en ambos sentidos. Cambiando este sentido se invertirá la polaridad de las bobinas (de ahí el nombre de bipolar). Cada inversión en la polaridad provoca el movimiento del eje, avanzando éste un paso. Esta necesidad de invertir corrientes complica en cierta medida el circuito de control del motor. Generalmente tienen cuatro cables de salida, como se aprecia en la Figura 25. Figura 25. Motor bipolar - Unipolares: cada bobina del estator se encuentra dividida en dos mediante una derivación central conectada a un terminal de alimentación. De este modo, el sentido de la corriente que circula a través de la bobina, y por consiguiente la polaridad magnética del estator, viene determinada por el terminal al que se conecta la otra línea de la alimentación a través de un dispositivo de conmutación. Por consiguiente las medias bobinas de conmutación hacen que se inviertan los polos magnéticos del estator en la forma apropiada. En lugar de invertir la polaridad de la corriente como en los bipolares, se conmuta la bobina por donde circula dicha corriente, lo que simplifica bastante el circuito de control. Generalmente tienen 5 ó 6 cables de salida. Figura 26. Motor unipolar

31 Memoria Reluctancia variable Los motores de reluctancia variable están formados por un estator con sus fases como en los motores de imán permanente, y por un rotor sin excitar de un material ferromagnético de alta permeabilidad. Tanto el estator como el rotor tienen su superficie dentada. Figura 27. Imagen de un rotor de reluctancia variable Al estar formado por un material ferromagnético, el rotor tiende a orientarse de modo que facilite el camino de las líneas de fuerza del campo magnético generado por las bobinas de estator. Así, el punto de equilibrio entre el estator y el rotor se encuentra en el que la reluctancia es mínima. Modificando el campo en el estator, el rotor girará buscando el punto de equilibrio. La principal ventaja es su elevada velocidad de accionamiento. Y su principal desventaja es que en condiciones de reposo (sin excitación) el rotor queda en libertad de girar y, por tanto, su posicionamiento en régimen de carga dependerá de su inercia y no será posible predecir el punto exacto de reposo Híbridos Este último tipo combina las características de los otros dos, logrando un alto rendimiento a buena velocidad. El rotor suele estar constituido por anillos de acero dulce dentado en un número ligeramente distinto al del estator y dichos anillos montados sobre un imán permanente dispuesto axialmente. Se obtienen importantes pares de accionamiento, un gran número de pasos por vuelta y una frecuencia de trabajo elevada Modos de funcionamiento En este apartado se considerarán únicamente los motores de imán permanente por ser los más comunes. Es necesario distinguir una vez más entre unipolares y bipolares. Los bipolares se controlan de forma más simple, ya que sólo requieren la inversión de

32 Memoria 26 la corriente que circula por sus bobinas de forma adecuada. Cada inversión provoca el movimiento del eje un paso. En cuanto a los unipolares, existen tres modos de operación: secuencia normal, modo onda y medio paso Secuencia normal Es la secuencia más usada y la que generalmente recomiendan los fabricantes. En este modo se excitan dos bobinas adyacentes cada ocasión, de forma que el posicionamiento del rotor entre ambas es bastante fiable. El motor avanza un paso por vez y, debido a que siempre hay dos bobinas activadas, se obtiene un alto torque de paso y retención. Sin embargo tiene el inconveniente de que hay que mantener activadas dos bobinas para cada paso, con el gasto de corriente que ello supone Modo onda Figura 28. Secuencia normal En esta secuencia se activa sólo una bobina a la vez. En algunos motores esto brinda un funcionamiento más suave y eficiente. También, la corriente consumida para mantener las bobinas excitadas es la mitad que en modo normal. Por el contrario, el torque de paso y retención es menor, y al estar el rotor alineado con un único polo se pierde fiabilidad y precisión en el paso. Para aplicaciones en las que no se requiera un alto grado de precisión es aconsejable la elección de este modo de funcionamiento, ya que el calentamiento del motor por el paso de corriente es considerablemente menor que en los otros casos.

33 Memoria Medio paso Figura 29. Modo onda En este caso se activan las bobinas de forma que se consigue un movimiento igual a la mitad del paso real. Para ello se excitan primero dos bobinas y luego una sola, y así sucesivamente. La secuencia completa consta de ocho movimientos en lugar de cuatro, como se aprecia en la Figura 30. Figura 30. Medio paso El torque de retención variará de un paso a otro porque cambia el número de bobinas excitadas. Esto creará el efecto de un paso fuerte y otro débil. Con este modo se gana en número de posiciones (para necesidad de incrementos más pequeños), pero se pierde precisión y par con respecto al modo normal Control Para controlar un motor paso a paso sólo se necesita un dispositivo que genere la secuencia adecuada de pulsos en los bobinados, según el modo de funcionamiento deseado. Esto se puede conseguir a través de un montaje sencillo. Sólo se necesita un PC, una interfaz con salidas de nivel TTL y una etapa de amplificación.

34 Memoria 28 Para poder excitar las bobinas se tendrá que proporcionar la corriente necesaria. Por eso se necesita diseñar una sencilla etapa de potencia. En este caso se puede optar por el uso de circuitos integrados como el ULN2003A, que es un driver de corriente formado por transistores en configuración Darlington, que admite como señales de entrada las generadas por los dispositivos TTL. Típicamente estos circuitos tienen, entre otras, una entrada para indicar si se desea paso entero o medio, una señal de dirección (CW o CCW) y una señal de reloj para determinar la frecuencia de funcionamiento. Las salidas se conectan directamente a las fases del motor y son las que le proporcionan los pulsos de corriente. Para controlar el driver que contiene el circuito integrado hay que generar las órdenes de nivel TTL para el tipo de paso, sentido de giro y frecuencia de reloj. A través de una interfaz que genere estas señales, gobernado por un PC, se controlan las órdenes y con ello el movimiento del motor. Otra posibilidad es sustituir el PC por un dispositivo programado a tal efecto. Puede tratarse de una tarjeta de entrada/salida, una placa controladora, o simplemente un módulo que contenga una memoria programable y unos canales de salida. Se puede descargar en la memoria del controlador un programa conveniente para cada aplicación. Esto posibilita un comportamiento más autónomo del sistema, sin tener que controlar manualmente las órdenes a través del PC Comentarios Como comentario final en cuanto a los motores paso a paso, cabe destacar que, debido a que los motores paso a paso son dispositivos mecánicos y como tales deben vencer ciertas inercias, el tiempo de duración y la frecuencia de los pulsos aplicados es un punto muy importante a tener en cuenta. Si la frecuencia de pulsos es muy elevada, el motor puede reaccionar no realizando ningún movimiento en absoluto, comenzando a vibrar pero sin llegar a girar, girando erráticamente o incluso puede llegar a girar en sentido opuesto. En tal sentido, el motor debe alcanzar el paso antes de que la siguiente secuencia de pulsos comience.

35 Memoria 29 Capítulo 4 Control del motor de pruebas 4.1 INTRODUCCIÓN En este capítulo se detallará el trabajo realizado mediante el programa LabView, de National Instruments, para controlar la posición del eje del motor paso a paso de pruebas. Este paso se utilizó como previo al diseño de toda la instalación. El objetivo de esta primera etapa era, en primer lugar, familiarizarse con el manejo de los motores de pasos en cuanto a modos de funcionamiento, longitudes de paso, etc. Por otro lado se pretendía tener una idea de qué tipo de hardware iba a ser necesario más tarde para realizar las funciones de control de los motores definitivos. 4.2 SOFTWARE LABVIEW El programa LabView, de National Instruments, es una herramienta de programación gráfica para la construcción de sistemas de adquisición de datos, instrumentación y control. LabView proporciona la capacidad de crear rápidamente una interfaz de usuario que dota al usuario de interacción con el sistema. La programación G es el corazón de LabView, y difiere de otros lenguajes de programación como C o Basic, en que éstos están basados en texto, mientras que G es una programación gráfica. Los programas en G, o VIs ( Virtual Instruments ) constan de una interfaz interactiva de usuario y un diagrama de flujo de datos que hace las funciones de código fuente. De forma más específica, la programación gráfica LabView se estructura como sigue: - La interfaz interactiva de usuario de un VI se llama Panel Frontal, debido a que simula el panel de un instrumento físico. El panel frontal puede contener botones, interruptores, pulsadores, gráficas y otros controles e indicadores. Los datos se introducen utilizando el ratón y el teclado, y los resultados se muestran en la pantalla del ordenador. - El VI recibe instrucciones de un diagrama de bloques que se construye en G. El diagrama de bloques es la solución gráfica a un determinado problema de programación. Además, el diagrama de bloques es el código fuente del programa o VI. - Los VIs son jerárquicos y modulares. Pueden utilizarse como programas de alto nivel o como subprogramas de otros programas o subprogramas. Cuando un VI se usa dentro de otro VI, se denominan subvi. El icono y los conectores de un VI funcionan como una lista de parámetros gráficos de forma que otros VIs puedan pasar datos a un determinado subvi.

36 Memoria 30 Tiene la ventaja de que permite una fácil integración con hardware, específicamente con dispositivos de medición, adquisición y procesamiento de datos (incluyendo adquisición de imágenes). Se utiliza con frecuencia en sistemas de monitorización de procesos y aplicaciones de control. 4.3 PROGRAMACIÓN EN LABVIEW El primer paso del diseño de la instalación fue ejercer un control fiable sobre los motores paso a paso. Esto requiere hacer girar el eje del motor la cantidad justa de pasos para que llegue a la posición deseada. Sin embargo había que tener en cuenta que los motores de los amortiguadores van ocultos y no se dispone de ninguna indicación de en qué paso se encuentran. Por ello el control tenía que ser en lazo abierto, sin conocer la posición real del motor. Lo más sencillo sería tener un sensor de posición o un encoder en el propio motor para indicar la posición real de éste, con lo que el control sería en lazo cerrado, pero en este caso no se dispone de esa instalación. Para el control se utilizó un PC, un dispositivo de adquisición y escritura de datos y el software LabView. Con estos medios se actuó sobre el motor de pruebas disponible (más concretamente sobre la tarjeta controladora del motor). El programa LabView permite actuar sobre los canales de un dispositivo de adquisición de datos mediante unos bloques de programación sencillos y una interfaz diseñable manualmente Solución final La mejor solución que se encontró para el caso estudiado fue el programa Definitivo.vi. Se basa en otros programas anteriores, y en él se dispone de un botón para activar un proceso que se ha denominado reset, consistente en que se le proporciona al motor una cantidad fija y suficiente de pulsos en un sentido, de forma que esté asegurado que cuando empiece a girar los pulsos deseados, esté en un extremo. Cabe señalar que a lo largo de los ensayos se encontraron ciertos problemas con la llegada del eje al tope mecánico que se encuentra en los extremos, puesto que se detectaba una especie de rebote. Este tope es un taco de goma que hace de límite para el recorrido del rotor. Se pensó que la razón podía ser la pérdida de pulsos al llegar a ese extremo, ya que el campo del estator seguía girando mientras el rotor estaba frenado. El programa cuenta con un reset esta vez de un número fijo de pasos, en el sentido y velocidad que se elija; otro grupo de controles para activar el avance, y dos botones para modo Wav y medio paso. Como se indica en el propio panel, el control de medio paso o entero sólo funciona con el botón de Wav en bajo, por motivos de construcción de la tarjeta controladora. Es decir que no puede funcionar en medio paso y modo Wav al mismo tiempo. En este caso se optó por hacer que la ejecución del reset fuese opcional. Esto permite tener la posibilidad de llevar el motor a un extremo rápidamente y