El control de motores para los microrrobots

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1 SEMINARIO DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MICRORROBOTS El control de motores para los microrrobots TRABAJO REALIZADO POR: Felipe Antonio Barreno Herrera. Estudiante de Ing. Téc. Industrial esp. Electrónica Industrial. Fuentes utilizadas: Microrrobótica de Ed. THOMSON. Autores: José M Angulo Usategui, Susana Romero Yesa y Ignacio Angulo Martínez.

2 TRABAJO SOBRE: El control de motores en los microrrobots. En un microrrobot se precisan motores para el funcionamiento de poleas o engranajes internos en la carcasa del robot así como para el simple, giro de sus ruedas. Se utilizan básicamente dos tipos de motores: -Motores paso a paso. -Motores de corriente continua. Los motores de corriente continua (DC) suelen controlar el giro de las ruedas del microrrobot e incluyen un grupo reductor que proporciona un buen par de fuerza y una gran estabilidad en la velocidad de giro. Son motores de baja inercia en los instantes de arranque y parada. Suelen admitir un amplio rango de alimentación en DC y tienen un peso y tamaño reducidos. Este tipo de motores proporcionan un par proporcional al voltaje de entrada, lo que significa que tienen una regulación precisa. Sin embargo no disponen de recursos para saber el ángulo girado y tiene que trabajar en lazo cerrado con sensores para controlar el ángulo girado. Los motores paso a paso (P - P) gira ángulo muy exactos y su control es de tipo digital. Se alimentan en DC V. Estos motores tienen un conjunto de sensores con tratados con señales digitales en los extremos del motor para que gire un ángulo determinado. El motor de P P trabaja en lazo abierto ya que el giro del eje es conocido por el propio control. Una desventaja de este tipo de motores es que su eje no recorre todas las posiciones y en consecuencia no se cubre todo el área de trabajo. MOTORES DE C.C. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. El eje de los motores de c.c. no gira ángulos discretos sino que puede ubicarse en cualquier posición. Sin embargo no pueden funcionar sin realimentación puesto que no disponen de información sobre su posicionamiento sobre el eje. El motor de c.c. debe llevar un detector de posición e informar de la misma al sistemas de control. Este motor está compuesto por una bobina que se arrolla sobre un eje giratorio y que se halla dentro de un campo magnético generado por un imán permanente que los rodea. Las bobinas giratorias se llaman inducido (rotor) y el imán permanente inductor (estator). Por la bobina giratoria circula una corriente procedente de la tensión de alimentación aplicada a los bornes de dicha bobina. Cada media vuelta se invierte el sentido de giro de la corriente por la bobina, produciéndose fuerzas de atracción y repulsión que mantienen al inducido en movimiento. Para el control de motores de c.c. de alta potencia se usa la rectificación por tiristores y para bajas potencias (<10Kw) se usan los transistores de potencia. MOTORES PASO A PASO (P P). PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. El estator consta de dos electroimanes con n pares de polos cada uno. La interacción entre los polos del estator y los del rotor hace que al aplicarse dos ondas cuadradas desfasadas un cuarto de período entre sí a las dos bobinas de los electroimanes el rotor gire

3 un cuarto de paso polar por cada cambio de polaridad en la tensión aplicad a las boinas. Por ejemplo para un motor de 12 pares de polos por bobina del estator, se producirán 48 pasos de revolución, es decir, 7,5º de paso polar. TIPOS DE MOTORES P P. Existen principalmente tres tipos: De imán permanente. De reluctancia variable. Híbridos. Los motores de imán permanente constan de un estator compuesto por una serie de bobinados que se excitan en secuencia creando un campo magnético giratorio, y un rotor cilíndrico y giratorio, que es un imán permanente dentado en toda su longitud. Los motores de reluctancia variable tienen un rotor cilíndrico de material magnético con dientes a lo largo de su periferia. El estator está formado por los bobinados que generan el campo magnético giratorio cuando circula por ellos corriente. Cuando circula por ellos corriente el rotor gira alcanzar una posición en la que la reluctancia sea mínima para el paso del flujo magnético a través del rotor.

4 Los motores híbridos utilizan una combinación de imán permanente y de reluctancia variable. Existen otros tipos de motores P P que se clasifican en: de paso completo (full-step mode) y de medio paso (half-step mode). Los primeros repiten la secuencia cada cuatro pasos y los segundos repiten la secuencia cada ocho pasos. También podemos encontrar clasificados los motores de paso a paso como bipolares y unipolares. Los bipolares tienen disponibles en el exterior los cuatro terminales de los cables que se corresponden con los extremos de las dos bobinas del estator. Los unipolares tienen seis terminales libres (además de los extremos de los dos bobinados hay otros dos cables conectados en las tomas intermedias de las bobinas) los cuales se conectan directamente al positivo de la alimentación. SISTEMAS DE CONTROL MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Y DE PASO A PASO. MOTORES PASO A PASO. Para los motores P P los sistemas de control reciben las consignas del sentido de giro y la velocidad y generan la correspondiente secuencia de impulsos eléctricos para aplicar a los extremos de las bobinas del estator. Este tipo de motores funcionan en lazo abierto y si los cambios son muy rápidos y no puede seguirlos el movimiento del eje se originan errores de posicionamiento. También debemos tener en cuenta las variaciones de la carga conectada al motor. Control por un microcontrolador: Un sistema basado en microprocesador proporciona todas las consignas necesarias a la etapa de excitación de las bobinas del estator. 1) El control es fácilmente variable al basarse en un programa. 2) Es posible controlar otras funcione sauxiliare3s de la aplicación. 3) Se puede dedicar parte de la memoria del sistema microcomputador a guardar datos y programas de utilidad. Podemos encontrar numerosos como el 8051, HC68... Control por circuitería integrada. Existen modelos de circuitos integradas específicos para el control de motores P P como el modelo SA

5 Control por el conexionado de diodos o transistores (DRIVERS). Se utilizan esquemas de puente en H, algunas veces mediante circuitos integrados para el control de motores bipolares y unipolares. Algunos ejemplos de esquemas. MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA. Para los motores de corriente continua se clasifican los métodos de controlar la potencia de los motores de c.c. en cuatro grupos: i. Rectificación controlada por silicio. ii. Conmutación electrónica. iii. Modulación de anchura por pulsos (PWM). iv. Modulación de la frecuencia de pulsos (PFM). Rectificación controlada por silicio. Si la potencia a regular es grande se utiliza el tiristor. Cuando se polariza directamente el tiristor ( positivo al ánodo y negativo al cátodo) el diodo se hace conductor cuando la puerta recibe un impulso positivo de tensión. Se utilizan puentes de Graetz con un tiristor en cada rama. Conmutación electrónica. Si la potencia a regular es pequeña se regula el tiempo y el sentido de la corriente por las bobinas del motor mediante transistores de potencia y circuitos integrados. Las configuraciones básicas son el Puente en H y el Puente en T. El Puente en H usa 4 transistores de potencia y una sola fuente de alimentación. Funcionan los transistores dos a dos bloqueados o conduciendo. Si una de las parejas conduce la otra está cortada. Regulando el tiempo de conducción o bloqueo se varía la velocidad y regulando la pareja que conduce se regula el sentido de la intensidad. El Puente en T usa dos transistores de potencia y dos fuentes de alimentación. Modulación de anchura por pulsos (PWM). Este método se basa en aplicar la potencia al motor mediante impulsos de amplitud variable, cuanto mayor duración tengan los pulsos en los que se aplica la alimentación, mayor potencia recibirá el motor. El generador de los impulsos que controla los conmutadores que alimentan al motor produce impulsos a la misma frecuencia pero con una anchura variable de la parte positiva para acomodarse al carga y ala velocidad requerida.

6 Modulación de la frecuencia de pulsos (PFM). En lugar de variar la anchura de los pulsos manteniendo la frecuencia, en este método se mantiene la anchura de los impulsos pero se varía la frecuencia de los mismos, con lo que se obtiene unos resultados semejantes. La anchura de pulso no varía, pero si la frecuencia con la que se produce. Ejemplo de algunos motores comerciales para la construcción de microrrobots. MOTORES C.C. MOV36 Diámetro 23,8 mm Largo 27mm, eje 9x2mm Tensión de 3 a 6V 1,41 euros sin IVA MOV012 Diámetro 24,4 mm Largo 20mm, eje 10x1,5mm Tensión 2 a 12Vlts. CC, nominal 3Vlts. Velocidad 1280 rpm Consumo 0,02A Fuerza 1,6 g.cm 5,89 euros sin IVA MOV112 Diámetro 32 mm Largo 20,5mm, eje 13,6x2mm Tensión 1,5 a 12Vlts. CC, nominal 12 Vlts. Velocidad 4630 rpm Consumo 0,113A Fuerza 17,5 g.cm 5,42 euros sin IVA MOV385 Diámetro 28 mm Largo 37,8mm, eje 16x2,3mm Tensión 6 a 18Vlts. CC, nominal 12 Vlts. Velocidad 9500 rpm Consumo 0,260A Fuerza 80 g.cm potencia 6,8W

7 MOTORES PASO-PASO ZO532 Motor paso a paso 2 bobinados y 4 hilos 5V 250 ma 200 Pasos 23BBH24505 Motor paso a paso bipolar 48 pasos 2 bobinados Tensión nominal 3,3-6V Corriente máxima por fase 7,5 A Eje de 4mm con piñón de 19mm y 19 dientes Dimensiones 57x26mm (Separación entre agujeros para fijación 67mm) 14,36 euros mas IVA I7PMH302PI Motor paso a paso bipolar 200 pasos 2 bobinados Páginas webs interesantes

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