SEMINARIO: Diseño o y Construcción n de Microrrobots

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1 SEMINARIO: Diseño o y Construcción n de Microrrobots SEMINARIO Diseño y construcción de Microrrobots CONTROL DE MOTORES D. Jesús Ureña Ureña urena@depeca.uah.es Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 1

2 GUIÓN 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 Driverlineales 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 Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 2

3 1. MOTORES... PARA QUÉ? 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.) Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 3

4 CÓMO SE DESPLAZA UN ROBOT? DIRECCIÓN DIFERENCIAL: Dos ruedas de tracción independientes ARQUITECTURA TRICICLO: Tracción y dirección independientes TIPO COCHE Tracción y dirección en dos ruedas Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 4

5 CÓMO SE DESPLAZA UN ROBOT? DIRECCIÓN SÍNCRONA: Rotación simultánea de todas las ruedas MOVIMIENTO CON PATAS: Cada pata requiere dos rotaciones Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 5

6 CINEMÁTICA DE 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) Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 6

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9 2.- MOTORES DC: TIPOS TIPOS DE MOTORES Motores DC Motores Motores de de imán imán permanente -PM- (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 a paso -PP- De imán permanente (PM) De reluctancia variable Híbridos Motores AC Motores AC monofásicos Motores AC trifásicos Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 9

10 2.- MOTORES DC: FUNCIONAMIENTO FUNCIONAMIENTO MOTOR DC -PM- Ley de Lorentz Esquema de conmutación por escobillas Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 10

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12 Rendimiento Potencia Intensidad Velocidad angular 2.- MOTORES DC: CARACTERÍSTICAS (1) CURVAS VELOCIDAD PAR Parámetros significativos Tensión nominal del motor: V Corriente sin carga: Corriente de arranque: Velocidad sin carga: Io No Is=V/R Par de parada: Ts PAR Rendimiento máximo: ηmáx Potencia máxima: Pmáx=1/4 No Ts Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 12

13 2.- MOTORES DC: CARACTERÍSTICAS (2) VARIACIONES DE TENSIÓN EMPLEO DE REDUCTORAS Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 13

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15 2.- MOTORES DC: HOJAS TÉCNICAST Motores de 22mm en Miniatura de Control d.c. Características Técnicas Código RS Potencia nominal (W) 5 5 Tensión nominal (V) 6 12 Velocidad sin carga (rpm) Par de parada (mnm) 20,7 22,6 Velocidad (rpm) Velocidad máx. permisible (rpm) Corriente sin carga (ma) ,4 Corriente máx. continua (ma) Par máx. continuo (mnm) 6,48 6,34 Dimensiones (mm) long. del cuerpo 31,9 31,9 Ø del cuerpo Ø del eje Unidades por Lote = 1 tipo código RS precio unitario Euros V V Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 15

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17 2.- MOTORES DC: KIT PRÁCTICO MOTORES DE JUGUETES Rendimientos pobres Precios muy reducidos y fáciles de conseguir. Fácil de configurar mecánicamente Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 17

18 2.- MOTORES DC: KIT PRÁCTICO (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 Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 18

19 MOTORES 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 Control Control Tensión de alimentación del motor Motor Tensión de alimentación del motor Motor Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 19

20 2.- MOTORES DC: CIRCUITOS DE EXCITACIÓN N 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) ±Ve R2 + _ R1 Vcc Vcc R2 R1 R R R Vm = Ve (R2 / R1) M En tensión + _ R ±Vin R2 + _ R1 Vcc Rs M + _ R V M R2 R1 R R R Im = Ve R2 / (R1 Rs) En corriente Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 20

21 2.- MOTORES DC: EXCITACIÓN 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 Tensión de alimentación del motor Motor Tensión de alimentación del motor Motor Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 21

22 2.- MOTORES DC: EXCITACIÓN N CON PUENTE EN H (II) 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 Tensión de alimentación del motor Motor Tensión de alimentación del motor Motor Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 22

23 2.- MOTORES DC: EXCITACIÓN 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) Ciclo de trabajo: D=ton/Tperiod Trabajando con la diagonal S1-S4 Nivel alto: S1 y S4 conduciendo Nivel bajo: S1 y S4 cortados D=10% D=40% D=80% Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 23

24 2.- 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 Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 24

25 2.- MOTORES DC: PUENTE EN H 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 (Vgs del 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 Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 25

26 2.- MOTORES DC: PUENTE EN H (MOSFET -L6202-) Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 26

27 2.- MOTORES DC: PUENTE EN H (BJTs( -L293-) Puente completo (para un motor) Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 27

28 2.- MOTORES DC: PUENTE EN H (Modos de excitación) +V +V +V PWM PWM SI GNO PWM SI GNO a) b) c) SIGNO: Selecciona una diagonal (sentido del motor) PWM: Modula la conducción de los dos transistores de una diagonal. SIGNO: Selecciona una diagonal (sentido del motor) PWM: Modula la conducción de sólo uno de los 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. Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 28

29 2.- 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 Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 29

30 2.- MOTORES DC: PUENTE EN H (Sólo 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 Vmotor D=20% V medio negativa t Vmotor D=80% V medio positiva t Vmotor D=50% V medio nula ENABLE PWM t Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 30

31 2.- MOTORES DC: PUENTE EN H (Generación n PWM) COMPARACIÓN ANALÓGICA COMPARACIÓN DIGITAL Oscilador: generador de rampa Señal de consigna (analógica) + - PWM CLK Contador cíclico de N bits A B Comparador digital de N bits A>B PWM Micro Registro de consigna (N bits) Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 31

32 3.- MOTORES DC: SENSADO Y LIMITACIÓN N DE CORRIENTE MOTOR 1 MOTOR 2 COMPARAD ORES RESISTORES DE SENSADO Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 32

33 2.- MOTORES DC: ENCODERS FUNDAMENTO Una rueda con zonas homogéneas que dejan pasar una radiación FABRICACIÓN CASERA Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 33

34 2.- MOTORES 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 Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 34

35 2.- SERVOMOTOR: CONTROL DE POSICIÓN 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 Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 35

36 3.- MOTORES 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 C-D Se excita sólo la bobina 1 en sentido B-A Se excita sólo la bobina 2 en sentido D-C Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 36

37 3.- MOTORES PASO A PASO: OTROS TIPOS RELUCTANCIA VARIABLE HÍBRIDOS En cualquier caso el objetivo es aumentar el número de pasos por vuelta Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 37

38 3.- MOTORES PASO A PASO: MODOS DE TRABAJO PASO COMPLETO: Bobinas excitadas independientemente MEDIO PASO: Bobinas excitadas simultáneamente Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 38

39 3.- MOTORES PASO A PASO: MODOS DE EXCITACIÓN EXCITACIÓN BIPOLAR: Bobinas excitadas por los extremos EXCITACIÓN UNIPOLAR: Bobinas excitadas por toma intermedia Vcc PUENTE EN H PUENTE EN H A B C D A B C D Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 39

40 3.- MOTORES PASO A PASO: EXCITACIÓN 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 Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 40

41 3.- MOTORES PASO A PASO: EXCITACIÓN EXCITACIÓN CON DRIVER ULN2003: Modo unipolar EXCITACIÓN CON PUENTE EN H L293: Modo bipolar Ahora las señales de control se deben generar en el microcontrolador Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 41

42 BATERÍAS: AS: Requerimientos Deben proporcionar la energía que requieren: los sistemas electrónicos (alimentados con tensión constante) Los motores (con corrientes relativamente altas y variables en el tiempo) 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. Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 42

43 BATERÍAS: AS: Cuadro comparativo Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 43

44 BATERÍAS: AS: Curvas de descarga y tamaños CURVA DE DESCARGA BATERÍAS PORTABATERÍAS Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 44

45 BATERÍAS: AS: 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. Los circuitos analógicos pueden ser muy sensibles a variaciones de la alimentación por lo que puede ser útil el empleo de un regulador. 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. Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 45

46 BATERÍAS: AS: Como alimentar los circuitos? Evitar que las corrientes de los motores pasen por los hilos de alimentación de otros circuitos BATERÍA Circuitos NO Sistema para digital sensores, (micro, conversión generación A/D, etc. PWM, etc.) Puente en H Circuitos para sensores, conversión A/D, etc. Sistema digital (micro, generación PWM, etc.) BATERÍA Puente en H Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 46

47 BATERÍAS: AS: Como alimentar los circuitos? Deben emplearse bastantes condensadores de desacoplo e incluso dos alimentaciones. Deben evitarse lazos de masa en el trazado Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 47

48 BIBLIOGRAFÍA Apuntes y libros de asignaturas de Electrónica de Potencia y Sistemas Electrónicos de Control del Dpto de Electrónica, incluyendo página WEB: Libros sobre micro-robots: Mobile Robots: Inspiration to implementation J.L. Jones y A.M. Flynn. Ed. A K Peters Microbótica. Angulo y otros. Ed. Paraninfo Páginas de internet de fabricantes y distribuidores de motores y circuitos integrados: (SGS-Thomson) (Unitrode) (RS-Amidata) (Futaba) Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 48

49 GRACIAS POR LA ATENCIÓN Muchas gracias por la atención Marzo 2006 SEMINARIO ALCABOT'2006 e HISPABOT'06 49

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