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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
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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
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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)
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Existen tres tipos de actuadores
Neumaacuteticos
Hidraacuteulicos
Eleacutectricos
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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
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(ʘ‿ʘ)
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
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
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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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85
(ʘ‿ʘ)
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
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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
14
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)
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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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 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
77
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(ʘ‿ʘ)
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
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
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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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(ʘ‿ʘ)
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
(ʘ‿ʘ)
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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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
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)
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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)
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
77
85
(ʘ‿ʘ)
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)
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
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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)
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)
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)
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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)
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
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(ʘ‿ʘ)
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
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
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
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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
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)
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
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
19
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
21
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
26
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
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
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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
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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)
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
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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)
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
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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
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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
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)
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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)
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)
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
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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)
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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)
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
24
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
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
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
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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)
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
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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
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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 - 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)
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)
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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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
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
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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
64
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
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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)
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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)
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
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
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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 - 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)
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
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)
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)
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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
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)
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)
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
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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
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
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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)
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 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
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)
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
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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
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
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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
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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)
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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
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
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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)
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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)
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
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
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)
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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)
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
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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)
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)
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
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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
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
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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
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(ʘ‿ʘ)
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
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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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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
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Actuadores
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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)
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
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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
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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(ʘ‿ʘ)
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
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)
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
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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)
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
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
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
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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
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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
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(ʘ‿ʘ)
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
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)
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
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
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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)
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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)
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)
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
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
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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)
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)
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
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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
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
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
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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)
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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)
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)
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
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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
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
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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)
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)
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)
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 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
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
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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)
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
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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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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 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)
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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Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor
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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
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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
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Actuadores
Actuadores eleacutectricos - Motores Servomotores
61
Actuadores
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62
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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
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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
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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
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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
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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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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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
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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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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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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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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
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20 ciclo de trabajo
50 ciclo de trabajo
80 ciclo de trabajo
Actuadores
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- 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
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Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1
include ltServohgt
Servo miServo
void setup()
miServoattach(9)
void loop()
miServowrite(0)
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Puerto Digital
Grados del servomotor (0deg a 180deg)
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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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Variable para almacenar la posicioacuten del servo
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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
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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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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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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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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
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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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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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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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24v
0v
0v
0v
20 ciclo de trabajo
50 ciclo de trabajo
80 ciclo de trabajo
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- 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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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
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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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include ltServohgt
Servo miServo
void setup()
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void loop()
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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)
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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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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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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
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(ʘ‿ʘ)
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
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
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)
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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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
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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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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
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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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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
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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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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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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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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
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20 ciclo de trabajo
50 ciclo de trabajo
80 ciclo de trabajo
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- 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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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 eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1
include ltServohgt
Servo miServo
void setup()
miServoattach(9)
void loop()
miServowrite(0)
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Grados del servomotor (0deg a 180deg)
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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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Variable para almacenar la posicioacuten del servo
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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
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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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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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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
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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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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 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 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
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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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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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Grados del servomotor (0deg a 180deg)
Libreriacutea
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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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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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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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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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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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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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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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24v
0v
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50 ciclo de trabajo
80 ciclo de trabajo
Actuadores
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- 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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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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include ltServohgt
Servo miServo
void setup()
miServoattach(9)
void loop()
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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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Variable para almacenar la posicioacuten del servo
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Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo
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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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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
85
(ʘ‿ʘ)
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)
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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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
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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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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
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
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Actuadores eleacutectricos - Motores PWM ndash Coacutedigo 1
include ltServohgt
Servo miServo
void setup()
miServoattach(9)
void loop()
miServowrite(0)
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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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Va de 180 grados a 0 grados pasos de 1 grado
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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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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
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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
70
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
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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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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
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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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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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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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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
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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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Variable para almacenar la posicioacuten del servo
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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
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Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo
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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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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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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
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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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Variable para almacenar la posicioacuten del servo
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Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo
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Decirle al servo que vaya a la variable ldquoposrdquo
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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
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
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include ltServohgt
Servo miServo
void setup()
miServoattach(9)
void loop()
miServowrite(0)
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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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Variable para almacenar la posicioacuten del servo
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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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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
85
(ʘ‿ʘ)
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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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
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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
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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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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)
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
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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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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
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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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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
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