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Timestamp: 2017-06-25 23:43:55+00:00

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acelerador electronicoUploaded by svm814Related InterestsResistorThrottleWavesMotion (Physics)InductorRating and Stats5.0 (1)Document ActionsDownloadShare or Embed DocumentEmbedView MoreCopyright: Attribution Non-Commercial (BY-NC)List price: $0.00Download as PDF, TXT or read online from ScribdFlag for inappropriate contentiii Memoria______________________________________________________________Agradecimientos
En primer lugar quisiera agradecerles a Xabier Carrera y a José Manuel Carballo todo el apoyo y la incalculable ayuda que me han aportado durante todo este tiempo, su ayuda en los momentos más difíciles ha sido fundamental para la viabilidad de este proyecto. A Joan Savall, director del proyecto, por aportarme todo su apoyo y experiencia con ideas que siempre llegaban a buen término, y por confiar en mi. A Emilio Sánchez por aportarme todos sus conocimientos de motores eléctricos que me han sido de mucha utilidad a la hora de comprender y elegir el actuador. También me gustaría agradecer la gran ayuda recibida por José Jesús Fraile Mora catedrático de la Escuela de Ingeniero de Caminos y a su hijo José Jesús profesor de la universidad, que me aportaron nuevas soluciones de seguridad y gran ayuda a la hora de comprender un poco más el funcionamiento de determinados componentes eléctricos. También quiero agradecer a mis padres Antonio Miguel y Maria del Carmen así como a toda mi familia todo su apoyo durante toda mi vida. A mis amigos de Sevilla con los que he compartido toda una vida, y de San Sebastián, con los que he vivido estos últimos años. A todos ellos con quienes he compartido todas mis alegrías y problemas. También quisiera mencionar a los compañeros y alumnos de Laboratorio: Juan Lizeaga que en todo momento me ha ayudado a montar, desmontar y construir con un trato excelente y por su gran amabilidad y empeño para que las cosas salgan bien, a José Macayo, Mikel Ares, Imanol Puy, Javier Sánchez, Laurentzi Garmendia y Eduardo Gómez por suministrarme material cuando lo he necesitado. Y al personal del taller, Enrique, Isaías, Antonio y Juan Villarón por su amabilidad en el trato y por construir las piezas que necesitaba.
iv Memoria______________________________________________________________
El tema del presente proyecto es el diseño e implantación de un control electrónico del acelerador, conocido generalmente como “drive by wire”. En la realización del proyecto se distinguieron tres partes diferentes: medición, actuación y control. En la primera parte, la medición, se explicará como se va medir la posición del pedal del acelerador, utilizando un potenciómetro y un mecanismo se intentará sacar la mejor resolución al sensor. En la segunda parte nos encontramos con la actuación, la utilización de un motor eléctrico y el conocimiento de su funcionamiento serán trascendentes para una correcta puesta a punto del conjunto. Y por último se llega al control de la actuación, el sistema integrado es un dispositivo parecido a un ordenador que recibe datos de la posición del pedal y envía señales de control de movimiento al actuador. Este dispositivo donde se registran todas las señales procedentes de todos los sensores del Car-Cross es el nexo de unión entre la medición y la actuación y será muy importante programarlo de manera correcta. El resultado de este proyecto posibilitará la apertura de nuevas vías de trabajo, como pueden ser el control de tracción, diferentes programas de conducción en función del estilo de cada persona, cruise control, etc. que pueden ser muy interesantes para futuros proyectistas en el laboratorio.
v Memoria______________________________________________________________
Agradecimientos ...................................................................................... iii Resumen .................................................................................................iv Índice ....................................................................................................... v Índice de ilustraciones. .......................................................................... viii Capítulo 0. Introducción........................................................................... 1 0.1. Presentación del vehículo Car-Cross............................................ 1 0.2. Detalle de los elementos principales del proyecto. ....................... 3 0.3. Requisitos evolución y soluciones................................................. 4 Capítulo 1. Objeto.................................................................................... 7 Capítulo 2. Medición de la posición del acelerador. ................................ 8 2.1. Introducción................................................................................... 8 2.2. Objetivo y necesidades. ................................................................ 9 2.3. El sensor de posición. ................................................................. 10 2.4. El potenciómetro. ........................................................................ 13 2.4.1. Introducción, esquema y principio de funcionamiento. ......... 13 2.4.2. Aplicaciones y tipos. ............................................................. 15 2.4.3. Descripción........................................................................... 16 2.4.3.1. Potenciómetros de desplazamiento lineal...................... 16 2.4.3.2. Potenciómetros de desplazamiento angular .................. 16 2.4.4. Materiales. ............................................................................ 17 2.4.5. Conexión de un potenciómetro............................................. 18 2.4.6. Características técnicas........................................................ 18 2.4.7. Ventajas y desventajas......................................................... 20 2.5. Desarrollo de los objetivos y necesidades. ................................. 20 2.5.1. Angulo de giro del acelerador............................................... 20 2.5.2. Potenciómetro. ..................................................................... 20 2.5.2.1. Resolución del Data Logger y del potenciómetro........... 21 2.5.2.2. Elección del potenciómetro y ángulo de giro.................. 24 2.5.3. Mecanismos. ........................................................................ 24 2.5.3.1. Solución 1: Utilizando engranajes.................................. 24 2.5.3.2. Solución 2: Poleas dentadas.......................................... 27 2.5.3.3. Solución 3: Potenciómetro de desplazamiento lineal..... 28 2.5.3.4. Solución 4: Mecanismo instalado anteriormente............ 29 2.5.4. Linealidad. ............................................................................ 32 2.5.5. Tensión de alimentación y ángulo de giro. ........................... 32 2.6. Resumen y conclusiones. ........................................................... 32 Capítulo 3. Actuación............................................................................. 34 3.1. Motores seleccionados. .............................................................. 34 3.1.1. Introducción. ......................................................................... 34 3.1.2. Motores eléctricos. ............................................................... 34 3.1.2.1. Motor de corriente continua. .......................................... 35 3.1.2.2. Servomotor. ................................................................... 37 3.1.2.3. Motores paso a paso...................................................... 41 3.1.2.4. Motores sin escobillas (Brushless)................................. 46 3.1.3. Comparación entre los diferentes motores. .......................... 49
62 3... 75 4.... 50 3..........2........... Mecanismo de poleas con reducción en el actuador................ 79 Capítulo 5.......................... ............................... .......................3....1... 87 6.... Fabricación del soporte............................ 82 6..... .................. Cuadro de precios....1. Montaje...................... Ventajas de un acelerador electrónico.. 82 6..........3........ 85 6.3............4...... 85 6.4.............................. Futuras líneas de trabajo... ....2. 87 6.............................4........ Ventajas y Futuras líneas de trabajo................................. . 70 3......... ............... Control de tracción....... Parámetros importantes para la programación.....................................3............... 63 3... 74 Capítulo 4....... Comparaciones entre los mecanismos......1........2..1......... Introducción ..4................................3...........2.....1.3..3.............. ............... ................. 65 3.....................4.................. Cruise Control (Velocidad De Crucero)....................... 77 4........ .......... 52 3...........2.........1...........................4...3................1............... Mecanismo de poleas................................... Conclusiones............... Mecanismo de barras..................................... La tarjeta de adquisición de datos......................... 64 3............................................. Control y programación.3....... La unidad de control electrónico .. ... 61 3.... Par necesario para mover las mariposas.................2...1............ Diseño del mecanismo y el soporte...... La unidad de control electrónico (UCE).2........ .3.................. .......... Sensor de fuerza................. El actuador....... ..........2................2........ Mediciones y consideraciones............................... Par........................................ . 66 3. 62 3..................... 50 3.......... 73 3............ 61 3.....2................1... 64 3.............4........ 63 3.3.............................................. Elección del servomotor...... .......... Velocidad de respuesta.... ...................... Medición de temperaturas..... Diferencias entre Drive By Wire comercial y Car-Cross........3.............................4........ ..................3.................................................... 75 4............................4...........4...3........4............................ Muelles...3...5.............................. 91
...... .................................................. 90 7... .................. ........ .... Mediciones......3............. ..... 82 6...2......................... 52 3........ Diferencias............. Elección de la polea...............5. 62 3................ 90 7................................ 78 4................ ......... 55 3......... ......................................1..........1..........................1...... 87 6...................................... Sistema integrado......................4............................ 71 3..... 84 6...............2.. Conclusiones...... Tensión............................. 86 6.......... 80 Capítulo 6..........2.................3.................vi Memoria______________________________________________________________
3..1......3................. Dinamómetro..2......... 65 3............... 75 4.......... 62 3....3............ Inconvenientes y soluciones......2..... ....2.................2......................... 69 3.....................3... 82 6........ El actuador................... 72 3....... Mecanismos propuestos........5....3.1............3...... Introducción...................2. Toma de mediciones................4.............. Ángulo girado por las mariposas...................5...............3........................ 62 3.... .............4....................2............. Reversibilidad.....2.............. 88 Capítulo 7.............3................... Mecanismo de husillo y motor paso a paso........ Tipos de conducción...............................3............................ Resumen................ .............. ................ Seguridad......................4...... Pedal del acelerador......................3...................1... ..........................4............3...4.........................1................. 62 3. ................... 50 3....... ............... ........ Presupuesto.. ..............................3...............3..........
...............................3................................ Bibliografía.............. Listado de precios.......... .......vii Memoria______________________________________________________________
7........ 93 Capítulo 9..................... 92 Capítulo 8. URL’s consultados........................................ ............................... ....... 94
........................................ 45 Figure 33: Eje de la mariposa.......... polea.... 13 Figure 11: Variación de la resistencia de un potenciómetro con el ángulo.............................. 52 Figure 35: Mecanismo elevador........... ......... 51 Figure 34: Medidor del ángulo de giro................ 3 Figure 4: Tarjeta de adquisición de datos................................ 30 Figure 25: Mecanismo de giro del potenciómetro......................................................................... ................. 11 Figure 9: Pedal con potenciómetro integrado.... 28 Figure 23: Potenciómetro lineal................................................ 17 Figure 17: Conexión de un potenciómetro ..... ....................................................................... 32 Figure 28: Servomotor........... 15 Figure 13: Representación de un potenciómetro....... 29 Figure 24: Vista del nuevo mecanismo........................................................................................ 53 Figure 36: Carburador.................... 67
... ................ 57 Figure 41: Vista del conjunto completo.................... 39 Figure 30: Posiciones para paso simple...... dinamómetro y elevador.............. .......................................................................................... 16 Figure 15: Aspecto de un potenciómetro angular................................................................................. 26 Figure 22: Poleas....................................................... 53 Figure 37: Sensor de fuerza .... 44 Figure 31: Posiciones para paso doble............................................................ 18 Figure 19: Leyes de variación de la R de un potenciómetro................. ........................... .................. 56 Figure 38: Amplificador San-Ei y Polímetro.............................................
Figure 1: Car-Cross Melmac........... 17 Figure 16: Esquema de un potenciómetro angular............................................. 38 Figure 29: Funcionamiento de un servo mediante pulsos............ ................... 4 Figure 6: Acelerador en vehículos especiales....... ................. 44 Figure 32: Posiciones para medio paso.........viii Memoria______________________________________________________________
Índice de ilustraciones....................... 18 Figure 18: Parámetros de un potenciómetro........... ........ 59 Figure 44: Ángulo entre la perpendicular al eje y el cable del acelerador..... 4 Figure 5: Zona a actuación del carburador............. 56 Figure 39: Puente de Weahtstone entre el sensor de fuerza y el San-Ei............. ................... 59 Figure 43: Relación entre la fuerza aplicada y el voltaje obtenido............... .................................................................................................................................................... 31 Figure 26: Muelle.......... 9 Figure 8: Encoder incremental.......................................... 24 Figure 21: Tren de engranajes............................ .................................................................................... 20 Figure 20: Engranajes...................... ....................................................................................................... . rodamiento y potenciómetro............ 58 Figure 42: Disposición del sensor.............................................. .............................. ........................................................................... 15 Figure 14: Aspecto de un potenciómetro lineal .. ................................. ............................................. 3 Figure 3: Acelerador del Car-Cross....................................................................................................................................... 14 Figure 12: Potenciómetro ........ .......................... 57 Figure 40: Conexión de las galgas con el puente de Wheatstone................................ 13 Figure 10: Esquema de un potenciómetro...................... ............................................................................................................................................... ....................................... 31 Figure 27: Mecanismo completo.............................................. 8 Figure 7: Diferentes tipos de pedales de acelerador ..................................... 2 Figure 2: Modelización del Car-Cross....................................... 60 Figure 45: Nuevo diseño del mecanismo................................................................................
................ ..................................................................... 83 Figure 60: Acelerador electrónico en un Cadillac................................ 73 Figure 52:Soporte con el servo amarrado..................................... 71 Figure 51: Conjunto montado en el motor de pruebas....................................................... .................. ................................................................ 75 Figure 54: Data-Logger................................. 83 Figure 59: Pedal de acelerador en coches comerciales........ 70 Figure 50: Soporte realizado en la máquina de electro-erosión.......................................................... ........ 68 Figure 48: Termopar y multímetro.............. ................................................................................ 74 Figure 53: Posición de la UCE................. 77 Figure 57: Circuito de seguridad utilizando puerta AND..................... ........ 68 Figure 47: Soportes propuestos.. ........ 76 Figure 55: Display integrado en el cuadro de mandos............................ ............... ......................ix Memoria______________________________________________________________
Figure 46: Tapa de las bujías y soporte antiguo.... .... 69 Figure 49: Prototipo hecho de resinas............................................ 85
..... 78 Figure 58: Sensor de posición del vehículo Car-Cross.............................................................. ........ 76 Figure 56: Tren de pulsos para el servo elegido..................... 84 Figure 61: Motores eléctricos fabricados por Bosch....................................
El elemento principal sobre el que se trabaja y a su vez se extraen resultados es evidentemente el propio coche.1 Memoria______________________________________________________________
Capítulo 0. desde hace unos pocos años se viene investigando la implantación en estos coches de carreras de esta tecnología. en el que en la última imagen aparecen las letras ETC que significan “Electronic Throttle Control” Control electrónico del acelerador. y los resultados ya se pueden ver. entre otros factores. las fulminantes salidas de los coches Renault son gracias a un sofisticado sistema de control de tracción y al drive by wire.
. La introducción del by-wire en el automóvil ha sido gracias a la Fórmula 1. Proyecto que cuenta con un poco de todo pero sobre todo con el ingrediente principal. En la Figure 1 se observa al Car-Cross en acción en el circuito de Olaberria (Guipúzcoa) en una de las pruebas realizadas. El acelerador electrónico. diseño del sensor de posición. El proyecto se dividió en las siguientes fases. Introducción. interesado en temas de automoción habló con Joan Savall y este le ofreció la posibilidad de realizar este proyecto.
El presente proyecto comenzó en octubre de 2003. el alumno. en inglés conocido como Drive-By-Wire. los coches. Presentación del vehículo Car-Cross.1. es una tecnología que está empezando a ser implantada desde no hace mucho tiempo. Es por ello que esta es una tecnología muy nueva hoy en día en los coches de calle. diseño del mecanismo de actuación así como la búsqueda de un actuador y por último programación. obtención de información.
0. Todo empezó allá por Septiembre de 2003. viene del Fly-By-Wyre utilizada desde hace bastante tiempo en los aviones. Hoy en día cada vez más aparecen más marcas con el sistema drive by wire. y como otros fue realizado en el Laboratorio de Automoción de TECNUN. seguro que alguno recordará el anuncio del nuevo Golf (2004). Se trata de un Car-Cross modelo Melmac fabricado por Tenroj para pruebas en circuitos de tierra.
Dirección: tipo piñón/cremallera.
. Precarga de muelle ajustable. Tracción: ruedas traseras sin diferencial. tal y como lo muestra la Figure 2. No tiene marcha atrás. El coche ha sido modelizado en Pro-Engineer con anterioridad en el propio laboratorio. Transmisión: por cadena. Conjunto muelle amortiguador en cada rueda. Régimen máximo: 12330rpm.2 Memoria______________________________________________________________
Figure 1: Car-Cross Melmac. Par máximo: 12 mdaN a 10500rpm.
Las especificaciones técnicas son las siguientes: Chasis tubular con diámetro de los tubos de 32 y 40mm. Cambio de marchas: secuencial de 6 velocidades. Frenos: de disco macizo de 5mm. Reparto de frenada delantero/trasera regulable. dos discos delanteros y uno trasero. Motor central Honda CBR600 F Potencia aproximada: 92CV a 12000rpm. Suspensión: doble triángulo independiente a las cuatro ruedas. Peso: inferior a 300kg. Amortiguador regulable.
A continuación se presenta una galería de fotos en las que se muestra los elementos que más interés tienen en este proyecto.
0.3 Memoria______________________________________________________________
Figure 2: Modelización del Car-Cross. El acelerador se muestra en la figura siguiente.
Figure 3: Acelerador del Car-Cross.2. Detalle de los elementos principales del proyecto. será la pieza clave en la parte de medición.
Figure 4: Tarjeta de adquisición de datos.
Y por último se muestra la parte del motor en la que se actuará. se puede observar en la figura el cable del acelerador en la esquina superior derecha.
En el presente proyecto ha sido necesario el estudio o cálculo de los siguientes conceptos:
. Requisitos evolución y soluciones. Está situada detrás del asiento del piloto. En ella se recogen toda la información proveniente de los sensores instalados en el coche.
Figure 5: Zona a actuación del carburador.3. que se pueden observar en la figura irá un mecanismo donde se apoyará el actuador. En la tapa gris o en el lugar del antiguo soporte.4 Memoria______________________________________________________________
El data logger se muestra en la Figure 4.
Pero después de realizar cálculos de posibles mecanismos para mover la mariposa. Se hizo un rediseño mejorado del que se estaba utilizando en estos momentos para conseguir un mayor número de valores. Existen actuadores que cumplen con el requisito de tensión y par. Su función consistirá en que una vez el actuador deje de abrir la mariposa. esto se debe a que el Data Logger tiene un valor de resolución por debajo del cual no sabe lo que está ocurriendo. Reversibilidad: En la actuación se intentará usar los muelles como mecanismo de seguridad. y con una intensidad de no más de 5 amperios (suministrados por la batería) y con un par suficiente. se llegó a la conclusión de que ninguno aportaba el suficiente coeficiente de seguridad en cuanto a par. El nuevo motor tiene como
. Mecanismo del potenciómetro: Se utilizó un mecanismo que conectase el pedal del acelerador con el potenciómetro. de forma que consiguiese el giro de este último ante cualquier giro del pedal. y tener más valores para el actuador. El potenciómetro se alimentó a 12 voltios. Para ello aparte del rediseño del mecanismo. Se intentaba conseguir el mayor número de valores del potenciómetro. los muelles se encargaran de hacerla volver a cero. el resultado fue de 4kg*cm. El resto de actuadores cumplían con estos requisitos pero tenían un par muy pequeño. también se redujo el radio de la polea que hace que gire el potenciómetro para conseguir mayor giro. pero el Data Logger no admite más de 5 voltios. por lo que fueron descartados.5 Memoria______________________________________________________________
Resolución: Para la medición de la posición del pedal del acelerador fue necesario conocer la resolución tanto del potenciómetro utilizado como del Data Logger (sistema de adquisición de datos). utilizaremos el concepto de reversibilidad o irreversibilidad para definir cuando en un mecanismo los muelles son capaces o no de cerrar la mariposa cuando el motor no funcione. Actuador: En la actuación el actuador tiene que funcionar con un máximo de 12 voltios. Si el motor es reversible o no dependerá de este factor. por lo que se decidió eliminar los muelles. Par: En la actuación fue necesario realizar una medición del par necesario para mover las mariposas. pero consumían mucha intensidad. Pues bien. para agotar el fondo de escala del sistema de adquisición de datos. para cerrarla se encargarían los muelles. por eso el nuevo diseño se hizo de forma que el potenciómetro girase 450º que es cuando da la señal de 5 voltios y se consiguiese así el mayor número de valores. Ese es el valor mínimo de par que tendrá que realizar el actuador utilizado para abrir la mariposa. Por ello se buscó un potenciómetro con una resolución parecida a la del Data Logger pero siempre por encima de éste.
para evitar que el aire caliente proveniente del la tapa de bujías estropease el servo.6 Memoria______________________________________________________________
requisito mínimo un par de 1kg*cm pero se le aplicará un coeficiente de seguridad de 5. El esquema final quedaría de la siguiente forma: la señal del potenciómetro instalado en el pedal llega al sistema de adquisición de datos.
. para poder implantar distintos programas de conducción. Finalmente se optó por utilizar un circuito electrónico aparte. pero como este no resiste temperaturas mayores de 60º. pero la señal PWM que envía el sistema de adquisición de datos es lenta e imprecisa. Soporte: Se utilizó un soporte para sujetar el servomotor. ya que el nuevo actuador tendría que mover la mariposa tanto para abrirla como para cerrarla. Seguridad: Al ser eliminados los muelles de retorno de la mariposa se perdió seguridad. ahí se procesan los datos recibidos y se envía una señal al circuito electrónico que se encargará a su vez de generar una señal PWM que le será enviada al servo. pero es esencial que la señal pase por ahí. y en caso de fallar. se tuvo que poner una placa reflectante entre el soporte y la tapa de bujías. Se podría eliminar el paso por el sistema de adquisición de datos. la mariposa se quedaría abierta. Control: En el control aparecieron muchos problemas. quedando en 5kg*cm. el servomotor funciona con señal PWM.
. y otros proyectos sirven para ver cual es el funcionamiento de diferentes partes del coche. Objeto
El laboratorio de Automoción de TECNUN dispone de un vehículo de competición Car-Cross sobre el cual se realizan y se han realizado diversos trabajos.7 Memoria______________________________________________________________
Capítulo 1. del consumo de gasolina. Este proyecto puede ser un punto de partida de futuros proyectos que contribuirían a la mejora de muchos aspectos del Car-Cross. o evitando peligrosas situaciones como los derrapes en las salidas. De forma que se puedan configurar diferentes posibilidades de conducción. el objeto de proyecto consiste en implantar un acelerador electrónico de forma que permita exprimir al máximo la potencia del motor consiguiendo una disminución de la contaminación del coche. muchos de los cuales son proyecto final de carrera. Muchos de estos trabajos consisten en mejorar las comodidades de conducción como puede ser el cambio automático con las marchas en el volante.
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Capítulo 2. Medición de la posición del acelerador.
El pedal del acelerador es uno de los elementos esenciales en un coche, su función es la de transmitir al motor el deseo del conductor de alcanzar una cierta velocidad o aplicar más o menos par en las ruedas motrices. Se ha visto que hay diferentes tipos de aceleradores así como en diferentes posiciones. El sitio normal suele ser en el habitáculo del coche donde suele colocar las piernas el conductor, esto da una gran comodidad a la hora de manejarlo. En algunos casos también nos podemos encontrar en coches especiales que el acelerador está ubicado en el volante, y es accionado mediante una palanca o un volante más pequeño que al ser presionado funciona como el pedal.
Figure 6: Acelerador en vehículos especiales.
En estos casos el mecanismo siempre es el mismo; el pedal o la palanca tira de un cable que a su vez acciona la mariposa del carburador (motor de gasolina) o controla el caudal de combustible que debe entrar en los cilindros (motor diesel). Una vez que se suelta, el pedal retornará a su posición inicial gracias a la acción de unos muelles, de esta forma el motor no actuará y el vehículo ralentizará su marcha. En cuanto a los diferentes tipos nos encontramos con los que están apoyados en el suelo y giran respecto a un eje situado por debajo del pedal apretando un muelle y están los que giran respecto a un eje situado por encima del pedal, en las siguientes figuras se comprenderá mejor la diferencia.
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Figure 7: Diferentes tipos de pedales de acelerador
Como ya se ha mencionado anteriormente, el presente proyecto se ha dividido en tres partes, en las cuales los elementos actuantes tienen igual importancia, pues el fallo de uno de ellos provocaría el mal funcionamiento del conjunto en completo Una buena medición de la posición del acelerador es importante para el desarrollo de una conducción cómoda y sin problemas debidos a tirones. La correcta medición de la posición del pedal del acelerador es de vital importancia para la consecución de este proyecto, puesto que los datos que se reciban en la unidad de control electrónico provenientes del pedal serán procesados para enviar una señal al actuador. Y esta tiene que ser lo más precisa posible para evitar problemas o mal funcionamiento. Debido a esto se manejarán diversas posibilidades para la medición de la posición del pedal, utilizando como sensor casi con total probabilidad un potenciómetro. Pero se estudiarán mecanismos diferentes que serán los encargados de hacer girar al potenciómetro.
2.2. Objetivo y necesidades.
El objetivo que se pretende conseguir es el de conocer en todo momento y lo más exacto posible cuál es la posición del acelerador. Se utilizará un potenciómetro, el cual recibirá el movimiento del pedal mediante un mecanismo que habrá que diseñar previamente. Para la consecución de este objetivo se tendrán que realizar las siguientes tareas:
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1. Medición del ángulo que gira el pedal del acelerador. 2. Búsqueda de un mecanismo que se mueva de manera eficiente con el pedal y mueva a la vez el potenciómetro. 3. Realización de pruebas con diferentes potenciómetros de 1, 3 y 10 vueltas a fin de conocer cuales tienen mejor resolución para ser utilizados y que compararlos con la resolución del Data Logger. 4. Búsqueda de una sistema de sujeción del potenciómetro. 5. Decidir a partir del potenciómetro elegido si la alimentación se realizará con 5V ó 12V. Así como calcular el número de grados que deberá girar para ajustar al máximo el número de puntos utilizables. Una vez definido todo esto, se procederá a dibujar los planos para la construcción.
2.3. El sensor de posición.
Un sensor o captador, es un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular. Normalmente estos dispositivos se encuentran realizados mediante la utilización de componentes pasivos (resistencias variables, PTC, NTC, LDR etc.. todos aquellos componentes que varían su magnitud en función de alguna variable), y la utilización de componentes activos. En este apartado se presentan los tipos y principios de funcionamiento de diferentes sensores que se pueden utilizar para la medida de la posición de distintos elementos: 1. Encoders: Encoders incrementales: Se utilizan fundamentalmente para el cálculo de la posición angular. Básicamente constan de un disco transparente, el cual tiene una serie de marcas opacas colocadas radialmente y equidistantes entre sí; de un elemento emisor de luz ( como un diodo LED); y de un elemento fotosensible que actúa como receptor. El eje cuya posición angular se va a medir va acoplado al disco. Encoders absolutos: Es similar al anterior, sin embargo en este caso lo que se va a medir no es el incremento de esa posición, sino la posición exacta. La disposición es parecida a la de los encoders incrementales. También se dispone de una fuente de luz, de un disco graduado y de un fotorreceptor. La diferencia estriba en la graduación o codificación del disco. En este caso el disco se divide en un número fijo de sectores y se codifica cada uno con un código cíclico. No es necesaria ninguna mejora para detectar el sentido del giro, ya que la codificación de los distintos sectores angulares es absoluta. La resolución de estos sensores es fija y viene dada por el número de anillos que posea el disco, o lo que es lo mismo, el número de bits del
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código utilizado. se sabe donde se encuentra el objeto. parte de su energía es reflejada. Inductivos: Son instrumentos electromecánicos en los que las características magnéticas de su circuito eléctrico cambian en respuesta al movimiento
. según cuanto tarden estas en volver. donde se debe tener mucho cuidado con el ajuste de la distancia a la que se debe detectar a una persona. 4. Su principio de operación es básicamente la transmisión de una señal piloto ultrasónica y la recepción de una señal reflejada. porque se corre el riesgo de que las ondas alcancen a reflejarse en el piso. Tanto los encoders absolutos como los incrementales son dispositivos especialmente sensibles a golpes y vibraciones. La transmisión y recepción de energía ultrasónica es la base para muchos medidores ultrasónicos y de velocidad. 3. para determinar si existe un objeto en el área de detección. mayores a 20 kHz. Normalmente se usan códigos de 8 a 19 bits. Cuando las ondas inciden en un objeto. Láser: El principio de funcionamiento es igual al del ultrasónico pero la onda que se utiliza es un haz láser. es decir.
2. Una aplicación muy común para este tipo de transmisores son las puertas automáticas de los edificios y supermercados.
Figure 8: Encoder incremental. Las ondas ultrasónicas son ondas acústicas de una frecuencia que no es audible por el ser humano. Ultrasónico: Este tipo de sensores representa una opción para realizar mediciones de posición a distancia y sin contacto mediante ondas de frecuencia y amplitud constante.
y para la aplicación demandada se requiere algo sencillo y de bajo costo. Este núcleo se mueve linealmente entre un devanado primario y dos secundarios. algunos sensores pueden ser descartados debido a las condiciones de trabajo. Entre los sensores inductivos destaca el transformador diferencial de variación lineal (LVDT) debido a su casi infinita resolución. Con este movimiento se genera una respuesta electromotriz o se genera una tensión. y que por tanto depende linealmente del desplazamiento del vástago solidario al núcleo. que son bastante sensibles a los golpes y vibraciones.
. Hay de diferentes formas. Otros sensores son descartables debido a que son muy caros o difíciles de utilizar. 5. como es el caso del encoder. Además de las ventajas señaladas. a pesar del inconveniente de poder ser aplicado únicamente en la medición de pequeños desplazamientos. Su uso esta ampliamente extendido. circulares. película de carbón. etc. Es por ello por lo que al final se optó por utilizar un sensor de tipo resistivo. un potenciómetro.12 Memoria______________________________________________________________
de un objeto. etc. además el Data Logger no tiene entrada para encoder por lo que se precisaría de una electrónica más compleja. Del estudio de la tensión se deduce que ésta es proporcional a la diferencia de inductancias mutuas entre el devanado primario con cada uno de los secundarios. además es muy utilizado para medir la posición del pedal. el LVDT presenta una alta linealidad. haciendo con su movimiento que varíe la inductancia entre ellos. bobinados sobre cerámica. Su funcionamiento se basa en la utilización de un núcleo de material ferromagnético unido al eje cuyo movimiento se quiere medir. Al variar la posición del núcleo. son fáciles de manejar y tienen las características suficientes para la aplicación. logarítmicos. como puede ser el láser o el ultrasónico. Resistivos: Como es el caso de los potenciómetros. es decir. Se alimenta la resistencia con un voltaje regulado y del cursor a tierra obtenemos un voltaje proporcional al desplazamiento producido. hace crecer la tensión de un devanado y disminuir la del otro. pues tienen un bajo costo. gran sensibilidad y una respuesta dinámica elevada. Se trata de una resistencia y un cursor que se desplaza sobre ella. poco rozamiento y alta repetibilidad. Como se puede observar. lineales. material.
. esquema y principio de funcionamiento. Este tercer terminal puede tener un desplazamiento angular (giratorio) o longitudinal (deslizante).
2.1. Un potenciómetro es un resistor con un contacto móvil deslizante. El potenciómetro.
Del elemento escogido para la medición de la posición del pedal se hablará mas intensamente en el siguiente apartado. Estos resistores pueden variar su valor dentro de unos límites.4. A continuación se muestra un esquema de este sensor:
Figure 10: Esquema de un potenciómetro. Para ello se les ha añadido un tercer terminal unido a un contacto móvil que puede desplazarse sobre el elemento resistivo proporcionando variaciones en el valor de la resistencia.
2.13 Memoria______________________________________________________________
Figure 9: Pedal con potenciómetro integrado. Introducción.4.
5. no se consiguen plenamente en los potenciómetros comerciales. la inductancia no siempre es despreciable. obviamente. la capacidad parásita puede tener importancia. El rozamiento del cursor y su inercia son despreciables. estas limitaciones son
El comportamiento descrito es ideal e implica aceptar algunas simplificaciones cuya validez no se puede garantizar en todos los casos. El contacto del cursor proporciona una variación de resistencia continua (no a saltos) por tanto. Esta se debe tanto al medio que lo rodea como al propio autocalentamiento. 2. Si se alimenta el potenciómetro con una tensión alterna. La temperatura del potenciómetro es uniforme. En la siguiente figura se observa la variación del valor óhmico de un potenciómetro en función del ángulo de rotación:
Figure 11: Variación de la resistencia de un potenciómetro con el ángulo. La resistencia es uniforme a lo largo de todo el recorrido o bien sigue una ley determinada. su inductancia y capacidad deben ser despreciables. Estas características ideales. Se asume que para ello: 1.14 Memoria______________________________________________________________
Donde la resistencia en un momento determinado será: Rp ρ ρ R = ⋅ L ⋅ (1 − α ) = ⋅ (L − x ) = ⋅ (L − x ) A A L Observamos que la resistencia entre el cursor y uno de sus terminales es proporcional al desplazamiento del mismo. la resolución es infinita. i) Para valores de Rp bajos. No obstante. 3. sobre todo para potenciómetros bobinados. 4. ii) Para valores de Rp altos.
Resolución no infinita si son bobinados. Inductancias y capacidades no despreciables. permite obtener buena exactitud en relación con su precio.
Los potenciómetros poseen un mando giratorio o deslizante para graduarlos desde el exterior. rozamientos y velocidad máxima Reducción de resolución debido a la resistencia de contacto.
. Las características reales son las siguientes: 1. Los símbolos que se usan para representar una resistencia variable son los siguientes:
Figure 13: Representación de un potenciómetro. Derivas con la temperatura y autocalentamiento Falta de linealidad debido a la carga. 5. Aplicaciones y tipos. 3. siendo simple y robusto. saltos de hilo.15 Memoria______________________________________________________________
compensadas sobradamente por las ventajas de este dispositivo que. Al variar la posición del eje del potenciómetro.
Figure 12: Potenciómetro
Las resistencias variables. Resistencia no uniforme en toda la excursión del cursor. 6. son usadas frecuentemente en circuitos electrónicos dado su pequeño tamaño. Inercias.4.2. 4. 7. llamadas potenciómetros. 2. Ejemplos de potenciómetros son los mandos de volumen de radios y televisores y también los controles de brillo y color de los televisores. varía la resistencia.
4. La resistencia nominal Rn suele variar entre 1k.4. En ambos casos.
. respecto de su valor lineal. en los que la pista es un circulo en el mismo plano. Sus tolerancias de fabricación están entre el 5% y el 20%. se mueve un cursor que da la medida en voltaje respecto a la tierra. Potenciómetros de desplazamiento angular
Trabajan de la misma manera que los de desplazamiento rectilíneo. consisten en una pista recta y entera de resistencia constante. el cursor se desplaza por encima de la pista creando una relación de linealidad entre la resistencia total y la parte desplazada del cursor.3. El cursor debe asegurar un buen contacto eléctrico lo que implica: ausencia de f. El error de linealidad está comprendido entre 0.m. Por encima de ellas. Descripción. pero en este caso la pista es de forma circular permitiendo así la medición de variación de ángulos. los de una vuelta.
Figure 14: Aspecto de un potenciómetro lineal
2. de contacto (chispas). formada por pistas de polímeros conductores.3.2. resistencia de contacto débil y estable en el tiempo (desgaste) y en presencia de vibraciones o de velocidades elevadas del cursor. Nos podemos encontrar con potenciómetros de dos tipos. donde el circulo se convierte en una espiral que crece según el eje perpendicular de este circulo.. y los de más de una vuelta.1.e.3. medido como la máxima desviación de la resistencia R(l). Su variación con la temperatura es mayor en pistas conductoras. y 100k.
2.16 Memoria______________________________________________________________
2. Potenciómetros de desplazamiento lineal
También llamados reglas potenciométricas.01% y 1% de Rn.4.
Materiales. Después se encuentra el bobinado. bajo ruido.17 Memoria______________________________________________________________
Figure 15: Aspecto de un potenciómetro angular. Sus variaciones aleatorias durante el desplazamiento del cursor son fuentes de ruido.
Figure 16: Esquema de un potenciómetro angular.4. que es importante si la corriente derivada por el cursor es relativamente importante. 2. Existe en el mercado una variedad de elementos resistivos que se utilizan en los potenciómetros. Es más elevada para los potenciómetros de pista conductora. su mejor característica es el precio. el elemento más popular es el carbón. Otro elemento utilizado es el plástico conductor que mejora en todas las características respecto a los demás elementos. y estabilidad con el tiempo.
La resistencia de contacto depende de la presión del cursor y de la naturaleza y estado de las superficies de contacto. pero como inconvenientes tiene las variaciones de temperatura y su vida. el cermet es una combinación de un material Cerámico y Metal que mejora muchísimo las características del carbón.
.4. que sus principales ventajas son el bajo coeficiente de temperatura. alta disipación. pero tiene un precio superior. su vida mecánica.
Figure 17: Conexión de un potenciómetro
2. Los contactos de los extremos del potenciómetro se conectan uno a la alimentación y el otro a masa (GND). resistor variable provisto de tres contactos. Estas son las especificaciones técnicas más importantes que podemos encontrar en las hojas de características que nos suministra el fabricante:
Figure 18: Parámetros de un potenciómetro. Supóngase que se va a proceder a conectar un potenciómetro. Características técnicas. El contacto intermedio se une a la entrada analógica (IN0.
1. IN1. Recorrido mecánico: es el desplazamiento que limitan los puntos de parada del cursor (puntos extremos). IN3) deseada.6.5.4.18 Memoria______________________________________________________________
2. Conexión de un potenciómetro. IN2.4.
. habitualmente empleado para regular el flujo de corriente eléctrica en un circuito.
sin tener en cuenta la conexión del cursor e incluyendo la tolerancia. Resistencia residual de fin de pista (rf): Resistencia comprendida entre el límite superior del recorrido eléctrico del cursor y el contacto B (ver figura). Tensión máxima de funcionamiento (Vmax): máxima tensión continua ( o alterna eficaz) que se puede aplicar a la resistencia entre los terminales extremos en servicio continuo. Resistencia de contacto (rc): Resistencia que presenta el cursor entre su terminal de conexión externo y el punto de contacto interno (suele despreciarse. 5. 8. o resolución angular. Recorrido eléctrico: es la parte del desplazamiento que proporcionan cambios en el valor de la resistencia. Aunque a efectos prácticos se considera igual al valor nominal (Rt=Rn).19 Memoria______________________________________________________________
2. 13. Suele expresarse en % en tensión. 10. a la temperatura nominal de funcionamiento. 12. Resistencia total (Rt): resistencia entre los terminales fijos A o A' y B. Las más comunes son la ley de variación lineal. y la logarítmica (positiva y negativa):
. Resolución: cantidad mínima de resistencia que se puede obtener entre el cursor y un extremo al desplazar (o girar) el cursor. 7. Temperatura nominal de funcionamiento (Tn): es la temperatura ambiente a la cual se define la disipación nominal. Leyes de variación: es la característica que particulariza la variación de la resistencia respecto al desplazamiento del cursor. Temperatura máxima de funcionamiento (Tmax): máxima temperatura ambiente en la que puede ser utilizada la resistencia. 11. Más adelante se tratará con más detenimiento el tema de la resolución. ya que será importante a la hora de elegir el potenciómetro. 3. Potencia nominal (Pn): máxima potencia que puede disipar el dispositivo en servicio continuo y a la temperatura nominal de funcionamiento. al igual que rd y rf). en resistencia. 9. 6. Suele coincidir con el recorrido mecánico. Resistencia nominal (Rn): valor esperado de resistencia variable entre los límites del recorrido eléctrico. Resistencia residual de principio de pista (rd): Valor de resistencia comprendida entre límite inferior del recorrido eléctrico y el contacto A (ver figura). 4.
Angulo de giro del acelerador. Linealidad o conformidad: indica el grado de acercamiento a la ley de variación teórica que caracteriza su comportamiento.
.5.7. Esto provocaría un mal funcionamiento del acelerador electrónico. se pueden operar con tensiones de alterna o continua ampliando así sus aplicaciones. al saber que potenciómetro vamos a utilizar y cuantos grados debe girar.2. El motivo de que se elija antes el potenciómetro que el mecanismo es sencillo. 2.5. puesto que es así como actúa el acelerador.
En nuestro caso se utilizará un potenciómetro lineal. lo que puede hacer disminuir su vida útil y presentar ruido al estar desgastados. Ventajas y desventajas.274º. se debe calcular el ángulo de giro del pedal. Los potenciómetros no suelen necesitar amplificadores puesto que son capaces de manejar tensiones relativamente grandes. tendremos menos dificultad a la hora de diseñar un mecanismo. el continuo roce produce desgastes.
2. Además. 14. En el anejo de cálculos 1 se encuentran los cálculos obtenido mediante tres métodos para saber el ángulo de giro del pedal que finalmente fue de 18. y es la máxima variación de resistencia real que se puede producir respecto al valor total (nominal) de la resistencia. pues será un factor importante a la hora de decidirse por un mecanismo u otro. Potenciómetro.20 Memoria______________________________________________________________
Figure 19: Leyes de variación de la R de un potenciómetro.1. Antes de empezar a pensar en un mecanismo para la transmisión del giro del acelerador al potenciómetro. Desarrollo de los objetivos y necesidades.5. 2. Sin embargo.4.
de poco sirve que se ajuste más el giro del pedal y gire más o menos grados. y la tensión es de 5 voltios. se tendrá un valor fijo para la elección del potenciómetro. A mayor cantidad de datos con mayor suavidad y precisión funcionará el coche. pero si que se intentará ajustar al máximo. La tarjeta de adquisición de datos tiene 12 bits que en total hacen (212) 4096 valores. porque de que sirve apurar al máximo el giro del potenciómetro si la tarjeta no va a saber que está ocurriendo. para 1080º será 5 voltios y para 150º serán los voltios que tengan que ser. pero si esta es menor. entonces se podrá ajustar más el giro del pedal. es decir. Se trata de ver cual es la resolución del Data Logger y compararla con la del potenciómetro. haciendo comparaciones entre los tres tipos de potenciómetros que se barajan para ser utilizados. tipo de potenciómetro.
2.3 y 10 vueltas. entonces para 0º la señal será 0 voltios. por lo que dividiendo 5voltios entre 4096 valores nos da la resolución del Data Logger.22mV.2207mV . Por lo tanto tenemos que saber el valor de la resolución tanto del potenciómetro como de la tarjeta y tener en cuenta que un potenciómetro con una resolución menor que la de la tarjeta no servirá para nada.1. pero aún falta algo importante antes de elegirlo. en concreto de los de 1. La duda que se plantea en este momento es la siguiente: supongamos un potenciómetro cuyo recorrido es de tres vueltas (1080º) pero a la hora de trabajar solo se van a usar por ejemplo 150º. Así que se buscará un potenciómetro cuya resolución esté lo más cercano a 1.2.
Nota previa: El significado de Data Logger y sistema de adquisición de datos es el mismo. Con el programa Labview se comprobará la linealidad y se calculará la resolución de tres potenciómetros.
5 = 1. la tarjeta de adquisición de datos tiene una resolución por debajo de la cual no sabe si el potenciómetro se ha movido o no. Resolución del Data Logger y del potenciómetro. En función de los resultados de resolución. con lo que estaremos utilizando muy pocos puntos si es de 3 vueltas. En los siguientes párrafos se explicará esto con más detalle. y es el número de vueltas. pero siempre por encima de ese valor. 3 ó 10 vueltas y voltaje de alimentación. El que tenga mejor resolución tendrá muchas posibilidades de ser utilizado. Es decir.21 Memoria______________________________________________________________
Para la elección del potenciómetro se tuvieron en cuenta los siguientes puntos: Resolución del Data Logger así como del potenciómetro. 4096
Ahora hay que ver la resolución de los potenciómetros y si esta es mayor que la de la tarjeta. ángulo que debe girar. si es de una 1.5.
216º 0. p. que en el giro actual del pedal la longitud de cable que se enrolla en la polea es de 23mm y el ángulo girado por el potenciómetro es de 109. El Data Logger admite idealmente hasta 4096 valores. La resolución se obtuvo con el programa Labview.72 *10= 152ptos
Tabla 1: Características de los potenciómetros utilizados. entonces haciendo los cálculos pertinentes se llega a la siguiente tabla.8º/0. gira 0. que seguramente necesiten girar más grados para que detecte la variación.072*1 0= 152ptos 109.216*1 = 508ptos 109. 3500 puntos.22 Memoria______________________________________________________________
Se han hecho pruebas con los potenciómetros para conocer cuantos puntos utilizarán de los 4096 que admite el Data Logger.ej. Si 5000puntos son 360º. Buscando un potenciómetro de 1 vuelta que tenga una resolución del orden de 1mv si los hay y aumentando la carrera para que utilice más puntos y por tantos más valores.8º/0. tendría que girar 0.
En el anejo de cálculos 1 se puede ver la tabla con más detalles.72º Carrera(mm).072º pero el mismo potenciómetro no se entera. pero realmente hasta unos 3500 aproximadamente. el potenciómetro de una vuelta para dar una señal de 1mV girará 0.2 2*π*r*n=754 Resolución. Esto se puede realizar de varias maneras: 1.
5000 ptos  360º → 3500 ptos  X →
X=252º
. La cuestión es si los potenciómetros tienen tanta sensibilidad como para detectar todos esos puntos. Se trata de maximizar el número de valores del potenciómetro de manera que no sea un factor más limitante que la tarjeta de adquisición. es decir.43mV 3500
En cambio los potenciómetros al estar alimentados con 5V. pues el orden de resolución es de 10mV. Sí polea de D=24mm 2*π*r*n=75. Se sabe que la alimentación será de 5000mV.8º/0.72º para enterarse.072º 0.4 2*π*r*n=226. tendrán 5000 valores si la resolución es de 1mV o 500 valores si la resolución es de 10mV.8º.
Potenciómetro Vueltas(n) 1 Vuelta 3 Vueltas 10 Vueltas Angulo girado 360º 1080º 3600º Para 1mV el potenc. Orden de magnitud 10mV 1-10mV 10mV Puntos utilizados* 109. y su resolución entonces es de:
que oscilaciones que provocan que el potenciómetro no resolución. pero se ha descartado debido al alto ángulo de giro requerido para conseguir bastantes valores y a que el mecanismo de recogida del cable sería bastante complicado de construir para obtener un alto ángulo. Pero hay que tener en cuenta un aspecto muy importante y es que para evitar roturas a la entrada analógica del Data Logger no le puede llegar una señal mayor de 5 voltios. La otra posibilidad si no se encuentran potenciómetros con resolución de 1mV es alimentar el de 1 vuelta con 12 voltios.
4. debido al poco movimiento del acelerador. y encontrar un aunque también tiene pequeñas tenga tan buena
Obtener 400 puntos sería una buena medida. 2. que es un valor muy alto y difícilmente se conseguirá girar ese ángulo.
5000 ptos  1080º → 3500 ptos  X →
X=756º
Se podría también utilizar un potenciómetro de 3 vueltas pero alimentándolo con 12V. consiguiendo un potenciómetro con buena resolución y girando la polea 252º habremos conseguido maximizar el sistema. influye en la sensibilidad la alimentación.23 Memoria______________________________________________________________
12000 ptos  1080º → 3500 ptos  X →
X=315º
Pero si la resolución es de 10mV.
. con lo que tendríamos 1200 puntos y no sería necesario modificar el mecanismo utilizado en este momento. entonces intentaremos girar el mayor ángulo posible. Suponemos que tenemos uno de 10mV. Haciendo la misma regla de 3 que en el punto 1 obtenemos que X=756º. con lo que tendríamos 12000ptos en caso de que la resolución sea del orden de 1mV o 1200 puntos en caso de que la resolución sea del orden de 10mV. entonces:
1200 ptos  1080º → Xptos  360º →
X=400ptos. potenciómetro con sensibilidad de 1mV es difícil. Otra opción sería utilizar el potenciómetro de 10 vueltas. Utilizar un potenciómetro de 3 vueltas alimentado con 5 voltios y maximizar el ángulo de giro de tal forma que podamos conseguir por lo menos 3500 puntos.
aunque ya se ha visto que es importante que el potenciómetro gira el máximo posible de grados para así obtener más puntos.2. uno que gire solidario con el eje del potenciómetro. si que es algo mejor que el de 1 vuelta.3.
Se utilizarán un par de engranajes.24 Memoria______________________________________________________________
2. Se pensó en diferentes tipos de mecanismos y finalmente se eligió uno de ellos el cual era el que mejor cumplía con las restricciones.
2. Mecanismos. Al engranaje que gira con el potenciómetro le llamaremos piñón y al otro rueda. precisión. Elección del potenciómetro y ángulo de giro. El máximo ángulo de giro que podrá girar será hasta alcanzar los 5 voltios.
12voltios  1080º → 5voltios  X →
2. el potenciómetro empezará a medir y otro que gire solidario con el eje del pedal del acelerador. de forma que ante cualquier giro del pedal. Solución 1: Utilizando engranajes.5.5. El ángulo de giro del potenciómetro será en función del mecanismo que se utilice. y su resolución aunque es también del orden de 10mV. coste y sencillez de construcción y montaje. Sabiendo el ángulo máximo que tiene que girar el potenciómetro se puede obtener la relación de transmisión entre los dos engranajes y conocer todos los parámetros.3.
Se utilizará un potenciómetro de 3 vueltas y estará alimentado con 12V.
X=450º
A la hora de diseñar un mecanismo para medir la posición del pedal del acelerador.2. A continuación se presentan los diferentes mecanismos en los que se pensó.
Figure 20: Engranajes. nos fijaremos en varios aspectos como pueden ser: Espacio disponible.5.1. el motivo de elegir uno de 3 vueltas en vez de uno de 1 vuelta es que el de 3 vueltas marcha mejor que el de una vuelta.
por lo que el diámetro del piñón que gira solidario al potenciómetro deberá ser muy pequeño y el de la rueda muy grande.
D1 =i D2
Se elegirá un módulo y a partir de ahí probar que radios del piñón vendrían mejor. Y el valor del módulo se obtiene de la siguiente ecuación:
2 ⋅π ⋅ R π ⋅Z
Como ya se dijo anteriormente. la relación de transmisión es muy grande. igual al cociente entre el paso circular y el número p.
w1 ⋅ z1 = w2 ⋅ z 2
Se puede obtener una relación entre el numero de dientes. el radio de la rueda deba ser muy grande y no se pueda montar.62. Y como el número de dientes es Z =D/m. m = módulo.274º.25 Memoria______________________________________________________________
Sabemos que el pedal gira 18. Relación de transmisión: i
w2 =i w1
Mediante la relación entre omegas. debido a que para conseguir ese giro del piñón. Los diámetros aproximados del piñón serán de entre 1 a 3cm. es decir que la rueda giraría lo mismo. Se sabe que la ecuación que relaciona estos parámetro es:
Dp = m ⋅ z
Siendo: Dp = Diámetro primitivo. Utilizando las siguientes ecuaciones se podría hallar el diámetro de los engranajes en función del ángulo que queramos que gire el potenciómetro. Tenemos que conseguir que con ese giro del pedal podamos girar 450º del piñón. Pero es probable que se presente el problema de espacio. La relación de transmisión nos da también la relación de radios. Es decir el radio de la rueda estará
. por lo que el diámetro de la rueda será de entre 12 a 36cms. La relación de transmisión será por tanto de 24. z = número de dientes.
Pero la limitación del radio de la rueda es de 13cms.26 Memoria______________________________________________________________
comprendido entre 6 y 18cms. El mecanismo sería de la siguiente forma:
Figure 21: Tren de engranajes.274=24. Utilización de un tren de engranajes.62. (por problemas de espacio).
Tenemos las siguientes restricciones:
R1 + R2 + R3 = 15 (limitación de espacio)
2 ⋅ R3 + 2 ⋅ R4 = 12 (limitación de espacio)
Y la relación entre w1 y w3 es:
w3 R1 ⋅ R3 = w1 R4 ⋅ R2
y como la relación de transmisión (i) es 450/18. Con esta opción podemos conseguir reducir el diámetro de las ruedas y lograr con ello no tener problemas de espacio. (Se utilizará una relación de 22) Obtenemos que la relación entre los radios son:
R1 ⋅ R3 = 22 R4 ⋅ R2
. Así que la relación será por tanto menor. Se plantea ahora otra opción mediante engranajes pero utilizando un tren de engranajes.
Paralelo al eje de giro del acelerador a una distancia de aproximadamente 2cms hay situada una barra perteneciente al chasis del vehículo. y conseguimos además que el potenciómetro tenga mayor giro.5. y suponiendo un valor del diámetro del piñón (D4) de 4cm. Definiremos ahora todos los parámetros de los engranajes:
Rueda D1 Piñón D2 Rueda D3 Piñón D4 Diámetro interior (mm) Diámetro primitivo (mm) Módulo Numero de dientes Relación (i) Angulo del engranaje 200 1 200 20º 20 1 20 80 1 80 6. el radio de esta debería ser muy reducido.3. lo que hará que sea mejor la medición de la mariposa.
El diámetro interior de D1. por lo que en caso de querer utilizar una polea. dependerá de los rodamientos elegidos y del diámetro del eje de giro.
2 22 ⋅ R4 − 21 ⋅ R1 ⋅ R4 + 132 ⋅ R4 − 6 ⋅ R1 + 15 = 0
Para esa relación determinada.35 40 1 40 360º
Tabla 2: Parámetros del tren de engranajes. D3 = 8cm D1 = 16cm.2.
. por lo que es mejor utilizar directamente la primera opción. D2 = 2cm. obtendremos la relación entre los radios de la rueda y el piñón. teniendo que utilizar un tren de engranajes después para la conexión con el potenciómetro. D4 = 4cm.
Esta solución es prácticamente inviable puesto que se requiere un gran espacio.
2. Los valores de los diámetros del resto de engranajes es de. D2 y D3 está por definir. y no se dispone de él.27 Memoria______________________________________________________________
y despejando D3 y D2 en función de D1 y D4. Solución 2: Poleas dentadas.
se dispondrá de un tensador con lo que se conseguirá un ajuste completo. y si no las hubiera se buscaría otra relación. y seguidamente se encontrarán los cables de conexión a la Unidad de Control Electrónico. Solo queda mirar en los catálogos la disponibilidad de poleas de este tamaño.5. Para evitar que la correa esté suelta y no haya contacto total entre poleas y correa. dejando solo 60º por un lado y otros 60º por otro. de tal forma que se evite el choque con el chasis.
Pero cabe la opción de que a la polea de mayor radio. debido a la facilidad de montaje que conllevaría.
. se montaría en la barra del chasis que va paralelo a la dirección longitudinal del coche.
La utilización de un potenciómetro deslizante puede ser una buena opción.274º de forma se cumplirá que la polea grande tendrá un radio muy grande. de esta forma.
2. que girará solidaria con el acelerador se le realice un corte. la relación entre poleas será de 24:1.3. Solución 3: Potenciómetro de desplazamiento lineal. La unión entre las dos poleas se realizará mediante una correa dentada. En el caso de este acelerador.3. mientras que la pequeña tendrá un radio muy pequeño.28 Memoria______________________________________________________________
Figure 22: Poleas. en la polea grande estará el final del tramo (Debido a que la polea no es enteriza) y en la pequeña girará completamente la correa. de esta forma la polea pequeña girará 450º mientras que la grande solo gira 18. habrá un tramo de alambre hasta el potenciómetro. siendo esta de tal forma que la polea pequeña gire lo más próximo a 450º. al pisar el acelerador.
29 Memoria______________________________________________________________
Figure 23: Potenciómetro lineal. y los engranajes siempre tienen una cierta holgura. y si no lo es. con la idea de comparar el caso instalado anteriormente y el mejor caso posible. lo que hace que se pierda precisión.
2. La primera solución es bastante difícil de montar.
La característica desfavorable de estos potenciómetros es que tienen una vida útil bastante baja.4. En el anejo de cálculos 1 se encuentran las soluciones tanto del caso instalado ahora como de la mejor solución. La solución del potenciómetro deslizante está casi descartada. mejorarlo para obtener una buena solución. y en el caso de que esta no saliese adelante. Aún así se tendrá en cuenta por la facilidad de montaje.5.
Por último este mecanismo empezó a tomarse como la mejor solución por las siguientes razones: 1. porque antes se haría la que está instalada ahora. no más de 100000 ciclos. Solución 4: Mecanismo instalado anteriormente. 2. En el anejo de cálculos 1 se muestra que esta solución es prácticamente lineal.
. Por ello se tomará la solución instalada anteriormente y se realizaran los cambios necesarios.3. se optaría por hacer la de las poleas dentadas. por lo que se estropearían muy rápido y habría que cambiarlos en un corto espacio de tiempo. ver si el anterior es bueno. Se realizaron cálculos para mejorar la solución que está instalada ahora.
El mecanismo es sencillo. donde en el interior de la caja verde claro.
Esta solución funciona del siguiente modo: En la figura se puede observar el mecanismo utilizado. En la siguiente figura se muestra un esquema del conjunto. El objeto que hace que el cable se arrolle sobre la polea es un muelle que trabaja a torsión. por lo que estaría midiendo.
. y al girar esta polea también gira el potenciómetro.30 Memoria______________________________________________________________
Figure 24: Vista del nuevo mecanismo. se trata de una polea sobre la que se arrolla el cable azul (ver figura 24). donde marca la flecha. va instalado tanto el mecanismo que hace girar al potenciómetro como el mismo potenciómetro.
por eso cuando el pedal se mueve.
. polea. rodamiento y potenciómetro.31 Memoria______________________________________________________________
Figure 25: Mecanismo de giro del potenciómetro. el cable se va enrollando en la polea.
Figure 26: Muelle. El conjunto dibujado en ProE se muestra en la siguiente figura.
El muelle tiende a desenrollarse.
Para ello. En primer lugar el potenciómetro utilizado será de 3 vueltas (anejo de cálculos 1) y alimentado a 12 voltios.
En resumen la tensión de alimentación del potenciómetro será de 12 voltios. Tensión de alimentación y ángulo de giro. obteniéndose unos 500 ptos.5. el mecanismo es prácticamente lineal con una error mínimo. con lo que se conseguirá un total de 500 puntos. y el ángulo que girará será de 450º. y en los planos se puede ver el nuevo diseño. la polea del mecanismo de la Figure 26 reducirá su radio a la mitad para realizar mayor giro.
2. Resumen y conclusiones. Por otro lado. aunque sufrirá ligeros cambios para conseguir la mejor solución del mecanismo.
Finalmente se expondrán los parámetros de la solución utilizada.4. Linealidad.5.
Puesto que la solución tomada es la que estaba instalada anteriormente.6. Para el ángulo de giro del pedal. pero maximizandolo para apurar el fondo de escala del Data Logger.5. el mecanismo utilizado será el que se estaba utilizando anteriormente. En el anejo de cálculos 1 se pueden apreciar los cálculos realizados para encontrar la mejor solución del mecanismo.
En el anejo de cálculos 1 se encuentra la demostración de linealidad del mecanismo utilizado.
2.32 Memoria______________________________________________________________
Figure 27: Mecanismo completo. el mecanismo para sujetar el potenciómetro será el mismo. Para conseguir los 450º de giro debería
33 Memoria______________________________________________________________
reducirse de diámetro 24 (es el que tiene ahora) a 12. que irá directamente a la tarjeta de adquisición de datos.
. En caso de no poderse conseguir esta reducción. De los tres cables que salen del potenciómetro dos serán de alimentación (12V y GND) y el tercero será de señal. el potenciómetro girará menos y no se aprovecharan todos los puntos posibles.
es el mecanismo que ajusta la cantidad de aire que entra el motor.1. pues en él aparecen las corrientes eléctricas que producen el par de funcionamiento deseado. Actuación. Previo a la elección del actuador se hablará de los tipos de actuadores que fueron tenidos en cuenta para ser utilizados. que se denomina inducido. Motores eléctricos. La válvula está conectada al pedal del acelerador mediante un cable. y la mariposa será movida por él actuador.1.
En este capítulo se intentará elegir un actuador que cumpla los requisitos para mover la mariposa. pero en este caso se elimina la conexión mecánica. Motores seleccionados.34 Memoria______________________________________________________________
Capítulo 3. En todo motor eléctrico existen dos tipos de devanados: el inductor.
3. y otra móvil respecto a esta última denominada rotor. Ambas están realizadas en material ferromagnético. que origina el campo magnético para inducir las tensiones correspondientes en el segundo devanado. o bien tiene un motor eléctrico que la abre o cierra según las órdenes de la centralita. y disponen de una serie de ranuras en las que se alojan los hilos conductores de cobre que forman el devanado eléctrico.1. Introducción. Es una pieza redonda y plana (como una galleta) con un eje central sobre el que gira. pero todas ellas tienen un funcionamiento similar. cuando está completamente abierta. También se utiliza la válvula de mariposa en sistemas de admisión variable. para abrirse. una fija denominada estator.
Se denomina así al motor capaz de transformar la energía eléctrica que recibe almacenada en una serie de baterías en energía mecánica. gira sobre el eje. Básicamente tendrá la misma función que el cable del acelerador que une pedal y motor. bien para cerrar uno de los dos conductos de admisión en motores de cuatro válvulas por cilindro. Puede haber una para todos los cilindros o una para cada cilindro (más raramente). o bien en el colector de admisión para variar volumen o área de paso del aire. Básicamente constan de dos partes. Pero antes de entrar en materia sería conveniente dar una buena definición de mariposa: En el motor de gasolina.
3. Cuando está cerrada obtura el paso de aire.
3. queda de perfil y prácticamente no opone resistencia al paso de aire.
1. Partes básicas de las máquinas de corriente continua. y la intensidad del arrollamiento inducido giratorio. Fueron los primeros en utilizarse en vehículos eléctricos por sus buenas características en tracción y por la simplicidad de los sistemas de control de la electricidad desde las baterías. estacionario.2. convierte a este motor en el modelo de referencia para la regulación de velocidad. En motores de pequeña potencia suele obtenerse la excitación mediante imanes permanentes. Presentan desventajas en cuanto al mantenimiento de algunas de sus piezas (escobillas y colectores) y a que deben ser motores grandes si se buscan potencias elevadas.2. Campo y corriente eléctrica se mantienen siempre en la misma posición relativa gracias al mecanismo de conmutación formado por el colector de delgas y las escobillas. Las máquinas de corriente continua tienen corriente continua sólo en su circuito exterior debido a la existencia de un mecanismo que convierte los voltajes internos de corriente alterna en voltajes corriente continua en los terminales. Este mecanismo se llama colector.
Funcionan con corriente continua.1.1. Introducción.1. y por ello las máquinas de corriente continua se conocen también como máquinas con colector.35 Memoria______________________________________________________________
3.2. hasta el punto que en algunos casos se hace inviable su utilización. En estos motores.
. solo se dispone de dos terminales para el control y la alimentación del motor. Motor de corriente continua.1.1. la alimentación del inducido a través de las escobillas y el colector presenta muchos inconvenientes.2.2.1. En este caso.
3.1. el inductor es el estator y el inducido es el rotor. se obtiene par motor gracias a la interacción del campo magnético inductor. La mayoría las máquinas de corriente continua son semejantes a las máquinas de corriente alterna ya que en su interior tienen corrientes y voltajes de corriente alterna. 3.1. No obstante. Principio de funcionamiento
En un motor de corriente continua con escobillas.3. y sobre la velocidad a través de la tensión. Las relaciones básicas electromecánicas son en este caso las siguientes:
Tm = K ⋅ i E = K ⋅Ω
El hecho de tener control directo sobre el par mediante la intensidad de inducido. pues su estructura (y en concreto el rozamiento entre piezas) condiciona el límite de velocidad de rotación máxima.
Suelen emplearse en las máquinas de mediana y gran potencia. Cojinetes: Son las piezas que sirven de apoyo y fijación del eje del inducido. El inductor consta de las partes siguientes: 1. que se desarrollan en el inducido. Inducido: Es la parte giratoria de la máquina.
. Expansión polar: es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea al entrehierro. lo imprescindible para evitar el rozamiento entre la parte fija y la móvil. Polo auxiliar o de conmutación: Es un polo magnético suplementario. Núcleo del inducido: Es una pieza cilíndrica montada sobre el cuerpo (o estrella) fijado al eje. la conexión eléctrica de un órgano móvil con un órgano fijo. 2. 3. y destinada a unir los polos de la máquina. al ser recorrido por la corriente eléctrica. Devanado inductor: es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético. Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética. 3. Devanado inducido: es el devanado conectado al circuito exterior de la máquina y en el que tiene lugar la conversión principal de la energía 2. Entrehierro: Es el espacio comprendido entre las expansiones polares y el inducido. suele ser normalmente de 1 a 3 mm. provisto o no. 4. El inducido consta de las siguientes partes: 1. 5. 6. también llamado rotor. de devanados y destinado a mejorar la conmutación. necesario para que se produzcan corrientes inducidas. no rodeada por devanados. Las chapas disponen de unas ranuras para alojar el devanado inducido. Escobillas: Son piezas conductoras destinadas a asegurar. pero conectadas a las secciones de corriente continua del devanado y sobre las cuales frotan las escobillas. Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entrehierro. aisladas unas de otras. por contacto deslizante.36 Memoria______________________________________________________________
Inductor: Es la parte de la máquina destinada a producir un campo magnético. formada por núcleo de chapas magnéticas. Colector: es el conjunto de láminas conductoras (delgas). incluyendo el núcleo y la expansión polar. Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor.
Núcleo polar 3.2. Análogamente cada núcleo de los polos de conmutación lleva un arrollamiento de conmutación (9). una caja de engranajes. Núcleo de polo auxiliar 5. El arrollamiento del inducido está unido por conductores con las laminas del colector.1. El espacio libre entre las piezas polares y el inducido se llama entrehierro.2. Arrollado del inducido 8. Pieza polar 4. Servomotor. Arrollado de conmutación 10. un potenciómetro de un valor aproximado de 5K y un pequeño circuito integrado. Introducción.2. Alrededor de los núcleos polares. Escobillas positivas 12. Arrollado de excitación 9. La parte 6 constituye el inducido. Contiene un pequeño motor. el arrollamiento de excitación (8). Escobillas negativas
La parte de 1 a la 5 forman el inductor. Culata 2.
. al que va arrollado un conductor de cobre formando el arrollamiento del inducido. inducido y colector giran conjuntamente. Inducido 7. va arrollando. en forma de hélice.1. 1.1. La parte 10 representa el conmutador o colector. Sobre la superficie del colector rozan unos contactos a presión mediante unos muelles. 3.
3.2.37 Memoria______________________________________________________________
Diagrama de una máquina de corriente continua. Dichas piezas de contacto se llaman escobillas. Colector 11. que esta constituido por varias láminas aisladas entre sí. Los componentes de la máquina de corriente continua se pueden apreciar claramente en la siguiente figura. En conjunto las partes 2 y 3 se designan por polo inductor. Pieza polar de polo auxiliar 6.
Un servomotor (ver Figure 28) es un dispositivo en forma de caja negra al que llegan tres cables. formando un cuerpo cilíndrico.
Este motor eléctrico en miniatura ataca a la magnitud que se ha de controlar: el giro y posicionamiento del eje del motor. La anchura de estos pulsos varía en función del servomotor usado. Mientras se mantenga esta señal de control. así como la dirección del movimiento de los «servos» se controla mediante servo-pulsos modulados en amplitud. Aunque la relación anchura del pulso y la posición del eje no está estandarizada. el servomotor mantendrá la posición angular del eje. A su vez. pero para simplificar tomaremos un mínimo de 1 ms. a un máximo de 2 ms. lo normal es que trenes de pulsos de 1. El eje del motor puede ser girado hasta una posición angular especifica mediante una señal de control. el movimiento de rotación angular del motor modifica la posición del potenciómetro interno. lleven el eje del servo al centro de su rango. El servomotor convierte los servo-pulsos en un movimiento mecánico.
3.2.1. también cambia la posición de eje.2.38 Memoria______________________________________________________________
Figure 28: Servomotor. Si la señal de control cambia. mientras que si el pulso tiene una anchura de 2 ms la posición del «servo» es el extremo opuesto. que controla un monoestable también integrado en el servomotor.2. Funcionamiento. Si la anchura del pulso es de 1 ms. La magnitud del giro del eje del «servo» es proporcional a la anchura del pulso que llega por la línea de control. Esta técnica se conoce como modulación por anchura de pulso. Este tipo de pulsos está formado por una señal digital que se genera aproximadamente cada 20 milisegundos. anchura neutra.5 ms. el servomotor se posiciona en el extremo izquierdo. en ingles PWM
A su vez. La lógica del «servo» se encarga de determinar la dirección en la que ha de girar el motor para minimizar dicho error. En ese momento la señal de error suele ser de unos 5µs. Como se ha podido apreciar. Esto se corresponde con una
. La mayoría de los modelos de servomotores consiguen una resolución de 0. Si la posición del potenciómetro no se iguala con la posición deseada del eje. 90º y 180º con anchos de pulso de 0. El motor girará modificando la posición del potenciómetro de retroalimentación.5 grados. se trata de un bucle de retroalimentación negativa. La precisión al posicionarse depende tanto de la precisión del potenciómetro como de la precisión de la anchura de los pulsos que llegan al motor.5. 1.5 y 2. Cuando llega el siguiente pulso se vuelve a realizar la comparación. donde se logra 0º. En la Figure 29 es posible apreciar ejemplos del posicionamiento del eje del servo dependiendo del ancho del pulso.
El servomotor trabaja comparando la anchura del pulso de entrada con la anchura del pulso producido por el timer interno.
Figure 29: Funcionamiento de un servo mediante pulsos. En este momento la corriente del motor se apaga. comprobando de forma continua la posición del eje y realizando también constantemente las correcciones necesarias en la posición del mismo. hasta que la posición del potenciómetro sea equivalente a la posición deseada del eje. La diferencia entre la anchura del pulso de entrada y la anchura del pulso interno se utiliza como señal de error. Para ello activa los drivers de salida apropiados. el eje del «servo» se encuentra en la posición correcta. Cuando se reduce la señal de error a un nivel aceptable.39 Memoria______________________________________________________________
(Pulse Width Modulation). diferencia entre el ancho del pulso de la señal de entrada y el ancho del pulso de la señal interna. el motor se moverá hacia adelante o hacia atrás.5 [ms] respectivamente. el período del timer interno es controlado por el potenciómetro acoplado al eje del servo».
Los cables de los «servos» siguen casi siempre el mismo código de colores.2. conocido como zona muerta o guard band. son también fáciles de modificar para aplicaciones especiales.
Los servomotores tienen tres cables: el de masa (-). Desde el punto de vista del controlador. en la Tabla 3 están indicados las características técnicas de varias marcas que comercializan este producto. Dado que existen algunas pequeñas diferencias entre las distintas marcas de servos. pero a su vez de forma constante resiste activamente corrigiendo las influencias externas que pueden llevar el eje lejos de la posición ordenada. pero en muchos casos esta limitación puede superarse.3. Por ejemplo. el «servo» apaga los drivers del motor. por ejemplo en los Futaba el color rojo (V+). haciendo girar el motor atrás o adelante en un movimiento conocido como hunting.4. Debido a que hay una relación fija entre el ángulo de rotación del potenciómetro y la anchura del pulso interno. la mejor solución es actuar modificando el potenciómetro del circuito de retroalimentación.1. Al ser el cero demasiado crítico. La electrónica del servomotor está constantemente tratando de eliminar la diferencia entre los comandos y la posición actual. Esta doble personalidad es una característica muy importante. la magnitud de rotación del «servo» se puede controlar directamente con la anchura de los pulsos aplicados. Si la señal de error no está por debajo de estos 5µs. se puede alterar el circuito de retroalimentación para modificar el rango de giro. Cuando se necesite mayor cantidad de giro de la que el fabricante ha dotado al «servo». Aunque los «servos» son los posicionadores casi ideales.2. Los fabricantes JR y Graupner colocan el cable de la señal de control de color naranja. No existe retroalimentación entre el servomotor y el sistema que genera los pulsos.
3. El positivo se conecta a + 5 y el de señal de control a una fuente de pulsos variables entre 1 y 2 milisegundos de duración que se repiten con una frecuencia de unos 12-20ms. negro (masa) y blanco (señal de control).40 Memoria______________________________________________________________
fracción de grado del recorrido del servomotor. la electrónica interna continuará intentando cancelar el minúsculo error.2.
3. Desde el punto de vista del nivel local (interior del «servo») es un sistema de bucle cerrado.el de alimentación (+) y el de la señal de control.2. Conexiones. cuando el error está en este rango. mientras que algunos «servos» Simprop tienen el cable de masa de color azul. Esquema de control
Hay dos formas de contemplar este tipo de esquemas de control. En conclusión. ya que el «servo» necesita una atención mínima por parte del controlador. es un sistema de bucle abierto. La electrónica interna tiene como misión mantener la anchura de los pulsos del monoestable interno igual a la anchura de los pulsos de entrada. el circuito electrónico integrado en el motor convierte la anchura del pulso de entrada en una posición determinada del eje de salida.1. La mayoría de los servomotores se han diseñado para un viaje de unos 90º ó 180º.
FREC (Hz) 50 50 50 50 50 50
Color de los cables Positivo Rojo Rojo Rojo Rojo Rojo Rojo Negativo Negro Negro Marrón Negro Negro Azul Control Blanco Amarillo Naranja Amarillo Blanco Negro
Tabla 3: Características técnicas de algunas marcas de servo.2. FMA.3. lo que le permite realizar desplazamientos angulares fijos muy precisos (pueden variar desde 0. Sanwa.
Un motor paso a paso.6 2. Motores paso a paso 3.7 2. tecnología aeroespacial.95 1.05 1. son muy efectivos en muchas labores cotidianas desde la tracción de grandes trenes hasta el funcionamiento de lavarropas.65 1.9 1. tanto de corriente continua como de corriente alterna.15 0. Este tipo de motores es ideal cuando lo que queremos es posicionamiento con un elevado grado de exactitud y/o una muy buena regulación de la velocidad.9 1.2. el motor paso a paso gira un determinado ángulo de forma incremental (transforma impulsos eléctricos en movimientos de giro controlados).
3. simplicidad.2. fortaleza (los «servos» y su electrónica normalmente sobreviven a choques y funcionan en ambientes de alta temperatura. que transforma energía eléctrica en mecánica. Ventajas
Entre las ventajas que aporta el empleo de un «servo» están las siguientes: poco peso.
3. suciedad. versatilidad y bajo coste.1. inercia mecánica o su dificultad para controlar su velocidad. alta potencia (par de fuerza).41 Memoria______________________________________________________________
Fabricante Futaba Hitec Graupner/JR Multiplex Robbe Simprop
Duración del pulso (ms) Mínima Neutral Máxima (0º) (90º) (180º) 0.1.3 1.5 2.2 1.5 2.1. es en esencia un conversor electromecánico. se desarrollaron otro tipo de motores cuya característica principal es la precisión de giro.8 1. En las tiendas de modelismo pueden encontrarse muchos tipos de servomotores de las casas Futaba. unidades de CDROM o de DVD
. como todo motor. Introducción. Sus principales aplicaciones se pueden encontrar en robótica.50º hasta unos 90º).3. humedad y vibraciones).5.5 2.1 0. Los motores.2. Mientras que un motor convencional gira libremente al aplicarle una tensión.1 0. control de discos duros. fiabilidad. etc.1. flexibles.2 1. Multiplex. Pero debido a problemas tales como la.
cuando se efectúa un cambio de polaridad en las bobinas del estator.42 Memoria______________________________________________________________
e impresoras. Este conjunto va montado sobre un eje soportado por dos cojinetes que le permiten girar libremente. Al excitar el estator. provocando la variación del campo magnético formado.2. Existe la posibilidad de conseguir una rotación de medio paso con el control electrónico apropiado. Rotor: parte móvil construida mediante un imán permanente. el estator cambia la orientación de sus polos y se tratará de buscar la nueva posición de equilibrio. en general. en sistemas informáticos. Al número de grados que gira el rotor. llamada rotor. aunque el giro se hará con menor precisión.2. Los motores paso a paso.1. bajo la influencia del campo electromagnético. basan su funcionamiento en las fuerzas ejercidas por un campo electromagnético y creadas al hacer circular una corriente eléctrica a través de una o varias bobinas. recorrida por una corriente y capaz de girar sobre su eje. es decir. manipulación y posicionamiento de herramientas y piezas en general. produciéndose de este modo el giro del eje del motor.3. Estator: parte fija construida a base de cavidades en las que van depositadas las bobinas. Están constituidos esencialmente por dos partes: 1. generalmente circular y denominada estator. Los motores son fabricados para trabajar en un rango de frecuencias determinado por el fabricante. Principio de funcionamiento
Aun basado en el mismo fenómeno que los motores de corriente continua. y a la vez la transformación de una energía eléctrica en otra mecánica en forma de movimiento circular. 2.
3. se le denomina "ángulo de paso". Los motores eléctricos. y rebasado dicho rango. Manteniendo dicha situación de manera continuada. se mantiene en una posición mecánica fija y en su interior. Cuando el rotor alcanza esta posición de equilibrio. La respuesta del rotor será seguir el movimiento de dicho campo (tenderá a buscas la posición de equilibrio magnético). se crearan los polos N-S. La precisión y repetitividad que presentan esta clase de motores lo habilitan para trabajar en sistemas abiertos sin realimentación. orientará sus polos NORTE-SUR hacia los polos SURNORTE del estator. se coloca otra bobina. el principio de funcionamiento de los motores paso a paso es más sencillo que cualquier otro tipo de motor eléctrico. se conseguirá un movimiento giratorio y continuo del rotor. respectivamente. provocaremos la pérdida de sincronización. se controlan por el cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas que lo forman:
. Si dicha bobina.
Tienen las bobinas con un arrollamiento único 2. El control de este tipo de motores se basa en un generador de secuencias y el correspondiente amplificador de corriente de salida. Existen motores con ángulo de paso que van desde menos de 0. con lo que podemos conseguir desplazamientos alante y atrás. Además estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición (si una o más de sus bobinas está energizada) o bien totalmente libres (si no circula corriente por ninguna de sus bobinas). el eje gira en cierto ángulo. robótica.43 Memoria______________________________________________________________
1. dos tipos de motores paso a paso: 1. Unipolares: se llaman así porque la corriente que circula por los diferentes bobinados siempre circula en el mismo sentido. Controlar el número de pasos por vuelta. según las secuencias de encendido de bobinas. con cada impulso de excitación de las bobinas. denominado paso. Por lo que un mismo bobinado puede tener en uno de sus extremos distinta polaridad (bipolar). Paso simple: Esta secuencia de pasos es la más simple de todas y consiste en activar cada bobina una a una y por separado. servomecanismos. Algunos motores tienen los bobinados de tal manera que en función de puentes pueden convertirse en unipolares o bipolares. con esta secuencia de encendido de bobinas no se obtiene mucha fuerza ya que solo es una bobina cada vez la que arrastra y sujeta el rotor del eje del motor. Controlar el desplazamiento del rotor en función de las tensiones que se aplican a las bobinas. Los motores paso a paso son muy utilizados en impresoras. Control de motores paso a paso
Los motores de paso a paso funcionan mediante impulsos.3.1. Existen tres métodos para el control de este tipo de motores.2. máquinasherramienta.
3. Tienen las bobinas compuestas por dos arrollamientos cada una. Bipolares: la corriente que circula por los bobinados cambia de sentido en función de la tensión que se aplica. el eje de motor gira un paso. Según la construcción de las bobinas del estator.5 grados hasta 90 grados.
.3. 3. etc. Dado sus características de funcionamiento. 2. Controlar la velocidad del motor. Con cada impulso de clock. se presentan muy bien para ser controlados digitalmente.
Paso doble: Con el paso doble activamos las bobinas de dos en dos con lo que hacemos un campo magnético más potente que atraerá con mas fuerza y retendrá el rotor del motor en el sitio. Los pasos también serán algo más bruscos debidos a que la acción del campo magnético es más poderosa que en la secuencia anterior.
Figure 31: Posiciones para paso doble.44 Memoria______________________________________________________________
Figure 30: Posiciones para paso simple.
3.45 Memoria______________________________________________________________
Medio Paso: Combinando los dos tipos de secuencias anteriores podemos hacer moverse al motor en pasos más pequeños y precisos y así pues tenemos el doble de pasos de movimiento para el recorrido total de 360º del motor. es conveniente conocer el significado de algunas de las principales características y parámetros que se definen sobre un motor paso a paso:
.4.1. Parámetros de los motores paso a paso
Desde el punto de vista mecánico y eléctrico.
Figure 32: Posiciones para medio paso.3.2.
Es decir el rotor. Motores sin escobillas (Brushless) 3.2. sin dejar de responder a algún impulso de excitación del estator y dependiendo.1.
3. es decir.1.8º 200 3. de detención y dinámico: Definidos anteriormente y expresados en miliNewton por metro.4. Funcionamiento. Angulo de paso ( Step angle ): Se define como el avance angular que se produce en el motor por cada impulso de excitación. en régimen de excitación. Para de detención ( Detention Torque): Es una par de freno que siendo propio de los motores de imán permanente. Par de mantenimiento. es mayor que el par dinámico y actúa como freno para mantener el rotor en una posición estable dada 3. Momento de inercia del rotor: Es su momento de inercia asociado que se expresa en gramos por centímetro cuadrado. de la carga.1. 7.2. Par dinámico de trabajo ( Working Torque): Depende de sus características dinámicas y es el momento máximo que el motor es capaz de desarrollar sin perder paso. 4.72º 500 1. 8. Par de mantenimiento (Holding Torque): Es el par requerido para desviar. está compuesto por el eje y los imanes permanentes.
A modo de resumen. se puede decir que los motores “sin escobillas” son como los motores “con escobillas” pero del revés. Frecuencia de paso máximo (Maximum pull-in/out): Se define como el máximo número de pasos por segundo que puede recibir el motor funcionando adecuadamente. la parte móvil. evidentemente. Número de pasos por vuelta: Es la cantidad de pasos que ha de efectuar el rotor para realizar una revolución completa. 2. es debida a la acción del rotor cuando los devanados del estator están desactivados. En la carcasa o
.46 Memoria______________________________________________________________
1.4. Se mide en grados. siendo los pasos estándar más importantes los siguientes:
Grados por impulso de excitación Nº de pasos por vuelta 0.
6.5º 48 15º 24
5. evidentemente es donde NP es el número de pasos y α el ángulo de paso.75º 96 7. un paso el rotor cuando la posición anterior es estable .
en qué sentido está girando el motor. Un variador sin sensor es más polivalente. Los sensores están unidos a la parte trasera del motor y envían señales desde éste al variador. Un buen control de la temporización es crítico para el rendimiento y eficiencia del motor. Esto es una ventaja. El variador electrónico ha de tener información de algunos parámetros del motor. Los motores que llevan sensores se denominan de efecto tipo Hall y sus defensores dicen que son necesarios para que el motor tenga un buen par y una buena sincronización. ya que puede
. en los motores sin escobillas no existen las tres delgas que eran las que obligaban al rotor a moverse cualquiera que fuera su posición. comprobando que los tres bobinados funcionan correctamente. Como consecuencia de los dos tipos de motores.
3. y cuanto. espera a que vuelvan y entonces empieza a funcionar de manera normal.m. En los motores sin escobillas. El inconveniente de los sensores es que pueden fallar. Tipos de motores sin escobillas
Los dos grandes grupos de motores son los que utilizan sensores y los que no. los variadores envían impulsos eléctricos lineales y los monitorizan. Esto se hace al arrancar el motor y a bajas r. En general el motor con sensores reacciona más rápido.47 Memoria______________________________________________________________
estátor es donde se encuentra el bobinado del hilo conductor. Debido a esto los variadores electrónicos de los motores sin escobillas han de ser mucho más complejos que los usados en motores con escobillas. solo saben si lo hace y lo rápido que gira. como la posición de los imanes para que así pueda enviar la electricidad a la bobina adecuada. Por ello ni las escobillas ni el conmutador son necesarios.4. que no se mueve. ya que los sensores incrementan el par motor en la salida y la sincronización es mejor en situaciones de alta carga.p. En el caso de los motores sin sensores. también hay dos tipos de variadores.2. Además.2. ya que han de procesar la información del funcionamiento del motor a tiempo real. Los variadores sin sensores envían normalmente tres impulsos.1. Uno es para los motores con sensores y el otro para los que no llevan sensores. ya que la corriente va al estátor. ya que si se bloqueara el motor. El variador controlará de esta forma la excitación del bobinado electromagnético.. a la batería y al variador. pero permiten saber si el motor está girando. se evitarían daños a él. la corriente eléctrica pasa por el hilo conductor que está bobinado en la carcasa y produce el campo electromagnético que hace girar a los imanes permanentes y por tanto al eje al que están unidos. pero no saben en qué sentido gira el motor. Esto se realiza o bien mediante sensores instalados en el motor o a través de la respuesta que obtiene cuando envía una corriente lineal al motor. Por ello en los motores sin escobillas es el variador electrónico el que controla en qué posición se encuentra el rotor para darle la corriente temporizada adecuada.
Esto se debe a que el rotor lleva los imanes. y con mucho más par. En los motores sin escobillas la masa que gira es menor. de los motores. Al no haber chisporroteo eléctrico debido al roce de las escobillas con el conmutador. muelles.48 Memoria______________________________________________________________
usarse también con motores con sensores. ni guías de escobillas.p.1.m.
3. protegiéndolos del polvo. No parece que un tipo de motor tenga ventajas indudables sobre el otro. frente a un 60% de los motores con escobillas. que son menos pesados en estos motores que el bobinado en los clásicos. el concepto de los "sin escobillas" permiten fabricar motores totalmente cerrados. el mantenimiento es casi inexistente. ya que los fabricantes no se han decidido de manera unánime por uno u otro tipo. Tampoco son necesarios ni los condensadores soldados al motor ni el diodo Schottky. Ventajas e inconvenientes
En los motores con escobillas la conmutación se hace mecánicamente a través del contacto entre el inducido y las escobillas.4. En los motores sin escobillas la conmutación se controla de manera electrónica mediante el variador de velocidad. ni conmutador. se habla de un 90%. por lo que aceleran más rápidamente. Este sistema es muy poco eficiente y el rozamiento y la resistencia eléctrica provocan que haya una gran pérdida de energía que se transforma en calor. por lo que no se produce rozamiento mecánico ni pérdidas de energía y se consigue que los motores sin escobillas tengan una eficiencia muy superior. las escobillas rebotarían. ya que a elevadas r. Además esto supone una limitación al número máximo de r. se eliminan las interferencias por el "ruido" eléctrico que podrían afectar al equipo de radio. solo sería necesario la limpieza y lubricado de los rodamientos. Para evitarlo serían necesarios muelles más rígidos y esto crearía a su vez más fricción y frenaría el giro. ni muelles. Debido a esto los motores sin escobillas pueden alcanzar mucha más r. desgaste del conmutador y mucho tiempo dedicado a las labores de mantenimiento Por el contrario. ya que al no tener ni estas ni conmutador. Adicionalmente. Por ello el funcionamiento es además más suave al reducirse las vibraciones. nuevas escobillas.m.m. Además el calentamiento del motor es mínimo. hasta cuatro o cinco veces más que los motores con escobillas. Los motores sin escobillas son más sencillos y por ello más fiables: no llevan ni las escobillas. Es decir menos mangas perdidas por culpa de fallos mecánicos del motor.p.
. y a la vez con un ahorro de energía de hasta el 30 %. casi la mitad. en los motores sin escobillas el mantenimiento es mínimo. En los motores con escobillas hay que realizar mantenimientos periódicos. Por el contrario un variador con sensor solo podrá trabajar con motores con sensores y además han de estar adaptados mutuamente. simplemente ignora las señales.3.2.p.
Fáciles de manejar debido a que tienen una electrónica asociada muy comercial. Necesidad de un circuito driver. para obtener mejor resolución. ¿irreversibilidad? Se sobrecalientan funcionando de manera continua.m.1.
Irreversible debido a la etapa reductora. Incluyen un sensor de posición. Menor inercia del rotor.
Tienen como resolución. Alto par sin necesidad de etapa reductora con alta tensión Alta velocidad de respuesta. Pero que no lo haga reversible. Necesidad de etapa reductora. Cualquier valor de par y velocidad con alta tensión. e igualar las prestaciones de los motores.
3.3. Resolución alta.
. En contra Necesidad de una etapa reductora. que es de hecho un microprocesador digital. Es un motor de corriente continua con etapa reductora y sensor de posicionamiento.
Tabla 4: Ventajas e inconvenientes de los motores seleccionados. es posible regular el par y las r. Comparación entre los diferentes motores. Necesidad de un circuito alternativo de seguridad para que funcione en caso de fallo. Resolución alta. Reversible mediante los muelles del carburador en caso de que algo se estropee.8º.49 Memoria______________________________________________________________
Además el peso de esos motores puede ser de hasta 50 gramos menos que los con escobillas. Son precisos.5Nm pero consume mucha intensidad. Controlable con PWM. que es de complicada de manejar. Uno que consuma poca y alto par sería de 10W y 0. Controlable con PWM. Máximo par encontrado a 12V es de 0. Mas rapidez de disipación del calor. Altos valores de par con baja tensión.03Nm. Necesidad de una centralita electrónica que lo gobierne. máxima 1.
En la siguiente tabla se presentan las ventajas e inconvenientes de los motores seleccionados:
A favor Fácil de manejar. Dificultad para encontrar motores con baja tensión y alto par. Alto par con 12V de alimentación.p. Resolución alta. Por otra parte y gracias al control ejercido por el variador electrónico.
Para poder calibrar el actuador de forma que no actúe en balde haciendo esfuerzos innecesarios que pueden acabar quemándolo.2.2. se necesita saber exactamente el ángulo que gira la mariposa. y hacer un agujero podría acarrear problemas en el futuro. Además de tenerlo siempre dispuesto para cualquier prueba.
. pero el inconveniente está en que no se puede desmontar el eje. tanto hacia un lado como a otro. Mediciones. El par para mover las mariposas será de gran utilidad en caso de que a la hora de diseñar el mecanismo y elegir actuador se opte por no modificar ningún elemento del motor. 2. A la hora de tomar mediciones se hicieron dos ensayos.
3. con los siguientes objetos: 1.
Antes de comenzar a plantear cualquier diseño del accionamiento. Como se puede observar en la Figure 33 la mejor opción sería instalar un mecanismo en el mismo eje de la mariposa. los resortes (son los encargados del retorno de la mariposa a cero).1. sin oponer resistencia alguna. el par no nos servirá de nada. Ángulo girado por las mariposas. se hizo una marca en el eje cuando la mariposa estaba totalmente cerrada y se hizo otra cuando estaba totalmente abierta. es decir.2. el resultado fue que el ángulo girado era de aproximadamente 80º. 2. En caso de querer prescindir de estos resortes. puesto que las mariposas se moverán con total libertad.50 Memoria______________________________________________________________
3. Para poder realizar estas mediciones. Toma de mediciones. es fundamental el conocimiento de dos magnitudes del carburador: 1. Ángulo girado por las mariposas. Par necesario para mover las mismas.2. Sensor de fuerza. el laboratorio disponía de un segundo conjunto de motor idéntico al del vehículo Car-Cross. es por ello por lo que la primera medida obtenida se obtuvo de manera experimental. El problema estriba en la dificultad para diseñar un mecanismo que mida exactamente el ángulo girado. Dinamómetro. donde poder realizar las mediciones necesarias evitando así la ardua tarea de desmontar cualquier pieza del vehículo.
41 voltios.91º
En la Figure 34 se observa el conjunto completo del mecanismo utilizado.
Más adelante se diseño otro mecanismo rudimentario pero que tiene buena precisión.51 Memoria______________________________________________________________
Figure 33: Eje de la mariposa. Por tanto el ángulo será:
88.56º
Pero no olvidemos que la polea que gira solidaria con el potenciómetro y la polea de la mariposa son de distinto diámetro. se obtuvo el valor del ángulo cuando el voltaje es de 0. el objeto consistía en medir con un potenciómetro el ángulo girado.
. Esto se haría uniendo una polea con el potenciómetro y mediante un cable unir esta polea con la de la mariposa.41V  X º →
X=88. Voltaje 1.56º×24 = X º×28
siendo X= 75.41V 5V Ángulo 0º 1080º
Tabla 5: Ángulo de giro. La primera es de 24mm de diámetro y la segunda de 28mm.2mV 0. Se alimentó el potenciómetro con 5 voltios y en el polímetro se observaba los valores que este marcaba y se apuntaba. Potenciómetro abierto al máximo.
→ 5V  1080º
0. Los valores interesantes eran los siguientes:
Grado de apertura Potenciómetro y mariposa a 0º Mariposa abierta al máximo.
Mediante una sencilla regla de tres.
Se realizaran dos mediciones con dos aparatos diferentes: Dinamómetro de 100kg. El mecanismo consiste en lo siguiente.
3. en ese instante se miraba el valor del dinamómetro y se apuntaba. El dinamómetro irá enganchado a un mecanismo elevador mediante poleas.
. en ensayo consistió en atar un cable a esa polea y a su vez unir éste con el dinamómetro. Sensor de fuerza compuesto de un fleje y galgas extensiométricos.2.3. el carburador tiene un eje de giro.52 Memoria______________________________________________________________
Figure 34: Medidor del ángulo de giro. Dinamómetro. y ese mismo eje tiene una polea que es donde actúa el cable del acelerador. y 4kg de fondo de escala. Par necesario para mover las mariposas.
Fue el ensayo más rudimentario.1.
3. Se subía el elevador poco a poco y el dinamómetro se iba alargando hasta que la mariposa llegase al tope. pero sirvió para tener una primera aproximación que nos daba una idea de por donde iban a estar los valores finales.3.
En el anejo de cálculos 2 se encuentran los operaciones realizadas para la medición del ángulo de giro de la mariposa.2.
Figure 36: Carburador. dinamómetro y elevador.
En la Figure 36 se puede observar la disposición de los elementos para la medición de la fuerza.53 Memoria______________________________________________________________
Figure 35: Mecanismo elevador.
Tabla 6: Relación de fuerzas efectuadas para el movimiento de la mariposa.8 1. y al realizar las pruebas en el motor del Car-Cross se obtuvo la siguiente tabla:
Ángulo de la mariposa.4cm. y los resultados en el motor de prueba fueron algo más grandes que en el otro.8485Kg * cm. etc.671cm.54 Memoria______________________________________________________________
Las pruebas con el dinamómetro arrojaron un valor de aproximadamente entre 2. de fondo de escala.) Ensayos posteriores arrojaron un radio de la polea de 28mm.
. = 5.9 Kg * cm. y también con el motor encendido. y se buscarán motores que superen el par de 5.8kg. A sí mismo descendente significa la fuerza a la cual la mariposa empieza a bajar de ese punto.71mm.
Esto es solo una medida aproximada. = 4. dieron un valor de fuerza de 2.8485*N (Siendo N el coeficiente de seguridad.671cm. = 1. la utilización de un dinamómetro de tantos kilos provoca la pérdida de precisión. Por lo que el radio de la polea es de:
P = 2 * r *π  r = →
105mm. Se le aplicará un coeficiente de seguridad. Se hicieron pruebas con el dinamómetro tanto con el motor de pruebas como con el que está instalado en el Car.5Kg * 1.) 1. * Ascendente significa que la fuerza que se ha realizado es para que la mariposa llegue a ese punto. Pruebas posteriores en el motor de prueba con un dinamómetro de 4kg. si bien. = 16.5 0. a llevar mucho tiempo parado.5 y 3.
En la Gráfica 1 se observa mejor las pérdidas por rozamiento y la precarga en los muelles. Por lo que el par daría:
T = P * r = 3. 2 *π
Quedando que el par necesario es:
T = P * r = 3. Estos resultados más altos pueden ser debido a la suciedad.5Kg *1. ya que es de 100kg de fondo de escala.7 2.
Aún así aplicaremos un coeficiente de seguridad al par resultante para evitar problemas.5Kg y el perímetro de la polea sobre la que giraba era de aproximadamente 105mm. porque la precisión del dinamómetro no es muy buena. 0º ascendente* Totalmente abierta ascendente* Totalmente abierta descendente* 0º descendente* Fuerza (kg.
Sensor de fuerza.3.8kg.2.55 Memoria______________________________________________________________
Gráfica 1: Relación fuerza-ángulo. es la precarga de los muelles. entre 0. pero cuando es en sentido descendente.
. y esto es debido como se ha dicho antes a que tiene que vencer el rozamiento existente.3. tenemos que bajar desde 2.2. Si en ese momento en que acabamos de cerrarla.1. para que la mariposa empiece a bajar.8 y 1. Introducción. y hasta que no lleguemos hasta 0. son pérdidas por rozamiento estático y entre 1.8kg. sino que tendríamos que llegar hasta 1.7kg. no bastaría con hacer un poco mas de 0. para que se mueva. ya que se le aplicaría un coeficiente de seguridad. de fuerza. y es por eso que también se realizó este ensayo aparte del dinamómetro. Esto es en sentido ascendente. ya que como se planteará más adelante. En caso de no utilizar estos resortes.2.7kg.2. no sería de tanto interés tener una medida muy precisa. se requiere conocer con gran precisión el par que hay que ejercer para moverlas. 3.
Debido a la necesidad de utilizar un actuador para mover la mariposa. ya que este parece ser más preciso. intentamos abrirla. El objetivo es saber la fuerza opositora al movimiento de las mariposas.
3. el tramo comprendido entre 0 y 0.8 hasta 1.
La explicación de esta gráfica se debe a lo siguiente.8 es la fuerza que ejerce el muelle por compresión.5kg.8kg.7 y 2. cabe la posibilidad de utilizar unos resortes que contrarresten un porcentaje del par que ejercen estas y el par restante sería aportado por un actuador. no se habrá cerrado por completo.
existía una etapa de amplificación mediante un amplificador San-Ei (Figure 38) y un puente de Wheatstone (Figure 39)
Figure 37: Sensor de fuerza
Figure 38: Amplificador San-Ei y Polímetro. La deformación de las galgas producía una señal eléctrica que se recogía y se mostraba en un polímetro en forma de voltaje. Se trataba de una viga a la que iban adosadas cuatro galgas extensométricas que eran las encargadas de medir la flexión de la misma.56 Memoria______________________________________________________________
En este caso se aprovechó la existencia de una báscula-chapa (Figure 37) construida en otro proyecto anterior en el mismo laboratorio.
. Previamente.
. las medidas correctas se alcanzan con la selección apropiada de los componentes del puente. Debido a los sensibles y pequeños cambios de resistencia.
3.2. el cableado y de la adquisición de datos. La galga cambia en longitud y los alambres minúsculos se contraen o alargan dependiendo de sí el estado tensional es de tracción o compresión.2. del acondicionamiento de señal.2.57 Memoria______________________________________________________________
Figure 39: Puente de Weahtstone entre el sensor de fuerza y el San-Ei.3. El cambio de resistencia eléctrica de la galga se conoce como factor de galga. Se define el factor de galga como el cociente entre el cambio de resistencia y el cambio de longitud a lo largo del eje de la galga. La resistencia eléctrica de una galga varía en proporción a la cantidad de deformación del fleje. Consiste en una rejilla de alambre fino o una rejilla de hoja de metal constante encapsulada en un forro fino de resina. Galgas extensométricas
Una galga es un dispositivo utilizado para obtener una medida en forma de señal eléctrica de la deformación de un cuerpo sometido a fuerzas aplicadas. de forma que se amplifique la señal sin introducir ruido añadido.
Figure 40: Conexión de las galgas con el puente de Wheatstone. La señal de salida de una galga extensiométrico se mide generalmente en una configuración del puente conocida como el circuito de puente de Wheatstone.
8 4.76 4.7 3.
Grado de apertura de la mariposa Prácticamente cerrada. En la siguiente tabla se ofrecen los valores obtenidos para diferentes posiciones de la mariposa. Abierta a la mitad Casi totalmente abierta Totalmente abierta.786 4.2.8 5.78 5.87 4. Valores obtenidos en los ensayos realizados. de tal forma que la acción del cable deformase el fleje y este a su vez las galgas.52 4.59 5.
.58 4.12 4.18 5.74 4.3.5 4.57
Tabla 7: Resultados obtenidos con el sensor de fuerza.37 3.62 4. Lo primero que se hizo es dejar el sensor libre de fuerza para poder dejarlo a cero y a partir de ahí posicionar la mariposa en varias posiciones y anotar el valor que mostraba el polímetro.78 5.68 4.
El ensayo consistió en fijar el sensor de fuerza sobre el chasis del car.
En la siguiente figura se puede observar la disposición del sensor y el cable del acelerador.
3.58 Memoria______________________________________________________________
Figure 41: Vista del conjunto completo.88 4. Ensayo realizado.8 4.7 5. (voltios) 3.2.39 5.3.74 Media 3. El extremo opuesto de la viga se unía al cable del acelerador mediante un prisionero.55 5.32 3.
59 Memoria______________________________________________________________
Figure 42: Disposición del sensor. Para ello fue preciso calibrar el sensor de fuerza y poder conocer la correspondencia entre kilogramos y voltios.000 0.000
Figure 43: Relación entre la fuerza aplicada y el voltaje obtenido.168 1.
Como se preveía. Sin embargo.000 0.500
5.000 Fuerza (kg)
4.587 1.000 y = 4.000 15.0455 5.000
.535x + 0.000
6. Y ese será el valor que se tomará como referencia para conocer el valor del par.000
3. la máxima deformación de las galgas se produce cuando las mariposas están totalmente abiertas.000 5. lo que realmente interesaba era la fuerza y no el voltaje.000 2. En la Figure 43 se muestra la gráfica obtenida en la calibración del sensor de fuerza para cinco masas diferentes.
535 x + 0. de valor 5. Pero ese es el valor de la fuerza perpendicular al fleje. por lo que finalmente el par necesario para mover la mariposa es de:
.786V.57 voltios. el valor de X es: 0.825kg.
Como ya se mencionó anteriormente el diámetro de la polea sobre la que actúa el cable del acelerador es de 28mm. cos 24º 0.21819 = 1.9028kg.825 = 0.
Ftotalmáx = Ftotal min =
1. y para Y = 3. por lo que habrá que dividir por el coseno del ángulo que forma con el cable del acelerador.60 Memoria______________________________________________________________
De la tabla de valores de voltaje se tomó la cifra mayor. aunque en la foto no se aprecia del todo bien.
y = 4. correspondiente a la mariposa totalmente abierta.3334kg. que resultó ser de 24º. las mediciones resultaron correctas. el valor de X es: 1. Con la ecuación de la recta obtenida en la gráfica sabremos el valor de la fuerza máxima. cos 24º
En la Figure 44 se puede ver el ángulo que forman cable y fleje.0455
con Y = 5.57V.
Figure 44: Ángulo entre la perpendicular al eje y el cable del acelerador.21819kg.
El motor junto con el mecanismo elegido tendrán que cumplir con las siguientes características:
Par Tensión Velocidad de respuesta Reversibilidad
>10kg/cm=0.38416Nm. todos tienen sus ventajas y inconvenientes. El actuador. paso a paso y sin escobillas (brushless). servomotores.61 Memoria______________________________________________________________
Tmáximo = Ftotal × r = 1.416 Ncm.294 Ncm. su función es la de abrir las mariposas tal y como lo hacía el cable utilizado anteriormente. Los resultados son muy parecidos. = 0. Los motores DC. En el anterior capítulo se hizo una exposición de los motores eléctricos que se manejaban para mover la mariposa.
El tema a tratar ahora es la elección del actuador.1.3. = 0.38416 Nm.98Nm <12voltios Alta Si.3. El fallo está en que las pruebas se han realizado con la mariposa en tendencia descendente.
. Por ello se optó por tener como referencia de resultados los obtenidos con el dinamómetro de 4kg.4cm.92kg × cm.
Tabla 8: Requisitos del actuador.
Que es mucho menor que la obtenida con el dinamómetro de 4kg.8kg × 1. En el anejo de cálculos 2 se encuentran los operaciones realizadas para la medición del par para mover la mariposa.3334kg × 1.
3. = 1. el actuador que se utilice tendrá entre sus características principales el proporcionar un par mayor que 0. y si nos fijamos en la Gráfica 1 obtenida con el dinamómetro de 4kg. = 38.4cm.1829 Nm. Por tanto el par máximo que habrá que realizar será:
Tmáximo = Ftotal × r = 2.
3. Introducción. = 3. = 18. o circuito de seguridad en paralelo. pero al final se verá cual es el que mejor cumple su función y con mayor seguridad.86676kg × cm. Ya que explican mejor el funcionamiento de la mariposa.
Los muelles son los encargados de hacer volver la mariposa a cero. una es girada por el motor. Este mecanismo es reversible gracias a los muelles.1.3.
3. mediante los muelles de retorno de la mariposa. 2. Mecanismo de poleas: Este mecanismo se compone la polea de la mariposa. recordemos que el par para mover las mariposas es de 4kg*cm.2.
Para saber si el motor responderá con buena velocidad se prestará atención a la potencia que consume. otra por la mariposa y la tercera hace de unión entre las dos.4.
3.3. Par.62 Memoria______________________________________________________________
3. Velocidad de respuesta. o en el eje.1. pero tiene el
. la polea del motor y un cable que une los dos.3.
3. por ello se estudiarán los siguientes mecanismos. los muelles serán eliminados. Tensión.
Los muelles realizan una fuerza opuesta a la apertura de la mariposa. El método para hacer reversible el actuador puede ser de tres formas.1. consiguiendo rigidez para que el motor pueda actuar en las dos direcciones. con lo que se necesitará un alto par para vencer esa fuerza con facilidad. Mecanismos propuestos.2. Se tienen dos posibilidades.1. por lo que se elegirán actuadores que absorban como máximo ese voltaje.3.5 segundos.1. pues si se produce un fallo en el actuador y deja la mariposa abierta podría provocar un desastre.
El voltaje máximo que suministra la batería es de 12 voltios. pero se podría bajar más si fuera necesario. y si en ninguno se obtiene un coeficiente de seguridad alto. Reversibilidad. pero también hacen que para abrir la mariposa el par sea mayor.5.
3. En un principio se pone como condición que el motor tarde en abrir por completo la mariposa como máximo 0. Los mecanismos en cuestión son los siguientes.
Se propusieron hasta cuatro mecanismos para actuar. 1. Muelles.
Es importante que el mecanismo sea reversible. En el anejo de cálculos 3 se pueden ver los cálculos realizados para saber la potencia necesaria dependiendo de la velocidad de respuesta requerida. actuar directamente en la polea.1. el coeficiente de seguridad será por lo menos de 5.
3. mediante el software de control o con un circuito en paralelo que actúe en casos de fallo.3.3. Mecanismo de Barras: Tres barras articuladas entre si.3.
Se va a hacer una tabla-resumen de los mecanismos estudiados para compararlos entre si y ver cual es mejor. así como los motores. 4. Se intentará que la reducción sea solo de una etapa para garantizar la reversibilidad.
3. Consiste en un motor paso a paso atravesado por un husillo que se mueve de un lado para otro en función de la rotación del motor. reducciones y demás parámetros elegidos. Mecanismo de poleas. Dificultad para actuar en el mismo eje de la
3. Con la primera opción se consiguen mejores resultados que con la segunda.1. ya que la barra intermedia aporta consistencia. Reversible. Bajo par requerido para el actuador.3.63 Memoria______________________________________________________________
problema de que no existen motores que den el par necesario. Mecanismo de husillo y motor paso a paso: Este mecanismo se diferencia de los anteriores en que el motor y todo lo demás ya está elegido. utilizando reducción en el actuador: Es exactamente igual al anterior.3. En el siguiente apartado se realizará una comparación entre los diferentes mecanismos para dilucidar cual es el más recomendable.3. Puede trabajar en ambos sentidos de giro.3. pero en este caso se utiliza una etapa reductora antes de la polea del motor. En el anejo de cálculos 3 se encuentran las operaciones realizadas para el diseño de cada mecanismo.
Posibilita dos opciones de actuación: En el eje o en la polea. Es por ello que se recurrió a estudiar el siguiente mecanismo. Sería la mejor solución en caso de que se pudiese actuar directamente sobre el eje. Mecanismo de barras. Comparaciones entre los mecanismos.
3. depende del
. Se podría actuar en la polea de la mariposa pero ya no se consiguen tan buenos resultados y habría que modificar la polea.64 Memoria______________________________________________________________
3. ya que existen dificultades para modificar el eje.3.
Fácil de construir y montar Los muelles son los encargados de trabajar en el sentido descendente de la mariposa Reversible totalmente. No puede trabajar en ambos sentidos. Alto par requerido para el actuador.
Fácil de construir y montar. el más bajo de 0.3. Mecanismo de poleas. Poco espacio para modificar la polea. No necesita modificar elementos del motor.2.055Nm con dificultad de construcción debido al tamaño de la polea.3. la reducción se puede comprar ya hecha. Mecanismo de poleas con reducción en el actuador.3. Los muelles son los encargados de trabajar en el sentido descendente de la mariposa Reversible hasta cierta reducción.
como mínimo 10kg*cm. Dificultad de encontrar engranajes de radio tan pequeño.
. Conclusiones. Podría ser reversible utilizando un tornillo de mayor paso. por lo que se requeriría un mecanismo de seguridad para casos de fallo. No es necesario la modificación de elementos del motor. Posibilidad de ser irreversible. Irreversible.
3. Alimentación a 12V e intensidad no mayor de 5A. Velocidad alta.
Fácil de construir y montar.
Recordemos previamente los requisitos para el actuador: Par mínimo de 4kg*cm.65 Memoria______________________________________________________________
numero de etapas reductoras. que en los 76º que gira la mariposa el actuador tenga por lo menos el doble de posiciones.3.3. La opción es probar con un DC. Mecanismo de husillo y motor paso a paso. Los muelles deben conseguir que el mecanismo sea reversible. Sin modificar elementos del motor se consiguen buenos resultados.
3. El motor paso a paso se calienta con facilidad y puede estropearse. Resolución.4. es decir. si bien.3. La solución sería utilizar una reducción ya fabricada y calcular el par necesario. el primero sería diferente de los otros dos en caso de actuar directamente en el eje.
Como se ha podido observar no hay apenas diferencia entre los tres primeros mecanismos. al que hay que aplicarle un coeficiente de seguridad. Bajo par requerido con o sin modificación del motor.4.
El nuevo actuador deberá tener una fiabilidad muy alta.
El nuevo mecanismo de conexión entre el servo y la polea de la mariposa constará de un servo y 1 cable que se unirá con la polea de la mariposa. Los motores con reducción de más de una etapa si consiguen un coeficiente de seguridad alto. Es por todo esto por lo que se llega a las siguientes conclusiones: Los muelles no hacen más que incomodar. Alta fiabilidad.4. así como al diseño del mecanismo utilizado para la transmisión del giro. muy bajo. Par mínimo de 0. se muestran ahora las siguientes conclusiones: No existen motores de alto par y bajo consumo de intensidad alimentados con solo 12 voltios. al cual se le impondrán los siguientes requisitos. el coeficiente mas alto obtenido es de 1. Diseño del mecanismo y el soporte. Por ello en los siguientes apartados se procederá a la elección del servo comparando las diferentes marcas.5kg*cm. El nuevo par para mover la mariposa es del orden 0. 1.66 Memoria______________________________________________________________
A la vista de los resultados obtenidos en cada mecanismo (anejo de cálculos 3). En cuanto a velocidad y resolución son buenos. Por tanto se llega a que el actuador elegido en cuestión se trata de un servomotor. Esta nueva opción de mecanismo se muestra en la Figure 45:
.1. pero ya no se necesitan motores con par tan alto.3kg*cm Ningún motor con reducción de una etapa proporciona el suficiente coeficiente seguridad como para ser utilizado. Se pierde seguridad en cuanto a reversibilidad. pero son irreversibles. en cuanto a par. pero por seguridad se utilizará uno de por lo menos 4kg*cm. 3. Se deberá implantar un circuito de seguridad que cierre la mariposa en caso de fallo. por lo que los muelles no harían mas que molestar. 2.
3.5kg*cm. y es por ello por lo que se eliminarán y se procederá a utilizar un actuador que pueda funcionar en ambos sentidos. El mejor con baja intensidad tiene un par de 0. Alta velocidad de respuesta. pero dependen también del sistema de adquisición de datos.
ya que se puede conseguir un par alto fácilmente y además se han eliminado los muelles.8 ó 6 voltios.67 Memoria______________________________________________________________
Figure 45: Nuevo diseño del mecanismo. El soporte tendrá que ir sujeto al motor. El cable estará cogido con prisioneros a los dos agujeros de la polea. o utilizar una polea del mismo tamaño que la de la mariposa usando dos cables. ya que el servomotor se estropea con temperaturas superiores a los 60º.
En el otro lado. y en el cual se amarrará el
. el del servo. hay varias posibilidades. o utilizar un polea roscada usando un solo cable y que de dos vueltas a la polea para asegurar la fricción. En este caso no hay problemas de tensión. por lo que será la que se utilice. de tal forma que se consigan las mismas vibraciones tanto en la mariposa como en el motor. puesto que los servos trabajan a 4. En el laboratorio se fabricará un soporte que o bien se apoye en la tapa de las bujías o que sustituya al anterior soporte. la elección de la forma de actuar en el servo y utilizar el servo más fiable. Por un lado nos encontramos con la búsqueda de una zona donde sujetar el soporte al motor. El cable de la parte superior servirá para abrir la mariposa y el de la parte inferior para cerrarla. Esta segunda opción es mas fácil de construir y es segura. y por otro lado hay que tener cuidado con los niveles de temperaturas de la zona donde estará situado el nuevo soporte. En este mecanismo los dos puntos importantes son. ni problemas de par.
68 Memoria______________________________________________________________
servo de forma que quede bien sujeto.
Figure 46: Tapa de las bujías y soporte antiguo.
. el de la izquierda iría situado en la tapa de bujías. mientras que el de la derecha sustituirá al soporte antiguo en el mismo sitio.
Figure 47: Soportes propuestos.
Los dos soportes propuestos se muestran a continuación. En la figura se muestran las zonas donde irían los posibles soportes.
por lo que se instalará un deflector que permita la ventilación del aire por la marcha del vehículo pero que desvíe el aire caliente de la tapa de bujías hacia otras zonas del Car. y en el ambiente que rodeaba estos elementos el multímetro marcó un valor de 1. Pero aún así siguen habiendo problemas de temperaturas. Las mediciones se realizaron con un termopar conectado a un multímetro HP 34401A con sensibilidad de milivoltios.1. en la tapa de bujías. El termopar es un cable 1. Los resultados son los siguientes: El soporte antiguo no se sobrecalienta.
Se realizaron medidas en diferentes sitios. ya que solo le influirá la temperatura ambiente y no se producirá conducción a través del material. En la tapa de bujías las temperaturas eran bastante altas. y en el aire alrededor de estos elementos.520mV lo que mirando en la tabla de conversión de valores (anejo de cálculos 3).
Debido a que en la realización de otras pruebas en el vehículo se notó que las temperaturas alrededor del motor eran muy altas.
Figure 48: Termopar y multímetro.4.5m de longitud. en uno de sus extremos se encuentran las clavijas de conexión al multímetro y en el otro la punta de medición. en el soporte antiguo con y sin aislante. pero como hay que sumarle la temperatura ambiente. por lo que su temperatura es la del aire que le rodea. nos da un valor de 38º. Debido a estos resultados se descartó la instalación del soporte en la tapa de bujías y se optó por cambiar el soporte antiguo por el de la Figure 47 (el de la derecha). se decidió por hacerse una prueba midiendo las temperaturas en las zonas donde irían los soportes. que en esos momentos era de unos 22º. Medición de temperaturas.69 Memoria______________________________________________________________
3. pues el rango de temperaturas de funcionamiento del servomotor está entre –20º y 60º. la temperatura final nos da unos 60º.
. En el taller de la escuela se adquirió esta maquina recientemente y con ella se consiguen hacer con facilidad piezas diseñadas en ProE u otros programas de diseño. La pieza queda de la siguiente forma. se optó por hacer un prototipo en rapid prototyping. se realizó el soporte final en la máquina de electroerosión. la escuela contaba con una máquina de este tipo que hacía el prototipo de plástico.4. A continuación se muestra una foto del prototipo.
Una vez que se comprobó que la pieza encajaba perfectamente y no tocaba con ninguna parte del coche que no debiera. Fabricación del soporte. La finalidad de esta pieza es conocer si tendrá problemas de tamaño a la hora de montarla en el motor.70 Memoria______________________________________________________________
Después de realizar el diseño de los soportes en ProE.2.
Figure 49: Prototipo hecho de resinas.
. y en caso de no encontrar ninguno que satisfaga las necesidades entonces se recurrirá a los otros. Las marcas entre las cuales se barajó la elección del servomotor son: Airtronics.3. Todas los servos suelen ser bastante seguros.4. es por ello por lo que se intentará elegir uno de estas dos. Aunque hay servos de otras marcas que responden unas centésimas de segundos más rápido que los de Futaba o Hitec.
3. Multiplex. MPI. JR. Tower Hobbies.71 Memoria______________________________________________________________
Figure 50: Soporte realizado en la máquina de electro-erosión. se intentará antes elegir uno de estas dos. pero las marcas más conocidas y más fiables son Futaba y Hitec. Cirrus. Las características que se tendrán en cuenta son las siguientes: 1.
En el anejo de cálculos 3 se pueden ver la cantidad de marcas y servomotores que existen en el mercado. Futaba Hitec. FMA. Elección del servomotor. 2. KO Propo. Velocidad de respuesta. Par.
4. pero apenas varían las características con el otro y el precio es sensiblemente mayor.0 Voltios Desde -20 hasta 60º.0V): Dead Band Width: Tipo de motor Potentiometer Drive: Bearing Type: Tipos de engranajes: Longitud del cable conector Dimensiones: Peso
Modulación por anchura de pulso Onda cuadrada de 3 a 5 voltios de pico a pico. Elección de la polea. tras comparar los servos.08seg/60º sin carga.11seg/60º sin carga. la elección recayó en el servomotor de la marca Hitec modelo HS-925MG cuya tabla de características se muestra a continuación.8-6. se optó por elegir entre las dos siguientes posibilidades: Hacer una polea normal de 28mm de diámetro y unirla a la polea que trae el servo utilizando unos tornillos pequeños.
Sistema de control: Pulso requerido: Voltaje de operación: Rango de temperaturas de funcionamiento: Velocidad de operación (4. 0.
Tabla 9: Propiedades del servo HS-925MG. tal como se puede observar en la Figure 45. 6kg·cm. 7. 45 Deg.8V): Par (6V): Ángulo de operación Modificable a 360º Direction: Current Drain (4. Precio.8mm.
También se podría utilizar el Futaba S5801.6mA/idle and 500mA no load operating 4 microsegundos Coreless Indirect Drive Dual Ball Bearing Metal Gears and 1 Resin Metal Gear 300mm.8V): Velocidad de operación (6V): Par (4.72 Memoria______________________________________________________________
. Dada la dificultad de realizar una rosca de dientes en la polea para que engrane con el eje del servo.
La polea que se elegirá ahora irá en el eje del servo.
3. one side pulse traveling 400usec Si Clockwise/Pulse Traveling 1500 to 1900usec 5. Finalmente.4 x 20 x 37. 39.4kg·cm. 4. 56 gramos.3mA/idle and 400mA no load operating 6. Su misión como ya se dijo anteriormente será la de transmitir el giro del servo a la polea de la mariposa.8V): Current Drain (6. 0.
y la longitud de 5mm.
Figure 51: Conjunto montado en el motor de pruebas.
3.4. servo.73 Memoria______________________________________________________________
Utilizar la polea roscada de aluminio e introducirla a presión en el eje del servo de manera que se deforme el agujero interior y quede fija. los laterales de la polea tendrán un diámetro mayor. pero espesor de 2mm.96mm de diámetro. Los cálculos realizados para la obtención de la longitud mínima de polea se encuentran en los anejos. para evitar que el cable se salga por los laterales.5. el radio de la polea será de 28mm.
En las siguientes fotos se puede ver el montaje del soporte. Montaje.
. El cable que se utilizará es de 0. polea y cable en el motor de prueba que había en el laboratorio.
7kg*cm. Será roscada. en donde estaba situado el soporte antiguo. La polea del servomotor será de 28mm de diámetro y será introducida a presión en el eje del servo.
Se va a realizar ahora un resumen general de los elementos elegidos y la disposición de los mismos: El actuador elegido será un servomotor de la marca Hitec HS925MG (anejo de cálculos 3) con par de 7.5. Se utilizará un deflector con el fin de evitar que el aire caliente proveniente de la tapa de bujías sobrecaliente el servo.
3.74 Memoria______________________________________________________________
Figure 52:Soporte con el servo amarrado. de diámetro y dará 1 vuelta y media a la polea del servo para asegurar la fricción El soporte irá situado en la zona de los carburadores.96mm. El cable que unirá la polea de la mariposa con la del servo (Figure 45) será de 0.08seg a 60º. y velocidad de 0. Este motor será el encargado de mover la mariposa. también tendrá como función la de refrigerar el servo guiando el aire hacía él. Resumen.
pero que necesitan de un botón en el display para ser activados.1. En la figura se observa las cajas donde se encuentra la UCE.2.
4. La unidad central recibe el nombre de data logger (Figure 54). La tarjeta de adquisición de datos. su función es la de recibir los datos procedentes de los sensores u otros artilugios instalados en el coche y enviar si fuera necesario una señal.
En el caso de este proyecto. enviar la señal necesaria al actuador instalado en la mariposa. modelo GEMS DA99 permite grabar los valores de una cantidad finita de sensores en una tarjeta PCCard.75 Memoria______________________________________________________________
Capítulo 4. la UCE será la encargada de recibir la señal del potenciómetro instalado en el pedal y mediante una ley de control.
El sistema de adquisición de datos. su colocación en el coche es debajo del asiento del conductor.
Figure 53: Posición de la UCE. así como visualizarlos en un monitor que se integra en el propio coche.
4. programas de seguridad para casos de fallo. En la UCE se podrán implantar varios programas de control. La unidad de control electrónico
La unidad de control electrónico UCE es el ordenador central del vehículo Car-Cross. y otros programas de control del acelerador como pueden ser el Cruise Control. Control y programación. y sus características son las siguientes:
Hasta 1 kHz de frecuencia de muestreo Ranura PCMCIA para almacenaje de datos en tarjeta PCCard SRAM . En el anejo 4 se muestra el manual del software del data-logger.
Figure 55: Display integrado en el cuadro de mandos.. . 8x4. Peso: 450 gr..
.76 Memoria______________________________________________________________
Figure 54: Data-Logger. Resolución en 8 bits con selección de modo: 8x1. Unidad central: 110x110x45 mm. 8x2.
La tarjeta de adquisición de datos será la encargada de recibir los datos del sensor de posición instalado en el pedal del acelerador y enviar la respectiva señal de control al actuador de la mariposa. Conectores Autosport Pantalla digital con 8 configuraciones de presentación. 24 canales analógicos 6 canales de velocidad 8 entradas para termopares (temperatura) Resolución hasta 16 bits.
al ser una ecuación de control la que transmitirá la señal de un lado a otro se podrá programar otros parámetros que salten ante cualquier fallo. En resumen.
Figure 56: Tren de pulsos para el servo elegido. así.
. Los cables tienen las siguientes funciones: Rojo-Positivo. La forma de la onda será cuadrada y de 3 a 5 voltios de pico a pico. se está en disposición de conocer que factores hay que tener en cuenta a la hora de programarlo e instalarlo. el servo se posicionará en una posición u otra. El servo vuelve a la posición cero en caso de no recibir señal.
El sentido de giro del servo es el de las agujas del reloj.
4.3.8 ó 6 voltios. En función de la duración del pulso.1ms para posicionarse en los extremos y para un pulso de 1. La señal de control del servo será renovada cada 20ms por lo que la frecuencia será de 50Hz. los pulsos serán entre 0. se tratan de programas que apagarían el coche en caso de que falle algún elemento. Los puntos siguientes serán de gran importancia tenerlos en cuenta para el buen funcionamiento: El servo será controlado mediante PWM.
Una vez que ha sido elegido el actuador. NegroNegativo y Amarillo-Control. Se alimentará el servo 4.77 Memoria______________________________________________________________
La seguridad será uno de los temas adicionales en la tarjeta. en el capítulo anterior se pudo ver que el servo no es reversible. es por ello que a la hora de instalarlo se tendrá en cuenta este aspecto para que coincidan el cero del servo y de la mariposa.5ms el servo se posicionará en el medio. Parámetros importantes para la programación. por lo que toda la seguridad del conjunto vendrá dada por el software.9ms y 2.
78 Memoria______________________________________________________________
Al tener que alimentar el servo con 6 voltios, y la tarjeta sólo puede suministrar 5 ó 12 voltios, se utilizará un regulador. El servo puede girar un máximo de 180º, por lo que la polea que se le instale no podrá ser de un diámetro menor a la mitad de la que está en la mariposa. La programación de la unidad de control electrónico se encuentra en el anejo de cálculos 4.
Como elementos de seguridad tanto pasivos como activos podrían ser las siguientes proposiciones. Instalación de un interruptor final de carrera en el pedal del acelerador de forma que cuando este deje de ser presionado y vuelva a cero active el interruptor. El interruptor estará conectado a una puerta lógica AND, y la otra patilla de la puerta lógica estará conectada a la unidad de control electrónico. De esta forma cuando el interruptor dé señal cero, la puerta dará señal cero al servo y este volverá a la posición cero. En la figura se puede apreciar mejor como quedaría el circuito.
Figure 57: Circuito de seguridad utilizando puerta AND.
En cuanto a la programación del software para conseguir seguridad hay varias alternativas. 1. La unidad de control tendrá que cumplir una ecuación de control, es decir para una posición del pedal, tendrá asociada una posición de la mariposa. La seguridad vendría de forma que cuando no se cumpliese esa ecuación es que algo está fallando, por lo que debería apagar el coche automáticamente. 2. La segunda opción consiste en poner un sensor en el pedal del freno de forma que se sepa cuando se está frenando y con que fuerza. Si el pedal del acelerador y el del freno están funcionando a la vez es porque puede haber algún fallo, por ello si se está frenando con
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mucha fuerza y la mariposa está abierta es porque hay problemas y se apagaría el motor.
4.5. Inconvenientes y soluciones.
En la realización inconvenientes. del control se presentaron los siguientes
El Data Logger tiene la posibilidad de enviar señal de PWM con posibilidad de variar la frecuencia. Se hizo un programa para enviar señales al servo pero hubo los siguientes problemas: poca velocidad, poca precisión y el servo no permanecía parado en una posición, sino que oscilaba. El problema era pues del sistema de adquisición de datos. Como solución se utilizó un PIC que aportaría la señal PWM, las ventajas de este nuevo dispositivo son la velocidad y la resolución, por lo que se subsanaban los problemas anteriores. El nuevo circuito quedaría de la siguiente forma Potenciómetro del pedal del acelerador.
Circuito generador de señal PWM con PIC.
El sistema de adquisición de datos recibe la señal de posición del potenciómetro y ejecuta el programa mandando una señal al circuito generador de señal, y es este último el que envía la señal de PWM con una frecuencia de 50Hz.
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Capítulo 5. Sistema integrado.
La unión entre todos los componentes del acelerador electrónico quedaría de la siguiente forma: En la foto que se observa a la derecha se puede ver el soporte con el potenciómetro que mide la posición del pedal. El potenciómetro enviará al sistema de adquisición de datos una señal comprendida entre 0 y 5 voltios, en función de la posición del pedal. Si el pedal no está pulsado la señal será de 0 voltios y si está pulsado al máximo será de 5 voltios, entre medias se produce una interpolación lineal entre el giro del pedal (18.274º), el del potenciómetro (450º.) y entre 0 y 5 voltios. El sistema de adquisición de datos que se puede observar en la foto de la izquierda recibirá cualquier variación de señal en el potenciómetro. Su misión en este caso será la de ejecutar el programa utilizado devolviendo la correspondiente salida ante cualquier entrada del potenciómetro. Es indispensable que el circuito pase por el sistema de adquisición de datos para así poder implantar diferentes programas de conducción, que serían comandados desde aquí. La señal del sistema de adquisición de datos será enviada al circuito generador de señal PWM, este recibe una señal en forma de tensión y la transforma en una de pulsos que oscilarán entre 0.9ms y 2.1 ms con una frecuencia de 50Hz.
y esta a su vez producirá el giro de las mariposas. La polea del servo está conectada mediante un cable a la polea de la mariposa. en la figura de la izquierda se puede ver el soporte ya instalado junto con el servomotor. Consiguiendo el objetivo del proyecto.81 Memoria______________________________________________________________
Y por último se llega al actuador. El servo recibirá la señal PWM y moverá la polea hasta la posición indicada por el pulso.
. también se hablará de las ventajas proporcionadas por este sistema y las futuras líneas de trabajo
6.2. Se dividirá este apartado en tres subapartados. correspondientes a los siguientes puntos: Pedal del acelerador.
6. Pero la diferencia está en el mecanismo utilizado para que el potenciómetro mida. Unidad de control electrónico.
En este punto se mencionarán en general los inconvenientes acaecidos en el presente proyecto y porque no se ha podido realizar un control electrónico del acelerador igual al de los vehículos comerciales. En cuanto a la medición.82 Memoria______________________________________________________________
6. Ventajas y Futuras líneas de trabajo. Diferencias entre Drive By Wire comercial y Car-Cross. Introducción
En este capítulo se presentan las diferencias entre el acelerador electrónico instalado en el vehículo Car-Cross y el instalado en los vehículos comerciales. Actuador.
Las diferencias en el pedal no son excesivas. Pedal del acelerador. Diferencias. un potenciómetro.1. los coches comerciales utilizan lo mismo que se ha utilizado en este proyecto.
Todo esto forma un conjunto que se acopla al coche mediante unos tornillos. En la Figure 59 se puede ver como los dos elementos forman un todo. En los coches comerciales.
.83 Memoria______________________________________________________________
Figure 58: Sensor de posición del vehículo Car-Cross.
Figure 59: Pedal de acelerador en coches comerciales.
En el presente proyecto se ha utilizado un mecanismo en el que gira una polea que hace girar al potenciómetro y una chapa que lo sujeta al chasis del coche. se acopla al pedal una caja en cuyo interior se encuentra el potenciómetro y un mecanismo que hace que gire.
Figure 60: Acelerador electrónico en un Cadillac. y un aficionado construyó un vehículo pequeño utilizando un brushless. aunque eso hace tiempo que se hizo. El actuador.
. de hecho. solo son iguales en la utilización de un motor eléctrico. en algunos casos se utiliza un servomotor. debido a las posibilidades que tienen de realizar modificaciones en el motor. los vehículos comerciales llevan instalado el actuador en el mismo eje de la mariposa. aunque predomina la utilización de motores DC con o sin reducción. en el anejo de cálculos 5 se muestran artículos y publicaciones en las que se mencionan las partes del Drive by wire y algún detalle más. En cuanto a la disposición. En cuanto a que actuador utilizan.2. en otros un DC. (Comprobado experimentalmente en un AUDI A3) También se ha variado el número de carburadores. La marca Bosch fabrica y distribuye pedales y motores eléctricos especialmente diseñados para esta función. hay casos en los que se ha separado la admisión de aire de los cilindros y los han unido mediante un tubo. Hay mucha variedad.
En el caso del actuador las diferencias son más notables. la posición del carburador así como el acople utilizado para el actuador. no se parecen en prácticamente nada en cuanto a la disposición y forma. Normalmente el actuador suele llevar una gran reducción del orden de 100:1. que ha pasado a uno.
También se puede ver en la Figure 60 la reducción utilizada en el actuador. En la siguiente figura se puede apreciar este dato. con esto se consigue que el actuador esté más lejos del motor y no tenga problemas por culpa de la temperatura. un paso a paso.84 Memoria______________________________________________________________
en ningún artículo o publicación se especifica si la vuelta es por el mismo motor o mediante un muelle y no ha sido posible comprobarlo experimentalmente debido a que en los desguaces esa pieza no la venden por separado.3. y en las casas oficiales tiene un coste muy alto. La importancia pues de estas unidades es cada vez mayor.
Referente al mecanismo utilizado para hacer volver la mariposa a cero. e incluso comandos de seguridad para casos de fallo. las funciones son muy parecidas. controlar electrónicamente algunas partes del coche. se pueden introducir formas diferentes de controlar el actuador.85 Memoria______________________________________________________________
Figure 61: Motores eléctricos fabricados por Bosch. En la programación del acelerador. Las diferencias existentes entre las diferentes UCE son de programación. La unidad de control electrónico (UCE). al igual que la instalada en el vehículo Car-Cross del laboratorio.
Hoy en día todos los coches tienen una o varias unidades de control electrónico.2. todos los coches poseen una UCE y pocas diferencias hay entre unas y otras. y su coste es también más reducido. En resumen. La UCE se encuentra instalada en el interior del vehículo y se trata de un pequeño ordenador. la información es nula.
Las ventajas que presenta la implantación de un acelerador electrónico son las siguientes:
.3. en la cual se ejecutan múltiples funciones que sustituyen a conexiones mecánicas entre otras cosas.
6. Ventajas de un acelerador electrónico.
el cruise control.4. reduciendo el coste del equipo. como por ejemplo crear un pedal de acelerador y un sensor de posición acoplados en una sola pieza como se puede observar en los coches comerciales. Futuras líneas de trabajo. Sistemas como el control de tracción. Reducción de los tirones durante el funcionamiento del motor. Pero lo realmente importante está en implantar nuevas formas de conducción.
. Integra al acelerador funciones como el control de tracción o estabilidad.
El presente interesantes. las siguientes modificaciones suelen realizarse en el software y no en el hardware. mientras que en un Diesel.86 Memoria______________________________________________________________
Permite variar la relación entre la posición del acelerador y la apertura de la mariposa con multitud de posibilidades. Permite un mejor control sobre las emisiones contaminantes. y variar la relación entre la posición del pedal del acelerador y de la mariposa depende casi en su totalidad del software programado. Es más fiable que un cable porque el sistema sólo envía una señal eléctrica a través de un potenciómetro. Posibilita una mayor suavidad de funcionamiento a los vehículos equipados con cambio de marchas automático. En un motor de gasolina.
6. Permite mayor control de la alimentación de aire del motor. o coordina el cambio automático para suavizar el paso de una marcha a otra. la señal eléctrica determina la apertura de la mariposa. consiguiendo mejores aceleraciones y una respuesta del motor más adecuada al tipo de conducción que se está realizando Corrige errores de accionamiento del acelerador por parte del conductor. Estas nuevas modificaciones pueden ser algunas de las ventajas mencionadas antes y otras nuevas. Fácil acoplamiento del control de velocidad de crucero. Integración del control electrónico en la centralita de gestión del motor. proyecto presenta futuras líneas de trabajo muy
Por un lado se presentan las continuaciones desde el punto de vista estético. determina el caudal de gasóleo.
sobre todo en los primeros grados de apertura.1. En otros sistemas lo que hacen es frenar las ruedas que pierden adherencia y otros más completos efectúan ambas cosas a la vez (control de estabilidad). momento en el que debemos oprimir el botón de ajuste o set.4. En tal caso. El siguiente paso es llevar al vehículo de manera habitual (acelerando con el pie) hasta lo más aproximado de la velocidad a que deseamos circular. se debe conseguir que el recorrido del acelerador corresponda con pequeños recorridos de la mariposa.
La función del cruise control es mantener la velocidad deseada sin tener que llevar el pie oprimiendo el pedal del acelerador.4.
Si se busca un motor que responda bien a bajas revoluciones. se deberá oprimir el botón de restablecimiento. El resultado es un mayor control y un rendimiento óptimo.
6. Control de tracción. También se puede optar por oprimir off. pero sí le permite hacer un rebase.la velocidad seleccionada sube o baja entre 1 a 2 kilómetros por hora. Para que esté disponible el sistema. El Cruise Control se desactiva muy fácilmente. si usted acelera. que en tal caso la centralita electrónica manda una señal para que se reduzca la fuerza del motor.
El sistema de control de tracción actúa electrónicamente convirtiendo toda la potencia en movimiento evitando que las ruedas patinen y maximizando la tracción en cualquier situación. El cruise control incluye botones para hacer ajustes finos de la velocidad una vez definida. aparece en el tablero de instrumentos una aviso de tal situación. en diferentes presentaciones dependiendo el fabricante. y no son capaces de recuperar la trayectoria del vehículo en caso de excesivo subviraje o sobreviraje. basta oprimir el pedal del freno para que libere la velocidad que llevaba controlada. Lo que origina
. Una centralita electrónica compara a través de los sensores del ABS el giro de las ruedas motrices con las que no lo son (o de las cuatros ruedas en caso de la tracción total). Los controles de tracción sólo evitan que se produzcan pérdidas de motricidad por exceso de aceleración.3. y basta dejar de oprimir el acelerador para que el vehículo vaya automáticamente bajando a la velocidad seleccionada previamente sin tener que oprimir el botón de restablecimiento. También hay sistemas de control de tracción que combinan la actuación sobre motor y frenos. para volver a la selección de velocidad original.
6. sin pérdida de potencia.87 Memoria______________________________________________________________
6.4. para lo que. Cuando el sistema está operativo. Tipos de conducción. así es que cada vez que oprimimos los botones + ó . lo primero que hay que hacer es encenderlo.2. Con el control operando. la velocidad seleccionada en el cruise control no se desactiva. pero en tal caso todo el sistema queda desconectado. trae un botón de on/off. detectando si las primeras pierden adherencia. Cruise Control (Velocidad De Crucero).
6. Conclusiones. impidiendo que el motor rebote en sus soportes. Esta situación tan molesta se evita retrasando la apertura del acelerador para que no se produzca de forma tan brusca. Además se consiguen reducir las emisiones contaminantes. Se consigue una buena respuesta del motor a cualquier régimen. A bajas revoluciones del motor. el Cruise Control depende completamente del software y los tipos de conducción dependen del programa implementado. impidiendo que aparezcan ahogos por un accionamiento muy rápido del acelerador. En el acelerador electrónico se pueden adoptar infinidad de posiciones de la mariposa teniendo en cuenta las condiciones de funcionamiento del motor. Para que el conductor no perciba la reducción de par que esto supone. En la fase de calentamiento del motor se produce una mayor apertura de la mariposa en función de la posición del pedal acelerador. la mariposa se abre más rápidamente mejorando la respuesta del motor.88 Memoria______________________________________________________________
una respuesta del motor pobre cuando la mariposa está muy abierta.4. sino que tambien depende de otros factores como puede ser la instalación de sensores para saber en todo momento la velocidad de las ruedas y del coche. El cruise control sería trabajo para un alumno interno. y por tanto. se producen tirones a causa de la variación tan repentina en el par suministrado y el motor rebota en sus anclajes elásticos. También se podría ampliar el proyecto coordinándolo con el control de estabilidad.
El control de tracción depende de varias partes pero la principal sería el software.4. Un motor de carácter deportivo necesita recorridos más amplios de la mariposa cuando está muy abierta. aunque no se podría actuar en los frenos puesto que el Car no está preparado para ello. reduciendo el tiempo de calentamiento del motor. puesto que consistiría en la instalación de un botón que al ser pulsado mantuviese la señal
. porque no solo es software. la mariposa se abrirá lentamente. Con este dato y las revoluciones del motor se establece el grado óptimo de apertura de la mariposa. En el laboratorio se podría realizar como proyecto la instalación del control de tracción. empeorando la respuesta del motor a bajas revoluciones. Durante esta fase se intenta empobrecer la mezcla todo lo posible y retrasar el encendido. Si se acciona rápidamente el acelerador cuando el motor está reteniendo. del catalizador. mientras a altas revoluciones. la apertura se realizará más rápidamente. La centralita electrónica conoce en todo momento la posición del pedal del acelerador a través de la variación de la resistencia del potenciómetro. El par motor aparece más lentamente. al producirse pequeñas variaciones en caudal de aire que entra al motor.
pues se requieren altos conocimientos de programación.89 Memoria______________________________________________________________
enviada al circuito generador de PWM. Como ya se dijo anteriormente se podrían hacer programas que minimizasen el consumo de combustible. también se pondrían botones de memoria que cuando fuesen pulsados recuperasen la última velocidad guardada y cuando el conductor pise el freno deje de mantener la misma señal y vuelva a variar conforme a la posición del pedal.
. Quizás fuese más un proyecto que un trabajo de alumno interno. o que proporcionasen siempre la máxima potencia. sobre todo de Dinamic C. etc. Y por último en cuanto a los tipos de conducción consistiría sobre todo en la programación de diferentes programas de conducción.
. Casos análogos son la impresora. sin límite de licencias. Tampoco se tienen en cuenta los gastos generados en las pruebas como es el caso de comidas. Para las mediciones se han considerado que el proyecto se realiza en un plazo de 6 meses. El vehículo. ya que se utilizan con asiduidad en el laboratorio y la proporción que se imputaría sería despreciable. Las piezas fabricadas en el taller de la escuela son de construcción y material sencillos. El Software empleado es educacional. el escáner y la fuente de alimentación.
En este capítulo se presenta un breve estudio económico para cuantificar el coste que hay detrás de la realización de este proyecto. El San-Ei cedido por Asier López es de elevado precio. Presupuesto. El material utilizado es una pequeñísima partida. gasolina.90 Memoria______________________________________________________________
Capítulo 7. sino como elemento disponible con antelación. así como el de uso del taller exceptuando a los operarios. elemento imprescindible del proyecto. Mediciones y consideraciones. por lo que el precio imputado es estimado. no se considera como tal en el presupuesto. etc. por lo que también se desprecia su coste. pero se considera ampliamente amortizado debido a su antigüedad.
7.1. Las horas óptimas anuales para los elementos amortizables son de 1600.
PC Licencia Office 2000 educacional.01875 0. Cuadro de precios.00375 1.91 Memoria______________________________________________________________
7. Colaboración José Manuel Carballo. Licencia Pro-E Wildfire educacional LabView Fuente de alimentación Alquiler puesto de oficina
30 30 50 30 0. Operarios taller.875
900 108 78 30 6 3000
Coste anual 24000 Horas óptimas 1600 1600 1600 Coste por horas (€) 15 60 30
MO ingeniero Director del proyecto Joan Savall. Colaboración Juan Lizeaga.04875 0.0675 0.2.5625 0. Colaboración Xavier Carrera. Colaboración Emilio Sánchez.
Licencia Pro-E Wildfire educacional. Servomotor Gastos generados Mano de obra proyectante TOTAL
30 4 4 800 200 150 50 5 800
900 200 120 450 72 13.92 Memoria______________________________________________________________
Horas empleadas. Material de oficina.01875 1500 60 98 7141. (€) 720 1500 1500
Director proyecto Joan Savall. Operarios taller. Listado de precios. Colaboración Emilio Sánchez. Alquiler puesto de oficina. Colaboración José Manuel Carballo.3.5 7. Colaboración Xabi Carrera. Fuente de alimentación. Licencia Office 2000 educacional.3125 0. PC. 12 50 50 Coste Euros.78€
. Colaboración Juan Lizeaga. LabView.78 15000
22141.9375 0. Cartucho de impresora.
Apuntes: “Tecnología de Máquinas”. “Robótica. EUNSA. Catálogo RS amidata. Xabier Carrera Akutain. Proyecto: “Diseño y construcción de un sistema de selección de velocidades por actuadores para un vehículo” Mikel Ares Azpiroz” 2002. 2001
“Ingeniería de proyectos”. Canales y Puertos. Unicopia. Fernando Santos. 2001.93 Memoria______________________________________________________________
Capítulo 8. Bibliografía. San Sebastián. Proyecto: “Determinación experimental de las cargas existentes sobre la estructura de un vehículo automóvil”. Jesús Fraile. Manipuladores y robots móviles”. Jordi Viñolas. “Máquinas y motores”. Colegio de Ingenieros de Caminos. Servicio de publicaciones. Aníbal Ollero Baturone.2001. Marcombo. 1999. 2004.
production-machining. servomotores.net/articles/skf.pdf http://www.html http://www.ht m http://www.
http://cfievalladolid2.egr.de/k/en/start/product. URL’s consultados. http://www.de/k/en/start/productsearchresult.94 Memoria______________________________________________________________
Capítulo 9.com/news/innovations/articles/43033/article. motores DC y Paso a paso.htm.html
.msu.html http://www.com/pdf/techpapers/2000-01-0556.automotivetechnology.hr/acg/publications/pub_etc_13.asp www.amidata.com/columns/1102eur.delphi.net/tecno/ctrl_rob/robotica/portada.jsp?plCatId=3 Bosch
Artículos Drive-By-Wire
http://www.ht ml http://www.com/auto/applications/electronic_throttle_control .kraftfahrzeugtechnikheute.edu/autoweb/Class/Proj_2001/throttle/project.autozulia.html http://www.jsp?mfacKey=GS_23_DVE http://www.edmunds.fsb.com/nuevatecnologia.es Potenciómetros http://www.kraftfahrzeugtechnikheute.picotech.
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