Actuadores II
De Asociación de Robotica y Domótica de España (A.R.D.E.)
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Motores
Un motor es un dispositivo que convierte energía (normalmente eléctrica) en trabajo. Normalmente este trabajo se produce en forma de un movimiento giratorio aunque también existen motores lineales.
Los motores están compuestos de dos partes: el estator que es la parte fija del motor y el rotor que es la parte móvil.
Existen motores de corriente continua y corriente alterna. Entre los motores de corriente continua están los motores de escobillas convencionales, los motores paso a paso y los de conmutación electrónica o brushles. Los motores de escobillas convencionales consisten en un rotor bobinado que genera un campo magnético. Cuando el rotor gira las escobillas conmutan el sentido del campo magnético permitiendo el giro permanente del motor. En los motores paso a paso el cambio del campo magnético se produce dando corriente secuencial a los diferentes bobinados que forman el rotor. Los motores de conmutación electrónica usan electrónica externa al motor para invertir la corriente en las bobinas del estator.
Los motores mas comunes que podemos encontrar en juguetes, tiendas de radio control y aparatos con pilas son motores de corriente continua con escobillas. Los motores que encontramos en aparatos electrodomésticos, batidoras etc., que se enchufan a la pared suelen ser de alterna.
Motores de Corriente Continua con escobillas
Estos motores existen de potencias muy variadas desde micro motores como los vibradores de los móviles a motores industriales del tamaño de una lavadora.
Los motores que se usan en robótica suelen ser de potencias bajas. Estos motores suelen tener el bobinado y el estator compuesto por imanes permanentes. En estos motores se regula la velocidad cambiando la tensión con la que se alimenta al motor.
Estos motores normalmente no se pueden usar directamente en nuestro robot (salvo para mover hélices) sino que deben ser acoplados a una reductora. Este elemento transforma el movimiento de alta velocidad y poco par que sale del motor en un movimiento de baja velocidad y más par.
Desarrollo
Ejemplos
Práctica simple
Posibles problemas
Servomotores
Un servomotor es un motor regulado. Esto quiere decir que tiene un lazo de control que hace que el motor siga una consigna dada lo más fielmente posible. De forma simplificada un servomotor es un motor al que le podemos decir que gire un número concreto de grados y se pare en esa posición.
El motor que llevan los servomotores es un motor eléctrico normal. Este motor esta alimentado por un circuito electrónico que mide el giro del eje y la referencia que le pasamos y en función de eso calcula la tensión con la que alimenta al motor.
En Radio modelismo encontramos servomotores a buen precio. Normalmente estos servomotores reciben la referencia de posición en forma de un pulso de entre 1 y 2 milisegundos. 1 milisegundo es el valor extremo hacia un lado y 2 milisegundos el valor extremo hacia el otro. Valores intermedios representan posiciones intermedias del eje.
Desarrollo
Ejemplos
Práctica simple
Posibles problemas
Motores PAP
Desarrollo
Ejemplos
Práctica simple
Posibles problemas
Etapas de potencia
Puente en H
Un puente en H es un sencillo mecanismo que nos permitirá variar el sentido de giro a un motor de corriente continua.
Desarrollo
Para utilizar este sencillo método necesitaremos 4 interruptores como podemos ver en la imagen de la izquierda. Cada uno de estos interruptores esta numerado y puede estar en dos estados, abierto y cerrado. Cuando un interruptor esta abierto no permite el paso de corriente a través de el, en cambio cuando esté cerrado si lo permitirá.
Variando las posiciones de los interruptores podemos conseguir que el motor gire en un sentido u otro, o que se quede parado al fijar los dos terminales del motor a una misma tensión. También hay que tener en cuenta que no todas las posibilidades son correctas ya que como veremos en la sección de posibles problemas, algunas posiciones crean cortocircuitos.
Ejemplos
Como podemos observar en la primera imagen de ejemplo (situada justo a la izquierda), podemos ver nuestro puente en H tiene los interruptores I2 e I3 abiertos mientras que I1 e I4 permanecen cerrados.
Esto permite el paso de corriente entre sus dos terminales, pasando de izquierda a derecha. Gracias a este mecanismo hemos conseguido hacer girar el motor en un sentido.
En esta otra imagen se han invertido las posiciones de todos los interruptores, permitiendo la corriente en sentido contrario. De esta forma variando entre estas pos posiciones podemos conseguir que el motor gire a nuestro antojo.
Por último, si pusiésemos los interruptores de uno de las lados (I1, I2) cerrados y los del otro abierto (I3, I4) tendríamos los dos terminales del motor a un mismo voltaje, con lo que el motor se pararía rápidamente, más incluso que si se cortase la alimentación. A este método se le llama "Fast stop".
Práctica simple
Para esta sencilla práctica necesitaremos:
- 4 resistencias de un valor bajo (de unos 100 ohmios) que servirán para simular los interruptores y evitará que se produzca un cortocircuito en caso de error.
- Una resistencia mucho mayor que las anteriores (ej, 100K ohmios) que servirá para simular el motor.
- Un multímetro, con el que mediremos la corriente que circula por el circuito y el sentido de la misma.
- Una alimentación para el montaje. Podemos utilizar una pila o un transformador.
- Cable necesario para realizar el montaje.
Desarrollo de la práctica:
Comenzaremos montando en posición horizontal la resistencia de 100Ks. Conectaremos en cada uno de sus 2 extremos dos resistencia de 100 ohmios en posición vertical, una orientada hacia delante y otra hacia otra de forma que visualmente tengamos una H. A continuación designaremos dos líneas de la protoboard que utilizaremos como alimentaciones. La línea de la parte superior será para el terminal positivo de la misma y por eliminación la negativa será la inferior.
El siguiente paso es conecta el multímetro entre los terminales de la resistencia de 100Ks para medir la tensión que cae sobre ella (modo voltímetro). Por último solo tendríamos que conectar las resistencias que consideraremos como interruptores cerrados, dejan el resto sin conectar (conectadas a un terminal que no conecte con ningún componente). Una vez todo esta correctamente conectado activaremos la alimentación y comprobaremos el funcionamiento del circuito.
Resultados esperados:
Teniendo el multímetro conectado para medir la tensión entre los terminales de la resistencia de 100ks y conectando las resistencias 1 y 4 deberíamos obtener una caída de tensión algo menor a la alimentación que estamos aplicando al circuito. Si cambiásemos y conectásemos las resistencias 2 y 3, obtendríamos el mismo resultado pero con sentido contrario, lo cual indica que la corriente circula en el otro sentido.
En caso de medir la corriente, podríamos comprobar directamente que esta cambia de sentido al cambiar las resistencias conectadas.
Posibles problemas
El único problema que podría surgir con el puente en H sería que se activasen los interruptores 1 y 3 (o 2 y 4) a la vez. Esto revocaría un corto circuito que dependiendo del tipo de interruptor (resistencia interna y capacidad máxima de corriente) podría darse 3 casos:
1.- Si la resistencia interna fuese muy baja y soporta una corriente alta se produciría un cortocircuito que posiblemente dañaría nuestra batería o fuente de alimentación. Este seria el caso de relés o interruptores mecánicos.
2.- Si la resistencia interna fuese muy baja y el interruptor no soportase una alta corriente esto revocaría que se quemase dicho interruptor. Este es el caso de drivers integrados o transistores.
3.- Teóricamente cabe esperar que algún tipo de interruptor pudiese presentar una resistencia alta ante un cortocircuito, pero a menos que se diseñe un circuito limitador, esto no ocurre. En dicho caso circularía entre los 2 interruptores toda la corriente que se permitiese, con el consecuente consumo de energía.
Relés
El relé es un dispositivo electromecánico, que funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Imagen:Ejemplo.jpg
Desarrollo
Los relés están formados principalmente por una bobina y por por una varilla que tiene un extremo fijo. Cuando por la bobina circula una corriente se crea un campo electromagnético que atrae a la varilla. En un momento dado, si la corriente que circula por la bobina es suficientemente alta, el campo magnético generado mueve la varilla haciendo que esta entre en contacto con un pivote metálico.
Los contactos de un relé pueden ser Normalmente Abiertos (NA o NO (Normally Open)), por sus siglas en inglés), Normalmente Cerrados (Normally Closed)(NC) o de conmutación.
- Los contactos Normalmente Abiertos conectan el circuito cuando el relé es activado; el circuito se desconecta cuando el relé está inactivo. Este tipo de contactos son ideales para aplicaciones en las que se requiere conmutar fuentes de poder de alta intensidad para dispositivos remotos.
- Los contactos Normalmente Cerrados desconectan el circuito cuando el relé es activado; el circuito se conecta cuando el relé está inactivo. Estos contactos se utilizan para aplicaciones en las que se requiere que el circuito permanezca cerrado hasta que el relé sea activado.
- Los contactos de conmutación controlan dos circuitos: un contacto Normalmente Abierto y uno Normalmente Cerrado con una terminal común.
Existen multitud de tipos distintos de relés, dependiendo del número de contactos (cuando tienen más de un contacto conmutador se les llama contactores en lugar de relés), intensidad admisible por los mismos, tipo de corriente de accionamiento, tiempo de activación y desactivación, etc.
Uno de los más usados en robótica son los relés de estado solido. Estos realizan la misma función que realizan los relés mecanicos pero todos sus componentes son electrónicos, no existiendo partes moviles. Normalmente están compuesto por un optoacoplador que aísla la entrada, un circuito de disparo, que detecta el paso por cero de la corriente de línea y un triac o dispositivo similar que actua de interruptor de potencia. Este dispositivo es usado generalmente para aplicaciones donde se presenta un uso continuo de los contactos del relé que en comparación con un relé convencional generaría un serio desgaste mecánico.
