El documento describe diferentes tipos de motores y componentes utilizados en robótica, incluyendo motores de corriente continua con y sin escobillas, encoders ópticos y magnéticos, reductores y su configuración, y conceptos como par, velocidad y potencia. También presenta modelos de motores DC, circuitos de control, y consideraciones para la selección e implementación de motores en aplicaciones robóticas.

1. Motores utilizados en robótica

2. Estructura básica Inductor : En el estator (devanado o campo de excitación) Imán permanente o electroimán de C.C. Inducido : En el rotor (devanado de armadura)

3. Componentes Baja fricción entre las escobillas y delgas del colector Le permiten al rotor girar libremente.

4. Fundamentos La corriente se suministra externamente a través de un conmutador Cuando la corriente pasa a través de un alambre insertado en un campo magnético, la fuerza magnética produce un par, que hace girar al rotor El conmutador invierte el sentido de la corriente cada media revolución, manteniendo el par en la misma dirección.

5. Generación del par Campo magnético Corriente eléctrica Fuerza magnética

6. Efecto sobre el par del aumento del número de conductores Par Posición rotacional Posición rotacional Posición rotacional Par Par

7. Accionamiento directo Concepto: Es cuando el eje del actuador se conecta directamente a la carga o articulación, sin la utilización de un reductor intermedio. Ventajas Posicionamiento rápido y preciso (evita rozamiento y juego de las transmisiones) Mejor controlabilidad del sistema Simplificación del sistema mecánico al eliminarse el reductor Desventajas Reduccion del par Altas revoluciones Se generan inercias

8. Ejemplo Encoder Óptico Escobillas Estator Rotor Reductor Fuente: faulhaber.com

9. Motor DC con escobillas Bobina rotatoria y un magneto con excitación estacionaria. La corriente se le suministra a la bobina rotatoria a través de conmutación mecánica

10. Motor DC sin escobillas Bobina hace la función del estator del motor (estacionaria), mientras que el magneto está en el rotor

11. Ventajas de motores sin escobillas Conmutación electrónica: No existe contacto físico entre el rotor y el estator Tiempo de vida superior Más fiable Características térmicas más favorables (enrrolado en el estator) Más velocidad (ausencia de contacto conmutador-escobillas): 250000 rpm

12. Encoder óptico

13. Encoder absolutos Tienen un único valor ( binario o voltaje) para cada posición mecánica, por lo que la posición se conoce de forma absoluta Ventajas Genera datos binarios paralelos, facilitando su conexión a un computador (un encoder con 12 pistas genera 4096 códigos por revolución) Brindan información de la posición instantánea, por lo que no es necesario acumular patrones de códigos proporcionales a posiciones anteriores Desventajas Construcción más compleja Más caros

14. Encoder absolutos (ópticos)

15. Encoder relativos Encoders incrementales: La posición en este tipo de encoders se mide en comparación con la posición anterior, por lo que la salida no especifica una posición absoluta. Cuando se conecta la alimentación a este tipo de encoder, su posición no es conocida. Los encoders ópticos incrementales generan dos señales con una diferencia de 90 0 C entre ellas. Como cada ciclo genera cuatro transiciones, un encoder de 2500 ciclos por revolución genera 10000 pendientes por revolución.

16. Encoder incrementales (ópticos) RESOLUTIONS:Range: 16 to 2048 PPR (Pulses per Revolution) Currently available: 16, 24, 32, 50, 60, 75, 90, 100, 127, 128, 200, 225, 250, 256, 300, 312, 360, 471, 480, 500, 512, 540, 635, 640, 647, 720, 800, 900, 1000, 1024, 1250, 2000

17. Encoder Magnéticos Encoders magnéticos: Los cambios en el flujo magnético son captados por sensores magnéticos, directamente acoplados a una electrónica.

18. Encoder magnético

19. Reductoras

20. Características de reducción Relación de reducción Peso y tamaño Momento de inercia Velocidad de entrada máxima Par de salida nominal Par de salida máximo Juego angular Rigidez torcional Rendimiento

21. Configuración de reductoras donde:  = Rendimiento de la transmisión T 1 = Par de entrada T 2 = Par de salida  1= Velocidad de entrada  2= Velocidad de salida

22. Problemas: holguras Desventajas de la utilización de reductores - Juego angular - Rozamiento Disminución de la rigidez del accionador Dificultades en alcanzar precisión y velocidad deseadas

23. Par Es una medida cuantitativa de la fuerza que provoca un movimiento rotacional El Par ( también llamado momento ) es un término que se usa cuando se habla de fuerzas que actúan de manera rotacional. Se aplica un par cuando se disca un número telefónico, se enciende la luz a través de un interruptor o se enrosca un tornillo Componente radial Componente tangencial

24. Variables Velocidad o velocidad angular: Razón de rotación alrededor de un eje comunmente expresado en radianes/segundo ( rad/s) o revoluciones/segundo (rps) o revoluciones por minuto (rpm) Unidades de medida: 1 revolución = 360° 1 revolución = 2*pi*radianes 1 radian = (180/pi)° 1° = (pi/180) radianes Potencia: Cuando actúa un par (con respecto a su eje de rotación) en un cuerpo que rota a una velocidad angular w , su potencia ( razón del trabajo realizado dW/dt ) es el producto del par y la velocidad angular. Unidades de medida: Watts { W } o Newton-metros por segundo { N·m/s }

25. Circuito eléctrico va = Tensión de CC aplicado al motor Ra =Resistencia del enrrollado ev = Tensión electromotriz de retorno La = Inductancia del enrrollado Ke =Constante electromotriz de rotorno w = Velocidad angular

26. Motor: modelo Motores relativamente pequeños, sin núcleo de hierro: Par producido en el motor: t= Par Kt = Constante del par motor o

27. Modelo Simulink

28. Características motor Tensión constante, par variable

29. Considerando características de Faulhaber

30. Comprobación modelo

31. Interfaz con Dspace

32. Modelo en Simulink-Dspace

33. Comprobación de respuesta

34. Selección del motor Muchos factores influyen en la selección de un motor, se destacan: 1.- Restricción de naturaleza térmica. El calor que un motor debe disipar se calcula por: donde: I2 = Corriente que circula a través del motor Ra = Resistencia del motor 2.- A corriente constante, un motor de DC produce un par constante a la salida independientemente de la velocidad 3.- A una carga constante (par), la velocidad de un motor depende del voltaje aplicado al mismo

35. 4.- La potencia es el producto de la velocidad por el par. 5.- Cuando los motores operan a velocidad constante, la velocidad y el par que producen están inversamente relacionados. Mientras mayor sea el par, menor será la velocidad. Otros factores que influyen en la selección del motor son: 1.- Tamaño. 2.- Condiciones del medio ambiente. 3.- Peso. 4.- Ciclo de vida, etc. Selección del motor (II)

36. Incorporación de controlador PID

37. Modelo de referencia y comportamiento real

38. Tarjetas controladoras PID

39. Esquema eléctrico de controlador de motor Desacople para control inteligente DSP Controlador 2 Controlador n . .

40. Esquema eléctrico (detalle)

41. Algunos terminales y funciones

42. Etapa de Potencia Descripción Entradas Iout, -Iout: Señal de ± 5V provenientes de DAC. S alida, Vm : ± 12V para accionar motor DC. Alimentación : +20V, -20V y tierra.

43. Encoder HEDS-5540 S erie: HEDS-5540 E14 9748 A Resolución, líneas por revolución, N=200 CPR Nº canales: 2 + índice Requiere resistencias de pull-up de 2'7 Kohm Voltaje de alimentación, Vcc = 5 V Intensidad para alimentación 5V, Icc = 57 mA

44. Motor de Faulhaber N º serie: 2230U012S 74 380 MicroMo Coreless DC Motor 2230 Diámetro 22mm, Longitud 30mm Potencia máx. continua: 3'27 w Par de parada: 1’87 oz-in Velocidad sin carga: 9500 RPM Par de rozamiento: 0’017 oz-in Voltaje de alimentación: 12 V Constante de velocidad, k n = 799 rpm/V Fuerza contraelectromotriz: k E = 1’250 Constante de torque, k M = 1’699 oz-in/A Valores recomendados: Velocidad hasta: 8’000 rpm Par hasta: 0’354 oz-in Corriente hasta (límites térmicos): 0’450 A

45. Vista de tarjeta controladora (V1.0)

46. Vista de tarjeta controladora (V2.0)

47. Detalles del desarrollo Si se desea trabajar con la etapa de potencia de manera aislada , se debe aplicar un nivel de voltaje con referencia a tierra a una de las dos entradas, Iout o -Iout, pero no a las dos. Si este voltaje es negativo, el sentido de giro será inverso. Si se elige -Iout en lugar de Iout, el sentido será inverso al que sería con el otro.

48. Comprueba microcontrolador

49. Generador de códigos

50. Prueba PID

51. Controlador integrado

52. Ajuste del PID Ganancia Tiempo de subida Overshoot Tiempo de establecimiento Error en estado estable Kp Decrementa Incrementa Cambia poco Decrementa Ki Decrementa Incrementa Incrementa Elimina Kd Cambia poco Decrementa Decrementa Cambia poco

53. Tutoriales en Web Buscar: Tutorial PID MATLAB

54. Autoajuste controlador PID Blocksets->Non linear control design->PID Controller

55. Trayectoria de referencia

56. Consideraciones sobre cálculos

57. Ejemplos en Matlab System identification  An Industrial Robot Arm Motor Reductor Brazo articulado

58. Ejemplos en Matlab (II) Control System  DC Motor Control

59. Ejemplos en Simulink Simulink Response Optimization  Control of an Inverted Pendulum

60. Ejemplos en Simulink Simulink Response Optimization  DC Motor Controller Tuning

61. PWM (Modulación ancho de pulso) Fuente: Wikipedia

62. Motor paso a paso Control digital: Pasos por revolución( los grados de un paso se obtiene dividiendo 360/Pasos por revolución) Contrario al motor de DC, produce alto par a baja velocidad Presentan el “par de reposo”. Mantienen la posición firmemente para un código determinado (evita mecanismo de freno) Bajo coste Convierte el paso de avance y la señal de dirección a la señal a aplicar al motor