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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.

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Resumen

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.

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Índice

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

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3.2. Mediciones. ................................................................................. 50 3.2.1. Toma de mediciones. ........................................................... 50 3.2.2. Ángulo girado por las mariposas. ......................................... 50 3.2.3. Par necesario para mover las mariposas. ............................ 52

3.2.3.1. Dinamómetro. ................................................................ 52 3.2.3.2. Sensor de fuerza............................................................ 55

3.3. El actuador. ................................................................................. 61 3.3.1. Introducción. ......................................................................... 61

3.3.1.1. Par. ................................................................................ 62 3.3.1.2. Tensión. ......................................................................... 62 3.3.1.3. Velocidad de respuesta.................................................. 62 3.3.1.4. Reversibilidad. ............................................................... 62 3.3.1.5. Muelles........................................................................... 62

3.3.2. Mecanismos propuestos....................................................... 62 3.3.3. Comparaciones entre los mecanismos................................. 63

3.3.3.1. Mecanismo de barras..................................................... 63 3.3.3.2. Mecanismo de poleas. ................................................... 64 3.3.3.3. Mecanismo de poleas con reducción en el actuador. .... 64 3.3.3.4. Mecanismo de husillo y motor paso a paso. .................. 65

3.3.4. Conclusiones. ....................................................................... 65 3.4. Diseño del mecanismo y el soporte. ........................................... 66

3.4.1. Medición de temperaturas. ................................................... 69 3.4.2. Fabricación del soporte. ....................................................... 70 3.4.3. Elección del servomotor. ...................................................... 71 3.4.4. Elección de la polea. ............................................................ 72 3.4.5. Montaje................................................................................. 73

3.5. Resumen..................................................................................... 74 Capítulo 4. Control y programación. ...................................................... 75

4.1. La unidad de control electrónico ................................................. 75 4.2. La tarjeta de adquisición de datos............................................... 75 4.3. Parámetros importantes para la programación. .......................... 77 4.4. Seguridad.................................................................................... 78 4.5. Inconvenientes y soluciones. ...................................................... 79

Capítulo 5. Sistema integrado. .............................................................. 80 Capítulo 6. Diferencias. Ventajas y Futuras líneas de trabajo. .............. 82

6.1. Introducción ................................................................................ 82 6.2. Diferencias entre Drive By Wire comercial y Car-Cross.............. 82

6.2.1. Pedal del acelerador............................................................. 82 6.2.2. El actuador. .......................................................................... 84 6.2.3. La unidad de control electrónico (UCE). ............................... 85

6.3. Ventajas de un acelerador electrónico. ....................................... 85 6.4. Futuras líneas de trabajo. ........................................................... 86

6.4.1. Control de tracción. .............................................................. 87 6.4.2. Cruise Control (Velocidad De Crucero). ............................... 87 6.4.3. Tipos de conducción............................................................. 87 6.4.4. Conclusiones. ....................................................................... 88

Capítulo 7. Presupuesto. ....................................................................... 90 7.1. Mediciones y consideraciones. ................................................... 90 7.2. Cuadro de precios....................................................................... 91

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7.3. Listado de precios. ...................................................................... 92 Capítulo 8. Bibliografía. ......................................................................... 93 Capítulo 9. URL’s consultados. ............................................................. 94

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Índice de ilustraciones.

Figure 1: Car-Cross Melmac. ............................................................................. 2 Figure 2: Modelización del Car-Cross. ............................................................... 3 Figure 3: Acelerador del Car-Cross.................................................................... 3 Figure 4: Tarjeta de adquisición de datos. ......................................................... 4 Figure 5: Zona a actuación del carburador......................................................... 4 Figure 6: Acelerador en vehículos especiales. ................................................... 8 Figure 7: Diferentes tipos de pedales de acelerador .......................................... 9 Figure 8: Encoder incremental. ........................................................................ 11 Figure 9: Pedal con potenciómetro integrado................................................... 13 Figure 10: Esquema de un potenciómetro. ...................................................... 13 Figure 11: Variación de la resistencia de un potenciómetro con el ángulo....... 14 Figure 12: Potenciómetro ................................................................................. 15 Figure 13: Representación de un potenciómetro.............................................. 15 Figure 14: Aspecto de un potenciómetro lineal ................................................ 16 Figure 15: Aspecto de un potenciómetro angular............................................. 17 Figure 16: Esquema de un potenciómetro angular........................................... 17 Figure 17: Conexión de un potenciómetro ....................................................... 18 Figure 18: Parámetros de un potenciómetro. ................................................... 18 Figure 19: Leyes de variación de la R de un potenciómetro. ........................... 20 Figure 20: Engranajes. ..................................................................................... 24 Figure 21: Tren de engranajes. ........................................................................ 26 Figure 22: Poleas. ............................................................................................ 28 Figure 23: Potenciómetro lineal........................................................................ 29 Figure 24: Vista del nuevo mecanismo. ........................................................... 30 Figure 25: Mecanismo de giro del potenciómetro............................................. 31 Figure 26: Muelle, polea, rodamiento y potenciómetro..................................... 31 Figure 27: Mecanismo completo. ..................................................................... 32 Figure 28: Servomotor...................................................................................... 38 Figure 29: Funcionamiento de un servo mediante pulsos. ............................... 39 Figure 30: Posiciones para paso simple........................................................... 44 Figure 31: Posiciones para paso doble. ........................................................... 44 Figure 32: Posiciones para medio paso. .......................................................... 45 Figure 33: Eje de la mariposa........................................................................... 51 Figure 34: Medidor del ángulo de giro.............................................................. 52 Figure 35: Mecanismo elevador. ...................................................................... 53 Figure 36: Carburador, dinamómetro y elevador.............................................. 53 Figure 37: Sensor de fuerza............................................................................. 56 Figure 38: Amplificador San-Ei y Polímetro...................................................... 56 Figure 39: Puente de Weahtstone entre el sensor de fuerza y el San-Ei. ........ 57 Figure 40: Conexión de las galgas con el puente de Wheatstone.................... 57 Figure 41: Vista del conjunto completo. ........................................................... 58 Figure 42: Disposición del sensor. ................................................................... 59 Figure 43: Relación entre la fuerza aplicada y el voltaje obtenido.................... 59 Figure 44: Ángulo entre la perpendicular al eje y el cable del acelerador. ....... 60 Figure 45: Nuevo diseño del mecanismo. ........................................................ 67

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Figure 46: Tapa de las bujías y soporte antiguo............................................... 68 Figure 47: Soportes propuestos. ...................................................................... 68 Figure 48: Termopar y multímetro. ................................................................... 69 Figure 49: Prototipo hecho de resinas.............................................................. 70 Figure 50: Soporte realizado en la máquina de electro-erosión. ...................... 71 Figure 51: Conjunto montado en el motor de pruebas. .................................... 73 Figure 52:Soporte con el servo amarrado. ....................................................... 74 Figure 53: Posición de la UCE. ........................................................................ 75 Figure 54: Data-Logger. ................................................................................... 76 Figure 55: Display integrado en el cuadro de mandos. .................................... 76 Figure 56: Tren de pulsos para el servo elegido. ............................................. 77 Figure 57: Circuito de seguridad utilizando puerta AND................................... 78 Figure 58: Sensor de posición del vehículo Car-Cross. ................................... 83 Figure 59: Pedal de acelerador en coches comerciales................................... 83 Figure 60: Acelerador electrónico en un Cadillac. ............................................ 84 Figure 61: Motores eléctricos fabricados por Bosch......................................... 85

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Capítulo 0. Introducción.

El presente proyecto comenzó en octubre de 2003, y como otros fue

realizado en el Laboratorio de Automoción de TECNUN. Todo empezó allá por Septiembre de 2003, el alumno, interesado en

temas de automoción habló con Joan Savall y este le ofreció la posibilidad de realizar este proyecto. Proyecto que cuenta con un poco de todo pero sobre todo con el ingrediente principal, los coches.

El acelerador electrónico, en inglés conocido como Drive-By-Wire, es

una tecnología que está empezando a ser implantada desde no hace mucho tiempo, viene del Fly-By-Wyre utilizada desde hace bastante tiempo en los aviones. La introducción del by-wire en el automóvil ha sido gracias a la Fórmula 1, desde hace unos pocos años se viene investigando la implantación en estos coches de carreras de esta tecnología, y los resultados ya se pueden ver, las fulminantes salidas de los coches Renault son gracias a un sofisticado sistema de control de tracción y al drive by wire, entre otros factores. Hoy en día cada vez más aparecen más marcas con el sistema drive by wire, seguro que alguno recordará el anuncio del nuevo Golf (2004), en el que en la última imagen aparecen las letras ETC que significan “Electronic Throttle Control” Control electrónico del acelerador. Es por ello que esta es una tecnología muy nueva hoy en día en los coches de calle.

El proyecto se dividió en las siguientes fases, obtención de información,

diseño del sensor de posición, diseño del mecanismo de actuación así como la búsqueda de un actuador y por último programación.

0.1. Presentación del vehículo Car-Cross.

El elemento principal sobre el que se trabaja y a su vez se extraen resultados es evidentemente el propio coche. Se trata de un Car-Cross modelo Melmac fabricado por Tenroj para pruebas en circuitos de tierra. En la Figure 1 se observa al Car-Cross en acción en el circuito de Olaberria (Guipúzcoa) en una de las pruebas realizadas.

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Figure 1: Car-Cross Melmac.

Las especificaciones técnicas son las siguientes: Chasis tubular con diámetro de los tubos de 32 y 40mm. Motor central Honda CBR600 F Potencia aproximada: 92CV a 12000rpm. Par máximo: 12 mdaN a 10500rpm. Régimen máximo: 12330rpm. Tracción: ruedas traseras sin diferencial. Peso: inferior a 300kg. Suspensión: doble triángulo independiente a las cuatro ruedas.

Conjunto muelle amortiguador en cada rueda. Precarga de muelle ajustable. Amortiguador regulable. Frenos: de disco macizo de 5mm. dos discos delanteros y uno

trasero. Reparto de frenada delantero/trasera regulable. Dirección: tipo piñón/cremallera. Cambio de marchas: secuencial de 6 velocidades. No tiene marcha

atrás. Transmisión: por cadena.

El coche ha sido modelizado en Pro-Engineer con anterioridad en el

propio laboratorio, tal y como lo muestra la Figure 2.

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Figure 2: Modelización del Car-Cross.

0.2. Detalle de los elementos principales del proyecto.

A continuación se presenta una galería de fotos en las que se muestra los elementos que más interés tienen en este proyecto.

El acelerador se muestra en la figura siguiente, será la pieza clave en la

parte de medición.

Figure 3: Acelerador del Car-Cross.

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El data logger se muestra en la Figure 4. En ella se recogen toda la

información proveniente de los sensores instalados en el coche. Está situada detrás del asiento del piloto.

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 la tapa gris o en el lugar del antiguo soporte, que se pueden observar en la figura irá un mecanismo donde se apoyará el actuador.

Figure 5: Zona a actuación del carburador.

0.3. Requisitos evolución y soluciones.

En el presente proyecto ha sido necesario el estudio o cálculo de los siguientes conceptos:

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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), esto se debe a que el Data Logger tiene un valor de resolución por debajo del cual no sabe lo que está ocurriendo. Por ello se buscó un potenciómetro con una resolución parecida a la del Data Logger pero siempre por encima de éste. Se intentaba conseguir el mayor número de valores del potenciómetro, para agotar el fondo de escala del sistema de adquisición de datos, y tener más valores para el actuador.

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. Se hizo un rediseño mejorado del que se estaba utilizando en estos momentos para conseguir un mayor número de valores. El potenciómetro se alimentó a 12 voltios, pero el Data Logger no admite más de 5 voltios, 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. Para ello aparte del rediseño del mecanismo, también se redujo el radio de la polea que hace que gire el potenciómetro para conseguir mayor giro.

Reversibilidad: En la actuación se intentará usar los muelles como

mecanismo de seguridad. Su función consistirá en que una vez el actuador deje de abrir la mariposa, los muelles se encargaran de hacerla volver a cero. Pues bien, 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. Si el motor es reversible o no dependerá de este factor.

Actuador: En la actuación el actuador tiene que funcionar con un

máximo de 12 voltios, y con una intensidad de no más de 5 amperios (suministrados por la batería) y con un par suficiente. Existen actuadores que cumplen con el requisito de tensión y par, pero consumían mucha intensidad, por lo que fueron descartados. El resto de actuadores cumplían con estos requisitos pero tenían un par muy pequeño.

Par: En la actuación fue necesario realizar una medición del par

necesario para mover las mariposas, el resultado fue de 4kg*cm. Ese es el valor mínimo de par que tendrá que realizar el actuador utilizado para abrir la mariposa, para cerrarla se encargarían los muelles. Pero después de realizar cálculos de posibles mecanismos para mover la mariposa, se llegó a la conclusión de que ninguno aportaba el suficiente coeficiente de seguridad en cuanto a par, por lo que se decidió eliminar los muelles. El nuevo motor tiene como

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requisito mínimo un par de 1kg*cm pero se le aplicará un coeficiente de seguridad de 5, quedando en 5kg*cm.

Seguridad: Al ser eliminados los muelles de retorno de la mariposa

se perdió seguridad, ya que el nuevo actuador tendría que mover la mariposa tanto para abrirla como para cerrarla, y en caso de fallar, la mariposa se quedaría abierta.

Soporte: Se utilizó un soporte para sujetar el servomotor, pero

como este no resiste temperaturas mayores de 60º, se tuvo que poner una placa reflectante entre el soporte y la tapa de bujías, para evitar que el aire caliente proveniente del la tapa de bujías estropease el servo.

Control: En el control aparecieron muchos problemas, el

servomotor funciona con señal PWM, pero la señal PWM que envía el sistema de adquisición de datos es lenta e imprecisa. Finalmente se optó por utilizar un circuito electrónico aparte. El esquema final quedaría de la siguiente forma: la señal del potenciómetro instalado en el pedal llega al sistema de adquisición de datos, 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. Se podría eliminar el paso por el sistema de adquisición de datos, pero es esencial que la señal pase por ahí, para poder implantar distintos programas de conducción.

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Capítulo 1. 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, 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, y otros proyectos sirven para ver cual es el funcionamiento de diferentes partes del coche.

Pues bien, 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, del consumo de gasolina, o evitando peligrosas situaciones como los derrapes en las salidas. De forma que se puedan configurar diferentes posibilidades de conducción.

Este proyecto puede ser un punto de partida de futuros proyectos que

contribuirían a la mejora de muchos aspectos del Car-Cross.

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Capítulo 2. Medición de la posición del acelerador.

2.1. Introducción.

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. Normalmente se usan códigos de 8 a 19 bits. Tanto los encoders absolutos como los incrementales son dispositivos especialmente sensibles a golpes y vibraciones.

Figure 8: Encoder incremental.

2. 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. Su principio de operación es básicamente la transmisión de una señal piloto ultrasónica y la recepción de una señal reflejada, para determinar si existe un objeto en el área de detección. La transmisión y recepción de energía ultrasónica es la base para muchos medidores ultrasónicos y de velocidad. Las ondas ultrasónicas son ondas acústicas de una frecuencia que no es audible por el ser humano; es decir, mayores a 20 kHz. Cuando las ondas inciden en un objeto, parte de su energía es reflejada, según cuanto tarden estas en volver, se sabe donde se encuentra el objeto. Una aplicación muy común para este tipo de transmisores son las puertas automáticas de los edificios y supermercados, donde se debe tener mucho cuidado con el ajuste de la distancia a la que se debe detectar a una persona, porque se corre el riesgo de que las ondas alcancen a reflejarse en el piso. 3. Láser: El principio de funcionamiento es igual al del ultrasónico pero la onda que se utiliza es un haz láser. 4. Inductivos: Son instrumentos electromecánicos en los que las características magnéticas de su circuito eléctrico cambian en respuesta al movimiento

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de un objeto. Con este movimiento se genera una respuesta electromotriz o se genera una tensión. Entre los sensores inductivos destaca el transformador diferencial de variación lineal (LVDT) debido a su casi infinita resolución, poco rozamiento y alta repetibilidad. Su funcionamiento se basa en la utilización de un núcleo de material ferromagnético unido al eje cuyo movimiento se quiere medir. Este núcleo se mueve linealmente entre un devanado primario y dos secundarios, haciendo con su movimiento que varíe la inductancia entre ellos. Al variar la posición del núcleo, hace crecer la tensión de un devanado y disminuir la del otro. 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, y que por tanto depende linealmente del desplazamiento del vástago solidario al núcleo. Además de las ventajas señaladas, el LVDT presenta una alta linealidad, gran sensibilidad y una respuesta dinámica elevada. Su uso esta ampliamente extendido, a pesar del inconveniente de poder ser aplicado únicamente en la medición de pequeños desplazamientos. 5. Resistivos: Como es el caso de los potenciómetros. Se trata de una resistencia y un cursor que se desplaza sobre ella. Se alimenta la resistencia con un voltaje regulado y del cursor a tierra obtenemos un voltaje proporcional al desplazamiento producido. Hay de diferentes formas; lineales, circulares, logarítmicos, etc. material; película de carbón, bobinados sobre cerámica, etc.

Como se puede observar, algunos sensores pueden ser descartados

debido a las condiciones de trabajo, como es el caso del encoder, que son bastante sensibles a los golpes y vibraciones, además el Data Logger no tiene entrada para encoder por lo que se precisaría de una electrónica más compleja.

Otros sensores son descartables debido a que son muy caros o difíciles

de utilizar, como puede ser el láser o el ultrasónico, y para la aplicación demandada se requiere algo sencillo y de bajo costo.

Es por ello por lo que al final se optó por utilizar un sensor de tipo

resistivo, es decir, un potenciómetro, pues tienen un bajo costo, son fáciles de manejar y tienen las características suficientes para la aplicación, además es muy utilizado para medir la posición del pedal.

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Figure 9: Pedal con potenciómetro integrado.

Del elemento escogido para la medición de la posición del pedal se

hablará mas intensamente en el siguiente apartado.

2.4. El potenciómetro.

2.4.1. Introducción, esquema y principio de funcionamiento.

Un potenciómetro es un resistor con un contacto móvil deslizante. Estos resistores pueden variar su valor dentro de unos límites. 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. Este tercer terminal puede tener un desplazamiento angular (giratorio) o longitudinal (deslizante). A continuación se muestra un esquema de este sensor:

Figure 10: Esquema de un potenciómetro.

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Donde la resistencia en un momento determinado será:

( ) ( ) ( )xLLR

xLA

LA

R p −⋅=−⋅=−⋅⋅= ραρ 1

Observamos que la resistencia entre el cursor y uno de sus terminales

es proporcional al desplazamiento del mismo. 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.

El comportamiento descrito es ideal e implica aceptar algunas

simplificaciones cuya validez no se puede garantizar en todos los casos. Se asume que para ello:

1. La resistencia es uniforme a lo largo de todo el recorrido o bien sigue

una ley determinada. 2. El contacto del cursor proporciona una variación de resistencia

continua (no a saltos) por tanto, la resolución es infinita. 3. Si se alimenta el potenciómetro con una tensión alterna, su

inductancia y capacidad deben ser despreciables. i) Para valores de Rp bajos, la inductancia no siempre es despreciable,

sobre todo para potenciómetros bobinados. ii) Para valores de Rp altos, la capacidad parásita puede tener

importancia. 4. La temperatura del potenciómetro es uniforme. Esta se debe tanto al

medio que lo rodea como al propio autocalentamiento. 5. El rozamiento del cursor y su inercia son despreciables. Estas características ideales, obviamente, no se consiguen plenamente

en los potenciómetros comerciales. No obstante, estas limitaciones son

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compensadas sobradamente por las ventajas de este dispositivo que, siendo simple y robusto, permite obtener buena exactitud en relación con su precio.

Las características reales son las siguientes: 1. Resistencia no uniforme en toda la excursión del cursor. 2. Resolución no infinita si son bobinados, saltos de hilo. 3. Inductancias y capacidades no despreciables. 4. Derivas con la temperatura y autocalentamiento 5. Falta de linealidad debido a la carga. 6. Inercias, rozamientos y velocidad máxima 7. Reducción de resolución debido a la resistencia de contacto.

2.4.2. Aplicaciones y tipos.

Figure 12: Potenciómetro

Las resistencias variables, llamadas potenciómetros, son usadas

frecuentemente en circuitos electrónicos dado su pequeño tamaño. Los símbolos que se usan para representar una resistencia variable son los siguientes:

Figure 13: Representación de un potenciómetro.

Los potenciómetros poseen un mando giratorio o deslizante para

graduarlos desde el exterior. Ejemplos de potenciómetros son los mandos de volumen de radios y televisores y también los controles de brillo y color de los televisores. Al variar la posición del eje del potenciómetro, varía la resistencia.

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2.4.3. Descripción.

2.4.3.1. Potenciómetros de desplazamiento lineal

También llamados reglas potenciométricas, consisten en una pista recta y entera de resistencia constante, formada por pistas de polímeros conductores. Por encima de ellas, se mueve un cursor que da la medida en voltaje respecto a la tierra.

Figure 14: Aspecto de un potenciómetro lineal

2.4.3.2. Potenciómetros de desplazamiento angular

Trabajan de la misma manera que los de desplazamiento rectilíneo, pero en este caso la pista es de forma circular permitiendo así la medición de variación de ángulos. Nos podemos encontrar con potenciómetros de dos tipos, los de una vuelta, en los que la pista es un circulo en el mismo plano, y los de más de una vuelta, donde el circulo se convierte en una espiral que crece según el eje perpendicular de este circulo. En ambos casos, el cursor se desplaza por encima de la pista creando una relación de linealidad entre la resistencia total y la parte desplazada del cursor.

La resistencia nominal Rn suele variar entre 1k. y 100k.. Sus tolerancias

de fabricación están entre el 5% y el 20%. Su variación con la temperatura es mayor en pistas conductoras.

El error de linealidad está comprendido entre 0,01% y 1% de Rn, medido

como la máxima desviación de la resistencia R(l), respecto de su valor lineal. El cursor debe asegurar un buen contacto eléctrico lo que implica:

ausencia de f.e.m. de contacto (chispas), resistencia de contacto débil y estable en el tiempo (desgaste) y en presencia de vibraciones o de velocidades elevadas del cursor.

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Figure 15: Aspecto de un potenciómetro angular.

Figure 16: Esquema de un potenciómetro angular.

La resistencia de contacto depende de la presión del cursor y de la

naturaleza y estado de las superficies de contacto. Es más elevada para los potenciómetros de pista conductora. Sus variaciones aleatorias durante el desplazamiento del cursor son fuentes de ruido, que es importante si la corriente derivada por el cursor es relativamente importante.

2.4.4. Materiales.

Existe en el mercado una variedad de elementos resistivos que se utilizan en los potenciómetros, el elemento más popular es el carbón, su mejor característica es el precio, 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. Después se encuentra el bobinado, que sus principales ventajas son el bajo coeficiente de temperatura, su vida mecánica, bajo ruido, alta disipación, y estabilidad con el tiempo. Otro elemento utilizado es el plástico conductor que mejora en todas las características respecto a los demás elementos, pero tiene un precio superior.

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2.4.5. Conexión de un potenciómetro. Supóngase que se va a proceder a conectar un potenciómetro, resistor

variable provisto de tres contactos, habitualmente empleado para regular el flujo de corriente eléctrica en un circuito. Los contactos de los extremos del potenciómetro se conectan uno a la alimentación y el otro a masa (GND). El contacto intermedio se une a la entrada analógica (IN0, IN1, IN2, IN3) deseada.

Figure 17: Conexión de un potenciómetro

2.4.6. Características técnicas.

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.

1. Recorrido mecánico: es el desplazamiento que limitan los puntos

de parada del cursor (puntos extremos).

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2. Recorrido eléctrico: es la parte del desplazamiento que proporcionan cambios en el valor de la resistencia. Suele coincidir con el recorrido mecánico.

3. Resistencia nominal (Rn): valor esperado de resistencia variable entre los límites del recorrido eléctrico.

4. Resistencia residual de fin de pista (rf): Resistencia comprendida entre el límite superior del recorrido eléctrico del cursor y el contacto B (ver figura).

5. Resistencia residual de principio de pista (rd): Valor de resistencia comprendida entre límite inferior del recorrido eléctrico y el contacto A (ver figura).

6. Resistencia total (Rt): resistencia entre los terminales fijos A o A' y B, sin tener en cuenta la conexión del cursor e incluyendo la tolerancia. Aunque a efectos prácticos se considera igual al valor nominal (Rt=Rn).

7. Resistencia de contacto (rc): Resistencia que presenta el cursor entre su terminal de conexión externo y el punto de contacto interno (suele despreciarse, al igual que rd y rf).

8. Temperatura nominal de funcionamiento (Tn): es la temperatura ambiente a la cual se define la disipación nominal.

9. Temperatura máxima de funcionamiento (Tmax): máxima temperatura ambiente en la que puede ser utilizada la resistencia.

10. Potencia nominal (Pn): máxima potencia que puede disipar el dispositivo en servicio continuo y a la temperatura nominal de funcionamiento.

11. 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, a la temperatura nominal de funcionamiento.

12. Resolución: cantidad mínima de resistencia que se puede obtener entre el cursor y un extremo al desplazar (o girar) el cursor. Suele expresarse en % en tensión, en resistencia, o resolución angular. Más adelante se tratará con más detenimiento el tema de la resolución, ya que será importante a la hora de elegir el potenciómetro.

13. Leyes de variación: es la característica que particulariza la variación de la resistencia respecto al desplazamiento del cursor. Las más comunes son la ley de variación lineal, y la logarítmica (positiva y negativa):

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Figure 19: Leyes de variación de la R de un potenciómetro.

En nuestro caso se utilizará un potenciómetro lineal, puesto

que es así como actúa el acelerador. 14. Linealidad o conformidad: indica el grado de acercamiento a la ley

de variación teórica que caracteriza su comportamiento, y es la máxima variación de resistencia real que se puede producir respecto al valor total (nominal) de la resistencia.

2.4.7. Ventajas y desventajas.

Los potenciómetros no suelen necesitar amplificadores puesto que son capaces de manejar tensiones relativamente grandes. Además, se pueden operar con tensiones de alterna o continua ampliando así sus aplicaciones. Sin embargo, el continuo roce produce desgastes, lo que puede hacer disminuir su vida útil y presentar ruido al estar desgastados. Esto provocaría un mal funcionamiento del acelerador electrónico.

2.5. Desarrollo de los objetivos y necesidades.

2.5.1. Angulo de giro del acelerador.

Antes de empezar a pensar en un mecanismo para la transmisión del giro del acelerador al potenciómetro, se debe calcular el ángulo de giro del pedal, pues será un factor importante a la hora de decidirse por un mecanismo u otro.

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 18,274º.

2.5.2. Potenciómetro.

El motivo de que se elija antes el potenciómetro que el mecanismo es sencillo, al saber que potenciómetro vamos a utilizar y cuantos grados debe girar, tendremos menos dificultad a la hora de diseñar un mecanismo.

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Para la elección del potenciómetro se tuvieron en cuenta los siguientes puntos: Resolución del Data Logger así como del potenciómetro, ángulo que debe girar, tipo de potenciómetro, es decir, si es de una 1, 3 ó 10 vueltas y voltaje de alimentación.

2.5.2.1. Resolución del Data Logger y del potenciómetro.

Nota previa: El significado de Data Logger y sistema de adquisición de datos es el mismo.

Se trata de ver cual es la resolución del Data Logger y compararla con la

del potenciómetro, porque de que sirve apurar al máximo el giro del potenciómetro si la tarjeta no va a saber que está ocurriendo. Es decir, la tarjeta de adquisición de datos tiene una resolución por debajo de la cual no sabe si el potenciómetro se ha movido o no. 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, pero si que se intentará ajustar al máximo. A mayor cantidad de datos con mayor suavidad y precisión funcionará el coche.

La tarjeta de adquisición de datos tiene 12 bits que en total hacen (212)

4096 valores, y la tensión es de 5 voltios, por lo que dividiendo 5voltios entre 4096 valores nos da la resolución del Data Logger;

.2207,14096

5 mV=

Ahora hay que ver la resolución de los potenciómetros y si esta es

mayor que la de la tarjeta, entonces se podrá ajustar más el giro del pedal, pero si esta es menor, de poco sirve que se ajuste más el giro del pedal y gire más o menos grados. Así que se buscará un potenciómetro cuya resolución esté lo más cercano a 1,22mV, pero siempre por encima de ese valor.

En función de los resultados de resolución, se tendrá un valor fijo para la

elección del potenciómetro. El que tenga mejor resolución tendrá muchas posibilidades de ser utilizado, pero aún falta algo importante antes de elegirlo, y es el número de vueltas. 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, entonces para 0º la señal será 0 voltios, para 1080º será 5 voltios y para 150º serán los voltios que tengan que ser, con lo que estaremos utilizando muy pocos puntos si es de 3 vueltas. En los siguientes párrafos se explicará esto con más detalle, haciendo comparaciones entre los tres tipos de potenciómetros que se barajan para ser utilizados.

Con el programa Labview se comprobará la linealidad y se calculará la

resolución de tres potenciómetros, en concreto de los de 1,3 y 10 vueltas.

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Se han hecho pruebas con los potenciómetros para conocer cuantos puntos utilizarán de los 4096 que admite el Data Logger. Se sabe que la alimentación será de 5000mV, 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 109.8º, entonces haciendo los cálculos pertinentes se llega a la siguiente tabla.

Potenciómetro

Vueltas(n) Angulo girado

Para 1mV el potenc. gira

Carrera(mm). Sí polea de D=24mm

Resolución. Orden de magnitud

Puntos utilizados*

1 Vuelta 360º 0.072º 2*π*r*n=75.4 10mV 109.8º/0.072*10= 152ptos

3 Vueltas 1080º 0.216º 2*π*r*n=226.2 1-10mV 109.8º/0.216*1= 508ptos

10 Vueltas 3600º 0.72º 2*π*r*n=754 10mV 109.8º/0.72 *10= 152ptos

Tabla 1: Características de los potenciómetros utilizados.

En el anejo de cálculos 1 se puede ver la tabla con más detalles. La

resolución se obtuvo con el programa Labview. El Data Logger admite idealmente hasta 4096 valores, pero realmente

hasta unos 3500 aproximadamente, y su resolución entonces es de:

mV43.13500

5=

En cambio los potenciómetros al estar alimentados con 5V, tendrán

5000 valores si la resolución es de 1mV o 500 valores si la resolución es de 10mV. La cuestión es si los potenciómetros tienen tanta sensibilidad como para detectar todos esos puntos, es decir, que seguramente necesiten girar más grados para que detecte la variación, p.ej. el potenciómetro de una vuelta para dar una señal de 1mV girará 0.072º pero el mismo potenciómetro no se entera, tendría que girar 0.72º para enterarse, pues el orden de resolución es de 10mV.

Se trata de maximizar el número de valores del potenciómetro de

manera que no sea un factor más limitante que la tarjeta de adquisición. Esto se puede realizar de varias maneras:

1. 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. Si 5000puntos son 360º, 3500 puntos;

Xptosptos

→

→

3500º3605000 X=252º

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Es decir, consiguiendo un potenciómetro con buena resolución y girando la polea 252º habremos conseguido maximizar el sistema.

2. La otra posibilidad si no se encuentran potenciómetros con

resolución de 1mV es alimentar el de 1 vuelta con 12 voltios, con lo que tendríamos 1200 puntos y no sería necesario modificar el mecanismo utilizado en este momento. 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.

3. 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. Haciendo la misma regla de 3 que en el punto 1 obtenemos que X=756º, que es un valor muy alto y difícilmente se conseguirá girar ese ángulo.

Xptosptos

→

→

3500º10805000 X=756º

Se podría también utilizar un potenciómetro de 3 vueltas pero alimentándolo con 12V, 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. Suponemos que tenemos uno de 10mV, entonces intentaremos girar el mayor ángulo posible.

Xptosptos

→

→

3500º108012000 X=315º

Pero si la resolución es de 10mV. entonces:

º360º10801200

→

→

Xptosptos

X=400ptos.

Obtener 400 puntos sería una buena medida, y encontrar un potenciómetro con sensibilidad de 1mV es difícil, aunque también influye en la sensibilidad la alimentación, que tiene pequeñas oscilaciones que provocan que el potenciómetro no tenga tan buena resolución.

4. Otra opción sería utilizar el potenciómetro de 10 vueltas, 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, debido al poco movimiento del acelerador.

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2.5.2.2. Elección del potenciómetro y ángulo de giro.

Se utilizará un potenciómetro de 3 vueltas y estará alimentado con 12V, 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, y su resolución aunque es también del orden de 10mV, si que es algo mejor que el de 1 vuelta.

El ángulo de giro del potenciómetro será en función del mecanismo que

se utilice, aunque ya se ha visto que es importante que el potenciómetro gira el máximo posible de grados para así obtener más puntos.

El máximo ángulo de giro que podrá girar será hasta alcanzar los 5

voltios;

Xvoltiosvoltios

→

→

5º108012 X=450º

2.5.3. Mecanismos.

A la hora de diseñar un mecanismo para medir la posición del pedal del acelerador, nos fijaremos en varios aspectos como pueden ser: Espacio disponible, precisión, coste y sencillez de construcción y montaje.

Se pensó en diferentes tipos de mecanismos y finalmente se eligió uno

de ellos el cual era el que mejor cumplía con las restricciones. A continuación se presentan los diferentes mecanismos en los que se

pensó.

2.5.3.1. Solución 1: Utilizando engranajes.

Figure 20: Engranajes.

Se utilizarán un par de engranajes, uno que gire solidario con el eje del

potenciómetro, de forma que ante cualquier giro del pedal, el potenciómetro empezará a medir y otro que gire solidario con el eje del pedal del acelerador. Al engranaje que gira con el potenciómetro le llamaremos piñón y al otro rueda. 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.

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Sabemos que el pedal gira 18,274º, es decir que la rueda giraría lo

mismo. Tenemos que conseguir que con ese giro del pedal podamos girar 450º del piñón. La relación de transmisión será por tanto de 24.62. Pero es probable que se presente el problema de espacio, debido a que para conseguir ese giro del piñón, el radio de la rueda deba ser muy grande y no se pueda montar.

Utilizando las siguientes ecuaciones se podría hallar el diámetro de los

engranajes en función del ángulo que queramos que gire el potenciómetro. Relación de transmisión: i

iww

=1

2

Mediante la relación entre omegas;

2211 zwzw ⋅=⋅ Se puede obtener una relación entre el numero de dientes. Y como el

número de dientes es Z =D/m. La relación de transmisión nos da también la relación de radios.

iDD

=2

1

Se elegirá un módulo y a partir de ahí probar que radios del piñón

vendrían mejor. Se sabe que la ecuación que relaciona estos parámetro es:

zmDp ⋅= Siendo: Dp = Diámetro primitivo. m = módulo, igual al cociente entre el paso circular y el número p. z = número de dientes. Y el valor del módulo se obtiene de la siguiente ecuación:

ZRpm

⋅⋅⋅

==ππ

π2

Como ya se dijo anteriormente, la relación de transmisión es muy

grande, por lo que el diámetro del piñón que gira solidario al potenciómetro deberá ser muy pequeño y el de la rueda muy grande. Los diámetros aproximados del piñón serán de entre 1 a 3cm, por lo que el diámetro de la rueda será de entre 12 a 36cms. Es decir el radio de la rueda estará

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comprendido entre 6 y 18cms. Pero la limitación del radio de la rueda es de 13cms. (por problemas de espacio). Así que la relación será por tanto menor.

Se plantea ahora otra opción mediante engranajes pero utilizando un

tren de engranajes. Utilización de un tren de engranajes. Con esta opción podemos conseguir reducir el diámetro de las ruedas y

lograr con ello no tener problemas de espacio. El mecanismo sería de la siguiente forma:

Figure 21: Tren de engranajes.

Tenemos las siguientes restricciones:

15321 =++ RRR (limitación de espacio)

1222 43 =⋅+⋅ RR (limitación de espacio) Y la relación entre w1 y w3 es:

24

31

1

3

RRRR

ww

⋅⋅

=

y como la relación de transmisión (i) es 450/18.274=24.62. (Se utilizará

una relación de 22) Obtenemos que la relación entre los radios son:

2224

31 =⋅⋅RRRR

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y despejando D3 y D2 en función de D1 y D4, obtendremos la relación entre los radios de la rueda y el piñón.

01561322122 1441

24 =+⋅−⋅+⋅⋅−⋅ RRRRR

Para esa relación determinada, y suponiendo un valor del diámetro del

piñón (D4) de 4cm. Los valores de los diámetros del resto de engranajes es de; D4 = 4cm. D3 = 8cm D1 = 16cm. D2 = 2cm. y conseguimos además que el potenciómetro tenga mayor giro, lo que

hará que sea mejor la medición de la mariposa. Definiremos ahora todos los parámetros de los engranajes:

Rueda D1 Piñón D2 Rueda D3 Piñón D4

Diámetro interior (mm) - - - 6,35 Diámetro primitivo (mm) 200 20 80 40

Módulo 1 1 1 1 Numero de dientes 200 20 80 40

Relación (i) - - - - Angulo del engranaje 20º - - 360º

Tabla 2: Parámetros del tren de engranajes.

El diámetro interior de D1, D2 y D3 está por definir, dependerá de los

rodamientos elegidos y del diámetro del eje de giro.

2.5.3.2. Solución 2: Poleas dentadas.

Esta solución es prácticamente inviable puesto que se requiere un gran espacio, y no se dispone de él. Paralelo al eje de giro del acelerador a una distancia de aproximadamente 2cms hay situada una barra perteneciente al chasis del vehículo, por lo que en caso de querer utilizar una polea, el radio de esta debería ser muy reducido, teniendo que utilizar un tren de engranajes después para la conexión con el potenciómetro, por lo que es mejor utilizar directamente la primera opción.

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Figure 22: Poleas.

Pero cabe la opción de que a la polea de mayor radio, que girará

solidaria con el acelerador se le realice un corte, dejando solo 60º por un lado y otros 60º por otro, de tal forma que se evite el choque con el chasis.

En el caso de este acelerador, la relación entre poleas será de 24:1, de

esta forma la polea pequeña girará 450º mientras que la grande solo gira 18.274º de forma se cumplirá que la polea grande tendrá un radio muy grande. mientras que la pequeña tendrá un radio muy pequeño. Solo queda mirar en los catálogos la disponibilidad de poleas de este tamaño, y si no las hubiera se buscaría otra relación, siendo esta de tal forma que la polea pequeña gire lo más próximo a 450º. La unión entre las dos poleas se realizará mediante una correa dentada, 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. Para evitar que la correa esté suelta y no haya contacto total entre poleas y correa, se dispondrá de un tensador con lo que se conseguirá un ajuste completo.

2.5.3.3. Solución 3: Potenciómetro de desplazamiento lineal.

La utilización de un potenciómetro deslizante puede ser una buena opción, debido a la facilidad de montaje que conllevaría, se montaría en la barra del chasis que va paralelo a la dirección longitudinal del coche, de esta forma, al pisar el acelerador, habrá un tramo de alambre hasta el potenciómetro, y seguidamente se encontrarán los cables de conexión a la Unidad de Control Electrónico.

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Figure 23: Potenciómetro lineal.

La característica desfavorable de estos potenciómetros es que tienen

una vida útil bastante baja, no más de 100000 ciclos, por lo que se estropearían muy rápido y habría que cambiarlos en un corto espacio de tiempo. Aún así se tendrá en cuenta por la facilidad de montaje.

2.5.3.4. Solución 4: Mecanismo instalado anteriormente.

Por último este mecanismo empezó a tomarse como la mejor solución por las siguientes razones:

1. La primera solución es bastante difícil de montar, y los engranajes

siempre tienen una cierta holgura, lo que hace que se pierda precisión.

2. La solución del potenciómetro deslizante está casi descartada, porque antes se haría la que está instalada ahora, y en el caso de que esta no saliese adelante, se optaría por hacer la de las poleas dentadas.

Se realizaron cálculos para mejorar la solución que está instalada ahora,

con la idea de comparar el caso instalado anteriormente y el mejor caso posible, ver si el anterior es bueno, y si no lo es, mejorarlo para obtener una buena solución. En el anejo de cálculos 1 se encuentran las soluciones tanto del caso instalado ahora como de la mejor solución.

Por ello se tomará la solución instalada anteriormente y se realizaran los

cambios necesarios. En el anejo de cálculos 1 se muestra que esta solución es prácticamente lineal.

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Figure 24: Vista del nuevo mecanismo.

Esta solución funciona del siguiente modo: En la figura se puede observar el mecanismo utilizado, donde en el

interior de la caja verde claro, donde marca la flecha, va instalado tanto el mecanismo que hace girar al potenciómetro como el mismo potenciómetro.

El mecanismo es sencillo, se trata de una polea sobre la que se arrolla el

cable azul (ver figura 24), y al girar esta polea también gira el potenciómetro, por lo que estaría midiendo. El objeto que hace que el cable se arrolle sobre la polea es un muelle que trabaja a torsión. En la siguiente figura se muestra un esquema del conjunto.

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Figure 25: Mecanismo de giro del potenciómetro.

El muelle tiende a desenrollarse, por eso cuando el pedal se mueve, el

cable se va enrollando en la polea. El conjunto dibujado en ProE se muestra en la siguiente figura.

Figure 26: Muelle, polea, rodamiento y potenciómetro.

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Figure 27: Mecanismo completo.

Puesto que la solución tomada es la que estaba instalada anteriormente,

el mecanismo para sujetar el potenciómetro será el mismo, aunque sufrirá ligeros cambios para conseguir la mejor solución del mecanismo.

En el anejo de cálculos 1 se pueden apreciar los cálculos realizados

para encontrar la mejor solución del mecanismo, y en los planos se puede ver el nuevo diseño.

2.5.4. Linealidad.

En el anejo de cálculos 1 se encuentra la demostración de linealidad del mecanismo utilizado. Para el ángulo de giro del pedal, el mecanismo es prácticamente lineal con una error mínimo.

2.5.5. Tensión de alimentación y ángulo de giro.

En resumen la tensión de alimentación del potenciómetro será de 12 voltios, y el ángulo que girará será de 450º, con lo que se conseguirá un total de 500 puntos.

2.6. Resumen y conclusiones.

Finalmente se expondrán los parámetros de la solución utilizada. En primer lugar el potenciómetro utilizado será de 3 vueltas (anejo de

cálculos 1) y alimentado a 12 voltios, obteniéndose unos 500 ptos. Para ello, el mecanismo utilizado será el que se estaba utilizando anteriormente, pero maximizandolo para apurar el fondo de escala del Data Logger.

Por otro lado, la polea del mecanismo de la Figure 26 reducirá su radio a

la mitad para realizar mayor giro. Para conseguir los 450º de giro debería

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reducirse de diámetro 24 (es el que tiene ahora) a 12. En caso de no poderse conseguir esta reducción, el potenciómetro girará menos y no se aprovecharan todos los puntos posibles.

De los tres cables que salen del potenciómetro dos serán de

alimentación (12V y GND) y el tercero será de señal, que irá directamente a la tarjeta de adquisición de datos.

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Capítulo 3. Actuación.

3.1. Motores seleccionados.

3.1.1. Introducción.

En este capítulo se intentará elegir un actuador que cumpla los requisitos para mover la mariposa. Básicamente tendrá la misma función que el cable del acelerador que une pedal y motor, pero en este caso se elimina la conexión mecánica, y la mariposa será movida por él actuador.

Previo a la elección del actuador se hablará de los tipos de actuadores

que fueron tenidos en cuenta para ser utilizados. Pero antes de entrar en materia sería conveniente dar una buena

definición de mariposa: En el motor de gasolina, es el mecanismo que ajusta la cantidad de aire que entra el motor. Puede haber una para todos los cilindros o una para cada cilindro (más raramente), pero todas ellas tienen un funcionamiento similar. Es una pieza redonda y plana (como una galleta) con un eje central sobre el que gira. Cuando está cerrada obtura el paso de aire; para abrirse, gira sobre el eje; cuando está completamente abierta, queda de perfil y prácticamente no opone resistencia al paso de aire. La válvula está conectada al pedal del acelerador mediante un cable, o bien tiene un motor eléctrico que la abre o cierra según las órdenes de la centralita. También se utiliza la válvula de mariposa en sistemas de admisión variable, bien para cerrar uno de los dos conductos de admisión en motores de cuatro válvulas por cilindro, o bien en el colector de admisión para variar volumen o área de paso del aire.

3.1.2. Motores eléctricos.

Se denomina así al motor capaz de transformar la energía eléctrica que recibe almacenada en una serie de baterías en energía mecánica. Básicamente constan de dos partes, una fija denominada estator, y otra móvil respecto a esta última denominada rotor. Ambas están realizadas en material ferromagnético, y disponen de una serie de ranuras en las que se alojan los hilos conductores de cobre que forman el devanado eléctrico. En todo motor eléctrico existen dos tipos de devanados: el inductor, que origina el campo magnético para inducir las tensiones correspondientes en el segundo devanado, que se denomina inducido, pues en él aparecen las corrientes eléctricas que producen el par de funcionamiento deseado.

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3.1.2.1. Motor de corriente continua.

3.1.2.1.1. Introducción.

Funcionan con corriente continua. En estos motores, el inductor es el estator y el inducido es el rotor. 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. 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, pues su estructura (y en concreto el rozamiento entre piezas) condiciona el límite de velocidad de rotación máxima.

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. 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, y por ello las máquinas de corriente continua se conocen también como máquinas con colector.

3.1.2.1.2. Principio de funcionamiento

En un motor de corriente continua con escobillas, se obtiene par motor gracias a la interacción del campo magnético inductor, estacionario, y la intensidad del arrollamiento inducido giratorio. 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. En motores de pequeña potencia suele obtenerse la excitación mediante imanes permanentes. En este caso, solo se dispone de dos terminales para el control y la alimentación del motor. Las relaciones básicas electromecánicas son en este caso las siguientes:

Ω⋅=⋅=

KEiKTm

El hecho de tener control directo sobre el par mediante la intensidad de

inducido, y sobre la velocidad a través de la tensión, convierte a este motor en el modelo de referencia para la regulación de velocidad. No obstante, la alimentación del inducido a través de las escobillas y el colector presenta muchos inconvenientes, hasta el punto que en algunos casos se hace inviable su utilización.

3.1.2.1.3. Partes básicas de las máquinas de corriente continua.

La máquina de corriente continua consta básicamente de las partes siguientes:

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Inductor: Es la parte de la máquina destinada a producir un campo magnético,

necesario para que se produzcan corrientes inducidas, que se desarrollan en el inducido.

El inductor consta de las partes siguientes: 1. Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata

y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar. 2. Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado

inductor. 3. Devanado inductor: es el conjunto de espiras destinado a producir

el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica. 4. Expansión polar: es la parte de la pieza polar próxima al inducido y

que bordea al entrehierro. 5. Polo auxiliar o de conmutación: Es un polo magnético

suplementario, provisto o no, de devanados y destinado a mejorar la conmutación. Suelen emplearse en las máquinas de mediana y gran potencia.

6. Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina.

Inducido: Es la parte giratoria de la máquina, también llamado rotor. El inducido consta de las siguientes partes: 1. 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. Colector: es el conjunto de láminas conductoras (delgas), aisladas unas de otras, pero conectadas a las secciones de corriente continua del devanado y sobre las cuales frotan las escobillas.

3. Núcleo del inducido: Es una pieza cilíndrica montada sobre el cuerpo (o estrella) fijado al eje, formada por núcleo de chapas magnéticas. Las chapas disponen de unas ranuras para alojar el devanado inducido.

Escobillas: Son piezas conductoras destinadas a asegurar, por contacto deslizante,

la conexión eléctrica de un órgano móvil con un órgano fijo. Entrehierro: Es el espacio comprendido entre las expansiones polares y el inducido;

suele ser normalmente de 1 a 3 mm, lo imprescindible para evitar el rozamiento entre la parte fija y la móvil.

Cojinetes: Son las piezas que sirven de apoyo y fijación del eje del inducido.

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Diagrama de una máquina de corriente continua. Los componentes de la máquina de corriente continua se pueden

apreciar claramente en la siguiente figura.

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 101112

La parte de 1 a la 5 forman el inductor. En co

designan por polo inductor. La parte 6 constituyearrollado un conductor de cobre formando el arrollam

Alrededor de los núcleos polares, va arrollan

arrollamiento de excitación (8). Análogamente cadaconmutación lleva un arrollamiento de conmutación (el conmutador o colector, que esta constituido por vasí, formando un cuerpo cilíndrico.

El arrollamiento del inducido está unido por co

del colector; inducido y colector giran conjuntamentcolector rozan unos contactos a presión mediante unde contacto se llaman escobillas. El espacio libre eninducido se llama entrehierro.

3.1.2.2. Servomotor.

3.1.2.2.1. Introducción.

Un servomotor (ver Figure 28) es un dispositival que llegan tres cables. Contiene un pequeño motoun potenciómetro de un valor aproximado de 5Kintegrado.

Culata Núcleo polar Pieza polar Núcleo de polo auxiliar Pieza polar de polo auxiliarInducido Arrollado del inducido Arrollado de excitación Arrollado de conmutación

. Colector

. Escobillas positivas

. Escobillas negativas

njunto las partes 2 y 3 se el inducido, al que va

iento del inducido.

do, en forma de hélice, el núcleo de los polos de

9). La parte 10 representa rias láminas aisladas entre

nductores con las laminas e. Sobre la superficie del os muelles. Dichas piezas tre las piezas polares y el

o en forma de caja negra r, una caja de engranajes, y un pequeño circuito

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Figure 28: Servomotor.

Este motor eléctrico en miniatura ataca a la magnitud que se ha de

controlar: el giro y posicionamiento del eje del motor. A su vez, el movimiento de rotación angular del motor modifica la posición del potenciómetro interno, que controla un monoestable también integrado en el servomotor.

El eje del motor puede ser girado hasta una posición angular especifica

mediante una señal de control. Mientras se mantenga esta señal de control, el servomotor mantendrá la posición angular del eje. Si la señal de control cambia, también cambia la posición de eje.

3.1.2.2.2. Funcionamiento.

La velocidad del motor, así como la dirección del movimiento de los «servos» se controla mediante servo-pulsos modulados en amplitud. El servomotor convierte los servo-pulsos en un movimiento mecánico. La magnitud del giro del eje del «servo» es proporcional a la anchura del pulso que llega por la línea de control. Este tipo de pulsos está formado por una señal digital que se genera aproximadamente cada 20 milisegundos. La anchura de estos pulsos varía en función del servomotor usado, pero para simplificar tomaremos un mínimo de 1 ms. a un máximo de 2 ms.

Aunque la relación anchura del pulso y la posición del eje no está

estandarizada, lo normal es que trenes de pulsos de 1,5 ms. lleven el eje del servo al centro de su rango, anchura neutra. Si la anchura del pulso es de 1 ms, el servomotor se posiciona en el extremo izquierdo, mientras que si el pulso tiene una anchura de 2 ms la posición del «servo» es el extremo opuesto. Esta técnica se conoce como modulación por anchura de pulso, en ingles PWM

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(Pulse Width Modulation). En la Figure 29 es posible apreciar ejemplos del posicionamiento del eje del servo dependiendo del ancho del pulso, donde se logra 0º, 90º y 180º con anchos de pulso de 0.5, 1.5 y 2.5 [ms] respectivamente.

Figure 29: Funcionamiento de un servo mediante pulsos.

El servomotor trabaja comparando la anchura del pulso de entrada con

la anchura del pulso producido por el timer interno. A su vez, el período del timer interno es controlado por el potenciómetro acoplado al eje del servo». La diferencia entre la anchura del pulso de entrada y la anchura del pulso interno se utiliza como señal de error. La lógica del «servo» se encarga de determinar la dirección en la que ha de girar el motor para minimizar dicho error. Para ello activa los drivers de salida apropiados. El motor girará modificando la posición del potenciómetro de retroalimentación.

Cuando llega el siguiente pulso se vuelve a realizar la comparación,

comprobando de forma continua la posición del eje y realizando también constantemente las correcciones necesarias en la posición del mismo.

Como se ha podido apreciar, se trata de un bucle de retroalimentación

negativa. Si la posición del potenciómetro no se iguala con la posición deseada del eje, el motor se moverá hacia adelante o hacia atrás, hasta que la posición del potenciómetro sea equivalente a la posición deseada del eje. En este momento la corriente del motor se apaga.

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. La mayoría de los modelos de servomotores consiguen una resolución de 0,5 grados. Cuando se reduce la señal de error a un nivel aceptable, el eje del «servo» se encuentra en la posición correcta. En ese momento la señal de error suele ser de unos 5µs, diferencia entre el ancho del pulso de la señal de entrada y el ancho del pulso de la señal interna. Esto se corresponde con una

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fracción de grado del recorrido del servomotor. Al ser el cero demasiado crítico, cuando el error está en este rango, conocido como zona muerta o guard band, el «servo» apaga los drivers del motor. Si la señal de error no está por debajo de estos 5µs, la electrónica interna continuará intentando cancelar el minúsculo error, haciendo girar el motor atrás o adelante en un movimiento conocido como hunting. La electrónica interna tiene como misión mantener la anchura de los pulsos del monoestable interno igual a la anchura de los pulsos de entrada.

Debido a que hay una relación fija entre el ángulo de rotación del

potenciómetro y la anchura del pulso interno, la magnitud de rotación del «servo» se puede controlar directamente con la anchura de los pulsos aplicados. En conclusión, el circuito electrónico integrado en el motor convierte la anchura del pulso de entrada en una posición determinada del eje de salida.

3.1.2.2.3. Esquema de control

Hay dos formas de contemplar este tipo de esquemas de control. Desde el punto de vista del controlador, es un sistema de bucle abierto. No existe retroalimentación entre el servomotor y el sistema que genera los pulsos. Desde el punto de vista del nivel local (interior del «servo») es un sistema de bucle cerrado. 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, ya que el «servo» necesita una atención mínima por parte del controlador, pero a su vez de forma constante resiste activamente corrigiendo las influencias externas que pueden llevar el eje lejos de la posición ordenada.

Aunque los «servos» son los posicionadores casi ideales, son también

fáciles de modificar para aplicaciones especiales. Por ejemplo, se puede alterar el circuito de retroalimentación para modificar el rango de giro. La mayoría de los servomotores se han diseñado para un viaje de unos 90º ó 180º, pero en muchos casos esta limitación puede superarse.

Cuando se necesite mayor cantidad de giro de la que el fabricante ha

dotado al «servo», la mejor solución es actuar modificando el potenciómetro del circuito de retroalimentación.

3.1.2.2.4. Conexiones.

Los servomotores tienen tres cables: el de masa (-),el de alimentación (+) y el de la señal de control. 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. Los cables de los «servos» siguen casi siempre el mismo código de colores; por ejemplo en los Futaba el color rojo (V+), negro (masa) y blanco (señal de control). Los fabricantes JR y Graupner colocan el cable de la señal de control de color naranja, mientras que algunos «servos» Simprop tienen el cable de masa de color azul. Dado que existen algunas pequeñas diferencias entre las distintas marcas de servos, en la Tabla 3 están indicados las características técnicas de varias marcas que comercializan este producto.

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Duración del pulso (ms) Color de los cables

Fabricante Mínima (0º)

Neutral (90º)

Máxima (180º)

FREC (Hz) Positivo Negativo Control

Futaba 0.9 1.5 2.1 50 Rojo Negro Blanco Hitec 0.9 1.5 2.1 50 Rojo Negro Amarillo

Graupner/JR 0.8 1.5 2.2 50 Rojo Marrón Naranja Multiplex 1.05 1.6 2.15 50 Rojo Negro Amarillo

Robbe 0.65 1.3 1.95 50 Rojo Negro Blanco Simprop 1.2 1.7 2.2 50 Rojo Azul Negro

Tabla 3: Características técnicas de algunas marcas de servo.

3.1.2.2.5. Ventajas

Entre las ventajas que aporta el empleo de un «servo» están las siguientes: poco peso, alta potencia (par de fuerza), fiabilidad, fortaleza (los «servos» y su electrónica normalmente sobreviven a choques y funcionan en ambientes de alta temperatura, suciedad, humedad y vibraciones), simplicidad, versatilidad y bajo coste.

En las tiendas de modelismo pueden encontrarse muchos tipos de

servomotores de las casas Futaba, FMA, Multiplex, Sanwa, etc.

3.1.2.3. Motores paso a paso

3.1.2.3.1. Introducción.

Un motor paso a paso, como todo motor, es en esencia un conversor electromecánico, q