curso avanzado de acelerador electronico
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EspochFacultad de Mecánica
CERTIFICADO DE APROBACIÓN DE TESIS
CONSEJO DIRECTIVO
Enero, 31 de 2011
Yo recomiendo que la Tesis preparada por:
JORGE PATRICIO COLCHA MALDONADO
Titulada:
“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN ACELERADOR ELECTRÓNICO
CONTROLABLE EN UN VEHÍCULO A CARBURADOR”
Sea aceptada como parcial complementación de los requerimientos para el Título de:
INGENIERO AUTOMOTRIZ
Ing. Geovanny Novillo A.DECANO DE LA FAC. DE MECÁNICA
Nosotros coincidimos con esta recomendación:
Ing. Carlos CabezasDIRECTOR DE TESIS
Ing. Celin PadillaASESOR DE TESIS
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EspochFacultad de Mecánica
CERTIFICADO DE EXAMINACIÓN DE TESIS
NOMBRE DEL ESTUDIANTE: JORGE PATRICIO COLCHA MALDONADO
TÍTULO DE LA TESIS: “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN ACELERADOR
ELECTRÓNICO CONTROLABLE EN UN VEHÍCULO A CARBURADOR”
Fecha de Examinación: Enero, 31 de 2011
RESULTADO DE LA EXAMINACIÓN:
COMITÉ DE EXAMINACIÓN APRUEBA NOAPRUEBA
FIRMA
ING. Carlos Cabezas(Presidente Trib. Defensa)ING. Carlos Cabezas(Director de Tesis)
ING. Celin Padilla(Asesor)
* Más que un voto de no aprobación es razón suficiente para la falla total.
RECOMENDACIONES:
El Presidente del Tribunal quien certifica al Consejo Directivo que las condiciones de la
defensa se han cumplido.
f) Presidente del Tribunal
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EspochFacultad de Mecánica
CERTIFICADO DE APROBACIÓN DE TESIS
CONSEJO DIRECTIVO
Enero, 31 de 2011
Yo recomiendo que la Tesis preparada por:
ORLANDO VLADIMIR MIRANDA REYES
Titulada:
“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN ACELERADOR ELECTRÓNICO
CONTROLABLE EN UN VEHÍCULO A CARBURADOR”
Sea aceptada como parcial complementación de los requerimientos para el Título de:
INGENIERO AUTOMOTRIZ
Ing. Geovanny Novillo A.DECANO DE LA FAC. DE MECÁNICA
Nosotros coincidimos con esta recomendación:
Ing. Carlos CabezasDIRECTOR DE TESIS
Ing. Celin PadillaASESOR DE TESIS
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EspochFacultad de Mecánica
CERTIFICADO DE EXAMINACIÓN DE TESIS
NOMBRE DEL ESTUDIANTE: ORLANDO VLADIMIR MIRANDA REYES
TÍTULO DE LA TESIS: “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN ACELERADOR
ELECTRÓNICO CONTROLABLE EN UN VEHÍCULO A CARBURADOR”
Fecha de Examinación: Enero, 31 de 2011
RESULTADO DE LA EXAMINACIÓN:
COMITÉ DE EXAMINACIÓN APRUEBA NOAPRUEBA
FIRMA
ING. Carlos Cabezas(Presidente Trib. Defensa)ING. Carlos Cabezas(Director de Tesis)
ING. Celin Padilla(Asesor)
* Más que un voto de no aprobación es razón suficiente para la falla total.
RECOMENDACIONES:
El Presidente del Tribunal quien certifica al Consejo Directivo que las condiciones de la
defensa se han cumplido.
f) Presidente del Tribunal
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DERECHOS DE AUTORÍA
El trabajo de grado que presentamos, es original y basado en el proceso de investigación y/o
adaptación tecnológica establecido en la Facultad de Mecánica de la Escuela SuperiorPolitécnica de Chimborazo. En tal virtud, los fundamentos teóricos - científicos y los
resultados son de exclusiva responsabilidad de los autores. El patrimonio intelectual le
pertenece a la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo.
f) Jorge Patricio Colcha Maldonado f) Orlando Vladimir Miranda Reyes
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AGRADECIMIENTO
El más sincero agradecimiento a la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, en
especial a la Escuela de Ingeniería Automotriz, por brindarnos la oportunidad de obtener
una profesión y ser personas útiles a la sociedad.
Al Director de la tesis Ing. Roberto Cabezas por su gran ayuda científica y emocional
para el desarrollo de este proyecto, al Ing. Celin Padilla por su aporte en la asesoría en
temas importantes y necesarios.
Y en especial para todos los amigos, compañeros y personas que nos apoyaron de una
u otra manera para culminar con éxito una etapa de nuestras vidas.
Jorge Patricio Colcha Maldonado
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AGRADECIMIENTO
Quiero dar mi más sincero agradecimiento a la Escuela Superior Politécnica de
Chimborazo y en especial a la Escuela de Ingeniería Automotriz que me brindo la
oportunidad de obtener una profesión y ser una persona útiles a la sociedad y a mi país y en
especial quiero agradecer a mi director de tesis Ing. Roberto Cabezas ya que sin su apoyo y
su guía no habría podido dar por terminado es presente proyecto además para todos mis
amigos, compañeros y personas que me apoyaron de una u otra manera para culminar con
éxito una etapa de más de mi vida.
Orlando Vladimir Miranda Reyes
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DEDICATORIA
“Las cosas más bellas y mejores en el mundo, no pueden verse ni tocarse pero se sienten en el
corazón”, es por eso que quiero dedicar este proyecto a mis padres Martha y Orlando ya que
sin su apoyo moral, físico y económico no habría podido dar por finalizada esta etapa difícil
de mi vida, a mis hermanos Tannia y Juan Carlos que han sido un constante apoyo durante
toda mi carrera, y por último a todos mis amigos y compañeros que me han acompañado en
mi vida politécnica, gracias de todo corazón.
Orlando Vladimir Miranda Reyes
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TABLA DE CONTENIDOS
CAPÍTULO PÁGINA
1. GENERALIDADES
1.1 Introducción........................................................................................ 1
1.2 Justificación………………………………………………………… 2
1.3 Objetivos……………………………………………………………. 3
1.3.1 Objetivo General……………………………………………………. 3
1.3.2 Objetivos Específicos…………………………………………….… 3
2. FUNDAMENTO TEORICO
2.1 Introducción y Fundamentos generales.……………………………… 4
2.1.1
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.3.1
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.3.1
2.3.3.1.1
2.3.3.1.2
2.3.3.1.3
2.3.3.2
2.3.3.3
2.4
2.5
2.5.1
2.5.2
Funcionamiento…………………………………………....................
Detalle de los elementos principales del proyecto……………………
Pedal del acelerador…………………………………………………..
Modulo Electronico Central………………………………………….
Control de aceleracion………………………………………………..
Carburador…………………………………………………………...
Potenciometro………………………………………………………..
Introduccion, principio de funcionamiento………………………….
Aplicaciones………………………………………………………….
Tipos de potenciometros……………………………………………...
En funcion del modo de regulacion…………………………………..
Potenciometro de desplazamiento lineal……………………………..
Potenciometro de desplazamiento angular…………………………...
Potenciometros Logaritmicos………………………………………..
En funcion del modo de fabricacion…………………………………
Ventajas y Desventajas………………………………………………
Medicion del angulo de giro del pedal del acelerador……………….
El sensor de posicion…………………………………………………
Ultrasonico…………………………………………………………..
Encoders……………………………………………………………..
5
6
7
7
7
8
10
10
13
14
14
14
14
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17
18
18
18
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2.5.3
2.5.4
2.5.5
2.7
2.7.1
2.7.2
2.8
Laser…………………………………………………………………
Inductivos…………………………………………………………...
Resistivos……………………………………………………………
Conexión de un potenciometro……………………………………...
Conexión en serie (reostatica)………………………………………
Conexión en paralelo (potenciometrica)…………………………….
Angulo de giro del acelerador………………………………………
19
19
20
20
20
21
21
3. DISEÑO Y SELECCION
3.1 Actuador……………………………………………………………. 23
3.1.1
3.2
3.2.1
3.2.1.1
3.2.1.2
3.2.1.3
3.2.1.4
3.2.1.53.2.1.6
3.2.2
3.2.2.1
3.2.2.2
3.2.2.3
3.2.2.4
3.2.2.53.2.2.6
3.2.2.7
3.2.2.8
3.2.2.9
3.2.2.10
3.2.4
3.2.4.13.2.4.2
Introducción……..………………………………………………….
Motores seleccionados………………………………………………
Motores de Corriente Continua……………………………………..
Introducción…………………………………………………………
Principio de funcionamiento…………………………………………
Fuerza Contraelectromotriz Inducida en un Motor………………….
Numero de escobillas…………………………………………………
Sentido de giro……………………………………………………….Reversibilidad………………………………………………………..
Servomotor…………………………………………………………..
Introducción…………………………………………………………
Tipos de servomotores………………………………………………
Partes de un servomotor……………………………………………..
Conexión de un servomotor…………………………………………
Cálculos……………………………………………………………...Funcionamiento del servo……………………………………………
Prueba del servomotor……………………………………………….
Modificación de los servos…………………………………………..
Aplicaciones…………………………………………………………
Ventajas……………………………………………………………..
Motores paso a paso…………………………………………………
Introducción…………………………………………………………Principio de funcionamiento………………………………………...
23
24
24
24
25
26
27
2727
28
28
29
29
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3132
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35
35
36
37
3738
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3.2.4.3
3.2.4.4
3.2.4.5
3.2.5
3.2.5.1
3.2.5.2
3.2.6
3.3
3.3.1
3.3.2
3.3.2.1
3.43.4.1
3.4.2
3.4.3
3.4.4
3.4.5
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.5.1
4.5.2
4.6
5
5.1
5.2
5.2.1
Parámetros de los motores paso a paso……………………………..
Control de los motores paso a paso…………………………………
Características………………………………………………………
Motores sin escobillas (Brushless)…………………………………
Funcionamiento…………………………………………………….
Ventajas e inconvenientes……………………………………………
Comparación entre los diferentes tipos de motores………………...
Mediciones…………………………………………………………
Angulo de giro de la mariposa……………………………………..
Par necesario para el giro de la mariposa………………………….
Dinamómetro………………………………………………………
Diseño del mecanismo y el soporte………………………………..Diseño de las poleas……………………………………………….
Medición de temperaturas…………………………………………
Diseño del soporte del mecanismo del potenciómetro del acelerador
Diseño del soporte del mecanismo del servomotor……………….
Resumen………………………………………………………….
CONTROL Y PROGRAMACION
La unidad de control electrónico………………………………….
Toma de mediciones………………………………………………
Parámetros importantes para la programación……………………
Seguridad………………………………………………………..
Simulación y diseño del modulo ......…………………………….
Diagrama de flujo…………………………………………………
Construcción de la placa………………………………………….
Inconvenientes y soluciones………………………………………
SISTEMA INTEGRADO Y MONTAJE DEL SISTEMA
Pruebas en el sistema original…………………………………….
Instalación del sistema en el vehículo……………………………
Instalación del sensor de temperatura del refrigerante……………
41
43
43
44
44
44
45
46
46
47
47
5152
56
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60
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75
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BIBLIOGRAFÍA
LINKOGRAFÍA
ANEXOS
PLANOS
5.2.2
5.2.3
5.2.4
5.2.5
5.2.6
5.2.7
5.3
Toma de revoluciones del motor…………………………………
Instalación del sensor del pedal del acelerador…………………..
Instalación del actuador………………………………………….
Colocación del LCD……………………………………………..
Colocación del pulsador………………………………………….
Colocación de la UCE…………………………………………….
Pruebas de funcionamiento del sistema incorporado……………..
77
77
80
81
81
82
82
6. Conclusiones y Recomendaciones
6.1 Conclusiones………………………………………………………. 846.2 Recomendaciones…………………………………………………. 85
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LISTA DE TABLAS
TABLA PÁGINA
2.1 Ejemplos de algunos valores usados en un servomotor.……. 32
2.2 Características técnicas de algunas marcas de servos..…….. 32
3.1 Angulo de paso…………………………………………….. 42
3.2
3.3
3.4
3.53.6
4.1
4.2
Comparación tipos de motores…………………………….
Medición ángulo de giro de la mariposa……………………
Mariposa totalmente abierta………………………………..
Par necesario para mover la mariposa………………………Elementos del mecanismo de aceleración…………………..
Valores necesarios para la programación…………………..
Rangos de temperatura a voltaje……………………………
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4959
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LISTA DE FIGURAS
FIGURA PAGINA
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
2.16
2.17
2.18
2.19
2.202.21
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
Carburador……………………………………………..
Diagrama funcional del proyecto………………………
Pedal del acelerador……………………………………
Eje de la mariposa de aceleración……………………...
Carburador elemental………………………………….
Posición del carburador………………………………..
Diagrama interno del potenciómetro…………………..
Representación de tipos de potenciómetros……………
Grafico de relación resistencia vs ángulo de giro……...
Símbolos de resistencias variables……………………..
Potenciómetros lineales………………………………..
Potenciómetro angular…………………………………
Diagrama interno de potenciómetro angular………….
Comportamiento de potenciómetros logarítmicos…….
Fotografía del ángulo de giro del pedal……………….
Sensor de posición inductivo………………………….
Potenciómetro resistivo………………………………..
Conexión serie de un potenciómetro…………………..
Conexión paralelo de un potenciómetro……………….
Ilustración de montaje potenciómetro…………………Ilustración del ángulo de giro acelerador………………
Motores de corriente continúa…………………………
Funcionamiento motores CC…………………………..
Esquema polaridad motores CC……………………….
Servomotor…………………………………………….
Estructura típica servomotor…………………………...
Circuito típico de control servomotor………………….
Conexión externa del servo……………………………
5
6
7
8
8
9
11
11
12
13
14
14
15
16
17
19
20
20
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2122
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28
29
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3.12
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3.15
3.16
3.17
3.18
3.19
3.20
3.21
3.22
3.23
3.24
3.25
3.26
3.27
3.28
3.29
3.303.31
3.32
3.33
4.1
4.1
4.3
4.4
4.5
Ancho de pulso………………………………………...
Ejemplos de posicionamiento de un servo…………….
Periodos entre pulsos…………………………………..
Otra posibilidad de pulsos de control………………….
Circuito de prueba del servo…………………………..
Aplicación en robótica…………………………………
Motores paso a paso……………………………………
Imagen de un estator de 4 bobinas……………………..
Principio de funcionamiento de un motor paso a paso...
Principio básico de un motor unipolar de cuatro fases...
Diagrama bloques de un sistema con motor paso a paso
Medición par necesario para mover la mariposa………
Cartografía Fuerza aplicada vs ángulo girado de la mar
Diseño tridimensional del mecanismo propuesto……...
Diagrama sistemático de accionamiento del pedal…….
Esquema de cálculos pedal…………….………………
Diseño de la polea del acelerador…………..………….
Diseño de la polea del servomotor………………..……
Multimetro TRISCO DA – 830………………………..
Temperatura externa del motor………………………..
Diseño del soporte del potenciómetro…………………
Potenciómetro instalado en el soporte…………………
Potenciómetro y polea…………………………………Mecanismo armado……………………………………
Diseño de placa soporte del servomotor……………….
Soporte del servomotor acoplado……………………...
Modulo aplicado a protoboard…………………………
Modulo original………………………………………..
Circuito de seguridad………………………………….
Simulación – Circuito de activación servomotor………
Simulación – Circuito comparación LCD……………..
33
33
34
34
35
36
37
38
39
41
43
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50
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53
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4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
5.10
5.11
5.12
5.13
5.14
5.15
Simulación – Circuito de amplificación de señal……...
Diagrama de flujo programación PIC 1………………..
Diagrama de flujo programación PIC 2………………..
Diseño de placa en ISIS………………………………..
Representación de la placa en 3-D……………………..
Modulo terminado……………………………………..
Ubicación del sensor en el multiple de admision……...
Perforacion del multiple de admision………………….
Sensor de temperatura adaptado……………………….
Toma de datos de revoluciones………………………...
Potenciometro con polea……………………………….
Caja de proteccion del potenciometro…………………
Ubicación del mecanismo de aceleracion……………...
Colocacion del mecanismo del potenciometro……….
Conexiones del mecanismo……………………………
Mecanismo instalado………………………………….
Adaptacion del cable de tensión……..………………...
Diseño del mecanismo del servo………………………
Mecanismo del servomotor instalado………………….
LCD instalado………………………………………….
Cruise-control………………………………………….
67
69
70
71
72
73
75
76
76
77
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80
81
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LISTA DE ECUACIONES
ECUACION PÁGINA
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
Resistencia en un momento determinado
Ley de Lorentz
Angulo de posición
Numero de pasos por vuelta de motor paso a paso
Voltaje promedio
Angulo girado en función de radios
Perímetro
Par necesario
Ley de cosenos
Angulo en función del perímetro
Relación de diámetros
12
26
33
45
50
50
52
52
57
57
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LISTA DE ABREVIACIONES
PWM Modulación por ancho de pulso
NTC Coeficiente de temperatura negativo
RPM Revoluciones por minuto
UCE Unidad de Control Electrónico
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LISTA DE ANEXOS
ANEXO 1:
ANEXO 2:
ANEXO 3:
ANEXO 4:
Polea del potenciómetro
Polea del servomotor
Soporte del potenciómetro
Soporte del servomotor
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RESUMEN
La tesis titulada “DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN ACELERADOR
ELECTRONICO CONTROLABLE EN UN VEHÍCULO A CARBURADOR” se realizo con
la finalidad de suspender el elemento de accionamiento mecánico de aceleración convencional
e implantar un acelerador electrónico consiguiendo una disminución de la contaminación,
consumo de gasolina, y evitando peligrosas situaciones como los derrapes en las salidas.
Para lo cual se midió el ángulo de giro del pedal, el ángulo de giro de la mariposa del
carburador y el par necesario para la apertura de la mariposa. Con estos resultados, se
seleccionaron los mecanismos de accionamientos para un potenciómetro que midió la
proporción de aceleración, un mecanismo que acciono un servomotor en la mariposa del
carburador, la selección del servomotor depende de la fuerza para mover la mariposa obtenido
con la utilización de un dinamómetro de 10Kg, una unidad electrónica de control se encargo
de comparar los valores generados por un sensor de temperatura del motor en rangos
normales de funcionamiento y un sensor de rpm, con la proporción de aceleración dada por el
potenciómetro, generando una señal de activación del servomotor para la dosificación de
combustible.
Se obtuvo un mejor desarrollo de la aceleración y un menor consumo de combustible, por lo
tanto con este sistema se consigue una menor contaminación y consumo de gasolina.
Posibilita 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, etc.
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SUMMARY
The thesis “DESIGN AND IMPLEMENTATION OF AN ELECTRONIC ACCELERATOR
CONTROLLABLE IN A VEHICLE OR CARBURETOR” was carried out to suspend the
mechanical element of conventional acceleration and implant an electronic accelerator
attaining a decrease of contamination and gas consumption avoiding dangerous situations
such as skidding at starting.
The pedal turn angle, the carburetor wing nut turn angle and the necessary pair for the wing
nut opening were measured. With these results the driving devices for a potentiometer which
measured the acceleration proportion and a device which drove the servomotor in the
carburetor wing nut were selected; the servomotor selection depends on the force to move thewing nut obtained with the use of a dynamometer of 10 kg; a control unit was in charge of
comparing values generated by the motor temperature sensor in normal functioning ranges
and a rpm sensor with the acceleration rate given by the potentiometer, generating an
activation signal of servomotor for the fuel dosage.
A better acceleration development and a minor fuel consumption were obtained. Therefore
with this system a lower contamination and a gas consumption are attained.
If facilitates new work ways such as drive control, different driving programs in function ofthe style of each person, etc.
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CAPITULO I
1. GENERALIDADES.
1.1 Introducción.
En la actualidad la tecnología avanza día a día y la perspectiva de los fabricantes de
automóviles, difiere de épocas anteriores, en las cuales se centraban en la evolución de
motores más rápidos y de mayor potencia. A diferencia de lo anteriormente mencionado, hoy
prima la seguridad de los ocupantes del automotor y el control ambiental, por lo que se hanimplementado sistemas que se denominan de seguridad pasiva y activa, el primero basado en
reducir al mínimo los daños que se pueden producir cuando un accidente es inevitable y el
segundo que consta de aquellos elementos que contribuyen a proporcionar una mayor
eficacia y estabilidad al vehículo en marcha, y en la medida de lo posible, evitar un accidente.
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-Wire 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. 1
1 Article Drive - By- Wire/http://www.at!"lia.c!#/$evatec$!l!%ia.a&p
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1.2 Justificación
El avance tecnológico en los automóviles en lo referente a aplicaciones eléctricas y
electrónicas ha creado la necesidad de contar con ingenieros automotrices en el área de
sistemas de electricidad y electrónica aplicadas a los modernos automóviles.
Las ventajas que presenta la implantación de un acelerador electrónico son las siguientes
Permite variar la relación entre la posición del acelerador y la apertura de la mariposa con
multitud de posibilidades. Fácil acoplamiento del control de velocidad de crucero. Reducciónde los tirones durante el funcionamiento del motor. Permite un mejor control sobre las
emisiones contaminantes. Posibilita una mayor suavidad de funcionamiento a los vehículos
equipados con cambio de marchas automático. Integración del control electrónico en la
centralita de gestión del motor, reduciendo el coste del equipo. Es más fiable que un cable
porque el sistema sólo envía una señal eléctrica a través de un potenciómetro. En un motor de
gasolina, la señal eléctrica determina la apertura de la mariposa. Integra al acelerador
funciones como el control de tracción o estabilidad, o coordina el cambio automático parasuavizar el paso de una marcha a otra. Permite mayor control de la alimentación de aire del
motor, consiguiendo mejores aceleraciones y una respuesta del motor más adecuada al tipo de
conducción que se está realizando Corrige errores de accionamiento del acelerador por parte
del conductor.
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 ellaboratorio.
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1.3. Objetivos
1.3.1 Objetivo General:
• Diseñar e implementar un acelerador electrónico controlable en un vehículo a
carburador
1.3.2. Objetivos Específicos:
• Medir la posición del pedal del acelerador de forma precisa, mediante sensores que
ayuden a determinar y controlar el sistema.
• Programar la unidad de control electrónico para la recepción de datos de los sensores y
enviar señales para la actuación del sistema.
• Actuar sobre la admisión de aire del motor con un actuador eléctrico que permitirá el
control del caudal de aire para la eficiencia en la estequiometria de la mezcla.
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27
CAPITULO II
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
2.1 Introducción y Fundamentos Generales
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.
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 ygiran 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.2
2 Art'cl! (e )*+,, Acelera(!r *lectr$ic! +!$tr!lale p%&.
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28
Figura 2.1: Carburador
2.1.1. Funcionamiento
En un acelerador convencional cada posición del pedal corresponde con una única posición de
la mariposa. La relación entre el recorrido del pedal y el recorrido de la mariposa determinan
el comportamiento del motor. Si se busca un motor que responda bien a bajas revoluciones, se
debe conseguir que el recorrido del acelerador corresponda con pequeños recorridos de la
mariposa, sobre todo en los primeros grados de apertura. Lo que origina una respuesta del
motor pobre cuando la mariposa está muy abierta, al producirse pequeñas variaciones en
caudal de aire que entra al motor.
Un motor de carácter deportivo necesita recorridos más amplios de la mariposa cuando está
muy abierta, empeorando la respuesta del motor a bajas revoluciones.
En el acelerador electrónico se pueden adoptar infinidad de posiciones de la mariposa
teniendo en cuenta las condiciones de funcionamiento del motor. La centralita electrónica
conoce en todo momento la posición del pedal del acelerador a través de la variación de la
resistencia del potenciómetro.
Con este dato y las revoluciones del motor se establece el grado óptimo de apertura de la
mariposa.
A bajas revoluciones del motor, la mariposa se abrirá lentamente, mientras a altasrevoluciones, la apertura se realizará más rápidamente. Se consigue una buena respuesta del
Cable del acelerador
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motor a cualquier régime
rápido del acelerador.
En la fase de calentamien
función de la posición deltodo lo posible y retrasar
por tanto, del catalizador.
supone, la mariposa se ab
consiguen reducir las emisi
Si se acciona rápidamente
causa de la variación tan r
elásticos. Esta situación ta
se produzca de forma tan
motor rebote en sus soport
2.2 Detalle de los Elemen
Se mostrara a continuaci
principales del proyecto.
Fi
3 Articl! We: Acelera(!r elect
, impidiendo que aparezcan ahogos por u
to del motor se produce una mayor apert
edal acelerador. Durante esta fase se intental encendido, reduciendo el tiempo de calen
Para que el conductor no perciba la redu
e más rápidamente mejorando la respuesta
ones contaminantes, sobre todo las de hidro
l acelerador cuando el motor está reteniendo
epentina en el par suministrado y el motor
molesta se evita retrasando la apertura del
brusca. El par motor aparece más lentame
s.3
tos Principales del Proyecto
ón una serie elementos gráficos que m
ura 2.2: Diagrama funcional del proyecto
r$ic!. D!c#e$t!& )c$ic!& #a$ale& (e reparaci
29
n accionamiento muy
ra de la mariposa en
empobrecer la mezclatamiento del motor, y
ción de par que esto
del motor. Además se
arburos.
, se producen tirones a
rebota en sus anclajes
celerador para que no
te, impidiendo que el
estren los elementos
$.ht#
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2.2.1 Pedal del Acelerador
El pedal del acelerador es el elemento principal del proyecto pues nos proporcionará el
ángulo deseado para la aceleración del vehículo y a partir de ese dato se realizara los cálculos
respectivos.
El pedal es un mecanismo de barra pivotante sobre un eje fijo
Figura 2.3: Pedal del acelerador
2.2.2 Modulo Electrónico Central
Es el elemento de control del proyecto, es el encargado de recibir la señal del pedal y
compararlo con los parámetros de funcionamiento del motor. Al compararlo envía una señal
para el elemento de actuación en la mariposa del carburador.
2.2.3 Control de Aceleración
Es el elemento donde se actuara y se colocara el mecanismo de actuación (servomotor) y se
tendrá resultados del proyecto
Pedal del acelerador
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Fi
2.2.3.1 Carburador
El carburador posee una d
donde la gasolina es almac
salida (cuba). Estas partes
La relación de aire-com
proporción indicada en el
cada parte de gasolina, ni
el segundo de "mezcla pob
ura 2.4: Eje de la mariposa de aceleración
ivisión donde la gasolina y el aire son me
enada a un nivel muy preciso, por debajo d
stán divididas pero están conectadas por la t
Figura 2.5: Carburador elemental
ustible es determinante del funcionamie
párrafo anterior no debe ser menor de unas
ayor de 17 a 1; en el primer caso hablamos
re". Por debajo o por encima de esos límite
Eje de la mariposa de
31
clados y otra porción
l nivel del orificio de
bera principal.
nto del motor. Esta
10 partes de aire por
de "mezcla rica" y en
el motor no funciona
aceleración
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32
bien, llegando a "calarse", en un caso "ahogando" las bujías y en el otro calentándose en
exceso, con fallos al acelerar y explosiones de retorno
Figura 2. 6: Posición del carburador
En la carrera de admisión del motor, el pistón baja dentro del cilindro y la presión interior del
cilindro disminuye, aspirando aire desde el purificador (filtro), carburador y colector de
admisión fluyendo hasta el cilindro. Cuando este aire pasa a través de la porción angosta del
carburador, la velocidad se eleva, y por el efecto Venturi aspira la gasolina desde la tobera
principal. Esta gasolina aspirada es soplada y esparcida por el flujo de aire y es mezclada con
el aire.4
Esta mezcla aire-combustible es luego aspirada dentro del cilindro.
Válvula aceleradora
Para que el usuario pudiese controlar a voluntad las revoluciones a las que trabaja el motor se
añadió al tubo original una válvula aceleradora que se acciona mediante un cable conectado a
un mando del conductor llamado acelerador.
Esta válvula aceleradora permite incrementar el paso de aire y gasolina al motor a la vez que
se mantiene la mezcla en su punto. La mezcla aire/gasolina se denomina gas, por lo tanto al
hecho de incrementar el paso de la válvula se le llama coloquialmente "dar gas".
Guillotina
Para controlar el gas en los motores de dos tiempos se usa un tipo de válvula llamada
guillotina que consiste en un disco que atraviesa el tubo perpendicularmente. Cuando se
4 a$al (e la tc$ica (el at!#vil - B!&ch %&. 607-608 -4 e(ici$ B, 3-934584-82-9
-
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incrementa el paso, la guillotina se va deslizando hacia arriba como un telón dejando una
abertura cada vez más grande.
Mariposa
Por contra en los motores de cuatro tiempos se usa como válvula la mariposa, que es un disco
de metal cruzado diametralmente por un eje que le permite girar. En posición de reposo se
encuentra completamente perpendicular al tubo y al acelerar se va incrementando su
inclinación hasta que queda completamente paralela al tubo.
El eje de la mariposa sobresale por un lado, donde toma forma de palanca para ser accionada
mediante cable.
Principio de operación del carburador
EI carburador opera básicamente con el mismo principio de un pulverizador de pintura.
Cuando el aire es soplado, cruzando el eje de la tubería pulverizadora, la presión interior de la
tubería cae. El líquido en el pulverizador es por consiguiente aspirado dentro de la tubería y
atomizado cuando es rozado por el aire. Mientras mayor sea la rapidez del flujo de aire que
atraviesa la parte superior de la tubería de aspiración, mayor es la depresión en esta tubería y
una mayor cantidad de líquido es aspirada dentro de la tubería.
2.3 Potenciómetro
2.3.1 Introducción, Principio de funcionamiento
Los potenciómetros son unas resistencias especiales que están formadas por una parte fija con
la resistencia y una móvil en contacto con la misma que, al desplazarse, hace variar la
resistencia entre las tomas. Consiguen variar la resistencia que ofrecen en función de un
mayor o menor giro manual de su parte móvil. Suelen disponer de unos mandos giratorios que
facilitan la operación, o bien unas muescas para introducir un destornillador adecuado.
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Fig
Donde la resistencia en un
Se designan por su valor m
etc. Si no aparecen las sigl
Figura
Se describe en el grafico la
en función de la variación
ra 2.7: Diagrama interno del potenciómetro
momento determinado será:
áximo, y al lado de éste las siglas LIN (linea
s, se trata de un potenciómetro lineal.
2.8: Representación de tipos de potenciómet
relación que existe entre la variación de la r
el ángulo de giro.
34
l), LOG (logarítmico),
ros
sistencia (ohmios)
(1)
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35
Figura 2.9: Grafico de relación resistencia vs. Angulo de giro
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:
• La resistencia es uniforme a lo largo de todo el recorrido o bien sigue una ley
determinada.
•
El contacto del cursor proporciona una variación de resistencia continua (no a saltos)
por tanto, la resolución es infinita.
• Si se alimenta el potenciómetro con una tensión alterna, su inductancia y capacidad
deben ser despreciables.
• Para valores de Rp bajos, la inductancia no siempre es despreciable, sobre todo
para potenciómetros bobinados.
• Para valores de Rp altos, la capacidad parásita puede tener importancia.
•
La temperatura del potenciómetro es uniforme. Esta se debe tanto al medio que lo
rodea como al propio auto calentamiento.
• 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 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:
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36
• Resistencia no uniforme en toda la excursión del cursor.
• Resolución no infinita si son bobinados, saltos de hilo.
• Inductancias y capacidades no despreciables.
• Derivas con la temperatura y auto calentamiento
• Falta de linealidad debido a la carga.
• Inercias, rozamientos y velocidad máxima
• Reducción de resolución debido a la resistencia de contacto.
2.3.2 Aplicaciones
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:
Figura 2.10: Símbolos de resistencias variables
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.5
2.3.3 Tipos de Potenciómetro
2.3.3.1. En función del modo de regulación:
2.3.3.1.1. 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.
5 Articl! )ec$$: !te$ci#etr!& p%&. 13-16
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2.3.3.1.2. Potenciómetros
Trabajan de la misma man
es de forma circular per
encontrar con potenciómet
en el mismo plano, y losque crece según el eje perp
encima de la pista creand
desplazada del cursor.
Figura
Figura 2.11: Potenciómetros lineales
de desplazamiento angular
ra que los de desplazamiento rectilíneo, pe
itiendo así la medición de variación de á
os de dos tipos, los de una vuelta, en los qu
e más de una vuelta, donde el círculo se cndicular de este círculo. En ambos casos, el
o una relación de linealidad entre la resis
Figura 2.12: Potenciómetro angular
.13: Diagrama interno de potenciómetro ang
37
o en este caso la pista
ngulos. Nos podemos
la pista es un círculo
nvierte en una espiralcursor se desplaza por
encia total y la parte
ular
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La resistencia nominal Rn
entre el 5% y el 20%. Su v
El error de linealidad está
desviación de la resistencia
El cursor debe asegurar u
contacto (chispas), resiste
presencia de vibraciones o
2.3.3.1.3. Potenciómetros
Al principio responden co
de giro, sus valores crecen
Otras formas de variación
Figura 2.1
suele variar entre 1k. y 100k. Sus toleranci
riación con la temperatura es mayor en pista
comprendido entre 0,01% y 1% de Rn, me
R(l), respecto de su valor lineal.
n buen contacto eléctrico lo que implica:
ncia de contacto débil y estable en el ti
e velocidades elevadas del cursor.
Logarítmicos
una progresión muy pequeña, y después, c
rápidamente.
enos empleadas son las anti logarítmicas y
: Comportamiento de potenciómetros logarí
38
s de fabricación están
s conductoras.
ido como la máxima
ausencia de f.e.m. de
mpo (desgaste) y en
on unos pocos grados
las de seno-coseno.
tmicos
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39
2.3.3.2. En función del modo de fabricación
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 unacombinación 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.
2.3.3.3. Ventajas y desventajas.
Los potenciómetros no suelen necesitar amplificador 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.6
2.4 Medición del Ángulo de Giro del Pedal del Acelerador
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.
6 http://&earch.c!$(it.c!#/e<&*;t.a&p;?=&earch.c!$(it.c!#
-
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40
Figura 2.15: Fotografía del ángulo de giro del pedal
Debemos conocer en todo momento y lo más exacto posible cuál es la posición del
acelerador.
Para esto se deberá realizar una serie de pruebas y procedimientos como los detallaremos y
realizaremos en su debido momento del proyecto:
• Medición del ángulo que gira el pedal del acelerador.
• Mecanismo que se mueva eficientemente con el pedal y el potenciómetro.
• Pruebas con diferentes potenciómetros de 1, 3 y 10 vueltas a fin de conocer cuales
tienen mejor resolución para ser utilizados
• Desarrollo de un sistema de sujeción del potenciómetro.
• Alimentación del potenciómetro elegido (5V ó 12V). Así como calcular el número de
grados que deberá girar.
Una vez definido todo esto, se procederá a dibujar los planos para la construcción.
An ulo de iro del edal
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2.5 El Sensor de Posición
Es un dispositivo diseña
transformarla en otra mag
manipular.
2.5.1. Ultrasónico
Su principio de operación
recepción de una señal refl
La transmisión y recepci
ultrasónicos y de velocidad
no es audible por el ser hu
2.5.2. Encoders
Encoders incrementales
Se utilizan fundamentalme
un disco transparente, el
equidistantes entre sí; de u
fotosensible que actúa com
al disco.
2.5.3. Láser
El principio de funcionami
láser.
2.5.4. Inductivos
do para recibir información de una ma
itud, normalmente eléctrica, que seamos ca
es básicamente la transmisión de una señal
ejada, para determinar si existe un objeto e
ón de energía ultrasónica es la base pa
. Las ondas ultrasónicas son ondas acústicas
ano; es decir, mayores a 20 kHz.
nte para el cálculo de la posición angular. B
cual tiene una serie de marcas opacas col
elemento emisor de luz (como un diodo L
o receptor. El eje cuya posición angular se v
nto es igual al del ultrasónico pero la onda
41
nitud del exterior y
paces de cuantificar y
piloto ultrasónica y la
el área de detección.
a muchos medidores
de una frecuencia que
ásicamente constan de
ocadas radialmente y
D); y de un elemento
a a medir va acoplado
ue se utiliza es un haz
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Los sensores inductivos se
detectar la posición angula
coste y simplicidad, mientrvelocidades de giro son baj
Componentes
El sensor inductivo emplea
• Un imán pe
• Una bobina
la tensión.
• Una pieza d
movimiento
tener varios
2.5.5. Resistivos
Como es el caso de los potsobre ella. Se alimenta la
un voltaje proporcional al
circulares, logarítmicos, et
Figura 2. 16: Sensor de posición inductivo
utilizan en los automóviles para medir veloci
de un determinado elemento. Su principal v
as que su mayor inconveniente es la falta deas.
do en automoción está formado por:
manente.
envolviendo el imán permanente, y de cuyos
material ferromagnético que se coloca en el
y sirve para detectar su paso cerca del senso
dientes formando una corona.
nciómetros. Se trata de una resistencia y unesistencia con un voltaje regulado y del cur
desplazamiento producido. Hay de difere
. material; película de carbón, bobinados so
Figura 2.17: Potenciómetro resistivo
42
dades de rotación o
ntaja es su reducido
recisión cuando las
extremos se obtiene
elemento en
. Esta pieza puede
cursor que se desplazasor a tierra obtenemos
ntes formas; lineales,
re cerámica, etc.
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2.7 Conexión de un Pote
2.7.1. Conexión en serie (
Se conecta el cursor y un
con el cursor, de este modo
Figu
2.7.2. Conexión en parale
Los dos extremos del ge
recorre el circuito no es l
llama divisor de tensión.
Fig
ciómetro
eostática)
extremo al circuito, mientras que el otro qu
la resistencia queda en serie con el circuito.
ra 2.18: Conexión serie de un potenciómetr
lo (potenciométrica)
erador se unen a los dos del potenciómet
misma que la que recorre el potenciómet
ura 2.19: Conexión paralelo potenciómetro
43
eda libre o puenteado
ro. La intensidad que
o. Este montaje se le
-
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Figu
2.8 ngulo de Giro del A
Debemos empezar calcula
mecanismo para accionami
Figura
Este ángulo se determina
ángulo exacto que nos per
a 2.20: Ilustración de montaje potenciómetr
celerador
do el ángulo de giro del pedal del acelerado
ento del potenciómetro.
2.21: Ilustración del ángulo de giro acelerad
a experimentalmente en capítulos posteri
itirá diseñar mecanismos de activación de l
θ
44
r para poder diseñar el
or
res para encontrar el
mariposa.
-
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45
CAPITULO III
3. ACTUADOR
3.1 Introducción
Se denominan actuadores a aquellos elementos que pueden provocar un efecto sobre unproceso automatizado.
Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía
eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida
necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las válvulas.
Existen varios tipos de actuadores como son:
• Electrónicos
• Hidráulicos
• Neumáticos
• Eléctricos
Los actuadores hidráulicos, neumáticos y eléctricos son usados para manejar aparatosmecatrónicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita
es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos
requieren mucho equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico.
Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el
punto de vista de precisión y mantenimiento.
3.2 Motores Seleccionados
3.2.1 Motores de Corriente Continua
3.2.1.1 Introducción
El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica,
principalmente mediante el movimiento rotatorio. En la actualidad existen nuevas
aplicaciones con motores eléctricos que no producen movimiento rotatorio, sino que con
algunas modificaciones, ejercen tracción sobre un riel. Estos motores se conocen como
motores lineales.
-
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Esta máquina de corrient
control de posición, par y
aplicaciones de control y a
uso ha disminuido en gran
pueden ser controlados de
la industria. A pesar de est
aplicaciones de potencia (t
La principal característica
velocidad desde vacío a ple
3.2.1.2 Principio de Funci
Según la Ley de Lorentz,
sumerge en un campo m
formado por el campo ma
módulo
• F: Fuerza en Newto
• I: Intensidad que re
• l: Longitud del con
continua es una de las más versátiles en
velocidad la han convertido en una de las
utomatización de procesos. Pero con la llega
medida, pues los motores de corriente alter
igual forma a precios más accesibles para el
los motores de corriente continua se sigue
enes y tranvías) o de precisión (máquinas, m
del motor de corriente continua es la pos
na carga.
igura 3.1: Motores de corriente continúa
onamiento
cuando un conductor por el que pasa una
agnético, el conductor sufre una fuerza p
nético y la corriente, siguiendo la regla de
n
orre el conductor en amperios
uctor en metros lineales
46
la industria. Su fácil
mejores opciones en
da de la electrónica su
na, del tipo asíncrono,
consumidor medio de
utilizando en muchas
icro motores, etc.)
ibilidad de regular la
corriente eléctrica se
erpendicular al plano
la mano derecha, con
(2)
-
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• B: Inducción en tes
Si el conductor está coloca
que hará que el rotor gire.
El rotor no solo tiene un c
la corriente se activa en el
Normalmente se aplica un
para compensar la fuerza n
Fi
as
igura 3.2: Funcionamiento motores CC
do fuera del eje de giro del rotor, la fuerza
nductor, sino varios repartidos por la perifer
onductor apropiado.
a corriente con sentido contrario en el extr
ta y aumentar el momento.
gura 3.3: Esquema polaridad motores CC
47
roducirá un momento
ia. A medida que gira,
mo opuesto del rotor,
-
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48
Esquema del funcionamiento de un motor de c.c. elemental de dos polos con una sola bobina
y dos delgas en el rotor. Se muestra el motor en tres posiciones del rotor desfasadas 90º entre
sí. 1, 2: Escobillas; A, B: Delgas; a, b: Lados de la bobina conectados respectivamente a las
delgas A y B.
3.2.1.3 Fuerza Contraelectromotriz Inducida en un Motor
Es la tensión que se crea en los conductores de un motor como consecuencia del corte de las
líneas de fuerza, es el efecto generador de pines.
La polaridad de la tensión en los generadores es inversa a la aplicada en bornes del motor.
Las fuertes puntas de corriente de un motor en el arranque son debidas a que con la máquina
parada no hay fuerza contraelectromotriz y el bobinado se comporta como una resistencia
pura del circuito.
3.2.1.4 Número de Escobillas
Las escobillas deben poner en cortocircuito todas las bobinas situadas en la zona neutra. Si la
máquina tiene dos polos, tenemos también dos zonas neutras. En consecuencia, el número
total de escobillas ha de ser igual al número de polos de la máquina.
En cuanto a su posición, será coincidente con las líneas neutras de los polos
3.2.1.5 Sentido de Giro
El sentido de giro de un motor de corriente continua depende del sentido relativo de las
corrientes circulantes por los devanados inductor e inducido.
La inversión del sentido de giro del motor de corriente continua se consigue invirtiendo elsentido del campo magnético o de la corriente del inducido.
Si se permuta la polaridad en ambos bobinados, el eje del motor gira en el mismo sentido.
Los cambios de polaridad de los bobinados, tanto en el inductor como en el inducido se
realizarán en la caja de bornes de la máquina, y además el ciclo combinado producido por el
rotor produce la fmm (fuerza magneto motriz).
-
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49
3.2.1.6 Reversibilidad
Los motores y los generadores de corriente continua están constituidos esencialmente por los
mismos elementos, diferenciándose únicamente en la forma de utilización.
Por reversibilidad entre el motor y el generador se entiende que si se hace girar al rotor, se
produce en el devanado inducido una fuerza electromotriz capaz de transformarse en energía
en el circuito de carga.
En cambio, si se aplica una tensión continua al devanado inducido del generador a través del
colector de delgas, el comportamiento de la máquina ahora es de motor, capaz de transformar
la fuerza contraelectromotriz en energía mecánica.
En ambos casos el inducido está sometido a la acción del campo inductor principal.
3.2.2 Servomotor
3.2.2.1 Introducción
Un servomotor (también llamado Servo) es un dispositivo similar a un motor de corriente
continua, que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de
operación, y mantenerse estable en dicha posición. Está conformado por un motor, una caja
reductora y un circuito de control. Los servos se utilizan frecuentemente en sistemas de radio
control y en robótica, pero su uso no está limitado a estos. Es posible modificar un servomotor
para obtener un motor de corriente continua que, si bien ya no tiene la capacidad de control
del servo, conserva la fuerza, velocidad y baja inercia que caracteriza a estos dispositivos.
Un servo normal o Standard tiene 3kg por cm. de torque que es bastante fuerte para su
tamaño. También potencia proporcional para cargas mecánicas. Un servo, por consiguiente,
no consume mucha energía.
La corriente que requiere depende del tamaño del servo. Normalmente el fabricante indica
cual es la corriente que consume. Eso no significa mucho si todos los servos van a estar
moviéndose todo el tiempo. La corriente depende principalmente del par, y puede exceder un
amperio si el servo está enclavado.
-
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3.2.2.2 Tipos de Servomo
Hay tres tipos de servomot
• -Servomotores de C
• -Servomotores de
• -Servomotores de i
3.2.2.3 Partes de un Serv
• Motor de corrient
Es el elemento que le bri
terminales, este motor gira
terminales es inverso, el se
Figura 3.4: Servomotor
tores
res:
C
C
anes permanentes o Brushless.
motor
Figura 3.5: Estructura típica servomotor
continúa
da movilidad al servo. Cuando se aplica u
en un sentido a su velocidad máxima. Si el v
tido de giro también se invierte.
50
n potencial a sus dos
oltaje aplicado sus dos
-
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51
• Engranajes reductores
Se encargan de convertir gran parte de la velocidad de giro del motor de corriente continua en
torque.
• Circuito de control
Este circuito es el encargado del control de la posición del motor. Recibe los pulsos de entrada
y ubica al motor en su nueva posición dependiendo de los pulsos recibidos.
Figura 3.6: Circuito típico de control servomotor
Tiene además de los circuitos de control un potenciómetro conectado al eje central del motor.
Este potenciómetro permite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual del servo
motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuito
chequea que el ángulo no es correcto, el motor volverá a la dirección correcta, hasta llegar al
ángulo que es correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados.
Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero varía según el fabricante.
Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180 grados. Un
servo normal no es mecánicamente capaz de retornar a su lugar, si hay un mayor peso que el
sugerido por las especificaciones del fabricante.
3.2.2.4 Conexión de un Servomotor
Los servomotores tienen 3 terminales:
•
Terminal positivo: Recibe la alimentación del motor (4 a 8 voltios)
• Terminal negativo: Referencia tierra del motor (0 voltios)
-
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• Entrada de señal: R
Los colores del cable de
positivo siempre es rojo; el
de entrada de señal suele s
3.2.2.5 Cálculos
Dependiendo del modelo dlos 4 y 8 voltios. El contr
cuadrada de voltaje. El áng
la señal. Cada servo moto
márgenes de operación. Pa
alto están entre 0,3 y 2,1
respectivamente). El valor
pulso dejarían al motor en l
Es sencillo notar que, para
alto para conseguir un áng
Donde t está dada en milis
cibe la señal de control del motor
cada terminal varían con cada fabricante:
del terminal negativo puede ser marrón o n
r de color blanco, naranja o amarillo.
Figura 3.7: Conexión externa del servo
el servo, la tensión de alimentación puede el de un servo se reduce a indicar su posici
ulo de ubicación del motor depende de la du
r, dependiendo de la marca y modelo utiliz
ra el servomotor Futaba S3003, los valores
s, que posicionan al motor en ambos extre
1,2 ms indica la posición central, y otros v
a posición proporcional a dicha duración.
el caso del motor anteriormente mencionado
lo de posición θ estará dada por la fórmula
t = 0,3 + θ /100
gundos y θ en grados.
52
el cable del terminal
egro; y el del terminal
tar comprendida entren mediante una señal
ación del nivel alto de
ado, tiene sus propios
osibles de la señal en
os de giro (0° y 180°,
alores de duración del
, la duración del pulso
(3)
-
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Tabla 2.1: EJEMPLOS
Du
Para bloquear el servomot
con la posición deseada. D
externas que intenten cam
liberado, y cualquier fuerz
Tabla 2.2: CARACTE
3.2.2.6 Funcionamiento
La modulación por anchur
más empleados para el con
en la que se varía el tiem
(normalmente), con el obje
DE ALGUNOS VALORES USADOS EN U
ración del nivel alto [ms] Ángulo [grados]
0,3 0
1,2 90
2,1 180
0,75 45
r en una posición, es necesario enviarle co
esta forma el servo conservará su posición
iarlo de posición. Si los pulsos no se envía
externa puede cambiarlo de posición fácilm
ÍSTICAS TÉCNICAS DE ALGUNAS MA
el Servo
de pulso, PWM (Pulse Width Modulation),
trol de servos. Este sistema consiste en gene
po que el pulso está a nivel alto, mantenie
tivo de modificar la posición del servo según
53
N SERVOMOTOR
tinuamente una señal
y se resistirá a fuerzas
, el servomotor queda
nte.
CAS DE SERVO
es una de los sistemas
rar una onda cuadrada
do el mismo período
se desee.
-
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54
Figura 3.8: Ancho de pulso
El sistema de control de un servo se limita a indicar en qué posición se debe situar. Esto se
lleva a cabo mediante una serie de pulsos tal que la duración del pulso indica el ángulo de giro
del motor. Cada servo tiene sus márgenes de operación, que se corresponden con el ancho del
pulso máximo y mínimo que el servo entiende. Los valores más generales se corresponden
con pulsos de entre 1 ms y 2 ms de anchura, que dejarían al motor en ambos extremos (0º y180º). El valor1.5 ms indicaría la posición central o neutra (90º), mientras que otros valores
del pulso lo dejan en posiciones intermedias. Estos valores suelen ser los recomendados, sin
embargo, es posible emplear pulsos menores de 1 ms o mayores de 2 ms, pudiéndose
conseguir ángulos mayores de 180°. Si se sobrepasan los límites de movimiento del servo,
éste comenzará a emitir un zumbido, indicando que se debe cambiar la longitud del pulso. El
factor limitante es el tope del potenciómetro y los límites mecánicos constructivos.
Figura 3.9: Ejemplos de posicionamiento de un servo
El período entre pulso y pulso (tiempo de OFF) no es crítico, e incluso puede ser distinto entre
uno y otro pulso. Se suelen emplear valores ~ 20 ms (entre 10 ms y 30 ms). Si el intervalo
-
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entre pulso y pulso es inf
servo, causando un zumbi
entonces el servo pasará
intervalos pequeños.
A continuación se puede o
pulso aplicada:
Figu
rior al mínimo, puede interferir con la tem
o, y la vibración del eje de salida. Si es
estado dormido entre pulsos. Esto provo
Figura 3.10: Periodos entre pulsos
bservar la posición del eje de un servomoto
a 3.11: Otra posibilidad de pulsos de contro
55
porización interna del
ayor que el máximo,
a que se mueva con
r según la anchura del
l
-
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3.2.2.7 Prueba del Servo
Para comprobar el funcion
oscilador en este caso u
funcionamiento de este par
3.2.2.8 Modificación de l
Es posible modificar un se
completos. Esto, sin emba
normal, pues es necesari
reductores se conservan l
velocidad que tenían servo
los motores de corriente co
3.2.2.9 Aplicaciones
En la práctica, se usan ser
palancas, pequeños ascens
supuesto, en robots.
otor
amiento de un servomotor se lo puede hace
555, logrando así determinar los tiemp
a que luego pueda ser programado en un mic
igura 3.12: Circuito de prueba del servo
s Servos
vo motor para eliminar su restricción de gir
rgo, convierte al servo motor en un motor
o eliminar el circuito de control. Debid
ego de la modificación, el motor obtenido
inicial. Además, poseen la ventaja de que tie
ntinua comerciales, lo que los hace útiles par
os para posicionar superficies de control c
res y timones. Ellos también se usan en radi
56
r mediante un circuito
s necesarios para el
rocontrolador.
y permitirle dar giros
de corriente continua
que los engranajes
mantiene la fuerza y
nen menos inercia que
a ciertas aplicaciones.
mo el movimiento de
control, títeres, y por
-
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57
Figura 3.13: Aplicaciones en robótica
3.2.2.10 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.
• Mucha atención en las tierras. La tierra del servo debe concordar con la tierra de la
fuetes y del sistema que envía las ordenes al servo
• Si usas cables demasiado largos para controlar tus servos, es probable que tengas ruido
en los servos, esto ocurre porque mientras más largo es el cable resulta más vulnerable
a ruido electromagnético e incluso es perturbado por señales de otros servos. Esto se
soluciona utilizando cable blindado, solo recuerda aterrizar el blindaje.
• Un servo en operación normal no se debe de calentar.
Siempre que sea posible utiliza fuentes de voltaje separadas para tus servomotores y para
tu electrónica digital. Los servomotores generan bastante ruido hacia su línea de
alimentación. Los servos también envejecen con el uso.
-
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3.2.4 Motores Paso a Pas
3.2.4.1 Introducción
En numerosas ocasiones e
se puede lograr, por ejedeseado es posicionamient
de la velocidad, se puede c
Los motores paso a paso
requieren movimientos mu
La característica principal
por cada pulso que se l
movimientos de tan solo 1200 para el segundo caso (
Estos motores poseen la
totalmente libres. Si una o
la posición correspondien
corriente por ninguna de su
El motor paso a paso est"estator", construida a base
necesario convertir la energía eléctrica en
plo, usando los motores de corriente concon un elevado grado de exactitud y/o una
ntar con una gran solución: utilizar un moto
Figura 3.14: Motores paso a paso
son ideales para la construcción de mec
y precisos.
de estos motores es el hecho de poder mov
e aplique. Este paso puede variar desde
.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en.8°), para completar un giro completo de 36
habilidad de poder quedar enclavados en
más de sus bobinas están energizadas, el mot
e y por el contrario quedará completame
s bobinas.
á constituido esencialmente por dos partesde cavidades en las que van depositadas las
58
nergía mecánica, esto
inua. Pero cuando lomuy buena regulación
r paso a paso.
anismos en donde se
rlos un paso a la vez
90° hasta pequeños
l primer caso (90°) y°.
una posición o bien
or estará enclavado en
te libre si no circula
: a) Una fija llamadabobinas que excitadas
-
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convenientemente formará
giratorio. b) Una móvil, l
mismo número de pares d
este conjunto va montado
libremente.
3.2.4.2 Principio de Funci
Los motores eléctripor un campo electromagn
una o varias bobinas. Si
mantiene en una posició
electromagnético, se coloc
girar sobre su eje, esta últi
orientará sus polos NORT
Cuando el rotor alcanza epolos, aquel tratará de bus
manera continuada, se con
transformación de una ener
Aún basado en el mism
corriente continua, los mot
de motor eléctrico.
n los polos norte-sur de forma que se cree
lamada "rotor" construida mediante un im
polos, que el contenido en una sección de
sobre un eje soportado por dos cojinetes
igura 3.15: Imagen de un estator de 4 bobi
onamiento
cos, en general, basan su funcionamiento eético y creadas al hacer circular una corrien
dicha bobina, generalmente circular y d
mecánica fija y en su interior, bajo la
otra bobina, llamada rotor, recorrida por u
ma tenderá a buscas la posición de equilibri
-SUR hacia los polos SUR-NORTE del es
ta posición de equilibrio, el estator cambiaar la nueva posición de equilibrio; mantenie
seguirá un movimiento giratorio y continuo
gía eléctrica en otra mecánica en forma de m
fenómeno, el principio de funcionamien
ores paso a paso son más sencillos si cabe,
59
un campo magnético
n permanente, con el
la bobina del estator;
que le permiten girar
as
las fuerzas ejercidase eléctrica a través de
nominada estator, se
influencia del campo
a corriente y capaz de
o magnético, es decir,
ator, respectivamente.
la orientación de susndo dicha situación de
del rotor y a la vez la
ovimiento circular.
o de los motores de
ue cualquier otro tipo
-
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La figura 1 intenta ilustrar
que las bobinas L1 como
dichas bobinas sean recor
girar libremente sobre el ej
Paso 1 (a)
Figura 3.16:
Inicialmente, sin aplicar n
fases) y con M en una pos
una fuerza externa.
Si se hace circula corriente
polos magnéticos NORTE
posición indicada en dicha
Si invertimos la polarida
magnética indicada en la
equilibrio, es decir, ha gira
Invirtiendo ahora la polari
habiendo girado M otros 9
en L1, M girará otros 90 gen cuatro pasos de 90 grad
el modo de funcionamiento de un motor p
L2 poseen un núcleo de hierro dulce capa
idas por una corriente eléctrica. Por otra p
de sujeción central.
Paso 2 (b) Paso 3 (c)
Principio de funcionamiento de un motor pa
inguna corriente a las bobinas (que también
ición cualquiera, el imán permanecerá en re
por ambas fases como se muestra en la Figu
en la parte interna, bajo cuya influencia M
figura.
de la corriente que circula por L1 se
Figura 1(b) y M se verá desplazado hasta
o 90 grados en sentido contrario a las aguja
ad de la corriente en L2, se llega a la situa
grados. Si, por fin, invertimos de nuevo el
rados y se habrá obtenido una revolución cs.
60
so a paso, suponemos
de imantarse cuando
arte el imán M puede
Paso 4 (d)
o a paso
reciben el nombre de
oso si no se somete a
ra 1(a), se crearán dos
se desplazará hasta la
obtendrá la situación
la nueva posición de
del reloj.
ión de la Figura 1 (c)
sentido de la corriente
mpleta de dicho imán
-
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Por tanto, si se mantiene la
son aplicadas en forma d
aplicado.
Por lo tanto se puede deciconvierte impulsos eléctric
las características propias d
El modelo de motor paso
para obtener la secuencia
presentando tal circunstanc
controle el motor. Una for
obteniéndose un motor uni
en un único sentido.
Si inicialmente se aplica
generarán dos polos NOR
equilibrio entre ambos co
cierra S3, por la nueva di
representada en la Figura 2
Figura 3.17:
Siguiendo la secuencia rep
avances del rotor de 90 grhacer que el rotor avanc
excitación de cada una de l
secuencia de excitación expuesta para L1 y
e pulsos, el rotor avanzará pasos de 90 g
que un motor paso a paso es un dispositivos en un movimiento rotacional constante y
el motor.
a paso que hemos analizado, recibe el nom
completa, se requiere disponer de corrient
ia un inconveniente importante a la hora de
ma de paliar este inconveniente es la repres
olar de cuatro fases, puesto que la corriente
la corriente a L1 y L2 cerrando los inter
E que atraerán al polo SUR de M hasta en
o puede verse en la Figura 2(a). Si se abre
stribución de polos magnéticos, M evoluci
(b).
Principio básico de un motor unipolar de cu
resentada en la Figuras 2 (c) y (d), de la mi
dos habiendo conseguido, como en el motopasos de 90 grados por la acción de i
as bobinas. En uno y otro caso, el movimien
61
L2 y dichas corrientes
rados por cada pulso
electromecánico quefinito dependiendo de
re de bipolar ya que,
s de dos polaridades,
diseñar el circuito que
entada en la Figura 2,
circula por las bobinas
ruptores S1 y S2, se
contrar la posición de
osteriormente S1 y se
ona hasta la situación
tro fases
ma forma se obtienen
r bipolar de dos fases,pulsos eléctricos de
to obtenido ha sido en
-
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62
sentido contrario al de las agujas del reloj; ahora bien, si las secuencias de excitación se
generan en orden inverso, el rotor girará en sentido contrario, por lo que fácilmente podemos
deducir que el sentido de giro en los motores paso a paso es reversible en función de la
secuencia de excitación y, por tanto, se puede hacer avanzar o retroceder al motor un número
determinado de pasos según las necesidades.
3.2.4.3 Parámetros de los Motores Paso a Paso
Desde el punto de vista mecánico y eléctrico, es conveniente conocer el significado de
algunas de las principales características y parámetros que se definen sobre un motor paso a
paso:
•
Par dinámico de trabajo (Working Torque): Depende de sus característicasdinámicas y es el momento máximo que el motor es capaz de desarrollar sin perder
paso, es decir, sin dejar de responder a algún impulso de excitación del estator y
dependiendo, evidentemente, de la carga.
Generalmente se ofrecen, por parte del fabrican, curvas denominadas de arranque sin error
(pull-in) y que relaciona el par en función el número de pasos.
Hay que tener en cuenta que, cuando la velocidad de giro del motor aumenta, se produce unaumento de la f.c.e.m. en él generada y, por tanto, una disminución de la corriente absorbida
por los bobinados del estator, como consecuencia de todo ello, disminuye el par motor.
• Par de mantenimiento ( Holding Torque): Es el par requerido para desviar, en
régimen de excitación, un paso el rotor cuando la posición anterior es estable ; es
mayor que el par dinámico y actúa como freno para mantener el rotor en una posición
estable dada
•
Para de detención ( Detention Torque): Es una par de freno que siendo propio de los
motores de imán permanente, es debida a la acción del rotor cuando los devanados del
estator están desactivados.
• Angulo de paso (Step angle): Se define como el avance angular que se produce en el
motor por cada impulso de excitación. Se mide en grados, siendo los pasos estándar
más importantes los siguientes:
-
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63/103
• Número de pasos
realizar una revoluc
Donde NP es el númer
• Frecuencia de pas
número de pasos p
• Momento de inerc
gramos por centíme
• Par de manteni
expresados en mili
3.2.4.4 Control de los Mo
Para realizar el control d
determinada de impulsos.
corriente necesaria para qu
bloques de un sistema con
Grados po
0,72º
1,8º
3,75º
7,5º
15º
Tabla 3.1: ÁNGULO DE PASO
or vuelta: Es la cantidad de pasos que ha d
ión completa; evidentemente es
de pasos y α el ángulo de paso.
o máximo ( Maximum pull-in/out): Se d
r segundo que puede recibir el motor funcio
a del rotor: Es su momento de inercia asoc
tro cuadrado.
iento, de detención y dinámico: Defin
ewton por metro.
tores Paso a Paso
los motores paso a paso, es necesario
demás es necesario que estos impulsos sean
e las bobinas del motor se exciten, por lo g
otores paso a paso es el que se muestra en l
r impulso de excitación Nº de pasos po
500
200
96
48
24
63
efectuar el rotor para
fine como el máximo
ando adecuadamente.
iado que se expresa en
idos anteriormente y
enerar una secuencia
capaces de entregar la
neral, el diagrama de
a F