Actuadores

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Actuadores eléctricos - Motores
Servomotores
Un servomotor es básicamente un actuador mecánico que contine
un motor eléctrico y un conjunto de engranajes que permiten
multiplicar el torque del sistema final y tiene la capacidad de ser
controlado, tanto en velocidad como en posición.
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Servomotores
Un servomotor es capaz de ubicarse en cualquier posición dentro de
un rango de operación (generalmente de 180˚) y mantenerse
estable en dicha posición. Los servos se suelen utilizar en robótica,
automatización y modelismo (vehículos por radio control) debido a
su gran precisión en el posicionamiento.
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Servomotores
En general, los servos suelen estar compuestos por 4 elementos
fundamentales:
1. Motor DC: Es el elemento que le brinda movilidad al servo.
Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales, este motor gira
en un sentido a su velocidad máxima. Si el voltaje aplicado sus dos
terminales es inverso, el sentido de giro también se invierte.
2. Engranajes reductores: Tren de engranajes que se encarga de
reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su
capacidad de torque (o par motor).
+
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Servomotores
3. Sensor de desplazamiento: Suele ser un potenciómetro colocado
en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posición
angular del motor.
4. Circuito de control: Es una placa electrónica que implementa un
control de la posición por realimentación. El circuito compara la
señal de entrada de referencia (posición deseada) con la posición
actual medida por el potenciómetro. La diferencia entre la posición
actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor
en la dirección necesaria para reducir el error.
+
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Servomotores
Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor
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Servomotores
Los servos disponen de tres cables:
2 cables de alimentación (positivo y negativo) que suministran un
voltaje 4.8-6V y un cable de control que indica la posición deseada
al circuito de control mediante señales PWM (Pulse Width
Modulation).
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Servomotores
Las señales PWM utilizadas para controlar los servos están formadas
por pulsos positivos cuya duración es proporcional a la posición
deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz).
Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de
movimiento de 90˚, que corresponde a pulsos PWM comprendidos
entre 0.9 y 2.1 ms. Sin embargo, también existen servos que se
pueden mover en un rango extendido de 180˚ y sus pulsos de
control varían entre 0.5 y 2.5 ms.
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Servomotores
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Servomotores
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Servomotores
Antes de utilizar un servo habrá que comprobar experimentalmente
su rango de movimiento para no dañarlo.
Para bloquear el servomotor en una posición es necesario enviarle
continuamente la señal con la posición deseada. De esta forma, el
sistema de control seguirá operando y el servo conservará su
posición y se resistirá a las fuerzas externas que intenten cambiarlo
de posición.
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Servomotores
Supongamos que queremos mover el servo a -45 grados. Para
controlarlo se debe calcular el ancho del pulso:
En -90 grados = 0.5ms, en +90 grados = 2.5ms, por lo que el -45
grados = 1ms.
También es posible dejar de enviar pulsos después que el servo se
ha movido a su posición. Pero, si dejamos de enviar pulsos por más
de 50ms (dependiendo del servo), este podría caerse, lo que
significa que no se estaría aplicando ninguna entrada al motor.
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PWM
Para el control de motores en DC provenientes de
microprocesadores, se utiliza la técnica de modulación por ancho de
pulsos (PWM, pulse width modulation), debido a que la velocidad de
giro es directamente proporcional a una tensión (o voltaje) aplicado.
Esta técnica de modulación modifica el ciclo de trabajo de una señal
periódica, es decir, el ancho relativo de su parte positiva en relación
al período. Cuando mas tiempo pase la señal en estado alto, mayor
será la velocidad del motor.
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PWM
Una señal PWM tiene dos características importantes:
- Frecuencia: Las señales PWM que se utilizan para regular motores
son normalmente ondas cuadradas periódicas de 24V.
24v
Se puede apreciar que la señal se
repite continuamente.
0v
20% ciclo de trabajo
24v
0v
24v
El tiempo de cada repetición (nivel
alto + nivel bajo de señal) se
conoce como periodo de la señal y
el inverso de este tiempo es lo que
se conoce como frecuencia y se
mide en Herz (Hz).
0v
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PWM
- Ciclo de trabajo (duty cycle): La proporción del tiempo que está la
señal a nivel alto con respecto al tiempo que está a nivel bajo en
cada periodo es lo que se conoce como ciclo de trabajo.
Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del motor. Así, un
regulador PWM de velocidad de cualquier motor, lo que hace
realmente para variar la velocidad, es variar el ciclo de trabajo.
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PWM
Manteniendo una frecuencia constante de
la señal de salida de cualquiera de los
puertos de un microcontrolador, podemos
aplicar una variación del tiempo de
duración de la mencionada salida en estado
alto - referencias de color rojo.
De esta manera, si la variación es en
aumento, incrementará el valor promedio
del voltaje aplicado en el dispositivo
conectado - referencias de color verde.
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PWM
El uso de un microcontrolador con modulo de PWM tiene varias
ventajas sobre un circuito analógico, como lo son la precisión y un
mejor control de las variables involucradas; además de espacio y
ahorro de energía.
En caso de controlar cargas mayores, se puede conectar un transistor
de potencia a la salida del microcontrolador, para levantar los 5V de
salida.
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PWM – Código 1
Librería
#include <Servo.h>
Servo miServo;
Puerto Digital
void setup(){
miServo.attach(9);
}
Grados del servomotor (0° a 180°)
void loop(){
miServo.write(0);
}
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PWM – Código 2
Librería
#include <Servo.h>
Variable para almacenar la posición del servo
Servo miServo;
int pos = 0;
Puerto Digital
void setup() {
Va de 0 grados a 180 grados, pasos de 1 grado
miServo.attach(9); }
void loop() {
for (pos = 0; pos <= 180; pos += 1) {
Decirle al servo que vaya a la variable “pos”
miServo.write(pos);
delay(15); }
Va de 180 grados a 0 grados, pasos de 1 grado
for (pos = 180; pos >= 0; pos -= 1) {
miServo.write(pos);
Decirle al servo que vaya a la variable “pos”
delay(15); }
Tiempo-Velocidad
}
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PWM
Hay muchos circuitos analógicos para el uso del PWM, por ejemplo,
los basados en el famoso timer LM555, que por medio de voltaje
hacemos que el pulso cambie su ancho.
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Sensor Ultrasónico
El sensor consta de 4 pines: VCC conectado a la salida de 5V de la
placa, Trig conectado al pin digital de la placa encargado de enviar
el pulso ultrasónico, Echo al pin de entrada digital que recibirá el
eco de dicho pulso y GND a tierra.
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Programa - Sensor Ultrasónico (Arduino)
long distancia;
Activación del pin 12 como salida:
long tiempo;
para el pulso ultrasónico
void setup(){
Activación del pin 11 como entrada:
Serial.begin(9600);
tiempo del rebote del ultrasonido
pinMode(12, OUTPUT);
pinMode(11, INPUT); }
Estabilización del sensor
void loop(){
digitalWrite(12,LOW);
Envío del pulso ultrasónico
delayMicroseconds(5);
digitalWrite(12, HIGH);
Función para medir la longitud
del pulso entrante. Mide el
delayMicroseconds(10);
tiempo que transcurrido entre
el envío del pulso ultrasónico y
tiempo=pulseIn(11, HIGH);
cuando el sensor recibe el
distancia= int(0.017*tiempo);
rebote
Serial.println("Distancia ");
Serial.println(distancia);
Serial.println(" cm");
Fórmula para calcular la distancia
delay(1000); }
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Proyecto de
laboratorio 8
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Proyecto de laboratorio 8
Objetivo:
Diseñar un pequeño robot bípedo que utilice dos servomotores para
el movimiento de sus piernas y un sensor ultrasónico para la
detección de objetos.
Características del sistema:
• El movimiento de las piernas será mediante servomotores.
• El sensor ultrasónico permitirá detectar un objeto; al detectar el objeto,
el robot bípedo deberá esquivarlo y continuar hacia adelante.
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Proyecto de laboratorio 8
Entrega del proyecto:
Tiempo de 1 hora y 30 minutos para entregar el proyecto.
Lunes 14/11 se presentará el primer avance y se aclaran dudas.
Jueves 17/11 se realizará la octava entrega.
Documentación en formato de artículo IEEE a doble columna, entregarla
antes de comenzar la siguiente clase después de presentar el proyecto.
• Documentación sin haber aprobado la entrega, no se acepta.
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