Motores y Sensores en Robótica Proyecto de Grado 2003



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Motores y Sensores en Robótica

Proyecto de Grado 2003

Página de



Construcción de Robots a Bajo Costo



Motores y Sensores en Robótica
Motor Paso a Paso, Servo, Motores DC, Sensores analógicos, Sensores digitales.

Germán López y Santiago Margni



http://www.fing.edu.uy/~pgconrob

pgconrob@fing.edu.uy

Tutores


Ing. Gonzalo Tejera.

Ing. Carlos Martinez.


Universidad de la República Oriental del Uruguay

Facultad de Ingeniería

Proyecto de Grado 2003


Resumen

El presente informe brinda una introducción a los temas motor de corriente continua, servo motor o motor paso a paso, sensores analógicos y sensores digitales, componentes relevantes a la hora de construir un robot móvil.


El documento integra el estado del arte del proyecto de grado: Construcción de Robots a Bajo Costo.

Tabla de Contenido

Introducción a los motores 5

Motor de corriente continua (DC) 5

Componentes de un motor DC 5



Ejemplos de circuitos Driver para un motor DC 7

Control mediante H-Bridge con regulador de velocidad: 7

Control mediante microrelés: 9

Servo Motor 11

Componentes de un servo motor 11

Tipos de servo motor 12

Ejemplo de un circuito Driver para un Motor P – P Bipolar 13

Ejemplo de un circuito Driver para un Motor P – P Unipolar 13

Secuencias para manejar Motores P – P Bipolares 14

Secuencias para manejar Motores P – P Unipolar 14

Recomendaciones 17

También se incluye en el Apéndice A.3 un método práctico para determinar el consumode corriente de las bobinas de un motor de paso. 17

Servo 17

Componentes de un servo 17

Modo de trabajo de un servo 18

Cómo se debe comunicar el ángulo a cual el servo debe posicionarse 18



Ejemplo de un circuito Driver del Servo 19

Sensores en Robótica 20

Introducción: 20

Valores de salida de los sensores: 20

Conversión Analógica / Digital: 20

Sensores Analógicos mas frecuentes 21

Fotorresistencia: 21

Potenciómetros: 21

Sensores Digitales de uso general 22

Switch o llaves: 22

Microswitch: 23

Sensores infrarrojos optoacoplados: 23

Sensor de Efecto Hall 25

Bibliografía y Referencias 26

Apéndice A.1 – Glosario 27

Apéndice A.2 – Cableado en Motores P – P 28

Identificando los cables en Motores P – P Unipolares 28

Identificando los cables de las bobinas (A, B, C y D) 28



Identificando los cables en Motores P – P Bipolares 29

Apéndice A.3 – Consumo de Motores P - P 30

Consumo de los Motores de Paso 30

Método práctico para determinar el consumo de las bobinas 30





Índice de Figuras


Figura 01: Frente y dorso de un rotor. 7

Figura 02: Estator. 8

Figura 03: Control mediante H-Bridge con regulador de velocidad. 9

Figura 04: Control mediante microrelés. 11

Figura 05: Un servo motor 13

Figura 06: Rotor. 13

Figura 07: Estator de 4 bobinas. 14

Figura 08: Motor P -P Bipolar y Motor P – P Unipolar 14

Figura 09: Control de un Motor P – P Bipolar a través de puentes H-Bridge. 15

Figura 10: Control de un Motor P – P Unipolar a través de un ULN2803. 15

Figura 11: Un servo desmontado. 19

Figura 12: Duración del pulso y ángulo del eje 20

Figura 13: Circuito Driver del Servo. 21

Figura 14: Fotorresistencia. 23

Figura 15: Potenciómetro. 24

Figura 16: Switch. 24

Figura 17: Microswitch. 25

Figura 18: Infrarrojo optoacoplado reflectivo. 26

Figura 19: Infrarrojo optoacoplado de ranura. 26

Figura 20: Sensor de efecto Hall. 27

Figura 21: Motor P-P con 5 cables de salida. 30

Figura 22: Motor P-P con 6 cables de salida. 30



Índice de Tablas


Tabla 01: Tabla de control con H-Bridge. 10

Tabla 02: Tabla de control con relé. 12

Tabla 03: Secuencia de control de Motores P – P Bipolares. 16

Tabla 04: Secuencia Normal para Motores P – P Unipolares. 16

Tabla 05: Secuencia del tipo wave drive para Motores P – P Unipolares. 17

Tabla 06: Secuencia del tipo medio paso para Motores P – P Unipolares. 18

Tabla 07: Tabla de conversor A/D. 22

Tabla 08: Identificación de los cables de las bobinas (A, B, C y D). 31

Tabla 09: Tabla de consumo de distintos motores de paso. 32


Introducción a los motores


Básicamente existen dos tipos de micromotores que se utilizan en robótica. Los motores de corriente continua o motores de corriente directa y los servo motores o motores paso a paso (stepper motors). En la secciones siguientes se detallan los componentes que integran cada uno de ellos, el uso típico que se les da a la hora de construir robots y ejemplos del circuito de control de los mismos.

Motor de corriente continua (DC)


Los micromotores DC (Direct Current) o también llamados CC (Corriente Continua) son muy utilizados en robótica. Los hay de distintos tamaños, formas y potencias, pero todos se basan en el mismo principio de funcionamiento.
Accionar un motor DC es muy simple y solo es necesario aplicar la tensión de alimentación entre sus bornes. Para invertir el sentido de giro basta con invertir la alimentación y el motor comenzará a girar en sentido opuesto.
A diferencia de los motores paso a paso y los servomecanismos, los motores DC no pueden ser posicionados y/o enclavados en una posición específica. Estos simplemente giran a la máxima velocidad y en el sentido que la alimentación aplicada se los permite.

Componentes de un motor DC


El motor de corriente continua está compuesto de 2 piezas fundamentales:


  • Rotor

  • Estator



El Rotor


Constituye la parte móvil del motor, proporciona el torque para mover a la carga.

Figura 01: Frente y dorso de un rotor.


Está formado por:


  • Eje: Formado por una barra de acero fresada. Imparte la rotación al núcleo, devanado y al colector.

  • Núcleo: Se localiza sobre el eje. Fabricado con capas laminadas de acero, su función es proporcionar un trayecto magnético entre los polos para que el flujo magnético del devanado circule.

  • Devanado: Consta de bobinas aisladas entre sí y entre el núcleo de la armadura. Estas bobinas están alojadas en las ranuras, y están conectadas eléctricamente con el colector, el cual debido a su movimiento rotatorio, proporciona un camino de conducción conmutado.

  • Colector: Denominado también conmutador, está constituido de láminas de material conductor (delgas), separadas entre sí y del centro del eje por un material aislante, para evitar cortocircuito con dichos elementos. El colector se encuentra sobre uno de los extremos del eje del rotor, de modo que gira con éste y está en contacto con las escobillas. La función del colector es recoger la tensión producida por el devanado inducido, transmitiéndola al circuito por medio de las escobillas (llamadas también cepillos).



El Estator


Constituye la parte fija de la máquina. Su función es suministrar el flujo magnético que será usado por el bobinado del rotor para realizar su movimiento giratorio.

Figura 02: Estator.


Está formado por:


  • Armazón: Denominado también yugo, tiene dos funciones primordiales: servir como soporte y proporcionar una trayectoria de retorno al flujo magnético del rotor y del imán permanente, para completar el circuito magnético.

  • Imán permanente: Compuesto de material ferromagnético altamente remanente, se encuentra fijado al armazón o carcaza del estator. Su función es proporcionar un campo magnético uniforme al devanado del rotor o armadura, de modo que interactúe con el campo formado por el bobinado, y se origine el movimiento del rotor como resultado de la interacción de estos campos.

  • Escobillas: Las escobillas están fabricadas de carbón, y poseen una dureza menor que la del colector, para evitar que éste se desgaste rápidamente. Se encuentran albergadas por los portaescobillas. Ambos, escobillas y portaescobillas, se encuentran en una de las tapas del estator. La función de las escobillas es transmitir la tensión y corriente de la fuente de alimentación hacia el colector y, por consiguiente, al bobinado del rotor.



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