Sistemas Embebidos

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Electrónica analógica y digital: El corazón de los sistemas autónomos.

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C, C++, Java, Verilog, VHDL, Object Pascal, PHP, etc... Lenguajes que describen Hardware y Software inteligente.

Mecatrónica

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Mecánica, Electrónica y Diseño de Software conjugados para crear nuevos dispositivos.

Artículos de la categoría Memoria

Introducción

El transporte es uno de los temas que ha cobrado gran relevancia en las ciudades modernas, producto de los problemas generados por el aumento de población, los atochamientos y la polución producida por los vehículos. Para resolver estos problemas se han impulsado diversas iniciativas que van desde las más clásicas, como el incentivo al uso de bicicletas y el transporte público, hasta las más sofisticadas, como el uso de nuevos vehículos pequeños y no contaminantes.

Entre los vehículos de estas características, destaca uno de tipo autobalanceado (capaz de mantener el equilibrio gracias a un sistema de control) conformado por una pequeña plataforma apoyada sobre dos ruedas laterales. El usuario ubica sus pies sobre la plataforma, la cual se equilibra gracias a la acción de los motores acoplados a las ruedas, realizando una acción de control similar a la del péndulo invertido. De esta manera, una ligera inclinación hacia adelante del usuario generará una acción de control que moverá al vehículo completo en esa dirección, realizando así la función de transporte.

El interés por el desarrollo de este tipo de vehículos se basa en: su tamaño, el cual le permite circular de manera amigable con otros transeúntes, sin requerir mayor infraestructura que la disponible para el uso de una silla de ruedas; su naturaleza es no contaminante por tratarse de un vehículo eléctrico; el funcionamiento silencioso del mismo y la facilidad de manejo, ya que carece de palancas, botones o mandos complicados para avanzar y retroceder.

Existe un único fabricante de este tipo de vehículos de manera comercial, la empresa Segway Inc. [1], cuyos productos poseen un alto precio como para ser usados masivamente. Este hecho, sumado a diversas iniciativas en distintos lugares del mundo para replicar esta tecnología, motiva el interés por desarrollar un vehículo autobalanceado en nuestro país, a un costo razonable y con prestaciones similares a la versión comercial.

Antecedentes

Durante el año 2009 se desarrolló el primer vehículo autobalanceado en Chile, diseñado y construido por el estudiante Leonardo Moreno [2]. Para ello se realizó un análisis y modelación de las características dinámicas del sistema, con el objetivo de obtener la información necesaria para generar una estrategia de control que permitiera el funcionamiento exitoso del vehículo. Posteriormente se abordaron las etapas de diseño e implementación de las distintas partes que componen el vehículo, como la electrónica de potencia, electrónica digital y aspectos mecánicos, entre otros.

El prototipo logró ser funcional en el sentido de que permitía a una persona transportarse de un lugar a otro, evitando obstáculos, con un nivel básico de maniobrabilidad. Además, el proyecto se realizó con costos razonables para un vehículo de estas características, lo que mostró que es factible realizar este tipo de diseños en Chile con resultados exitosos. Sin embargo, la curva de aprendizaje para la conducción del vehículo no fue la esperada, ya que se buscaba obtener resultados similares al Segway [1], que requiere de unos 5 minutos de práctica para manejarlo con comodidad. En este caso, eran necesarios alrededor de 30 minutos de práctica para poder manejarlo de forma segura y controlada, ya que una parte no menor del equilibrio dependía de la habilidad del usuario.

Se atribuyó gran parte de los problemas asociados al equilibrio del sistema a la Unidad de Medición Inercial (IMU), en particular, al giróscopo, el cual requería una constante corrección que no siempre funcionaba adecuadamente generando, en algunos casos, respuestas vigorosas que desestabilizaban al usuario. En consecuencia, se propuso el reemplazo de la unidad IMU por otra de mejor tecnología.

Respecto del control implementado, a pesar de tener un fundamento teórico desarrollado, su funcionamiento se basa más en la experimentación y calibración, por medio de ajustes de parámetros y curvas de comportamiento según las pruebas realizadas.

En conclusión, se construyó un vehículo funcional, con gran potencial pero aún con varios aspectos mejorables. El presente trabajo aborda dichos aspectos, continuando con el desarrollo del mismo vehículo, con el fin de permitir que pueda ser usado de forma más sencilla, segura y confiable.

Objetivos Generales y Específicos

Con el trabajo de esta memoria se persiguen los siguientes objetivos generales:

  • Mejorar el desempeño electrónico del vehículo previamente diseñado, en cuanto a eficiencia, seguridad y confiabilidad.
  • Aplicar una estrategia de control adecuada, que mejore la percepción del usuario y facilite el aprendizaje en la fase de conducción.
  • Mejorar la Unidad de Medición Inercial, instalando un nuevo giróscopo y filtrando apropiadamente las señales de entrada.
  • Dejar el vehículo convenientemente modificado para facilitar futuros desarrollos.

A partir de los objetivos generales mencionados anteriormente, se definen los siguientes objetivos específicos:

  • Consolidar en un diseño definitivo las modificaciones, reparaciones y mejoras realizadas durante el trabajo anterior, las que permitieron hacer del vehículo un prototipo funcional.
  • Incorporar medidas de protección que minimicen la posibilidad de fallas en la electrónica. En particular se debe evitar que los transistores de los puentes H reciban señales de encendido que puedan generar un cortocircuito.
  • Utilizar técnicas para la minimización de ruido electrónico en las señales del sistema.
  • Reducir los tiempos de conmutación de la electrónica de potencia, para así aumentar su eficiencia.
  • Construir una nueva unidad IMU independiente de la tarjeta de control, con instrumentos de mejor tecnología e interfaz digital.
  • Implementar una estrategia de control proporcional derivativa para la inclinación del vehículo de manera más sistemática, capaz de mantener la estabilidad y permitir su operación de manera sencilla.
  • Implementar técnicas de filtrado digital de las señales recibidas para mejorar la estimación de las variables físicas.
  • Generar un software de control de fácil intervención, utilizando un esquema modular, que facilite trabajos futuros en cuanto a estrategia de control. Además de incorporar un sistema de comunicación adecuado para el monitoreo del sistema en tiempo real.

Motor de Corriente Continua

El motor de corriente continua (C.C.) es la máquina eléctrica más antigua empleada en aplicaciones de potencia y tracción. Su sencillo principio de funcionamiento y gran versatilidad han permitido que siga vigente hasta nuestros días, a pesar de ser constructivamente más complejo que las máquinas de corriente alterna más modernas. Su velocidad fácilmente controlable, posibilidad de girar en ambos sentidos y capacidad de altos torques de partida, lo hacen ideal para aplicaciones de tracción.

El funcionamiento del motor de C.C. se basa en la fuerza generada por la interacción de un campo magnético inmóvil y uno generado por una bobina móvil, montada sobre un eje de rotación. La bobina móvil es alimentada a través de un sistema de escobillas y delgas para invertir la dirección de la corriente y, por consiguiente, el sentido del campo magnético generado, logrando que el torque resultante sea siempre favorable al sentido de giro (Figura 2.1a) como se menciona en Vargas 2006 [3]. En la Figura 2.1b se muestra la bobina dentro de un campo magnético fijo de dirección horizontal.

Figura 2.1: (a) Bobina elemental del motor de C.C. dispuesta sobre un eje de giro y alimentada a través de las escobillas. (b) Bobina montada en un rotor dentro de un campo magnético fijo cuya dirección es perpendicular al eje de giro.

El campo magnético de dirección fija generado por el estator puede ser producido por imanes permanentes, como en la Figura 2.1, o bien por otro enrollado.

Figura 2.2: Circuito equivalente de un motor C.C.

El circuito equivalente del motor C.C., mostrado en la Figura 2.2, se divide en dos partes: El circuito de excitación (izquierda) que genera el campo magnético inmóvil al que se expone el rotor; y el circuito motriz (derecha) en el que se representa al rotor (o armadura) como una fuente de tensión Ea.

La interacción entre ambos circuitos queda descrita por las siguientes ecuaciones:

donde Ea es el voltaje de armadura, G es un parámetro de la máquina llamado inductancia rotacional, ωr es la velocidad de giro del rotor y T es el torque generado. Finalmente Ic e Ia son las corrientes de excitación y de armadura, respectivamente.

Al ser Ra relativamente pequeña, se puede ver que la velocidad de giro depende fuertemente del voltaje de armadura Ea y de la corriente de excitación Ic. Sin embrago, para este trabajo se utilizan motores de imanes permanentes, por lo que el término Ic se considera constante.

El torque generado es directamente proporcional a la corriente de armadura, mientras que la presencia de Ra imposibilita un control directo y preciso de velocidad a través del voltaje aplicado a la armadura a pesar de su fuerte dependencia.

Control de Velocidad de Motores C.C.

Como se señaló anteriormente, existe una fuerte dependencia entre la velocidad del motor de corriente continua y el voltaje aplicado en sus terminales, sobre todo para el caso de imanes permanentes. Es por esto que, para controlar este tipo de motores, se busca construir fuentes de tensión variables continuamente.

La solución más sencilla es el uso de reóstatos para controlar el voltaje. Sin embargo, este componente limita fuertemente la corriente, además de disipar potencia innecesariamente, con la consiguiente alteración de las características de torque de la máquina.

Alternativamente, se pueden usar convertidores electrónicos para conseguir un control mucho más eficiente y versátil. Típicamente se utilizan circuitos reductores de voltaje o step-down para regular la velocidad de este tipo de motores, como el mostrado en la Figura 2.3, cuyo control de voltaje se realiza por medio de modulación de ancho de pulso (PWM) de la señal de encendido del transistor T1, el cual opera como interruptor, permitiendo el paso de corriente y cortándolo abruptamente a alta frecuencia, como se describe en Rashid 2001 [4].

Figura 2.3: Circuito reductor de voltaje aplicado al control de velocidad de un motor C.C.

Dada la naturaleza inductiva de los enrollados del motor, es necesario incorporar un diodo en paralelo con éste para permitir la circulación de corriente durante el tiempo en que el transistor no conduce, así se evitan sobretensiones potencialmente peligrosas. Finalmente, el condensador es capaz de proveer altas corrientes por cortos períodos de tiempo para el arranque y además estabiliza el voltaje Ve suprimiendo transientes.

La modulación de ancho de pulso consiste en el control del tiempo en que el transistor T1 conduce respecto al tiempo durante el cual está apagado para una frecuencia de conmutación fija. Se define el ciclo de trabajo como:

donde ton es el tiempo en que el transistor conduce y toff es el tiempo en que no conduce. T es el período de conmutación.

Luego, el voltaje medio en el motor (Vs) está dado por:

El control del ciclo de trabajo se puede realizar por medio de circuitos analógicos o digitales, permitiendo además la implementación de lazos de control para conseguir, por ejemplo, regular la corriente para obtener un torque deseado sin importar la velocidad.

Puente H

Circuitos como el de la Figura 2.3 permiten un control fluido y eficiente de la velocidad de un motor de corriente continua. Sin embargo, restringen el sentido de giro al proveer corriente únicamente en una dirección.

Para superar esta limitación, se utiliza un circuito llamado Convertidor de Puente Completo o Puente H, según lo presentado por Mohan 2003 [5], el cual utiliza la misma técnica de modulación de ancho de pulso (PWM) en una estructura de puente que permite la conducción en ambos sentidos, tal como se muestra en la Figura 2.4.

Figura 2.4: Circuito esquemático de un puente H.

En esta configuración, al encender T1 y T4 simultáneamente, se obtiene conducción en un sentido, mientras que al encender T2 y T3 simultáneamente se obtiene conducción en el sentido opuesto. Los diodos adosados a los transistores permiten la conducción cuando están todos los transistores abiertos.

Cabe destacar que encender simultáneamente T1 y T3, así como T2 y T4 producen un peligroso cortocircuito que debe ser evitado.

El uso de PWM en el encendido de los transistores permite controlar la velocidad del motor, tal como en el caso presentado en el artículo sobre el control de velocidad de motores C.C.

Transistores MOSFET como interruptores de potencia

Los transistores MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) son utilizados masivamente como conmutadores gracias a sus características de tamaño, facilidad de uso y bajo consumo de energía, lo cual los convierte en el ladrillo constructor de los circuitos integrados digitales de hoy en día, estando presentes en prácticamente todos los dispositivos electrónicos, según lo mencionado por Brews 2000 [6]. Dichas características también los hacen idóneos para aplicaciones de potencia, en que se requiere gran capacidad de corriente y conmutaciones veloces.

Figura 2.5: Representación de un transistor MOSFET canal N.

Un MOSFET es un dispositivo semiconductor de tres terminales denominados fuente (source), compuerta (gate) y drenador (drain) como se describe en Brews 2000 [6]. La representación de la Figura 2.5 muestra la conformación general de un ejemplar canal N, el cual se construye sobre un sustrato semiconductor con dopaje tipo P, en que se crean, mediante difusión, dos zonas con dopaje n+. Sobre la región que se encuentra entre ellas se ubica la compuerta, un contacto eléctrico aislado del semiconductor por medio de una capa de óxido de silicio. Típicamente, el sustrato se cortocircuita a la fuente.

Al aplicar un voltaje positivo entre la fuente y la compuerta no se produce conducción entre ellos, pues la compuerta está físicamente aislada del semiconductor. Sin embargo, si se aplica una tensión positiva en la compuerta (respecto a la fuente, que está cortocircuitada con el sustrato), se produce una acumulación de electrones producto de la atracción eléctrica generada por esta diferencia de potencial. Si este voltaje es lo suficientemente grande, la acumulación de electrones forma un canal que une ambas zonas de tipo N, donde los portadores mayoritarios son los electrones, permitiendo así la conducción eléctrica entre el drenador y la fuente. Es claro que al quitar el voltaje entre la compuerta y la fuente (VGS), la conducción desaparece inmediatamente al desaparecer el canal.

De lo anterior se deduce que el tamaño del canal dependerá fuertemente del nivel de tensión aplicado a la compuerta, ya que mientras mayor sea, más electrones habrá en el canal, condicionando así la corriente que puede circular. Además, existe un efecto capacitivo de influencia no menor en muchos casos, producto de la aislación con óxido de silicio, el cual puede ser crítico para alcanzar conmutaciones rápidas.

Estas características le dan al MOSFET su excelente desempeño en cuanto a velocidad de conmutación y bajas pérdidas, pero hacen necesario el estudio de los fenómenos involucrados para el diseño de un adecuado circuito de encendido.

Resistencia de Conducción

Al estar encendido, el MOSFET presenta un comportamiento resistivo entre el drenador y la fuente, el cual se define por el parámetro RDS, cuyo valor varía según las condiciones de operación.

Figura 2.6: Características de salida del transistor IXTH130N10T [7]

La Figura 2.6 muestra la relación entre la corriente de drenador (ID) y el voltaje entre el drenador y la fuente (VDS) del transistor IXTH130N10T de IXYS Corporation [7], para diferentes valores de tensión en la compuerta (VGS). La pendiente de la curva define la resistencia RDS. Para un valor dado de VGS se observa un comportamiento lineal, es decir resistivo, hasta el punto en que el canal formado se ocupa a plena capacidad, limitando la corriente y aumentando la potencia disipada por el transistor.

Debido a lo anterior, es fundamental la aplicación de una tensión de compuerta apropiada para la corriente que se requiere, de modo de minimizar las pérdidas de conducción.

Otro factor a considerar, para determinar las tensiones usadas en los disparos de un MOSFET, es el voltaje de umbral en la compuerta. Dicho umbral corresponde a la tensión mínima necesaria para formar el canal, por lo que una señal de apagado debe estar bajo este umbral y una de encendido sobre el mismo.

Velocidad de Conmutación

Las capacidades parásitas presentes entre la compuerta y los otros dos terminales del transistor condicionan la velocidad de encendido, ya que para alcanzar la diferencia de potencial capaz de formar el canal deseado, es necesario entregar una cierta cantidad de carga. El tiempo que tarde en acumularse dicha carga determinará el tiempo de conmutación del MOSFET.

Figura 2.7: Carga de la compuerta del transistor IXTH130N10T [7]

En la Figura 2.7 se muestra la tensión de compuerta alcanzada según la cantidad de carga entregada para un transistor en particular. Dicho valor se vincula con la velocidad de conmutación a través de la siguiente relación:

luego, para alcanzar cierto nivel de carga (QG) en un intervalo definido de tiempo (Δt), el circuito de encendido debe ser capaz de entregar una corriente de conmutación (Icon) tal que se cumpla la ecuación.

Una vez alcanzado el voltaje deseado en la compuerta, no se requiere más flujo de corriente para mantener el canal, exceptuando pequeñas corrientes de fuga, debido a la aislación eléctrica del óxido de silicio.

Para cumplir con estas especificaciones, existe en el mercado una gran variedad de circuitos de disparo o drivers, los cuales están diseñados para proporcionar estas altas corrientes por pequeños períodos y mantener la tensión de compuerta en un valor apropiado, según lo expuesto por Rashid 2001 [4].

Uso en Paralelo de Transistores MOSFET

En las aplicaciones de potencia, la utilización de transistores MOSFET en paralelo tiene por objetivo distribuir la corriente a través de ellos, reduciendo así las pérdidas de conducción, mejorando las características térmicas y permitiendo el uso de transistores más pequeños y económicos. Sin embargo, es necesario considerar algunos fenómenos que pueden presentarse con esta configuración, capaces de anular sus ventajas o incluso generar una falla importante.

El primer aspecto a tomar en cuenta es el balance de las características eléctricas, tanto de los semiconductores como del circuito del cual forman parte, puesto que, si bien la igualdad de voltajes está asegurada por la conexión en paralelo, esto no es necesariamente cierto durante los transientes, debido a las inductancias parásitas presentes en el circuito que pueden estar desbalanceadas [8].

Durante el apagado, un desbalance en las inductancias en serie de los respectivos dreanadores puede producir diferencias de tensiones importantes, con el consiguiente riesgo de sobretensión en el drenador de uno de los transistores. Debido a lo anterior, es fundamental reducir a un mínimo las inductancias, tanto en los colectores como en las fuentes de los transistores.

Uno de los métodos efectivos para reducir estas inductancias es el uso de un bus laminado, compuesto por sucesivas capas de cobre aisladas entre sí, cada una de las cuales constituye un nodo del circuito de potencia, como se describe en Allocco 1998 [9]. A través de perforaciones correctamente ubicadas y alineadas, se conectan a estas placas los componentes electrónicos, reduciendo al mínimo la inductancia del nodo gracias a la gran superficie de cobre. Adicionalmente, el apilamiento de las láminas favorece un diseño compacto y robusto.

Figura 2.8: Diagrama de conexión para dos transistores en paralelo.

En la Figura 2.8 se muestra un corte transversal de las conexiones para dos MOSFET en paralelo. El número de láminas de cobre dependerá de los nodos directamente conectados a los transistores, en este caso cuatro, pues corresponde a un puente H cuyos nodos son los dos de alimentación y los dos de salida.

Aplicado a la construcción de un puente H, el bus laminado reduce además la inductancia entre el banco de condensadores y los transistores (ver Figura 2.4). Esto contribuye a minimizar las sobretensiones que se pueden generar producto de los cortes abruptos en la conducción de los MOSFET.

Con las inductancias parásitas debidamente manejadas, aún es posible que se presente un comportamiento anómalo al momento del encendido de los transistores. Esto se debe a que la conexión en paralelo puede generar un camino de baja impedancia para una frecuencia de resonancia, determinada por las características de los transistores y sus conexiones, tal como se muestra en la Figura 2.9 [10].

Figura 2.9: Circuito equivalente de dos MOSFET conectados en paralelo. Se muestra el camino de baja impedancia para valores pequeños de resistencia de compuerta.

La existencia de este camino de baja impedancia puede generar oscilaciones parásitas durante el encendido o el apagado, las cuales son de muy alta frecuencia, típicamente en el rango de los 50 MHz a 250 MHz. Dicha oscilación es inaceptable ya que puede causar sobretensiones en la compuerta, emisión de ruido de radio frecuencia, altas pérdidas de conmutación e incluso oscilaciones incontrolables que pueden derivar en la destrucción de los semiconductores [10].

Este fenómeno puede ser de naturaleza sumamente intermitente, dependiendo fuertemente de las condiciones del circuito del cual son parte los transistores, incluso las puntas de prueba pueden eliminarlo, dificultando su detección. Es por esta razón que resulta indispensable considerarlo al momento de diseñar los circuitos de disparo para dispositivos que utilicen esta configuración [10].

El incremento de la resistencia de compuerta para cada transistor (RG1 y RG2 en la Figura 2.9) amortigua eficazmente las oscilaciones. Desafortunadamente esto también reduce la velocidad de las conmutaciones, por lo que es posible que una resistencia capaz de eliminar las oscilaciones genere pérdidas de conmutación inaceptablemente altas.

El uso de un núcleo de ferrita, combinado con una resistencia en cada compuerta, es capaz de eliminar la oscilación minimizando las pérdidas de conmutación, ya que la impedancia del núcleo de ferrita es directamente proporcional a la frecuencia. El ancho de banda de la señal de encendido en la compuerta es de alrededor de 2MHz, mientras que las oscilaciones parásitas usualmente se encuentran entre los 50MHz y los 150MHz. Luego, la impedancia del núcleo de ferrita es de 25 a 125 veces mayor para las oscilaciones parásitas, que para la señal de encendido [10].

Unidad de Medición Inercial (IMU)

Una Unidad de Medición Inercial o IMU (por las siglas en inglés de Inertial Measurement Unit) es un dispositivo electrónico cuyo objetivo es obtener mediciones de velocidad, rotación y fuerzas gravitacionales en forma autónoma. Se utilizan como componentes fundamentales en los sistemas de navegación de barcos, aviones, helicópteros, misiles o cualquier móvil en que sea necesario estimar estas mediciones, sin la posibilidad de utilizar referencias externas o mediciones directas (Por ejemplo, en el caso en que no se cuente con odometría o dicha información sea insuficiente para estimar las variables de interés).

Típicamente, una IMU está compuesta por un conjunto de acelerómetros y giróscopos, que obtienen datos de uno o más ejes ortogonales (dependiendo de los requerimientos del sistema), enviándolos a algún sistema computarizado que realiza los cálculos necesarios para obtener las estimaciones de aceleración y velocidad de rotación requeridas.

Debido a que el vehículo es un sistema que esencialmente pivota libremente en un eje horizontal, es indispensable contar con una unidad IMU para estimar dicho ángulo de rotación y aplicar una acción de control adecuada para mantener la estabilidad.

Evaluación Técnica Inicial

Al momento de iniciar el presente trabajo, se contaba con el vehículo completamente armado y funcional, permitiendo evaluar su estado y así tener una línea base de comparación para los cambios que se hicieron posteriormente. Sólo fueron necesarias reparaciones menores y un pequeño mantenimiento para someterlo a un intensivo programa de pruebas. En la Figura 3.1 se muestra al vehículo en su estado inicial.

Figura 3.1: Estado inicial del vehículo.

En conjunto con el programa de pruebas con usuarios, al que fue sometido el vehículo, se profundizó en los aspectos técnicos relativos a la electrónica y la estrategia de control que inicialmente disponía el vehículo.

Aspectos Mecánicos

Los componentes electrónicos, las baterías y los motores del vehículo están contenidos en un esqueleto de pletina de acero soldado. Dicho esqueleto fue diseñado para quedar completamente dentro del diámetro de las ruedas, para así proteger los componentes electrónicos ante un eventual impacto.

Al inicio de este trabajo, el esqueleto de acero ya cumplía su función al brindar una estructura sólida y confiable para el montaje de los diversos componentes. En la fotografía de la Figura 3.2 se puede ver el estado inicial de la estructura de acero. Se quitaron las baterías y los motores del vehículo, con el objetivo de apreciar de mejor manera la electrónica en su interior.

Figura 3.2: Estado inicial del esqueleto de acero.

Se aprecia que el metal se encontraba sin pintura, de un color opaco, con visibles y notorios cordones de soldadura, lo cual indica que luego de la fabricación y ensamblaje no se alcanzó a dar tratamiento alguno al metal. Como consecuencia de lo anterior, también existían algunas puntas potencialmente cortantes y virutas resultantes de las perforaciones, lo cual constituía riesgo de lesiones para quien trabajase en él.

El control de dirección se realizaba mediante el giro de un manillar ubicado en la parte superior del mando de dirección. El peso de dicho mecanismo, sumado a su ubicación en la parte más alta del vehículo, inclinaba naturalmente todo el equipo hacia adelante, produciendo el avance espontáneo del vehículo cuando se encontraba encendido y sin pasajero, puesto que el controlador buscaba estabilizar el peso de la parte superior.

Tarjeta de Control

Toda la operación del vehículo era manejada por una tarjeta de control, la cual usa un DSP perteneciente a la familia C2000 de Texas Instruments como procesador central, específicamente el modelo TMS320F2808 [12]. Dicho dispositivo, orientado específicamente al control de motores y sistemas de potencia, posee módulos capaces de generar PWM por hardware, conversores análogo-digital, módulos de comunicaciones y otros periféricos que permiten realizar una gran variedad de tareas en tiempo real. La CPU es de punto fijo, con una frecuencia de reloj de 100MHz.

Figura 3.3: Diagrama de bloques de la tarjeta de control original [2].

La Figura 3.3 muestra un diagrama de bloques de la tarjeta de control original. En ella está el DSP antes mencionado, así como la unidad IMU (Inclinómetro y Giróscopo). También posee la electrónica necesaria para enviar los pulsos generados por los módulos PWM a los puentes H, diversos puertos de comunicaciones, entradas analógicas y de encoders para medir la velocidad de los motores. Destaca también una conexión USB realizada a través de un circuito integrado conversor USB a Serial, que permite una lectura directa desde un computador.

En general, la tarjeta de control cumplía su función sin grandes problemas. Sólo fue necesario reparar algunas soldaduras y verificar las conexiones para la realización de pruebas iniciales.

Puentes H

Los dos puentes H que controlaban la operación de los motores funcionaban correctamente al inicio de este trabajo. Sin embargo, este estado se logró luego de varias iteraciones posteriores al diseño inicial, durante el desarrollo del trabajo de Moreno [2], en las que se realizaron los siguientes cambios:

  • Los transistores de la parte inferior del puente H (Figura 2.4) no contaban con drivers adecuados para su encendido, por lo que fueron agregados en un circuito adicional a la tarjeta electrónica.
  • El diseño original de la tarjeta no consideraba los diodos supresores de transiente incorporados posteriormente. Éstos se encontraban soldados por encima de los componentes de la tarjeta y aislados con silicona.
  • Las tarjetas no disponían de un circuito para medir la corriente entregada a los motores. En su lugar se instalaron sensores de corriente directamente a los cables, sin un soporte firme y con conexiones susceptibles al ruido electrónico inducido por la operación de los transistores.
  • Cada puente H cuenta con una inductancia, cuyo objetivo es filtrar la corriente de entrada, que inicialmente se encontraba sujeta junto a la tarjeta electrónica conectada con cables.

Adicionalmente, se observó que los circuitos de disparo no incorporaban ningún tipo de protección para evitar un encendido accidental que podría generar un corto circuito, dejando el sistema expuesto a importantes fallas de existir algún problema de software o de conexiones.

Se estudió también el desempeño de los puentes H en cuanto a tiempos de conmutación, con el fin de determinar la necesidad de cambios en la electrónica de disparo.

Durante el tiempo que duran las conmutaciones, los transistores disipan gran cantidad de potencia puesto que, tanto tensiones como corrientes son mayores que cero. Es por este motivo que la reducción de este tiempo impacta sensiblemente en el comportamiento térmico del dispositivo.

Para estos puentes H se midió el voltaje compuerta-fuente en los MOSFET mientras los motores eran accionados. Los resultados se encuentran especificados en la Figura 3.4.

Figura 3.4: (Izquierda) Flanco de subida del pulso en la compuerta del transistor. (Derecha) Flanco de bajada del pulso en la compuerta del transistor.

En la Figura 3.4 se observa una captura de un pulso en la compuerta de uno de los transistores del puente H. La señal de arriba corresponde a los pulsos en el circuito lógico, mientras que la de abajo corresponde a la punta de prueba ubicada en el transistor. El tiempo que toma el encendido es el mismo que toma el apagado, de alrededor de 1,1µS. Dado que la frecuencia de la señal PWM es de 20kHz, las conmutaciones utilizan el 4,4% del tiempo de cada ciclo, valor que se desea reducir al mínimo posible, ya que es en este proceso en que los transistores disipan la mayor cantidad de potencia. Estos tiempos son factibles de reducir, puesto que en la hoja de datos de los transistores utilizados [13], se indican tiempos de encendido y apagado de 140nS y 100nS respectivamente.

Estrategia de Control

En el DSP se encontraba implementado un algoritmo de control proporcional derivativo (PD), siguiendo el enfoque planteado en el trabajo de Moreno [2].

Figura 3.5: Esquema de control presente en el vehículo.

Como muestra la Figura 3.5, el controlador busca alcanzar la referencia de 0° de inclinación, aplicando una tensión a los motores, tal que reduzca el error entre el ángulo de inclinación medido y la referencia. Dicha tensión se calcula de manera proporcional a la inclinación y a su velocidad, con constantes determinadas convenientemente.

En el código, el controlador calcula su salida según el punto de operación, aplicando un modelo lineal para ángulos pequeños y aproximaciones de mayor orden para ángulos más grandes. Además, la derivada de la inclinación no es calculada, sino obtenida directamente desde el giróscopo, realizando los ajustes necesarios.

Cabe destacar que, según se plantea en el trabajo de Moreno [2], la acción de control aplicada al sistema debe ser un torque sobre las ruedas. Sin embargo, en este caso la acción de control es un voltaje aplicado a los motores por medio de los puentes H, el cual no se relaciona directamente con el torque, puesto que éste depende además de otras variables.

A pesar de lo anterior, la acción de control igualmente tiende a llevar el sistema a la referencia, aunque con una dinámica diferente a la modelada.

Aspectos Generales

Además de los aspectos detallados anteriormente, el vehículo contaba con una fuente conmutada de tipo step-down, que alimentaba los componentes electrónicos con una tensión estable a partir de las baterías, con suficiente capacidad de corriente y con la eficiencia necesaria para no subir su temperatura durante la operación.

La tarjeta electrónica encargada de comandar el visor LCD, montado en la parte superior del vehículo, también funcionaba correctamente y sólo requería un mecanismo más firme de sujeción al manubrio.

En términos de autonomía, el vehículo mostró un buen desempeño al funcionar por varias horas de forma continua, sin problemas. Constructivamente también se obtuvo un resultado satisfactorio, sin problemas mecánicos de ningún tipo.

Evaluación Inicial de Usuarios

Ya que el objetivo es conseguir que el vehículo sea apto para gente común, sin necesidad de experiencia o gran habilidad motriz, se invitó a 15 personas que no habían usado el vehículo anteriormente para que lo probaran. Sus impresiones fueron capturadas mediante un formulario en el que evaluaron con calificación del 1 al 10 distintos aspectos del vehículo. Los cuyos resultados promedio están contenidos en la Tabla 3.1:

Aspecto Evaluado Calificación
Facilidad de Aprendizaje 4,6
Manejo Intuitivo 6,4
Sensación de Seguridad 3,3
Potencia 4,9
Velocidad 4,7
Calificación General 5,4

Tabla 3.1: Resultados de las encuestas aplicadas a usuarios novatos, utilizando el diseño inicial del vehículo. El detalle de las evaluaciones se encuentran en el Anexo Encuestas.

Como se puede ver, únicamente el manejo intuitivo y la calificación general fueron evaluados sobre la mitad de la escala, siendo la sensación de seguridad el aspecto más débil. Entre los comentarios recibidos está la dificultad para iniciar y detener la marcha, así como las sacudidas que experimenta el vehículo por momentos, las cuales casi en todos los casos desestabilizan a quien maneja. A lo mencionado se puede agregar falta de potencia, la sensación de que el sistema de control no responde con la vigorosidad necesaria, ya que el usuario se inclina y no tiene la suficiente fuerza para compensar.

Desde el punto de vista general, fue positivo el hecho de que se hizo funcionar el vehículo intensamente durante varias horas, con muchas personas, sin que las baterías se agotaran ni se soltaran piezas, lo que da muestra de la fortaleza estructural y buena construcción que se hizo en este primer diseño. La recarga de las baterías, luego de la jornada más intensa, se hizo en alrededor de 2 horas, con una fuente de laboratorio a poco menos de 3A de corriente constante y a los 14,4V de tensión constante que define el fabricante de las baterías para la carga cíclica.


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