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 Vehículo Autobalanceado

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.


Mejoras a Realizar

En este trabajo se postula que es posible mejorar de forma notable el desempeño del vehículo ya construido, aplicando modificaciones en la instrumentación, electrónica y sistema de control.

Se busca utilizar y aprovechar todos los conocimientos adquiridos en el diseño anterior, consolidándolos en un diseño definitivo que incorpore además las mejoras que se desean aplicar.

El alcance de la intervención propuesta involucra a todos los aspectos del vehículo, usando como base la configuración mecánica y la topología de la electrónica, pero generando nuevas piezas de hardware y reformulando completamente el software asociado.

Específicamente, las mejoras a realizar son las siguientes:

  • Reemplazar los puentes H existentes por unos nuevos, con mejores características eléctricas y mayor seguridad, reemplazando drivers, agregando protecciones e integrando los componentes añadidos a los puentes H originales.
  • Diseñar una unidad IMU nueva, capaz de utilizar múltiples instrumentos, para tener redundancia, en una tarjeta electrónica independiente a la de control, conectada mediante una interfaz digital.
  • Adaptar el diseño de la tarjeta de control para acoplarse a los cambios realizados en el resto de la electrónica, incorporando medidas para minimizar el efecto del ruido inducido.
  • Reemplazar el pesado manillar de la parte superior por un manubrio fijo y liviano,  cambiando el sistema de dirección para poder controlar el vehículo con movimientos laterales del cuerpo.
  • Mejorar la seguridad y la estética del vehículo, eliminando los bordes cortantes, aplicando un tratamiento adecuado a la estructura y agregando una cubierta para proteger a los componentes internos de la suciedad y los golpes directos.
  • Reestructurar y reescribir el software de control, ajustándolo a las necesidades específicas de la aplicación, pero sin perder versatilidad y claridad en código, de manera de facilitar su ajuste e intervención posterior en trabajos futuros.
  • Aplicar una estrategia de control adecuada, que permita un manejo más cómodo y estable.

Diseño e Implementación de Mejoras

En este capítulo se aborda de manera detallada los cambios y mejoras realizadas en el vehículo. Se explicitan las consideraciones de diseño y los criterios empleados en la definición de los nuevos sistemas, resaltando los aspectos más relevantes para alcanzar los objetivos planteados.

En términos generales, el vehículo es un sistema cuyo funcionamiento está definido por tres aspectos fundamentales: el mecánico, determinado por los componentes estructurales, mecanismos de accionamiento y soporte físico para los sistemas; el electrónico, compuesto por los circuitos encargados de accionar el vehículo y dar soporte al algoritmo de control; y finalmente el software, encargado de administrar los demás aspectos para conseguir un determinado comportamiento.

Las mejoras implementadas abarcan los tres aspectos fundamentales, sin embargo, las mayores intervenciones se realizaron en los aspectos electrónicos y de software.

Mejoras: Mecánicas

En cuanto la parte mecánica, el vehículo fue intervenido para mejorar aspectos estéticos, prácticos y funcionales entre los que destacan: un nuevo sistema de dirección, reorganización de componentes electrónicos y mejoras en cuanto a facilidad de mantenimiento y seguridad de quien lo realiza.

Es por esto que se decidió pulir completamente el metal con una herramienta abrasiva, para eliminar las terminaciones en punta, los rastros de virutas y toda la suciedad remanente de las soldaduras donde fue posible (ver Figura 4.1). Luego de limpiar el metal, se aplicó una capa de pintura anticorrosiva negra para protegerlo, posteriormente se usó esmalte azul y una capa de laca acrílica para proteger la pintura y mejorar el aspecto.

Figura 4.1: Tratamiento aplicado al esqueleto de acero del vehículo.

En la Figura 4.1 se observan las etapas del tratamiento descrito anteriormente. Con esto se consiguió un mejor aspecto y mucho más seguro de manipular al eliminar todos los bordes filosos.

Sistema de dirección

La intervención estructural realizada de mayor impacto en la experiencia del usuario es el cambio en el sistema de dirección. Originalmente, el usuario controlaba el giro del vehículo por medio de un manillar ubicado en la parte superior de una columna rígida sujeta a la base de acero.

Con el objetivo de hacer más natural la conducción y mejorar la estabilidad del vehículo sin pasajero, se reemplazó el manillar de la parte superior de la columna de dirección por un manubrio de bicicleta de aluminio mucho más liviano y sin partes móviles. Se reemplazó la fijación a la base de acero por una articulación que permite inclinar toda la columna de dirección hacia los lados, siguiendo la inclinación natural del usuario al efectuar un giro, tal como se muestra en la Figura 4.2.

Para realizar esta modificación se utilizó la pieza de aluminio existente para la fijación del mando de dirección, incorporándole un rodamiento, un resorte y el potenciómetro para medir la inclinación. Finalmente, se soldó a la estructura de acero un eje para acoplar el rodamiento junto con dos soportes verticales, destinados a aumentar la rigidez estructural y proporcionando los topes necesarios para el resorte de retorno.

Figura 4.2: (Izquierda) Modificación a la estructura de acero para el montaje de la nueva dirección. (Derecha) Sistema ensamblado, se muestra la dirección de movimiento del mecanismo.

Montaje de componentes

Producto del rediseño de la electrónica del vehículo, se fabricaron nuevas tarjetas con distintos tamaños y elementos, haciendo necesario reevaluar su distribución física. Esto permitió también mejorar la confiabilidad y durabilidad al tener en cuenta aspectos como la reducción del ruido en las señales y los esfuerzos mecánicos a los que estas tarjetas están sometidas.

En el diseño original, tanto la electrónica de potencia como la de control se encontraban concentradas en la parte central de la base del vehículo, en un espacio de aproximadamente 12cm de ancho entre las baterías y los motores. Las tarjetas electrónicas se sostenían de la cubierta superior (plataforma para los pies del usuario) por medio de soportes de acrílico atornillados a la misma, tal como se puede ver en la Figura 4.3. El uso de largos cables hacia una bornera de distribución permitía retirar la cubierta y ubicarla a un lado del vehículo sin necesidad de desconectarla para realizar ajustes y mantenimiento.

Figura 4.3: Disposición original de los componentes electrónicos.

Los puentes H son las tarjetas de mayor tamaño y fueron diseñadas para ocupar el mismo espacio que las anteriores. Se fabricó un nuevo sistema de montaje para ellas, fijándolas a la estructura de acero de la base en vez de la plataforma para los pies (ver Figura 4.4). Se utilizaron láminas de aluminio de 1,2 mm de espesor para los soportes, los cuales a su vez cumplen la función de pantalla del ruido electromagnético generado por las conmutaciones de los semiconductores. Con esta configuración, se evita también que los componentes y sus cables se muevan cada vez que se quita la cubierta superior, reduciendo la probabilidad de fallas por desconexiones, cortocircuitos o fatiga de material.

Figura 4.4: Montaje final de componentes electrónicos en la parte central del vehículo.

En la Figura 4.4 se aprecia la manera en que las nuevas tarjetas electrónicas quedaron dispuestas en los soportes de aluminio, los cuales no se ubicaron en el centro del espacio disponible, sino que se buscó llevar la electrónica hacia la parte trasera, con el fin de compensar el peso del mando de dirección, proporcionando además el espacio necesario para los componentes de su nuevo mecanismo. En la parte interior, entre las láminas, se ubicaron los puentes H, mientras que en la parte exterior sólo se ubicó la tarjeta con los instrumentos de la Unidad de Medición Inercial. Finalmente, bajo los puentes H, se ubicó una tarjeta de lecturas analógicas (visible en la Figura 4.2), cuya función se detallará más adelante.

La tarjeta de control se ubicó junto a la fuente de poder de la electrónica en la parte externa de la estructura principal, al lado derecho. Nuevamente se utilizaron láminas de aluminio para la superficie plana a la cual se atornillan los separadores que finalmente sostienen las tarjetas. El montaje general de los componentes se puede ver en la Figura 4.5.

Figura 4.5: Vista general de la disposición final de los componentes internos del vehículo.

Mejoras: Electrónica – Introducción

El proceso iterativo de implementación, prueba y ajuste del diseño electrónico del trabajo anterior, permitió que se alcanzara un prototipo funcional. Sin embargo, los constantes cambios al diseño original, las correcciones y componentes añadidos después de la fabricación de las tarjetas electrónicas, hicieron que las conexiones se volvieran cada vez más complejas y susceptibles a fallas. Esto, sumado a la incorporación de diversas mejoras en cada uno de los sistemas de control y accionamiento de motores, hizo necesario el rediseño de todas las tarjetas electrónicas involucradas.

Para el rediseño electrónico efectuado, se utilizó como base los circuitos y la topología del sistema planteados en la memoria de Leonardo Moreno [2], modificándola donde se consideró necesario para lograr un funcionamiento seguro y confiable, minimizando las conexiones requeridas y las posibles fuentes de falla.

Figura 4.8: Diagrama de bloques de la electrónica de control.

La Figura 4.8 muestra un diagrama de bloques del sistema electrónico. Cada bloque se relaciona con una tarjeta en particular, con excepción de las baterías y los motores.

En esta configuración, todos los componentes están subordinados a la tarjeta de control, cuyo corazón es un DSP, el cual utiliza la información extraída desde los instrumentos y los sistemas auxiliares para aplicar un determinado esquema de control, bajo la supervisión de una interfaz humana, cuya función es desplegar información y permitir la interacción del usuario con el sistema de control.

El DSP acciona a los convertidores de potencia constituidos por dos puentes H, uno por cada motor, los cuales toman la energía de las baterías y la suministran a los motores de forma controlada.

Las ruedas del vehículo están acopladas a los motores a través de una caja reductora, aumentando así el torque aplicado al sistema.

El diagrama también muestra un convertidor de corriente continua cuya función es alimentar toda la electrónica. Se trata de la misma fuente switching desarrollada en el trabajo anterior [2].

Mejoras: Electrónica de Potencia

Para el rediseño de los puentes H se utilizó como base el diseño existente, concentrando todos los componentes en una sola tarjeta con el mismo tamaño de las existentes, ya que los puentes H son los componentes electrónicos de mayor tamaño y se cuenta con el espacio justo para el montaje de ellos en el vehículo.

Electrónica de Disparo

El primer aspecto abordado en la modificación, fue el cambio en los drivers utilizados para encender los transistores. El diseño original utilizaba el integrado IR2117 [14], compuesto de un único driver capaz de generar una señal de disparo referenciada a un nodo flotante (distinto de la tierra del circuito). Con esto se resolvía el disparo de la parte superior de cada rama del puente H, ya que la tensión de compuerta está referenciada a una de las salidas del puente (ver Figura 2.4).

El IR2117, según su hoja de datos, posee una capacidad de corriente máxima de 200mA para el encendido y 420mA para el apagado, siendo estos valores los que limitan las velocidades de conmutación puesto que, a mayor corriente, más rápidamente se carga la capacidad de compuerta.

El nuevo diseño reemplaza este driver por el IR2110 [15], de la misma familia pero con mejores prestaciones. Este integrado implementa dos drivers diseñados específicamente para operar un medio puente, es decir, una de las ramas verticales del puente H. Posee un driver capaz de generar una señal de disparo referenciada a un nodo flotante (tal como el IR2117) y otro cuya referencia es la tierra del circuito. Cada driver puede entregar hasta 2A de corriente tanto al encendido como al apagado, posibilitando mejoras sustanciales en los tiempos de conmutación. Adicionalmente, la lógica del circuito integrado que incorpora ambos drivers, posee una interfaz de tensiones adaptables, desde 3,3V hasta los 20V, así como una entrada de disparo lógica capaz de deshabilitar completamente ambos drivers.

Para este diseño en particular, se utilizó lógica TTL con 5V para el nivel “alto”, facilitando así la implementación de la segunda mejora importante en el diseño del puente H: La protección contra disparo simultáneo.

Tal como se explicó en el Capítulo 2, de encenderse simultáneamente los transistores de una de las ramas verticales del puente H, se produce un cortocircuito de consecuencias destructivas. Para proteger al sistema de este peligro, se incorporó un sencillo circuito lógico compuesto de una compuerta AND cuyas entradas son las señales de disparo que entran al driver IR2110. Su salida se conecta directamente al pin de deshabilitación de éste como se muestra en la Figura 4.9. De esta manera, si por alguna razón se envían señales de disparo simultáneamente, la compuerta AND desactivará el driver, previniendo por hardware el riesgo de cortocircuito.

Figura 4.9: Protección contra disparo simultáneo.

Con el fin de asegurar la calidad de las señales de disparo entrantes al puente H, se utilizaron los aisladores digitales ADuM1400 [16], los cuales regeneran la señal proveniente de la tarjeta de control con mínimo ruido y alta velocidad además de proveer aislación eléctrica entre ambos circuitos, protegiendo a la tarjeta de control ante cualquier falla. El circuito integrado implementa cuatro canales de aislación digital ajustándose a los cuatro pulsos de encendido requeridos.

Una de las características de este puente H es la utilización de transistores en paralelo, con el fin de distribuir la corriente entre ellos y reducir la resistencia de conducción, mejorando así las características térmicas y la capacidad de corriente del mismo.

Debido a que uno de los objetivos de las modificaciones es obtener conmutaciones rápidas, se redujo considerablemente la resistencia de compuerta, generando las condiciones propicias para el fenómeno de oscilaciones parásitas descrito en el Capítulo 2. Es por esta razón que se agregó en cada compuerta un núcleo de ferrita, quedando en serie con una resistencia de 15Ω, aumentando la impedancia para las oscilaciones de alta frecuencia pero permitiendo conmutaciones rápidas.

Lectura de Corriente

Además de la funcionalidad propia del puente H, se incorporó en esta tarjeta un transductor de corriente de efecto Hall, capaz de medir con precisión corrientes continuas y variantes en el tiempo para obtener la corriente instantánea sobre cada motor, posibilitando la implementación de un lazo de control.

Dicho sensor de corriente está diseñado para entregar una tensión continua entre 0V y 5V, dependiendo linealmente de la medición con un nivel central de 2,5V que indica los 0A, por lo cual puede medir tanto corrientes positivas como negativas.

Debido a que este transductor se encuentra a distancia considerable de la tarjeta de control y expuesta a altos niveles de ruido eléctrico generados por los transistores del puente H, se incorporó junto al mismo un circuito generador de frecuencia controlada por voltaje o VCO LM331 [17], el cual genera una onda cuadrada cuya frecuencia depende linealmente del voltaje de entrada que, en este caso, es la salida del sensor de corriente. De esta manera, la lectura de corriente se convierte en un tren de pulsos con niveles lógicos mucho menos susceptibles a perturbaciones por ruido eléctrico, con posibilidad de aplicar filtrados más agresivos y otras técnicas de reducción de ruido sin alterar el valor de la lectura.

Desde el punto de vista del diseño de la tarjeta, además de cuidar el tamaño, se prestó atención en simplificar el conexionado, por lo que se incorporaron todas las líneas necesarias para alimentar la electrónica, recibir los pulsos y enviar la lectura de corriente en un único conector del tipo RJ-45, el cual posee ocho conexiones eléctricas.

Bus Laminado

El montaje sobre la tarjeta de los componentes de potencia (MOSFETs, condensadores, inductancia, supresores de transiente, etc.) se hizo sobre un bus laminado (ver Sección 2.4.3) diseñado y construido para minimizar las inductancias parásitas en este circuito. Su construcción se realizó en base al tamaño deseado de la tarjeta, utilizando láminas de cobre de 0,5mm de espesor intercaladas con láminas de un aislante del mismo espesor llamado presspan, utilizado ampliamente en la confección de transformadores por su alta aislación, resistencia a altas temperaturas y naturaleza auto-extinguible. En la Figura 4.10 se muestra el montaje final de los componentes en el puente H.

Figura 4.10: (Izquierda) Puente H con el bus plano ensamblado pero sin los componentes de potencia. (Derecha) Puente H completamente armado y funcional.

Mejoras: Unidad IMU

Para la Unidad de Medición Inercial (IMU) se diseñó una tarjeta electrónica independiente, separando esta parte crítica del sistema de la tarjeta de control e incorporando el nuevo giróscopo de mejor calidad.

Los instrumentos utilizados en esta tarjeta son: Inclinómetro ADIS16203 [18] y Giróscopo ADIS16250 [19], ambos fabricados por la empresa Analog Devices. Su comunicación es por medio de un bus SPI, el cual no implementa direccionamiento en su trama de datos, por lo que la selección del instrumento a leer debe hacerse por medio de señales de habilitación o deshabilitación.

Figura 4.11: Diagrama lógico de la tarjeta de instrumentos IMU.

En la Figura 4.11 se muestra la manera en que se resuelve el direccionamiento al utilizar un decodificador de 3 a 8 bits. La tarjeta fue diseñada para integrar dos acelerómetros (ADIS16203) y dos giróscopos (ADIS16250), así como dos conexiones SPI para una eventual futura expansión. El DSP es el encargado de seleccionar el instrumento o salida SPI adecuada de la tarjeta, por medio de tres bits de dirección. El diseño final de esta tarjeta se muestra en la Figura 4.12.

Figura 4.12: Tarjeta de instrumentos IMU previa al montaje de sus componentes.

Mejoras: Tarjeta de Control

La tarjeta de control fue rediseñada principalmente para adaptarse a la nueva configuración de componentes, utilizando un número mínimo de conectores y reemplazando completamente la etapa de envío de señales PWM a los puentes H.

La tarjeta de control original contenía parte de la electrónica de disparo, con una configuración de dos inversores en cascada, cuyo propósito era elevar la tensión de los pulsos enviados hasta los 15V, tensión utilizada para encender los transistores de los puentes H. Debido a que los nuevos puentes H incorporan toda la electrónica de disparo, la configuración de doble inversor se vuelve innecesaria. Adicionalmente, se buscó aprovechar la utilización de los aisladores digitales ADuM1400 [16] en los puentes H, instalando aisladores del mismo modelo en la tarjeta de control, aprovechando así las características de este dispositivo como interfaz para buses de datos industriales con excelente desempeño en ambientes ruidosos.

Se agregó al diseño un pequeño altavoz, capaz de emitir tonos de alerta, con el objetivo de informar al usuario sobre el estado del vehículo o fallas, sin necesidad de que éste deba mirar la pantalla instalada en la parte superior.

En la Figura 4.13 se muestra la tarjeta de control en su diseño final, con los componentes instalados. Adicionalmente, se indican en la Tabla 4.1 sus especificaciones.

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DSP Texas Instruments TMS320F2808 Unidad principal de procesamiento, controla el funcionamiento general del vehículo e implementa el algoritmo de control.
Salidas a puentes H 2 conectores RJ-45 que incorporan 4 pulsos PWM, alimentación de 5V y 15V además de una línea para recibir la lectura de corriente.
Conector SPI para IMU 1 conector de 8 pines para la tarjeta de instrumentos IMU, incluye alimentación (5V), bus SPI y 3 bits de dirección.
Puerto serie 1 conector con alimentación para el circuito de operación del visor LCD y las conexiones seriales con niveles lógicos de 3,3V. El puerto RS-232 está compartido con el USB
Conector USB 1 conector asociado al puerto serie del DSP a través del conversor USB a RS-232 modelo FT232R.
Altavoz de alerta Dispositivo integrado a la tarjeta, capaz de emitir sonidos de alerta al usuario.
Conexión JTAG Puerto de programación y depuración para el DSP mediante un dispositivo JTAG.
Encoders 2 conectores de recepción de pulsos desde los encoders instalados en los motores, cuyo objetivo es determinar la velocidad de las ruedas.
Entradas analógicas 8 canales analógicos de entrada, para tensiones entre 0V y 3,3V proveniente de circuitos activos. (posee baja impedancia ~1kΩ)
Conexión SPI-B Conexión SPI auxiliar.
GPIO 2 entradas y salidas de propósito general, se pueden configurar para encender LEDs integrados en la tarjeta o para conectarlos al exterior.

Tabla 4.1: Especificaciones de la Tarjeta de Control.


Figura 4.13: Tarjeta de Control

Mejoras: Electrónica Auxiliar

Además de las tarjetas electrónicas ya mencionadas, se diseñó una nueva, cuya función principal es obtener mediciones analógicas del sistema.

Esta tarjeta surge de la necesidad de capturar la posición del mando de dirección, que es medida por medio de un potenciómetro instalado en la articulación asociada, al interior de la base del vehículo. Esto es diferente de la implementación anterior que capturaba este dato desde la parte superior del manillar, que fue reemplazado. En su diseño se incorporaron lecturas adicionales como el estado de las baterías y un sensor de presión ubicado en la plataforma para los pies, cuyo objetivo es informar al controlador sobre la presencia del usuario.

Al momento del diseño de esta tarjeta, se consideró la posibilidad de incluir un contactor para conectar y desconectar la alimentación de los puentes H de forma automática, para así resguardar la seguridad del sistema. Para ello, la tarjeta posee un relé capaz de operar un contactor, con un circuito de accionamiento que utiliza un amplificador operacional para generar un retardo en la orden de encendido, de modo de evitar el encendido del contactor por efecto de algún pulso no deseado o ruido electrónico. En el diseño final no fue necesario instalar dicho contactor, pero se construyó el circuito de accionamiento, quedando disponible para su futura utilización.

Todas las mediciones analógicas implementan un filtro pasa bajos pasivo en la entrada, para reducir el ruido. Adicionalmente, cada señal pasa por un circuito conversor de tensión a corriente, para aumentar la robustez de la señal. Un esquema simplificado de este circuito se muestra en la Figura 4.14.

Figura 4.14: Esquema del circuito utilizado para las lecturas analógicas.

De esta manera, se fuerza la circulación de una corriente desde la fuente analógica hasta el pin del DSP con la entrada correspondiente a través del cable de conexión, minimizando el impacto de las pequeñas corrientes inducidas por un eventual ruido.

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