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.

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