Sistemas Embebidos

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

Códigos Fuente

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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.

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.


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.

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