Funcionamiento de los motores

monkeyserna edited this page May 26, 2014 · 7 revisions

Motores de corriente continua

El motor de corriente continua (denominado también motor de corriente directa, motor CC o motor CD) es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción del campo magnético.

Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone principalmente de dos partes. El estator da soporte mecánico al aparato y contiene los devanados principales de la máquina, conocidos también con el nombre de polos, que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, alimentado con corriente directa mediante escobillas fijas (conocidas también como carbones).

Fuente: Wikipedia

Cuando se deja de aplicar corriente a un motor de corriente continua, este actúa como generador debido a su inercia, produce una fuerza contra-electromotriz y devuelve corriente.

En un motor que puede girar en ambos sentidos, se pueden considerar cuatro etapas o cuadrantes de funcionamiento

Control de los motores

Puente H

Un Puente H es un circuito electrónico que permite a un motor eléctrico de corriente continua girar en ambos sentidos, avance y retroceso. Recibe este nombre por la forma a la que recuerda la representación gráfica de este circuito.

Para controlar un motor de corriente continua en los cuatro cuadrantes se requiere un circuito amplificador con:

  • Cuatro conmutadores electrónicos, para poder invertir la dirección de la corriente y el sentido de giro.
  • Diodos y condensadores para absorber las corrientes de frenado, y evitar que se estropeen los conmutadores y la fuente de alimentación.

A continuación se muestra el esuema de un circuito en H más en detalle:

El circuito Puente H sólo permite un funcionamiento SÍ-NO del motor, a plena potencia en un sentido o en el otro (además del estado de detención, por supuesto), pero no ofrece un modo de controlar la velocidad. Si es necesario hacerlo, se puede apelar a la regulación del voltaje de la fuente de alimentación, variando su potencial de 7,2 V hacia abajo para reducir la velocidad. Esta variación de tensión de fuente produce la necesaria variación de corriente en el motor y, por consiguiente, de su velocidad de giro. Es una solución que puede funcionar en muchos casos, pero se trata de una regulación primitiva, que podría no funcionar en aquellas situaciones en las que el motor está sujeto a variaciones de carga mecánica, es decir que debe moverse aplicando fuerzas diferentes. En este caso es muy difícil lograr la velocidad deseada cambiando la corriente que circula por el motor, ya que ésta también será función —además de serlo de la tensión eléctrica de la fuente de alimentación— de la carga mecánica que se le aplica (es decir, de la fuerza que debe hacer para girar).

Una de las maneras de lograr un control de la velocidad es tener algún tipo de realimentación, es decir, algún artefacto que permita medir a qué velocidad está girando el motor y entonces, en base a lo medido, regular la corriente en más o en menos. Este tipo de circuito requiere algún artefacto de senseo (sensor) montado sobre el eje del motor. A este elemento se le llama tacómetro y suele ser un generador de CC (otro motor de CC cumple perfectamente la función, aunque podrá ser uno de mucho menor potencia), un sistema de tacómetro digital óptico, con un disco de ranuras o bandas blancas y negras montado sobre el eje, u otros sistemas, como los de pickups magnéticos.

Existe una solución menos mecánica y más electrónica, que es, en lugar de aplicar una corriente continua, producir un corte de la señal en pulsos, a los que se les regula el ancho. Este sistema se llama control por Regulación de Ancho de Pulso (PWM, Pulse-Width-Modulated, en inglés).

Amplificador digital con PWM

La Regulación por Ancho de Pulso de un motor de CC está basada en el hecho de que si se recorta la CC de alimentación en forma de una onda cuadrada, la energía que recibe el motor disminuirá de manera proporcional a la relación entre la parte alta (habilita corriente) y baja (cero corriente) del ciclo de la onda cuadrada. Controlando esta relación se logra variar la velocidad del motor de una manera bastante aceptable.

Los transistores que forman el puente funcionan como conmutadores corte-saturación en alta frecuencia. Los transistores disipan poca energía y se calientan poco.

En la actualidad se suelen usar MOS-FET porque conducen mejor que los BJT, y disipan todavía menos potencia que los BJT en corte-saturación.

Chip controlador TB6612FNG

Este chip es un driver o controlador para motores de corriente continua. Internamente implementa un puente H como similar al circuito descrito anteriormente.

Su salida de pines es la siguiente:

Las conexiones realizadas dentro de la placa GoShieldGR son las siguientes:

  • Las entradas del motor derecho se conectan a los pines 7 y 9 de la placa Arduino Due.
  • Las entradas del motor izquierdo se conectan a los pines 8 y 10.
  • El voltaje que recibirá el motor se introduce por los pines VM1, VM2 Y VM3. Esta entrada de voltaje está protegida con un diodo.
  • El motor derecho está conectado a los pines A01 Y A02
  • El motor izquierdo a los pines B01 y B02.

Señales de control

En la siguiente tabla se muestra los efectos que producen cada una de las posibles entradas:

In1 In2 Out1 Out2 Modo
HIGH HIGH LOW (0V) LOW (0V) Freno forzado
HIGH LOW LOW (0V) HIGH (+Vmotor) Movimiento hacia adelante
LOW HIGH HIGH (+Vmotor) LOW (0V) Movimiento hacia atrás
LOW LOW Al aire Al aire Freno por descarga

Por tanto, el código Arduino para controlar el movimiento del motor A (derecho) sería el siguiente:

Avanzar:

analogWrite(O_Ain1,speed); 
digitalWrite(O_Ain2,LOW);

Retroceder:

analogWrite(O_Ain1,MAXRESOLUTION-speed); 
digitalWrite(O_Ain2,HIGH);

Freno por bloqueo:

analogWrite(O_Ain1,MAXRESOLUTION); 
digitalWrite(O_Ain2,HIGH);

Freno por descarga:

analogWrite(O_Ain1,0); 
digitalWrite(O_Ain2,LOW);

La resolución de Arduino Due está configurada a 1024, por lo que MAXRESOLUTION tiene un valor de 1023, y la velocidad (parámetro speed) tiene un rango de valores de [0,1023]

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