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Sensor de fuerza FlexiForce

por Eduardo J. Carletti

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Introducción

En este artículo voy a presentar las pruebas básicas de laboratorio que realicé con un sensor de fuerza FlexiForce de la empresa Tekscan.

Como se puede observar en las fotos, se trata de un sensor integrado dentro de una membrana de circuito impreso flexible de escaso espesor. El sensor es totalmente plano, lo cual permite colocarlo con facilidad entre dos piezas de la mecánica de nuestro sistema y medir la fuerza que se aplica sin perturbar la dinámica de las pruebas.



Como indica su hoja de datos, estos sensores se pueden utilizar para medir tanto fuerzas estáticas como dinámicas. En esta línea hay sensores que pueden soportar hasta 453 kgf (ó 1.000 lbf).

Los sensores FlexiForce utilizan una tecnología basada en la variación de resistencia eléctrica del área detectora. La aplicación de una fuerza al área activa de detección del sensor se traduce en un cambio en la resistencia eléctrica del elemento sensor en función inversamente proporcional a la fuerza aplicada.

Datos físicos

El modelo de sensor que pondré a prueba aquí es el A201-25, que tiene un rango de sensibilidad de 0 a 11 kgf (0 a 25 lbf). La longitud de los conductores de este sensor (integrados también como circuito impreso flexible) es de 16 cm, incluyendo el círculo sensor y las patitas de conexión. El ancho en la zona de los conductores es de 10 mm y en la zona sensible es de 15 mm. El espesor es de 0,127 mm.

La zona de detección activa es un círculo colocado en un extremo del sensor que tiene 9,53 mm de diámetro.


El sensor A201-25

El sensor está sostenido entre dos capas de película de poliéster. En la parte interna de cada una de estas capas hay una película de material conductor (plata) y dentro éstas una capa de «tinta» —así define el fabricante a este material— sensible a la presión. Todo el conjunto está unido por medio de un adhesivo.




El sensor actúa como resistencia variable en un circuito eléctrico. Cuando el sensor no tiene fuerza aplicada, su resistencia es muy alta (superior a 5 megohm), y cuando se aplica una fuerza al sensor, la resistencia disminuye.


Curva de resistencia (para 100 lb)

Pruebas básicas

Como se puede observar en la foto, la prueba se realizó utilizando un multímetro. Probando escalas, se encontró que aún en la escala máxima de resistencia (0-20 Megohms), el sensor, sin fuerza aplicada, indica un circuito abierto.



El sistema, sin ninguna fuerza aplicada, indica resistencia infinita

Aplicando presión con los dedos, se obtienen distintos valores de resistencia, en disminución a medida que se va ejerciendo más y más fuerza.



La medición indica 5,86 Megomhs



La medición indica 2,12 Megomhs

Estos sensores son perfectos para medir la presión de los dedos sobre el objeto manipulado por una mano robótica, de modo que hice las siguientes pruebas.



Levantando un frasco de mermelada que pesa 700 gs.
Con el sensor debajo del pulgar, indicó 5 Megohms



Levantando un frasco de aceitunas que pesa 1200 gs.
Con el sensor debajo del pulgar, indicó 1,8 Megohms.

Por último, colocando el sensor entre dos chapas, con un peso estático de 1,25 Kg se obtuvo una medición de 3 Megohms (aclaro que depende mucho de que se pueda centrar bien el peso sobre el lugar en que está el sensor, con poco desplazamiento, esta medición puede variar bastante).

Enlaces:



Músculos de alambre – Alambre termocontraíble

por Eduardo J. Carletti

Conceptos generales y detalles prácticos

Los alambres termocontraíbles usados como músculos en robótica (a los que también se les llama «alambre muscular») se hacen de nitinol. El nitinol es de una clase de material al que se le llama aleación con memoria de la forma (SMA, del inglés «Shape Memory Alloy»). Las aleaciones con memoria de la forma tienen características mecánicas interesantes. El nitinol, por ejemplo, que es la aleación con la que se forman los alambres para músculos robóticos, se contrae cuando se lo calienta, que es lo contrario de lo que ocurre cuando se calienta un metal estándar. Esta aleación no sólo se contrae con el calor, sino que produce un movimiento térmico (extensión-contracción) 100 veces mayor que el de los metales estándar.

Otra característica interesante de las SMA es el efecto de memoria de la forma (SME, del inglés «Shape Memory Effect»). Es posible hacer que la aleación recuerde una forma en particular. Una vez que recuerda esa forma, la aleación se puede deformar. Y se la puede hacer volver a la forma original calentando la aleación por encima de una temperatura que se llama «de transición». La fuerza generada cuando el alambre está volviendo a su forma es asombrosamente potente. Una pulgada cuadrada de material de nitinol genera una fuerza de retorno a la forma de +30.000 PSI.

Aunque los científicos conocían las SMA desde 1932 y habían experimentado con ellas, estas aleaciones recién salieron de los laboratorios en 1962. William Beuhler, trabajando en los laboratorios navales de EEUU, descubrió el efecto de SMA en una aleación de níquel y titanio. El equipo científico intentaba desarrollar una aleación resistente al calor y a la corrosión. En el proceso de obtenerla, crearon una aleación con memoria de la forma, hecha con 55% de níquel y 45% de titanio. Este nuevo material era relativamente barato y mucho más seguro (no tóxico) que las SMA anteriores.

El equipo bautizó a su nueva aleación como Nitinol. El nombre representa los componentes y el lugar de origen. El «NI» y el «TI» son los símbolos atómicos para el níquel y el titanio. El «NOL» se refiere al laboratorio naval de artillería en donde fue descubierto (Naval Ordinance Laboratory).

La mezcla de níquel y titanio en el nitinol está hecha de partes casi iguales de uno y otro, y el más pequeño cambio en la relación entre los dos elementos tiene un efecto dramático en la temperatura de transición de la aleación resultante. Una diferencia de 1 % en esta relación modifica la temperatura de transición de -100 a +100 C. Cada empresa que produce nitinol deben mantener la relación de los componentes a un exacto valor para asegurar una temperatura de transición estable y repetible.

La aleación de nitinol que se suele utilizar para robótica tiene una temperatura de transición de 70° C (también hay una línea de productos con una temperatura un poco mayor, 90° C).

Cómo funciona

Esta característica física tan especial del nitinol se basa en su estructura cristalina dinámica y sensible al calor. Cuando el nitinol está deformado, en una fase que se llama «martensítica», la estructura cristalina no se destruye, sino que se transforma, cambiando a una singular disposición cristalina. Cuando el material se calienta vuelve a su estructura recordada, llamada «de austenita», sujeta a una menor tensión.
En los metales normales, en cambio, las deformaciones hacen que la estructura molecular se deshaga, dejando a los átomos en nuevas posiciones cristalinas. A causa de esto el cristal no puede conservar una «memoria» de dónde estaban los átomos antes de moverse.

El movimiento físico del nitinol se debe a la reestructuración interna de las moléculas. Y como el movimiento se genera a nivel molecular, es muy potente.

La aleación de nitinol tiene tres fases distintas de temperatura:

Fase martensítica
Fase de baja temperatura. La estructura cristalina está alineada y cúbica. La aleación se puede doblar y darle forma con facilidad. La presión de deformación que se necesita es de 10.000 a 20.000 PSI. La flexión deforma la estructura cristalina de la aleación, produciendo tensión interna.

Fase austenita
La temperatura está por encima de la temperatura de transición. El movimiento que se genera en esta fase se debe a que la estructura cristalina vuelve a su estado no tensionado (cúbico). La temperatura exacta de transición es según sea la composición exacta de la aleación del nitinol; generalmente, las aleaciones comerciales tienen temperaturas de transición de entre 70° C a 130° C. La fuerza con la que los materiales vuelven a su forma original es considerable, 35.000 a 70.000 PSI.

Fase de recocido
Fase de alta temperatura. La aleación reorientará su estructura cristalina (cúbica) para luego «recordar» la forma que tiene en ese momento. La fase de recocido para el alambre de nitinol que se utiliza en robótica es de aproximadamente 540° C.

Características físicas:

Fuerza de extensión: 200.000 PSI
Punto de fusión: 1.250° C (2.282° F)
Resistencia: 0,5 ohmios por cm. (alambre .006″)
Es resistente a la corrosión

Una descripción rápida de las fases de Nitinol es:

A temperatura ambiente, el nitinol está en su fase martensítica. Cuando se cambia la forma de la aleación, la estructura cristalina se deforma, creando una tensión interna. Calentando la aleación por encima de su temperatura de transición (fase de austenita), la estructura cristalina intenta librarse de las tensiones de su estructura cristalina, volviendo a su forma «recordada» original. Esto crea el movimiento térmico de la SMA. Por supuesto, si a la aleación no se ha sido deformada ni tensionada en la fase de martensita, los cambios cristalinos de la estructura igual ocurren, pero no producen ningún movimiento.

Alambre Flexinol

El alambre Flexinol es una marca registrada de Dynalloy Inc. El Flexinol es un alambre de nitinol que se ha entrenado para que funcione como un actuador. Si se lo utiliza apropiadamente, el alambre Flexinol puede rendir 1.000.000 ciclos, mientras que algunos alambres de nitinol pueden durar sólo 1.000.



Mariposa animatrónica con músculos de alambre

Analizaremos brevemente los alambres Flexinol de .006 y de .015 de pulgada de diámetro.

Quisiera aclarar que existe un alambre Nitinol (nombre comercial), pero el nombre nitinol también se usa normalmente en la industria para referenciar cualquier alambre con ese tipo de aleación. Así se menciona (con minúsculas) en el análisis que sigue, que corresponde a los alambres Flexinol (marca comercial).

El alambre Flexinol de 6 milésimas de pulgada tiene una fuerza de contracción de 0,311 Kg; el alambre Flexinol de 15 milésimas de pulgada tiene una fuerza de contracción de 1,786 Kg.

Se puede hacer contraer el alambre hasta reducir su longitud en un porcentaje de un 8% a 10% de su tamaño total. Sin embargo, para lograr un tiempo de vida útil más extenso (de más de 1.000.000 de ciclos) es conveniente que se lo haga contraer a sólo un 5% a 6% de su tamaño, incluso menos, si es posible.

Cuando se reduce la longitud de un alambre de nitinol, el volumen absoluto de metal continúa siendo el mismo. Por esta razón, a menor longitud, crecerá el diámetro.

La contracción y relajación depende de la temperatura del alambre de aleación de nitinol. Se puede utilizar cualquier método que se desee para calentarlo y enfriarlo. El alambre de nitinol tiene una resistencia eléctrica alta (para ser un conductor metálico), de aproximadamente 0,5 ohms por centímetro en el alambre de 6 milésimas de pulgada. La resistencia del alambre a la corriente eléctrica produce con rapidez un calor suficiente como para llevar al alambre a su temperatura de transición. Por esta razón, la mayoría de las veces se utilizan los alambres de nitinol haciendo pasar por ellos una corriente eléctrica para calentarlos. Cuando se permite que el material se enfríe, el alambre se puede estirar con facilidad hasta su longitud original.

El alambre de nitinol usualmente se utiliza aplicando una fuerza de tensión opuesta a la dirección de su contracción. Esta fuerza repone al alambre a su longitud original en la fase de baja temperatura. A esta fuerza aplicada se le llama fuerza de extensión.

Si se lleva un alambre de nitinol a su temperatura de transición sin una fuerza de extensión, se contraerá, pero cuando se enfríe no retornará a su longitud original. En consecuencia, ante la ausencia de una fuerza de extensión, cuando el alambre se caliente de nuevo no habrá una nueva contracción.

En la mayoría de las aplicaciones se le aplica al alambre una fuerza constante de extensión. En la figura se muestran dos maneras de aplicar esta fuerza de extensión: un resorte o un peso estático.

La velocidad y fuerza del alambre dependen de la rapidez con que se aumenta la temperatura y también de qué temperatura se aplica. Por ejemplo, unos 400 mA de corriente eléctrica a través de un alambre de 6 milésimas de pulgada de nitinol producirá un tirón máximo de 0,3 Kg y la contracción máxima se producirá en 1 segundo. El tiempo de reacción puede ser más corto, en el orden de los milisegundos. Para lograr esto se utilizan pulsos de corriente elevada. Cuando se hace esto, se debe tener en cuenta la masa y la velocidad del material que se va a mover. Cuanto más rápido se mueva una determinada masa, más grande será la inercia a vencer. Si la inercia es mayor a la resistencia a la tracción del alambre de 6 milésimas, éste se cortará.

La fuerza máxima de contracción se produce al comienzo del ciclo, en contraste con los solenoides estándar, que aplican el máximo de su fuerza cerca del final de su ciclo.

Calentamiento eléctrico

Un alambre de nitinol se puede activar por medio de un bajo voltaje, de entre 6 y 12 voltios. Se puede utilizar un circuito simple que consta de una batería, un interruptor y un tramo de alambre de nitinol, como se ve en la figura. Cuando se hace funcionar un alambre de nitinol con corriente continua es importante no mantener demasiado tiempo esta corriente para no sobrecalentar el alambre. Un sobrecalentamiento del alambre de nitinol degradará sus propiedades.



La corriente continua no calienta el alambre de manera pareja. Si se utiliza un circuito de modulación de ancho de pulso, como el que se muestra más abajo, se podrá calentar el alambre de manera pareja. Ese circuito es el más recomendable para activar un alambre de nitinol.

Un mecanismo simple de prueba para el alambre de nitinol es el que se ve en la figura que sigue. Con esta configuración tan simple se pueden observar las propiedades de la aleación. Básicamente, es como un músculo que se flexiona eléctricamente. Se necesita una base de madera o plástico de más menos 40 cm de longitud y un ancho de 10 cm, dos tornillos de 5 cm de largo y 3/16″ de diámetro, uno de 1,5 cm de largo y el mismo diámetro, nueve tuercas para estos tornillos, un resorte de expansión de unos 5 a 7 cm de largo, y un trozo de alambre de nitinol de unos 30 cm. Excepto el alambre de nitinol, todo este material se puede comprar en una ferretería.



Perfore dos agujeros en los extremos de la tabla, donde se introducirán los tornillos largos (una mecha de 5 mm estará bien) según se ve en la figura, a una distancia de 32 cm. Los tornillos se fijan como se ve en la imagen, y el tornillo corto sólo une el extremo del alambre y el resorte, pero no está fijo a la base. El alambre de nitinol se sostiene en el tornillo dándole una vuelta o dos y apretándolo fuertemente entre dos tuercas. Una manera de fijar convenientemente los extremos del alambre de nitinol es utilizando el tipo de terminales eléctricos que se colocan a presión (utilizando una pinza especial), como se muestra en la figura.



Para la elección del resorte se debe tener en cuenta que la fuerza que puede ejercer el alambre de nitinol al contraerse está en el orden de los 300 gs. Es decir, el alambre no podrá extender un resorte que no se estire poniéndole en un extremo un peso de 300 gs. Pero el resorte no debe ser demasiado débil, ya que debe ser capaz de tirar del alambre de regreso a su posición cuando se retira la corriente y el alambre se relaja.

Para conectar este sistema a una fuente de alimentación se utilizan cables con pinzas cocodrilo en sus extremos, que se unirán a los tornillos de sujección. Uno de los cables pasará por un interruptor (o pulsador) que utilizaremos para controlar las contracciones y extensiones del alambre.




La corriente circulará a través de los tornillos y el resorte, y pasará por el alambre de nitinol. Cuando se conecte la corriente, el alambre de nitinol se calentará con rapidez, se contraerá y tirará del resorte, llevando la unión del tornillo libre hacia el lado izquierdo de la imagen. Si se pone una marca en la posición inicial del tornillo y luego una en la posición alcanzada cuando circula corriente, se puede conocer con exactitud cuánto se contrajo el alambre.

Cuando se quita la corriente y el alambre se enfría, el resorte lo estira y el sistema retorna a su posición inicial. Como la fuente de alimentación es de corriente continua, sólo se debe conectar la corriente por momentos. Es muy fácil recalentar el alambre, algo que degrada las propiedades del nitinol.

Respuesta al calor del nitinol

En la respuesta al calor del nitinol se observa una curva de histéresis. Cuando sube la temperatura, la relación de temperatura-contracción es más rápida, al descender, a las mismas temperaturas corresponde un relajamiento menor al que se podría esperar si la curva fuese lineal. Este efecto de retraso, producido por la viscosidad o fricción interna de la estructura cristalina, se puede observar en el gráfico ubicado a la derecha.



Control electrónico del alambre

Aunque el simple circuito anterior funciona, con él es muy fácil sobrecalentar el alambre y dañar el funcionamiento de la aleación con memoria de la forma. La solución es trabajar con un circuito de modulación de ancho de pulso. Activar el alambre de nitinol por medio de un circuito de control de ancho de pulso ofrece varias ventajas. El circuito de control de ancho de pulso enciende y apaga con gran rapidez la corriente que circula por el alambre de nitinol. Esta alimentación entrecortada permite que el calor se disperse de manera más pareja, lo que evita puntos de calentamiento extremo.

La relación encendido-apagado de la onda cuadrada de salida se puede variar desde 100% encendido a 100% apagado. Este rango permite controlar la contracción de manera proporcional. De esta manera se puede controlar mejor el alambre de nitinol durante mayor tiempo sin causar daños a la estructura cristalina de la aleación.



El circuito de modulación del ancho de pulso está hecho en base a un integrado multivibrador 555. Éste genera una salida de frecuencia constante y una relación variable de encendido-apagado de la señal.
La relación encendido-apagado de la señal de onda cuadrada de salida se puede cambiar variando la resistencia del potenciómetro.

El transistor Q1 (MOSFET) conmuta la corriente a través del alambre de nitinol. Si la corriente a través del circuito de modulación de ancho de pulso resulta ser demasiada para controlar el alambre de nitinol de manera proporcional, coloque un resistor de 8 ohm (de 2 watt o más) en serie con el alambre de nitinol, para reducir la potencia.

Aplicaciones

Un músculo de alambre puede ejercer una fuerza extremadamente elevada para su pequeña masa. Para acrecentar la fuerza total disponible de un dispositivo accionado por músculos de alambre, se diseñan módulos que combinan grupos de alambres con sensores de posición y fuerza, aislación térmica y sistemas activos de refrigeración. Estos actuadores serían los equivalentes robóticos de los grupos de músculos en los seres vivos.

Cuando se conectan al esqueleto de una máquina y se conectan a una fuente de energía y una red de comunicación, estos grupos de actuadores pueden crear un movimiento suave, lineal y eficaz, sin fuentes de presión neumática o hidráulica y sin los inconvenientes de tamaño y peso de los motores.

Memoria de la forma

La memoria de la forma es el efecto que describe el proceso de volver a la forma original debido a una deformación por calentamiento.

Superelasticidad

Es la capacidad que tiene el alambre de contraerse según la cantidad de temperatura que se le coloque debido a su estructura cristalina.




Las preguntas más comunes

P: ¿Qué son los músculos de alambre?
R: Los músculos de alambre son delgados alambres altamente procesados, hechos de una aleación de niquel y titanio llamada nitinol. Esta aleación es un tipo de aleación con memoria de la forma que puede tomar formas radicalmente diferentes (o «fases») a distintas temperaturas.

P: ¿Cómo funcionan los músculos de alambre?
R: A temperatura ambiente los músculos de alambre se pueden estirar con facilidad, aplicando una débil fuerza. Al conducir electricidad, sin embargo, el alambre se calienta y cambia a un estado mucho más rígido, que retorna a la forma que tenía antes de ser estirado. El alambre se contrae en longitud con un movimiento lineal cuya fuerza es utilizable para generar un movimiento en una máquina.

P: ¿Cuánto se contraen los músculos de alambre?
R: Los músculos de alambre se pueden estirar hasta un 8% por encima del total de su longitud, y se recuperarán totalmente, aunque sólo se podrá lograr esto por unos pocos ciclos. Si en cambio se los utiliza produciendo un estiramiento menor, entre un 3 a 6% de la longitud, los músculos de alambre pueden ser utilizados millones de veces con una performance que ofrece gran repetitividad y precisión.

P: ¿Cuán fuertes son los músculos de alambre?
R: Los alambres de mayor diámetro son más fuertes que los más delgados, así que la fuerza ejercida varía con el diámetro. La fuerza ejercida que se puede esperar de un alambre al calentarlo se muestra como «Fuerza de recuperación» en la tabla que se exhibe más abajo.
La «Fuerza de deformación» indica la cantidad que se necesita para estirar un alambre cuando está frío, alrededor de una sexta parte de la fuerza ejercida cuando se calienta el alambre. Los alambres más gruesos que se encuentran en el mercado tienen una fuerza 110 veces mayor que los de menor diámetro.

P: ¿Qué pasa si uno necesita que se ejerza aún más fuerza?
R: Para lograr más fuerza, se pueden utilizar dos o más alambres en paralelo. Esto ofrece tanta tracción como se necesite, y el sistema sigue teniendo los ciclos rápidos que tienen los alambres más delgados.

P: ¿Cuán rápido se pueden activar los músculos de alambre?
R: La velocidad de contracción de los músculos de alambre dependen de cuán rápido se los caliente, lo que se puede hacer en una milésima de segundo o menos. Para que se relaje, el alambre se debe enfriar, lo cual depende de las condiciones que rodean el alambre y de su tamaño. Entre los alambres Flexinol existen algunos con temperaturas de transición mayores (llamados HT) que se enfrían un 50% más rápido que los alambres del tipo LT. La tabla de más abajo lista la relación entre los ciclos de ambos tipos, LT y HT, cuando están ubicados en aire quieto. Si se aporta aire en movimiento o se sumergen los alambres en un fluido, que puede ser una mezcla de agua y glicerina, se pueden acrecentar esos ritmos diez veces o más.

P: ¿Qué duración tienen los músculos de alambre?
R: Si se los utiliza en el rango de un 3 a 5% de variación de su longitud, y en condiciones apropiadas, los músculos de alambre pueden rendir millones de ciclos. Habitualmente fallan o necesitan ajuste de longitud otras partes del dispositivo antes de que lo necesiten los músculos de alambre.

P: ¿Cuáles son las ventajas de los músculos de alambre?
R: En comparación con motores o solenoides, los músculos de alambre tienen varias ventajas: tamaño pequeño, poco peso, bajo consumo, una relación peso-fuerza muy alta, control preciso, se pueden activar con CC o CA, poco magnetismo, larga vida y acción lineal directa.
Estas características permiten crear dispositivos que son difíciles o imposibles de implementar con elementos diferentes a los músculos de alambre.

P: ¿Cuáles son las claves cuando se usan músculos de alambre?
R: Para lograr mayor duración y mejor rendimiento de los músculos de alambre, cumpla las siguientes pautas:

  • Haga buenas conexiones eléctricas y mecánicas.
  • Proteja al alambre de sobrecalentamientos.
  • Proteja al alambre de sobreestiramientos.

P: ¿Cuánta energía de alimentación consumen los músculos de alambre?
R: La energía que se necesita para activar los alambres depende de su diámetro, longitud y condiciones ambientales.

La tabla que se muestra más abajo lista los valores típicos de corriente para condiciones normales de ambiente. El consumo se produce en el momento de contraer el alambre, pero una vez que se ha logrado la contracción, la energía consumida se puede reducir para evitar sobrecalentamiento.



* Multiplicar por 0,0098 para convertir la fuerza a Newtons
** Ciclos por minuto, en aire quieto, a 20° centígrados
LT = Baja temperatura 70° C, HT = Alta temperatura 90° C
*** El Flexinol 025 sólo está disponible en baja temperatura (LT), 70° C

Una nota final para quienes buscan este tipo de alambre en el mercado: no pretenda utilizar como músculo para robots el alambre de nitinol que se utiliza para arreglos dentales, ya que su temperatura de transición es muy baja: se contrae con la temperatura de nuestros cuerpos, de 36° C, y sólo se relaja cuando se lo enfría a temperaturas muy bajas.

Proveedores:

Dynalloy Inc.
Images SI Inc.
Small Parts Inc.
Robot Store



Motores paso a paso: características básicas

por Eduardo J. Carletti

¿Por qué motores de avance por pasos? – El problema de los motores de CC comunes



Motores de CC para hobby

Las primeras pruebas caseras con motores se suelen hacer con los de corriente continua (CC), del tipo que se usan en los juguetes. Estos motores giran libremente y a una velocidad alta. Cualquier intento de lograr que uno de estos motores gire una cantidad acotada de recorrido, como por ejemplo dos vueltas, es imposible. Los motores no giran enseguida a una velocidad conocida: hay que calcular un tiempo de arranque, porque la inercia no les permite llegar a la velocidad normal de inmediato. Y cuando se les corta la alimentación continúan girando, también por inercia.

Note el lector que no hablamos de pedirle a uno de estos motores que se mueva sólo una fracción de una vuelta, como por ejemplo un cuarto de revolución, o un valor así. Esto sería aún más difícil de lograr.

Lograr que un motor común de corriente continua gire una fracción de vuelta o una cantidad precisa de vueltas no es sólo muy difícil, es prácticamente imposible. Aún si se controla con extremada precisión la corriente necesaria, buscando fijar con exactitud el tiempo de arranque y detención del motor, de todos modos al cortar la corriente la armadura no se detendrá, ya que continúa moviéndose por inercia, y esta inercia tendrá un valor muy difícil de determinar, ya que dependerá del peso del rotor, la fricción del eje sobre sus cojinetes, la temperatura de las bobinas, núcleos de hierro, imanes y la del propio ambiente, y otras variables del entorno y de la construcción.



Servo RC típico

Agregando engranajes para la reducción de la velocidad se logra atenuar el problema. De todos modos, sigue presentándose el problema de la inercia, lo que producirá un error de posición, aunque disminuido por el factor de reducción de los engranajes. Y se agrega ahora la fricción combinada del juego de engranajes, o sea mayor dificultad para cualquier cálculo.

La manera de lograr una posición precisa con motores de corriente continua es utilizarlos en una configuración de servo. Así funcionan los servomotores que se usan en modelismo (los más accesibles para la experimentación personal), que constan de un pequeño motor de CC, un juego de engranajes de reducción, un mecanismo de realimentación (que usualmente es un potenciómetro unido al eje de salida) y un circuito de control que compara la posición del motor con la que se desea lograr y mueve el motor para realizar el ajuste.




Los motores paso a paso: Cuestiones básicas

Los motores paso a paso se pueden ver como motores eléctricos sin escobillas. Es típico que todos los bobinados del motor sean parte del estator, y el rotor puede ser un imán permanente o, en el caso de los motores de reluctancia variable (que luego describiremos mejor), un cilindro sólido con un mecanizado en forma de dientes (similar a un engranaje), construido con un material magnéticamente «blando» (como el hierro dulce).

La conmutación se debe manejar de manera externa con un controlador electrónico y, típicamente, los motores y sus controladores se diseñan de manera que el motor se pueda mantener en una posición fija y también para que se lo pueda hacer girar en un sentido y en el otro.

La mayoría de los motores paso a paso conocidos se pueden hacer avanzar a frecuencias de audio, lo que les permite girar muy velozmente. Con un controlador apropiado, se los puede hacer arrancar y detenerse en un instante en posiciones controladas.



Algunos modelos de motores paso a paso

Comportamiento propio de los motores paso a paso:

Los motores paso a paso tienen un comportamiento del todo diferente al de los motores de corriente continua. En primer lugar, no giran libremente por sí mismos. Los motores paso a paso, como lo indica su nombre, avanzan girando por pequeños pasos. También difieren de los motores de CC en la relación entre velocidad y torque (un parámetro que también es llamado «par motor» y «par de giro»). Los motores de CC no son buenos para ofrecer un buen torque a baja velocidad sin la ayuda de un mecanismo de reducción. Los motores paso a paso, en cambio, trabajan de manera opuesta: su mayor capacidad de torque se produce a baja velocidad.

Los motores paso a paso tienen una característica adicional: el torque de detención (que se puede ver mencionado también como «par de detención», e incluso par/torque «de mantenimiento»), que no existe en los motores de CC. El torque de detención hace que un motor paso a paso se mantenga firmemente en su posición cuando no está girando. Esta característica es muy útil cuando el motor deja de moverse y, mientras está detenido, la fuerza de carga permanece aplicada a su eje. Se elimina así la necesidad de un mecanismo de freno.

Si bien es cierto que los motores paso a paso funcionan controlados por un pulso de avance, el control de un motor paso a paso no se realiza aplicando en directo este pulso eléctrico que lo hace avanzar. Estos motores tienen varios bobinados que, para producir el avance de ese paso, deben ser alimentados en una adecuada secuencia. Si se invierte el orden de esta secuencia, se logra que el motor gire en sentido opuesto. Si los pulsos de alimentación no se proveen en el orden correcto, el motor no se moverá apropiadamente. Puede ser que zumbe y no se mueva, o puede ser que gire, pero de una manera tosca e irregular.

Esto significa que hacer girar un motor paso a paso no es tan simple como hacerlo con un motor de corriente continua, al que se le entrega una corriente y listo. Se requiere un circuito de control, que será el responsable de convertir las señales de avance de un paso y sentido de giro en la necesaria secuencia de energización de los bobinados.

Características comunes de los motores paso a paso:

Un motor paso a paso se define por estos parámetros básicos:

Voltaje
Los motores paso a paso tienen una tensión eléctrica de trabajo. Este valor viene impreso en su carcasa o por lo menos se especifica en su hoja de datos. Algunas veces puede ser necesario aplicar un voltaje superior para lograr que un determinado motor cumpla con el torque deseado, pero esto producirá un calentamiento excesivo y/o acortará la vida útil del motor.

Resistencia eléctrica
Otra característica de un motor paso a paso es la resistencia de los bobinados. Esta resistencia determinará la corriente que consumirá el motor, y su valor afecta la curva de torque del motor y su velocidad máxima de operación.

Grados por paso
Generalmente, este es el factor más importante al elegir un motor paso a paso para un uso determinado. Este factor define la cantidad de grados que rotará el eje para cada paso completo. Una operación de medio-paso o semi-paso (half step) del motor duplicará la cantidad de pasos por revolución al reducir la cantidad de grados por paso. Cuando el valor de grados por paso no está indicado en el motor, es posible contar a mano la cantidad de pasos por vuelta, haciendo girar el motor y sintiendo por el tacto cada «diente» magnético. Los grados por paso se calculan dividiendo 360 (una vuelta completa) por la cantidad de pasos que se contaron. Las cantidades más comunes de grados por paso son: 0,72°, 1,8°, 3,6°, 7,5°, 15° y hasta 90°. A este valor de grados por paso usualmente se le llama la resolución del motor. En el caso de que un motor no indique los grados por paso en su carcasa, pero sí la cantidad de pasos por revolución, al dividir 360 por ese valor se obtiene la cantidad de grados por paso. Un motor de 200 pasos por vuelta, por ejemplo, tendrá una resolución de 1,8° por paso.

Tipos de motores paso a paso:

Los motores paso a paso se dividen en dos categorías principales: de imán permanente y de reluctancia variable. También existe una combinación de ambos, a los que se les llama híbridos.

Los de imán permanente son los que más conocemos, utilizados, por ejemplo, en el avance de papel y del cabezal de impresión de las impresoras, en el movimiento del cabezal de las disqueteras, etc. Como su nombre indica, poseen un imán que aporta el campo magnético para la operación.
Sigue leyendo

Control de motores de CC: circuitos con realimentación



Motor de CC con tacómetro

Una de las necesidades de un sistema impulsado por un motor de corriente continua es que su velocidad se pueda mantener constante, ya que en la mayoría de las aplicaciones de servomecanismos la velocidad de giro debe ser conocida y plausible de ser controlada desde un circuito de comando.
Como esta característica no es propia de los motores de corriente continua, que cambian su velocidad según la carga mecánica que tienen aplicada, se necesita utilizar un sistema de medición cuya salida de señal, realimentada en el circuito de manejo de potencia, sea proporcional a la velocidad.
Al efecto se utiliza un tacómetro, que es un artefacto que debe generar una señal proporcional a la velocidad real del motor con la máxima precisión posible.
Si se aplica una carga mecánica al eje del motor de corriente continua y la velocidad disminuye, esta disminución se refleja en la señal del tacómetro. Como la señal es ingresada al circuito de control de velocidad del motor, con la configuración apropiada en este circuito de realimentación negativa se reajusta la corriente alimentada al motor hasta llevar la velocidad de nuevo al valor deseado.



Disco de encoder

El tacómetro puede ser un generador de CC adosado al mismo eje, y por lo general integrado en la misma carcasa con el motor, o también un disco con ranuras o franjas alternadas de color claro y oscuro, con un sistema óptico de lectura que entrega pulsos al enfrentarse las ranuras o bandas sobre un fotosensor.




También existen tacómetros (de concepto similar al de bandas o ranuras) que utilizan un sensor magnético (pickup magnético) que detecta el paso de dientes metálicos por delante de él.
La señal analógica del tacómetro generador de CC es introducida al circuito por medio de amplificadores operacionales, mientras que la señal del tacómetro de bandas o ranuras, que básicamente es un pulso, debe ser procesada digitalmente.


MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA CON TACÓMETRO

Tacómetro:
1. Tapa posterior | 2. Cojinete de bronce | 3. Carcasa | 4. Imán | 5. Cilindro de acople | 6. Bobina | 7. Conmutador | 8. Porta escobillas

Motor CC:
9. Escobillas | 10. Conmutador | 11. Bobina con eje | 12. Eje | 13. Carcasa | 14. Cojinete | 15. Retén | 16. Cables de conexión

Los tacómetros de pulsos (a los que también se les llama «encoders«), si bien requieren mayor procesamiento de señal para realizar la realimentación, ofrecen la ventaja adicional de que se pueden contar digitalmente los pulsos y así saber con precisión la cantidad de vueltas y fracciones de vuelta que ha completado el sistema.


MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA CON ENCODER DE RANURAS

Además de encoder, existe un detector llamado resolver. Un resolver es un sensor formado de un par de bobinas que se excitan con una señal externa. Las bobinas están colocadas en posiciones ubicadas 90° entre sí, de modo que, según su orientación, captan con distinta intensidad la señal de corriente alterna (CA).




Esta configuración da como resultado salidas seno y coseno que tienen una relación con el ángulo en que está el eje de rotación del resolver con respecto a la señal de CA. El procesamiento del seno/coseno da como resultado la posición angular del sensor. Este tipo de sensor ofrece gran precisión y se sigue utilizando cuando se necesita determinar la posición absoluta de un eje.


DIAGRAMA DE LA REALIMENTACIÓN CON TACÓMETRO Y ENCODER/RESOLVER



Puente H: circuitos prácticos

por Eduardo J. Carletti

Con transistores bipolares



Este circuito se utiliza en el robot para hobbistas Monty, que se vendió en fascículos en muchos países, por lo que está totalmente probado para motores como los de los servos para modelismo.

Este circuito tiene su propia protección de seguridad (interlock).

Con transistores MOSFET



Para motores medianos y pequeños de corriente continua se puede utilizar cualquier juego de MOSFET canal N- MOSFET canal P.

Ver un circuito de seguridad (interlock), para evitar la combinación 1 – 1 (no permitida), aquí.

Ver también el circuito propuesto aquí, con el integrado IRF7105.