capítulo i i. características generales del hardware

CAPÍTULO I
I.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL HARDWARE
1.1. REQUERIMIENTOS DEL CIRCUITO DE CONTROL
Para la realización de éste circuito de control denominado Hardware, es necesario
trabajar como con cualquier producto dentro de un proyecto de ingeniería, de tal manera
que sea fácil visualizar su incidencia con demás áreas del proyecto, permitiéndonos
generar oportunidades de mejora desde su concepción hasta su posterior fabricación.
Se presentará en el desarrollo del presente capítulo, un esquema general de A.P.Q.P., el
cual se podría utilizar para las cuatro fases orientadas a la fabricación de un producto,
como son:

Planeación y Definición,

Diseño y Desarrollo Producto,

Diseño y Desarrollo de Proceso,

Validación de producto y proceso.
A partir de este análisis podremos definir los requisitos de la centralita electrónica que
gobernará principalmente, el control de la aceleración y frenada regenerativa del
vehículo de competición tipo FSAE Electric, además de cumplir algunos requisitos
según las normas de la competición a la que va dirigida. Se plantea como punto de
partida, la definición de todas las fases para este producto, aclarando que no va existir
la necesidad de describir a detalle cada una de ellas, mas bien se tomarán aquellas que
de manera independiente aporten a la realización de esta memoria de Proyecto Fin de
Master.
-1-
1.1.1. PLANEACIÓN Y DEFINICIÓN DEL PRODUCTO
En este apartado se realizará una definición general de las características que debe
cumplir el Hardware, relacionado con la normativa de la competición y las expectativas
del equipo denominado TU Madrid. A continuación se muestra una tabla de esta
primera fase con algunos requisitos y asignación de responsables.
Tabla 1.1 Indicadores Fase I APQP
Requisitos
Responsables
de Definir normativa competición que Directores del Proyecto,
Metas
Confiabilidad
Calidad.
y afecta a la centralita de control Líder Área de Electrónica,
FSAE. Fijar metas con los directores Equipo de electrónica,
del proyecto.
Miembros del Equipo TU
Madrid.
Lista
preliminar Definición del tipo de tecnología Equipo de Electrónica.
de Materiales.
para
implementar
(Analógica,
el
control
Microcontrolada
o
Modular).
Diagrama de flujo Listar como se realizara el rediseño, Líder Área de Electrónica,
preliminar
del los prototipos, la fabricación y puesta Equipo de electrónica.
Proceso
en funcionamiento.
Características
Definir si van a existir características Directores del Proyecto,
especiales de
que pueden convertirse en una Líder Área de Electrónica,
Producto
y innovación aportada por el equipo.
Equipo de electrónica.
Proceso
Plan
de Realizar un estudio de recursos Directores de Proyecto
Aseguramiento
materiales
del Producto
soportar
y
el
tecnológicos
diseño,
fabricación del producto.
-2-
para Líder área de Electrónica.
pruebas
y
1.1.2. DISEÑO Y DESARROLLO DEL PRODUCTO
En la tabla presentada a continuación, se listan las tareas relacionadas con el producto,
desde el punto de vista de la concepción del diseño y posterior planeación para el
desarrollo de un producto, que será aplicado al control electrónico del vehículo eléctrico
de competición.
Tabla 1.2 Indicadores Fase II APQP
Requisitos
AMFE
diseño.
Responsables
de Evaluar la probabilidad de fallo así Directores del Proyecto,
como el efecto de este. Se parte del Líder Área de Electrónica,
AMFE de la tarjeta analógica de Equipo de electrónica.
control.
Especificaciones Traducir de las funciones al lenguaje Líder Área de Electrónica,
de Ingeniería.
de ingeniería, Listado de tipo de Equipo de electrónica.
señales de entrada y salida. Niveles de
control.
Dibujos
Ingeniería.
de Dibujo
de
planos
eléctricos
y Directores del Proyecto,
electrónicos de la centralita.
Líder Área de Electrónica,
Equipo de electrónica.
Construcción
Implementación en protoboard los Responsable de diseño y
de Prototipo.
circuitos
electrónicos,
cumplan con
para
que construcción
las características de Hardware.
operación y funcionamiento deseadas.
del
Responsables
del Software aplicado de
ser necesario.
Equipo
materiales.
y Listado de equipo, herramientas, y Equipo de electrónica.
otros recursos
desarrollo,
necesarios para el
pruebas,
fabricación
verificación de la centralita.
-3-
y
Plan de control Establecer un plan de control del Líder Área de Electrónica,
de Prototipo.
prototipo.
Equipo de electrónica.
AMFE
Evalúa la probabilidad de falla del Líder Área de Electrónica,
diseño final.
Equipo de electrónica.
1.1.3. DISEÑO Y DESARROLLO DEL PROCESO
En esta etapa del proyecto, el equipo se enfrenta a la puesta en marcha del proceso de
fabricación, por lo que es importante que se busque y defina un plan de control que
asegure la calidad de su producción. El punto de partida, será la realización de un
diagrama de flujo de proceso, el mismo que deberá ser ensayado y consensuado por los
miembros del equipo de electrónica, para su posterior aplicación práctica. Para términos
explicativos en esta memoria, se describirá el proceso de construcción de la tarjeta
analógica utilizada en la competencia FSAE Silverstone 2012, que servirá como aporte
para la próxima participación de la Universidad en la categoría A1 de vehículos
eléctricos.
Tabla 1.3 Indicadores Fase III APQP
Requisitos
Responsables
Diagrama de Flujo del Nos permite establecer todas las Líder
Proceso
de
situaciones de control de cara a Electrónica,
la construcción del PCB.
AMFE de Proceso
Área
Equipo de electrónica.
Evalúa la probabilidad de falla Proyect Manager,
del
dentro
fabricación
del
proceso
del
PCB.
de Directo de Producto,
Esto Líder
Área
de
incluye el montaje manual y Electrónica,
utilización de soldadura para Equipo de electrónica.
acoplamiento electrónico.
-4-
Plan de Control
Descripción
de
de Pre-producción
dimensionales,
mediciones Líder
Área
de
pruebas Electrónica,
funcionales y de los puntos de Equipo de electrónica,
control
electrónico.
aclarar
las
Permiten Responsable
características
funcionamiento.
Permiten
de construcción
de
la
de
la
la centralita.
validación del producto. Es una
verificación de conformidad o no
conformidad.
1.1.4. VALIDACIÓN DEL PRODUCTO Y PROCESO
La fase a continuación toma gran importancia principalmente antes del lanzamiento en
serie de un producto, para fines de este proyecto se ha generalizado una serie de
indicadores que permitirán visualizar, desde la perspectiva de una producción unitaria,
todos los criterios, métodos y sistemas de validación que son necesarios para llevar a
cabo un producto, controlando sistemáticamente su proceso. La tabla 1.4 presentada a
continuación resume estos requerimientos frente a la fabricación de la tarjeta de
control.
Tabla 1.4 Indicadores Fase IV APQP
Requisitos
Responsables
Corrida de Prueba
Evaluación de sistemas de Directores del Proyecto,
de Producción
medición.
Factibilidad Líder Área de Electrónica,
final. Revisión de proceso. Equipo de electrónica.
Pruebas de validación de
producción.
-5-
Evaluación del
Listar
dispositivos
y Equipo TU Madrid,
Sistema de Medición
métodos especificados para Líder Área de Electrónica,
verificar.
Equipo de electrónica.
Las características estarán
identificadas en el plan de
control.
Aprobación de
Valida que el producto Equipo TU Madrid,
Partes de Producción
hecho con herramentales y Líder Área de Electrónica,
procesos
de
producción. Equipo de electrónica
Para esto es necesario el
montaje en el coche y la
realización de las pruebas
estáticas y dinámicas de la
competición.
Pruebas de Validación de
Pruebas de ingeniería para Equipo UT Madrid
Producción
validar que los productos Líder Área de Electrónica
hechos con herramientas
y procesos de producción Responsable
de
la
normal
de
la
cumplen
estándares de ingeniería
1.2.
los construcción
centralita
DELIMITACIÓN DE FUNCIONES DE ENTRADAS
A continuación se muestra los requisitos de funcionalidad de la centralita
correspondientes con la Fase II de la planificación del producto. Principalmente en estas
dos secciones, se van a definir qué tipos de entradas y salidas son necesarias para la
realización del hardware de control. Luego, será necesario, convertir las funciones a
diagramas de bloques para facilitar su conversión a circuitos electrónicos, aclarando la
-6-
obligatoriedad de comprobarlos, para verificar su correcto funcionamiento para
integrarlos al control de tracción del tren de Potencia del vehículo eléctrico.
A continuación se describen las entradas de la ECU, sus requisitos y funciones:
Tabla 1.5 Delimitación de las entradas Fase II APQP
Orden
Entrada
Tipo de
Descripción
Características
señal
1
Señal sensor Analógica, Señal enviada por el Arreglo
de
de
de
posición rotacional,
sensor
de
del
respuesta
variable
acelerador.
lineal.
determinado
resistencia acondicionamiento
para señal para enviar un
recorrido nivel
de 0 a 5V al
angular de acelerador. Se CAD del PIC, para
convierte en la interface establecer el porcentaje
para la consigna de par y de
potencia.
2
Monitoreo
aceleración
solicitada por el piloto.
Analógica, Señal que vendrá del Acondicionamiento
señal
del rotacional,
potenciómetro montado similar
sensor
de respuesta
al extremo opuesto del acelerador, para evaluar
aceleración.
lineal.
al
primer
eje del acelerador. Sirve diferencias de voltaje
como retroalimentación mayores al 10%.
de la señal consigna.
3
Detección
Analógica, Señal de desplazamiento Arreglo
del
desplazami lineal, que indica cuanto para acoplamiento de la
desplazamien ento lineal, se
ha
desplazado
el señal.
electrónico
Debe
to del pedal Respuesta
freno y permite estimar acompañado
de freno
el
lineal
grado
regenerativo.
-7-
de
estar
de
un
freno circuito independiente
al del PIC, para
que
Puede
usarse
combinación
pulsador
en sea capaz de llevar a
con
un cero
Sensor
6
active el sensor.
presión freno piezo-
de la señal de la presión de
BOP
eléctrico,
de freno para indicar señal. Y un arreglo de
Respuesta
situación de emergencia. despliegue una luz en
lineal
Este tipo de
Sonda
acoplamiento
corriente
Efecto Hall, consumida
batería
electro_
Señal
indicando fallo.
por
tener
los retroalimentación de la
motores, para conocer la respuesta de la planta.
magnética. descarga de la batería
Mejora
las
Respuesta
características
del
lineal.
control.
de Digital,
Señal
errores
IMD, Existirá un circuito que
enviado como arreglos aísle eléctricamente la
continuos de pulsos. Ver señal
catálogo
Digital
enviada.
Se
específico encenderá un led al
según modelo de IMD.
Activación
de
error es el cuadro de mandos
Hall Analógica, Medida de la corriente Permite
error de IMD pulsante.
7
del
Analógica, Sensor para monitoreo Se necesita un circuito
reseteable por el piloto.
5
señal
convencional acelerador cuando se
de un sistema de freno.
4
la
presentarse un código.
Indica si se ha superado Se
valor
de
usa
fuerzas similares
arreglos
Sensor
un
al
punto
inercia.
longitudinales o laterales anterior. Se encenderá
correspondientes a un un led para indicar que
posible
impacto,
para el suceso ha ocurrido.
desconexión de energía.
-8-
8
Detección de Digital
Es importante para el Permitirá
la activación
controlador
de Ignición.
cuando cambia el mando la señal en cualquier
IS
de la ignición, en cao de momento,
(Ignition
Switch).
conocer cualquier un cambio de
Detección
Digital
al
alimentación cortar la alimentación
continua
para
Señal
de
poder de
error
de recorrido
sobrepasar
incorrecto de
máximo.
Error
pedal
reseteable
por
de
como
tener
despertar de reposo.
9
monitorizar
energía
de
bajo
voltaje.
por Este tipo de señal se
recorrido caracterizará
por
NO cambiar de un estado
piloto. bajo a un estado alto,
BOT ( Brake
Luz en el cuadro de cuando
Over
mandos indicando fallo.
Pressure)
exista
condición
siendo
la
indeseada,
monitorizada
por el PIC.
1.3.
DELIMITACIÓN DE FUNCIONES DE SALIDA
En esta sección se muestran todas las variantes que tendrán las salidas de la tarjeta
electrónica. Éstas se componen de un arreglo de circuitos, que darán soporte a todo un
grupo de respuestas del microcontrolador. Por lo tanto, permitirán enviar las peticiones
requeridas por piloto a través de señales eléctricas al Controlador de Alto Voltaje o de
Tracción, es decir, de primera mano este hardware actuará principalmente como
interface hombre-máquina para las acciones de control de aceleración o de frenada
regenerativa y además, ejecutará otras funciones complementarias como por ejemplo el
mismo control de la planta, o la activación del circuito de seguridad según lo requerido
en la normativa de la competición.
-9-
La tabla a continuación muestra la descripción detallada de estas señales de salida:
Tabla 1.6 Delimitación de las salidas. Fase II APQP
Orden
Salidas
Tipo de
Descripción
Características
señal.
1
Señal de control Analógica. Se entrega la señal Tiene que tener una
del
grado
de
aceleración
aceleración
procesada respuesta ascendente
por
PIC
el
al a la variación angular
controlador del motor entre 0 a 5V como
de acuerdo al ángulo de máximo y su corriente
giro del acelerador.
estará
limitada
a
25mA.
2
Señal de ajuste Analógica. El PIC entregará al Variará
de
porcentaje
de
forma
controlador una señal ascendente
Freno
correspondiente
regenerativo
porcentaje
del
al desplazamiento
del
freno freno, convertido de
regenerativo según sea angular
el
al
a
lineal.
desplazamiento Estará entre 0 a 5V y
lineal.
la salida de corriente
estará
limitada
a
25mA.
3
Señal de control Activación Comandará la puesta Esta
de corte
aceleración.
de a 12V.
ON-OFF
en
activación de un será
relé
de
12V,
de aceleración enviada (brake
controlador
motor.
- 10 -
No
comandada
que directamente con el
desconectará la señal pulsador
al
característica
de
freno
sensor),
del optoacoplando
será función,
esta
se
comandada por el PIC monitorizará con el
por
motivos
seguridad.
4
Conmutación
de PIC la activación del
pulsador.
Control de Esta función permitirá Se puede usar un relé
entre frenada y Activación la conexión de la señal de
aceleración.
a 12V.
de
porcentaje
ON-OFF
frenada
doble
de para
contacto
minimizar
el
regenerativa número de elementos.
con el controlador del Esto
es
verdadero
motor, cuando se pulse porque se priorizará la
el sensor de freno.
función
de frenada
frente
a
la
aceleración.
5
Relé del circuito Activación Activará el circuito de Existirán condiciones
de seguridad
a 12V.
seguridad, lo que no a activación de este
permitirá
flujo
corriente al Motor.
de circuito
que
serán
reseteables o no por el
piloto.
6
TSOUND.
Digital,
Se debe generar un Este sonido puede ser
Ready to drive
Pulsante.
sonido
característico formado
por
una
para el vehículo de 1 a consecución
3 segundos.
de
pulsos, sincronizados
en
el
tiempo
que
produzcan un aviso
sonoro de hasta 70 db
7
LED INERTIA Digital
Luz de advertencia fija, Indicara
visible para el piloto
del
activación
interruptor
de
inercia. Limitado por
la corriente del PIC.
- 11 -
8
Led IMD
Digital
Indicará
estados
de Luz de advertencia
falla del IMD, que Fija y Pulsante para
pueda ser visualizado indicación del tipo de
en el tablero de control. fallo IMD.
9
LED Throttle
Digital
Indicación
fallo
de Estará
señal de acelerador. Se siempre
encendida
que
exista
desplegará en forma cualquier anomalía de
continua en el tablero las
de instrumentos.
señales
de
la
posición del pedal de
acelerador
10
Led
BOT, Digital
Led de indicación del Indicará la ocurrencia
(Brake
Over
recorrido incorrecto de el evento.
Travel)
11
Led BOP
pedal de freno.
Digital
Led
de
indicación Indicará
estado
frenada de emergencia frenada
BOP
(Brake
de
de
Over emergencia.
pressure)
1.4.
CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL CONTROL FRENTE A LA
PLANTA. OTRAS SEÑALES DE CONTROL. BANCO DE PRUEBAS
Las características de la planta, determinan muchas de las solicitaciones de la tarjeta
electrónica referente al control. Para fines del presente proyecto se explicará brevemente
su importancia, aunque no se describirán a detalle, ya que entran en el campo de Power
Train, al cual está dedicado un proyecto complementario al presente, por otro miembro
del equipo TU Madrid.
- 12 -
Es es importante señalar, para los interesados en realizar la programación del
microcontrolador, la imperiosa necesidad de estudiar a fondo por lo menos algunas
características de los componentes que integran el Tren de Potencia como Motores,
Batería y otros sistemas complementarios como el que controlan el aislamiento, de
forma que se permita el diseño adecuados de los algoritmos de control. Se piensa que
los conceptos más importantes a requerir, serían los ensayados en un banco de pruebas,
como podrían ser los siguientes:

Control de par/velocidad

Curva señal de aceleración

Curva de descarga de batería

Curva del corriente consumida por el sistema de tracción.
Otro valor a estudiar es la determinación precisa de las señales de falla del IMD, aun
cuando se encuentren detalladas en su manual técnico de operación. Esto puede hacerse
generando las condiciones de fallo y midiendo las señales de respuesta con un
osciloscopio de gran precisión.
Finalmente en esta sección, bastará iniciar con la definición de bloques de control para
las entradas y salidas del Hardware. En la figura 1.1, se puede apreciar la existencia de
varias señales de entrada provenientes de los sensores de aceleración, de presión,
recorrido y desplazamiento de frenada, de corriente de motor, de estado de interruptores
de inercia e ignición y de estado del IMD, que deben pasar una fase de
acondicionamiento de señal antes de ser entregadas a la ECU. La Unidad electrónica de
control será la responsable del procesamiento de los valores de dichas entradas, por lo
tanto controlará el comportamiento de las salidas del circuito electrónico como son la
activación del circuito de seguridad, envío de señales al controlador de alta potencia de
los motores y otras de advertencia. La planta de este sistema se considera el grupo
motor eléctrico, que entregará su señal de retroalimentación a través de un sensor de
corriente.
- 13 -
Fig. 1.1 Diagrama de bloques del hardware de control
- 14 -
1.5.
GENERALIDADES DE LOS SENSORES UTILIZADOS
Los sensores son sin duda elementos imprescindibles en este proyecto, permitirán medir
magnitudes físicas como desplazamiento lineal y rotacional, presión, posición,
accionamiento o flujo de corriente. Estas variables serán convertidas a señales eléctricas
que en su debido momento, deberán ser interpretadas por el microcontrolador a través
de sus condiciones de procesamiento. A continuación se hará una descripción de los
tipos empleados para esta aplicación, esperando sea de utilidad a la hora de la puesta en
práctica de este circuito electrónico.
Detección de la posición del pedal del acelerador
Se utiliza un sensor usado en aplicaciones de automoción para la determinación del
ángulo de rotación del estrangulador, que normalmente son montados directamente en
el eje del mismo. Nosotros los utilizaremos solidarios al eje de rotación del pedal del
acelerador, el que partirá de una posición de reposo fijada por el mecanismo y la acción
de unos resortes, hasta un nivel angular máximo según sean los requerimientos que se
tenga en la concepción del vehículo eléctrico.
El principio de funcionamiento es la variación de valor de resistencia, de acuerdo al
ángulo de giro, la caída de tensión entonces será proporcional a la variación angular,
tendremos el mismo efecto en el sensor al otro lado del eje si invertimos la polaridad de
la alimentación como indica el fabricante. Su curva característica se puede apreciar a
continuación:
- 15 -
Fig. 1.2 Curva característica y vista del Torque encoder
Siendo:
N Característica nominal
T
Límite de tolerancia
Ψw Ángulo de rotación
UA Voltaje de Salida
UB Voltaje de alimentación
Sus características generales se resumen en la siguiente tabla:
Tabla 1.7 Características generales Sensor de posición del acelerador
Fabricante
Bosch
Principio de funcionamiento
Potenciómetro rotacional
Alimentación de Voltaje
5V
Máxima corriente de alimentación
20mA
Medida de grados angulares mecánicos
89
Temperatura de funcionamiento
20 a 180 °C.
Accesorios para el modelo 0 280 122 001
Conector número 1 237 000 039
- 16 -
Su posicionamiento en el mecanismo del acelerador, se muestra en siguiente figura:
Vista de sensor
Vista real
Fig. 1.3 Vista de la posición de los sensores del acelerador
Como parámetro adicional a la descripción, es importante conocer el modelo interno del
sensor para las dos posibles condiciones de polarización del voltaje de alimentación,
tomadas de su hoja de características
Fig. 1.4 Esquema de polarización y modelo interno.
- 17 -
A la hora del montaje será importante conocer la distribución física de sus pines,
mirando la vista del conector, a continuación se muestra un ejemplo:
Modo 1
Pin 1. Vcc
Pin 2. Gnd
Pin 3. Señal
Modo 2
Pin 1. Gnd
Pin 2. Vcc
Pin 3. Señal
Fig.1.5 Vista del conector y asignación de pines
Detección de la presión del freno
Este tipo de sensores son usados en automoción para aplicaciones de medida en los
motores de combustión de los vehículos, permiten medir la presión del riel en los
sistemas inyección directa de gasolina o en sistemas de inyección diesel de riel común.
También el fabricante recomienda su uso para medida de los sistemas de freno, ya que
no existe ninguna incompatibilidad con este tipo de fluido.
EL principio se base en la variación de la resistencia por deformación de un pequeño
film de polisilicón de su interior que esta acoplado eléctricamente en un arreglo tipo
puente de Wheatstone, cuya señal será amplificada por un circuito integrado que corrige
las características de offset y sensibilidad, permitiendo buena utilización de la señal y
compensación de la temperatura.
En la tabla a continuación se muestran las características mas importantes para su
utilización:
- 18 -
Tabla 1.8 Características generales sensor de presión
Fabricante
Bosch
Principio de funcionamiento
Piezo-resistivo
Rango de medición
Hasta 250 bar
Presión de ruptura
500 bar
Alimentación de Voltaje
5V
Máxima corriente de alimentación
≤20mA
Corriente de salida
-100 uA – 3mA
Temperatura de funcionamiento
-40 a 120 °C.
Accesorios para el modelo 0 265005303
Conector número 29676421
A la hora de conectar algún sistema de conversión de su señal el fabricante recomienda
su acoplamiento de la manera mostrada en la figura:
Fig. 1.6 Diagrama de conexión del sensor de presión BOP
Su curva característica, muestra los niveles de voltaje a la salida del sensor para un
determinado valor de presión en el sistema.
- 19 -
Fig. 1.7 Curva característica y vista del sensor de presión
Siendo:
UA Voltaje de señal a la salida del sensor
VS Voltaje de referencia (Uv)
P Presión del circuito de freno
La distribución del extremo de su conector puede verse apreciada a continuación:
Descripción
Pin 1. GND
Pin 2. Señal
Pin 3. Referencia
Fig. 1.8 Descripción del extremo del conector del BOP
- 20 -
Detección del recorrido del pedal de freno
El principio de funcionamiento del sensor para este efecto es de tipo potenciómetro de
desplazamiento lineal, está constituido internamente por materiales conductivos de
polímero que han sido probados como excelentes divisores de potencial.
Sus características se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 1.9 Características generales sensor de desplazamiento lineal
Fabricante
RS
Principio de funcionamiento
Potenciómetro desplazamiento lineal
Rango de medición
Desde 0mm hasta 10 mm
Rango de resistencia
500Ω - 10KΩ
Alimentación de Voltaje
5V
Máxima corriente de alimentación
1mA
Tolerancia
2%
Temperatura de funcionamiento
-40 a 130 °C.
Accesorios para el modelo 317-780
No es necesario. Se puede usar
genéricos
A continuación se muestra una vista del sensor, con su descripción de conexión de cada
uno de sus cables:
Descripción:
Cable 1. Rojo . Señal
Cable 2. Verde. Referencia
Cable 3. Amarillo. Gnd
Fig. 1.9 Vista y descripción de cableado sensor de desplazamiento.
- 21 -
Monitorización de la corriente del sistema
La medida de corriente constituye uno de los mecanismos de protección del grupo
motor, se realiza a través de un sensor que utiliza el principio de efecto hall y es de tipo
inducción electromagnética. Este sensor puede ser usado para medir varios tipos de
corriente como directa, alterna y pulsatoria.
Su tabla característica se muestra a continuación:
Tabla 1.10 Características generales sensor de corriente
Fabricante
RoHS
Principio de funcionamiento
Efecto Hall, electromagnético
Rango de medición
Hasta 300 A
Linealidad
≤m0,5 %
Alimentación de Voltaje
5V
Corriente de consumición
15mA
Tolerancia
1%
Temperatura de funcionamiento
-40 a 85 °C.
Voltaje a Ipn
2,5 +/- 0,6255
Ancho de banda
20 KHz
modelo HL300
No necesita accesorios
Este sensor será capaz de proporcionar una salida dependiendo del nivel de corriente
que circule por el conductor donde esta montado, el valor de 2.5V corresponde a cero
amperes, si es mayor a este, significa que la corriente circula en el sentido de la fecha, al
contrario el valor medido descenderá hasta un mínimo algo mayor que cero. A
continuación se resumen sus características principales:
- 22 -
Fig. 1.10 Curva característica y vista del sensor de corriente
Siendo:
Ip Corriente primario
Ip+ Flujo en dirección de la fecha de
Vout Voltaje a la salida del sensor
Es necesario observar la figura a continuación a la hora de realizar su conexión a las
entradas del grupo motor.
Fig. 1.11. Vista extremo del conector. Sensor de corriente
Detección de recorrido incorrecto del pedal de freno
Se utiliza para este efecto tipo de sensor de posición, que conmutará sus contactos de
manera diferente para cada una de sus dos posiciones. Se indicará a través de esto,
- 23 -
cuando el pedal de freno tenga un recorrido o no deseado, provocando la puesta en
apagado del sistema de tracción, esto se realiza abriendo el circuito de seguridad, se
recomienda usar similares al de la figura de tipo SPDT.
Fig. 1.12 Vista del sensor BOT
Detección activación del interruptor de inercia
El vehículo por normativa debe estar equipado con un sensor de inercia. Entre las
características que se piden para este sensor, es que permita ser reseteado por el piloto,
después de su activación. Su conexión eléctrica estará en serie con el circuito de
seguridad. A continuación se muestra la figura del sensor:
Fig. 1.13 Inertia Switch. Sensadata
El dispositivo se activará con aceleraciones de 6g a 11 g, dependiendo de la duración de
la aceleración según su hoja de características, provocando la apertura del circuito de
seguridad. Su montaje a través de tornillos permitirá desmontarlo para las pruebas
estáticas de la competición.
- 24 -
CAPÍTULO II
II. SELECCIÓN DEL MICROCONTROLADOR PARA LA
APLICACIÓN
2.1. INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES
Existe una gran diversidad de microcontroladores que pueden ser utilizados para esta
aplicación. Realizando una clasificación inicial nos encontramos con las familias de la
gama de 4, 8, 16 ó 32 bits. Si nos referimos a sus prestaciones, los de 16 y 32 bits son
superiores que los de 4 y 8 bits. En realidad, los dispositivos de 8 bits dominan el
mercado, pero los de 4 bits se resisten a desaparecer. Siendo los de 4 y 8 bits apropiados
para la gran mayoría de las aplicaciones.
En cuanto a las técnicas de fabricación, se puede indicar que prácticamente la totalidad
de los actuales microcontroladores se fabrican con tecnología CMOS (Complementary
Metal Oxide Semiconductor), esto trae como resultado una tecnología de bajo consumo
y alta inmunidad al ruido.
2.2. RECURSOS COMUNES A TODOS LOS MICROCONTROLADORES.
Al estar los microcontroladores integrados en un chip, su estructura fundamental y sus
características básicas son muy parecidas. Todos deben disponer de los bloques
esenciales como: Procesador, memorias de datos y de programa, líneas de E/S, oscilador
de reloj y módulos controladores de periféricos. Cada fabricante enfatiza los recursos
más idóneos para las aplicaciones a las que se destinan preferentemente.
- 25 -
2.3. ARQUITECTURA BÁSICA
Estos dispositivos inicialmente adoptaron la arquitectura clásica de Von Neumann, pero
actualmente se impone la arquitectura Harvard. La arquitectura de Von Neumann se
caracteriza por disponer de una sola memoria principal donde se almacenan datos e
instrucciones de forma indistinta. A dicha memoria se accede a través de un sistema de
buses único (direcciones, datos y control). La ventaja de la arquitectura Harvard es que
dispone de dos memorias independientes, una que contiene sólo instrucciones y otra,
sólo datos. Ambas disponen de sus respectivos sistemas de buses de acceso y es posible
realizar operaciones de acceso (lectura o escritura) simultáneamente en ambas
memorias, esto se puede apreciar gráficamente a continuación:
Fig. 2.1 Arquitectura Harvard del microcontrolador
2.3.1. EL PROCESADOR o CPU
Es el elemento más importante del microcontrolador y determina sus principales
características, tanto a nivel hardware como software. Se encarga de direccionar la
memoria de instrucciones, recibir el código de la instrucción en curso, además de su
decodificación y la ejecución, como también de la búsqueda de los operandos y el
almacenamiento del resultado.
- 26 -
Existen tres orientaciones en cuanto a la arquitectura y funcionalidad de los
procesadores actuales.
CISC: Un gran número de procesadores usados en los microcontroladores están basados
en la filosofía CISC (Computadores de Juego de Instrucciones Complejo). Disponen de
más de 80 instrucciones máquina en su repertorio, algunas de las cuales son muy
sofisticadas y potentes, requiriendo muchos ciclos para su ejecución. Una ventaja de los
procesadores CISC es que ofrecen al programador instrucciones complejas que actúan
como macros.
RISC: Tanto la industria de los computadores comerciales como la de los
microcontroladores están decantándose hacia la filosofía RISC (Computadores de Juego
de Instrucciones Reducido). En estos procesadores el repertorio de instrucciones
máquina es muy reducido y las instrucciones son simples y, generalmente, se ejecutan
en un ciclo. La sencillez y rapidez de las instrucciones permiten optimizar el hardware
y el software del procesador.
SISC: En los microcontroladores destinados a aplicaciones muy concretas, el juego de
instrucciones, además de ser reducido, es "específico", o sea, las instrucciones se
adaptan a las necesidades de la aplicación prevista. Esta filosofía se ha bautizado con el
nombre de SISC (Computadores de Juego de Instrucciones Específico).
2.3.2. MEMORIA
En los microcontroladores la memoria de instrucciones y datos está integrada en el
propio chip. Una parte debe ser no volátil, tipo ROM, y se destina a contener el
programa de instrucciones que gobierna la aplicación. Otra parte de memoria será tipo
RAM, volátil, y se destina a guardar las variables y los datos.
- 27 -
Hay dos peculiaridades que diferencian a los microcontroladores de los computadores
personales, la primera es que no existen sistemas de almacenamiento masivo. Como el
microcontrolador sólo se destina a una tarea en la memoria ROM, requiere de
almacenar un único programa de trabajo.
La RAM en estos dispositivos es de poca capacidad pues sólo debe contener las
variables y los cambios de información que se produzcan en el transcurso del programa.
Por otra parte, como sólo existe un programa activo, no se requiere guardar una copia
del mismo en la RAM pues se ejecuta directamente desde la ROM.
Estos integrados trabajan habitualmente con capacidades de memoria ROM
comprendidas entre 512 bytes y 8 Kbytes y de RAM comprendidas entre 20 y 512
bytes. Según el tipo de memoria ROM que se disponga, la aplicación y utilización de
los mismos es diferente. Se describen las cinco versiones de memoria no volátil que se
pueden encontrar en los microcontroladores del mercado:
ROM con máscara
Es una memoria no volátil de sólo lectura cuyo contenido se graba durante la
fabricación del chip. El elevado coste del diseño de la máscara sólo la hace aconsejable
el empleo de los microcontroladores con este tipo de memoria, cuando se precisan
cantidades superiores a varios miles de unidades.
OTP
El microcontrolador contiene una memoria no volátil de sólo lectura "programable una
sola vez" por el usuario o OTP (One Time Programmable). Es el usuario entonces,
quien puede escribir el programa en el chip mediante un sencillo grabador controlado
por un programa desde un PC. OTP es recomendable cuando es muy corto el ciclo de
diseño del producto, o bien, en la construcción de prototipos y series muy pequeñas.
- 28 -
Tanto en este tipo de memoria como en la EPROM, se suele usar la encriptación
mediante fusibles para proteger el código contenido.
EPROM
Los microcontroladores que disponen de memoria EPROM (Erasable Programmable
Read OnIy Memory) pueden borrarse y grabarse muchas veces. La grabación se realiza,
como en el caso de los OTP, con un grabador gobernado desde un PC. Si
posteriormente, se desea borrar el contenido, disponen de una ventana de cristal en su
superficie por la que se somete a la EPROM a rayos ultravioleta durante varios minutos.
Las cápsulas son de material cerámico y son más caros que los microcontroladores con
memoria OTP que están hechos con material plástico.
EEPROM
Se trata de memorias de sólo lectura, programables y borrables eléctricamente
EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read OnIy Memory). Tanto la
programación como el borrado, se realizan eléctricamente desde el propio grabador y
bajo el control programado de un PC. Es muy cómoda y rápida la operación de grabado
y la de borrado. No disponen de ventana de cristal en la superficie.
Los microcontroladores dotados de memoria EEPROM una vez instalados en el
circuito, pueden grabarse y borrarse muchas veces sin ser retirados de dicho circuito,
simplemente hay que dotarles de un medio de comunicación adecuada con el grabador.
Generalmente se utilizan "grabadores en circuito" que confieren una gran flexibilidad y
rapidez a la hora de realizar modificaciones en el programa de trabajo, bastaría con
desmontar el PIC de un zócalo para colocarlo en el dispositivo.
El número de veces que puede grabarse y borrarse una memoria EEPROM es finito, por
lo que no es recomendable una reprogramación continúa. Son muy idóneos para la
enseñanza y la Ingeniería de diseño.
- 29 -
FLASH
Se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar.
Funciona como una ROM y una RAM pero consume menos y es más pequeña. A
diferencia de la ROM, la memoria FLASH es programable en el circuito. Es más rápida
y de mayor densidad que la EEPROM.
La alternativa FLASH está recomendada frente a la EEPROM cuando se precisa gran
cantidad de memoria de programa no volátil. Es más veloz y tolera más ciclos de
escritura/borrado. Las memorias EEPROM y FLASH son muy útiles al permitir que los
microcontroladores que las incorporan puedan ser reprogramados "en circuito", es decir,
sin tener que sacar el circuito integrado de la tarjeta.
2.3.3. PUERTAS DE ENTRADA Y SALIDA
La principal utilidad de las patitas que posee el encapsulado que contiene un
microcontrolador es soportar varias las líneas de E/S para comunicar al procesador
interno con los periféricos exteriores. Según el número de controladores de periféricos
que posea cada modelo de microcontrolador, las líneas de E/S se destinan a
proporcionar el soporte a las señales de entrada, salida y control.
2.3.4. RELOJ PRINCIPAL
Todos los microcontroladores requieren de un circuito oscilador que genere una onda
cuadrada de alta frecuencia, que configura los impulsos de reloj usados en la
sincronización de todas las operaciones del sistema.
El circuito de reloj puede estar está incorporado en el microcontrolador y sólo se
necesitan unos pocos componentes exteriores para seleccionar y estabilizar la frecuencia
de trabajo. Dichos componentes suelen consistir en un cristal de cuarzo junto a
elementos pasivos o bien un resonador cerámico o una red R-C.
- 30 -
2.3.5. RECURSOS ESPECIALES
Cada fabricante oferta numerosas versiones de una misma
arquitectura básica de
microcontrolador. En algunas de ellas, se amplía las capacidad de las memorias, en otras
incorpora nuevos recursos, en otras reduce las prestaciones al mínimo para aplicaciones
muy simples, etc. La labor del diseñador será encontrar el modelo mínimo que satisfaga
todos los requerimientos de su aplicación. De esta forma, minimizará el coste, el
hardware y el software.
Los principales recursos específicos que incorporan los microcontroladores son:
• Temporizadores o "Timers".
• Perro guardián o "Watchdog".
• Protección ante fallo de alimentación o "Brownout".
• Estado de reposo o de bajo consumo.
• Conversor A/D.
• Conversor D/A.
• Comparador analógico.
• Modulador de anchura de impulsos o PWM.
• Puertas de E/S digitales.
• Puertas de comunicación.
Temporizadores o "Timers"
Se emplean para controlar periodos de tiempo (temporizadores) y para llevar la cuenta
de acontecimientos que suceden en el exterior (contadores). Para la medida de tiempos
se carga un registro con el valor adecuado y a continuación dicho valor se va
incrementando o decrementando al ritmo de los impulsos de reloj o algún múltiplo hasta
que se desborde y llegue a 0, momento en el que se produce un aviso.
- 31 -
Cuando se desean contar acontecimientos que se materializan por cambios de nivel o
flancos en alguna de las patitas del microcontrolador, el mencionado registro se va
incrementando o decrementando al ritmo de dichos impulsos.
Perro guardián o "Watchdog"
Un microcontrolador funciona sin el control de un supervisor y de forma continua las 24
horas del día. El Perro guardián consiste en una aplicación que posee un temporizador
que, cuando se desborda y pasa por 0, en el caso que el programa se encuentre colgado,
provoca un reset automático en el sistema.
Se debe diseñar el programa de trabajo que controla la tarea de forma que refresque o
inicialice al Perro guardián antes de que se provoque el reset. Si falla el programa o se
bloquea, no se refrescará al Perro guardián y, al completar su temporización, "ladrará y
ladrará" hasta provocar el reset.
Protección ante fallo de alimentación o "brownout"
Se trata de un circuito que resetea al microcontrolador,
cuando el voltaje de
alimentación (VDD) es inferior a un voltaje mínimo ("brownout"). Mientras el voltaje
de alimentación sea inferior al de brownout el dispositivo se mantiene reseteado,
comenzando a funcionar normalmente cuando sobrepasa dicho valor.
Estado de reposo ó de bajo consumo
Son amplias las situaciones reales de trabajo en que el microcontrolador debe esperar,
sin hacer nada, a que se produzca algún acontecimiento externo que le ponga de nuevo
en funcionamiento. Para ahorrar energía, (factor clave en los aparatos portátiles), los
PICs disponen de una instrucción especial (SLEEP), que permite pasar al estado de
reposo o de bajo consumo, en el cual los requerimientos de potencia son mínimos. En
dicho estado se detiene el reloj principal y se "congelan" sus circuitos asociados,
quedando sumido en un profundo sueño. Al activarse una interrupción ocasionada por el
acontecimiento esperado, se despierta y reanuda su trabajo.
- 32 -
Conversor A/D (CAD)
Los microcontroladores que incorporan un Conversor A/D (Analógico/Digital) pueden
procesar señales analógicas, tan abundantes en las aplicaciones. Suelen disponer de un
multiplexor que permite aplicar a la entrada del CAD diversas señales analógicas desde
las patitas del circuito integrado.
Conversor D/A (CDA)
Transforma los datos digitales obtenidos del procesamiento del computador en su
correspondiente señal analógica que saca al exterior por una de las patitas de la cápsula.
Existen muchos efectores que trabajan con señales analógicas.
Comparador Analógico
Algunos modelos de microcontroladores disponen internamente de un Amplificador
Operacional que actúa como comparador entre una señal fija de referencia y otra
variable que se aplica por una de las patitas de la cápsula. La salida del comparador
proporciona un nivel lógico 1 ó 0 según una señal sea mayor o menor que la otra.
También hay modelos de microcontroladores con un módulo de tensión de referencia
que proporciona diversas tensiones de referencia que se pueden aplicar en los
comparadores.
Modulador de anchura de impulsos OPWM
Son circuitos que proporcionan en su salida impulsos de anchura variable, que se
ofrecen al exterior a través de las patitas del encapsulado.
Puertos de E/S digitales
Todos los microcontroladores destinan algunas de sus patitas a soportar líneas de E/S
digitales. Por lo general, estas líneas se agrupan de ocho en ocho formando Puertos.
- 33 -
Las líneas digitales de los Puertos pueden configurarse como Entrada o como Salida
cargando un 1 ó un 0 en el bit correspondiente de un registro destinado a su
configuración.
Puertos de comunicación
Con objeto de dotar al microcontrolador de la posibilidad de comunicarse con otros
dispositivos externos, otros buses de microprocesadores, buses de sistemas, buses de
redes y poder adaptarlos con otros elementos bajo otras normas y protocolos. Algunos
modelos disponen de recursos que permiten directamente esta tarea, entre los que
destacan:
UART, adaptador de comunicación serie asíncrona.
USART, adaptador de comunicación serie síncrona y asíncrona
Puerta paralela esclava, para poder conectarse con los buses de otros
microprocesadores.
USB (Universal Serial Bus), que es un moderno bus serie para los PC.
Bus I2C, que es un interfaz serie de dos hilos desarrollado por Philips.
CAN (Controller Area Network), para permitir la adaptación con redes de
conexionado multiplexado desarrollado conjuntamente por Bosch e Intel para el
cableado de dispositivos en automóviles. En EE.UU. se usa el J185O.
2.3.6. HERRAMIENTAS PARA EL DESARROLLO DE APLICACIONES.
Uno de los factores que más importancia tiene a la hora de seleccionar un
microcontrolador, es el soporte tanto software como hardware de que dispone. Un buen
conjunto de herramientas de desarrollo puede ser decisivo en la elección, ya que pueden
suponer una ayuda inestimable en el desarrollo del proyecto. Entre estas señalamos:
- 34 -
Placas de evaluación
Se trata de pequeños sistemas con un microcontrolador ya montado y que suelen
conectarse a un PC, desde aquel
se cargan los programas que se ejecutan en el
microcontrolador. Las placas suelen incluir visualizadores LCD, teclados, LEDs, fácil
acceso a los pines de E/S, etc. El sistema operativo de la placa recibe el nombre de
programa monitor. El programa monitor de algunas placas de evaluación, aparte de
permitir cargar programas y datos en la memoria del microcontrolador, puede permitir
en cualquier momento realizar ejecución paso a paso, monitorizar el estado del
microcontrolador o modificar los valores almacenados los registros o en la memoria.
Emuladores en circuito
Se trata de un instrumento que se coloca entre el PC anfitrión y el zócalo de la tarjeta de
circuito impreso donde se alojará el microcontrolador definitivo. El programa es
ejecutado desde el PC, pero para la tarjeta de aplicación es como si lo hiciese el mismo
microcontrolador que luego irá en el zócalo. Presenta en pantalla toda la información tal
y como luego sucederá cuando se coloque la cápsula.
Depuradores: Debido a que los microcontroladores van a controlar dispositivos físicos,
los desarrolladores necesitan herramientas que les permitan comprobar el buen
funcionamiento del microcontrolador cuando es conectado al resto de circuitos.
Simuladores: Son capaces de ejecutar en un PC programas realizados para el
microcontrolador. Los simuladores permiten tener un control absoluto sobre la
ejecución de un programa, siendo ideales para la depuración de los mismos. Su gran
inconveniente es que es difícil simular la entrada y salida de datos del microcontrolador.
Tampoco cuentan con los posibles ruidos en las entradas, pero, al menos, permiten el
paso físico de la implementación de un modo más seguro y menos costoso, puesto que
ahorraremos en grabaciones de chips para la prueba in-situ.
- 35 -
2.3.7. LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN.
Como lenguajes de programación se detallan a continuación los dos mas importantes:
Ensamblador
La programación en lenguaje ensamblador puede resultar un tanto ardua para el
principiante, pero permite desarrollar programas muy eficientes, ya que otorga al
programador el dominio absoluto del sistema. Los fabricantes suelen proporcionar el
programa ensamblador de forma gratuita y en cualquier caso siempre se puede encontrar
una versión gratuita para los microcontroladores más populares.
Compilación en alto nivel.
La programación en un lenguaje de alto nivel (como el C ó el Basic) permite disminuir
el tiempo de desarrollo de un producto. No obstante, si no se programa con cuidado, el
código resultante puede ser mucho más ineficiente que el programado en ensamblador.
Las versiones más potentes suelen ser muy caras, aunque para los microcontroladores
más populares pueden encontrarse versiones demo limitadas e incluso compiladores
gratuitos.
2.4. SELECCIÓN DEL MICROCONTROLADORES PARA EL HARWARE DE
CONTROL DEL VEHICULO ELÉCTRICO
Antes de seleccionar un microcontrolador es imprescindible analizar los requisitos de la
aplicación como se ha mencionado en el capítulo I. La selección para el empleo en el
diseño concreto se basará en varios factores, como la documentación, herramientas de
desarrollo disponibles hasta su precio. También se tomará en cuenta la cantidad de
fabricantes que lo producen y por supuesto las características del microcontrolador (tipo
de memoria de programa, número de temporizadores, interrupciones, etc.), a
continuación se hará una descripción de las más importantes:
- 36 -
Documentación disponible.
Los fabricantes de microcontroladores entregan una gran cantidad de información de
forma gratuita, como es el caso de Microchip, cuya documentación usaremos para esta
aplicación. Además existe gran cantidad de autores que inclinados por la aplicación de
los PICs, tanto a nivel industrial como de enseñanza, han redactado múltiples fuentes de
consulta sobre temas relacionados con este mundo apasionante del control.
Costos.
Los fabricantes de microcontroladores compiten diariamente para vender sus productos,
por lo que su precio es bastante accesible.
Aplicación.
Antes de seleccionar un microcontrolador es imprescindible analizar los requisitos de la
aplicación, como se muestra a continuación
Procesamiento de datos: Puede ser necesario que el microcontrolador realice cálculos
críticos en un tiempo limitado. En ese caso debemos asegurarnos de seleccionar un
dispositivo suficientemente rápido para ello. Por otro lado, habrá que tener en cuenta la
precisión de los datos a manejar: si no es suficiente con un microcontrolador de 8 bits,
puede ser necesario acudir a microcontroladores de 16 ó 32 bits, o incluso a hardware de
coma flotante. Una alternativa más barata y quizá suficiente es usar librerías para
manejar los datos de alta precisión.
Entrada Salida: para determinar las necesidades de Entrada/Salida del sistema es
conveniente dibujar un diagrama de bloques del mismo, de tal forma que sea sencillo
identificar la cantidad y tipo de señales a controlar. Una vez realizado este análisis
puede ser necesario añadir periféricos hardware externos o cambiar a otro
microcontrolador más adecuado a ese sistema.
- 37 -
Consumo: algunos productos que incorporan microcontroladores están alimentados con
baterías. Lo más conveniente en un caso como éste, puede ser que el microcontrolador
esté en estado de bajo consumo pero que despierte ante la activación de una señal (una
interrupción) y ejecute el programa adecuado para procesarla.
Memoria: para detectar las necesidades de memoria de nuestra aplicación debemos
separarla en memoria volátil (RAM), memoria no volátil (ROM, EPROM, etc.) y
memoria no volátil modificable (EEPROM). Este último tipo de memoria puede ser útil
para incluir información específica de la aplicación como un número de serie o
parámetros de calibración.
Ancho de palabra: el criterio de diseño debe ser seleccionar el microcontrolador de
menor ancho de palabra que satisfaga los requerimientos de la aplicación. Usar uno de
4 bits supondrá una reducción en los costes importante, mientras que uno de 8 bits
puede ser el más adecuado si el ancho de los datos es de un byte. Los
microcontroladores de 16 y 32 bits, debido a su elevado coste, deben reservarse para
aplicaciones que requieran sus altas prestaciones (Entrada/Salida potente o espacio de
direccionamiento muy elevado).
Diseño de la placa: la selección de un microcontrolador concreto condicionará el
diseño de la placa de circuitos. Debe tenerse en cuenta que quizá usar un integrado
barato encarezca el resto de componentes del diseño. Los más populares se encuentran,
sin duda entre los fabricados por la empresa Microchip, que cuenta con
innumerables
familias en el mercado, algunas de las cuales poseen un gran número de variantes para
sus aplicaciones.
- 38 -
2.4.1. JUSTIFICACIÓN DE LA SELECCIÓN DEL PIC 18F4680
Vistos los criterios de selección del microcontrolador se procedió a seleccionar el PIC
18F4680, el mismo que pertenece a la familia de la gama media, aunque su arquitectura
es de 8 Bit, cuenta con posee 40 patitas en su encapsulado.
Las razones principales que nos llevan a su selección se resumen a continuación:
Cantidad de puertos de entrada y salida: este PIC soporta todas las entradas y salidas
para los componentes presentados en el Capitulo I de este proyecto.
Usa como lenguaje de programación C: que permite tener poco una carga pequeña
relacionada con el tamaño del programa y el tiempo de instrucción. Permitiéndonos,
implementar programas más extensos, por ejemplo si se quiere trabajar en el mapping
para el control del Potencia del vehículo. Además de esto, existen buenos compiladores
disponibles y se cuenta con varios medios de información sobre la configuración y
manejo de instrucciones al momento de programar.
Pertenece a una familia de altas prestaciones 18XXX: es muy reconocido por los
diseñadores, posee una Pila de 32 Niveles, múltiples buses e instrucciones (16 Bits con
77 instrucciones). Además, posee también un CA/D, que se puede multiplexar con sus
11 canales. La conversión la realiza a 10 bits, lo que significa que posee mayor
precisión que un micro de 8 bits para este fin. Para nuestra aplicación es importante
contar con varias líneas de entradas analógicas.
La posibilidad de comunicarse con otros dispositivos: posee conectividad con CAN, a
través de un módulo denominado ECAN, con rangos de Mensajes de 10Mbps, además,
se puede conectar con LIN. Para futuras aplicaciones en el vehículo eléctrico, se ha
discutido con los miembros de equipo de la SAE Electric, TU Madrid, la posibilidad de
trabajar con un nuevo sistema del controlador de Potencia del grupo motor, que
- 39 -
remplace al actualmente implementado llamado Kelly Controler, por otro de mejores
prestaciones que adicionalmente se pueda comunicar con el micro a través de este
protocolo.
Capacidad de ensayo de distintos programas: su memoria FLASH es capaz de soportar
1.000.00 de ciclos de escritura y borrado, por lo que serviría para desarrollo de software
de control.
Debe proporcionar salidas analógicas: aunque su diseño no este establecido para este
fin, cuenta con características como un módulo CCP para captura, comparación y
modulación
por ancho de pulso. Además,
existen dispositivos electrónicos
que
permiten el cambio de frecuencia a voltaje.
Alta velocidad de procesamiento: puede conectarse a un cristal de 40 MHz, lo que
garantiza un nivel de procesamiento rápido, además se puede trabajar en su programa
con la configuración de cuatro Timers, uno de 8 bits y 3 de 16 bits. Por ejemplo un
PIC18F4680 funciona en 10 MHz, le corresponde un ciclo de instrucción de 400ns,
puesto que cada instrucción tarda en ejecutarse cuatro periodos de reloj, o sea se tiene
4x100ns = 400ns. Todas las instrucciones del PIC se realizan en un ciclo de instrucción,
menos las de salto, que tardan el doble.
A continuación se muestra una tabla comparativa con otros de su misma gama, siendo
éste el de mayores prestaciones con respecto a la memoria de programa y de datos.
Tabla 2.1 Características de modelos de la Gama 18FXXXX
- 40 -
2.4.2. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL MODELO
A continuación se enunciaran algunas de las características generales comentadas, y
otras específicas desde la perspectiva de acoplamiento eléctrico al resto de elementos,
que van hacer diseñados en el capítulo siguiente. Advertimos también la necesidad de
ampliar esta información con más detalle, si se desean conocer otras especificaciones
para la elaboración del programa de control que sale fuera de los fines de este proyecto.
Como resumen de sus características generales, se presenta la siguiente tabla:
Tabla 2.2 Características generales del PIC 18F4680.
Memoria de programa:
Flash 64kB 32Kwords
Memoria de datos RAM:
3328 byte
Memoria de datos EEPROM:
1024 byte
Interrupciones
10 tipos diferentes
Juego de instrucciones
77
Encapsulado
Plástico, DIP 40
Líneas de e/s digitales
36
Frecuencia de trabajo
40 MHz máxima
Temporizadores
1 x 8 bit, 3 x 16 bit
Comparadores
2
Entradas analógicas
11
Conectividad
ECAN, LIN
Voltaje en cualquier pin con respecto a
Vss (excepto Vdd y Mclr)
-0.3v to (Vdd + 0.3V)
Voltaje sobre Vdd con respecto a Vss
-0.3v to +7.5 V
Voltaje sobre Mclr con respecto a Vss
0v to +13.25 V
Disipación total de potencia
1.0 W
- 41 -
Máxima corriente de salida de pin Vss
300 mA
Máxima corriente de entrada al pin
Vdd
250 mA
Máxima corriente de entrada o salida
cualquier pin E/S
25 mA
Máxima corriente soportada o
suministrada por todos los puertos
200 mA
Temperatura ambiente sobre las vías
-40°c to +125°C
Temperatura de almacenamiento
-65°c to +150°C
2.4.3 UTILIZACIÓN EN EL CIRCUITO DE CONTROL
Para la presente aplicación, es necesario visualizar una posible asignación de funciones
para cada terminal del microcontrolador, lo que dará características especiales a cada
puerto y a cada pin del encapsulado. Toda la información de este integrado se encuentra
disponible en la hoja característica que proporciona de forma gratuita el fabricante.
Para fines descriptivos de esta memoria, se cree oportuno realizar una tabulación de
todas las entradas y salidas que se espera soportar con este integrado.
En la figura se puede apreciar la distribución de sus puertos de entrada, con sus pines
respectivamente numerados y señalados con siglas correspondientes a sus características
funcionales.
- 42 -
Fig. 2.2 Vista diagrama de distribución de pines. PIC 18F4680
A continuación se finaliza este capítulo, con el detalle de la distribución de terminales a
los distintos componentes del Hardware, mostrado en las en las siguientes tablas:
Tabla 2.3 Selección de canales analógicos para el CAD
Entrada
Pin correspondiente
Analógica del sensor 1, acelerador
2. PortA, RA0,AN0
Analógica del sensor 2, monitoreo de aceleración
3. PortA, RA1, AN1
Analógica sensor de desplazamiento, freno
4. PortA, RA2, AN2
Analógica sensor de sobrepresión, freno
5. PortA, RA3, AN3
Analógica sensor de corriente, grupo motor
7. PortA, RA5,AN4
Analógica monitoreo de corto a positivo, corto a 8. PortE, RE0, AN5
GND, fuera de rango, desconexión sensor 1,
acelerador
Analógica monitoreo de corto a positivo, corto a 9. PortE, RE1, AN6
GND, fuera de rango, desconexión sensor 2,
acelerador
- 43 -
Tabla 2.4 Selección entradas digitales
Entrada
Pin correspondiente
Entrada monitoreo, activación del freno
16. PortC, RC1,T1OSI
Senal para monitoreo del IMD
17. PortC, RC2,T1OSI
Detección de Activación Inertia Switch
33. PortB, RB0, INT0
Detección de Activación Ignition Switch
34. PortB, RB1, INT1
Tabla 2.5 Selección salidas digitales
Entrada
Pin correspondiente
Activación 1, Circuito de Seguridad
15. PortC,
RC0,T1OSO
Activación 2. circuito de seguridad
17. PortC, RC2, CCP1
Pin de medida externa
26. PortC, RC7, RX,
DT
TSOUND
28. PortD, RD5, P1B
Digital pulsante, salida de frecuencia, indicación 27. PortD, RD4, P1A
de aceleración
Digital pulsante, salida de frecuencia, indicación 29. PortD, RD6,P1A
de freno regenerativo
Indicación luminosa BOT
17. PortC, RC2,
Indicación luminosa BOP
18. PortC, RC3,
Indicación luminosa IMD
23. PortC, RC4,
Indicación luminosa INERTIA
24. PortC, RC5,
Indicación fallo acelerador
25. PortC, RC6,
Canal de comunicación
36. PortB, RB3,
CANRX
Canal de comunicación
35. PortB, RB2,
CANTX
- 44 -
CAPÍTULO III
III. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS PARA LA APLICACIÓN
En esta sección se hará una descripción de los circuitos electrónicos aplicados al
control de funciones de entrada/salida específicas para el vehículo de competición tipo
FSAE Electric. El circuito de la aplicación estará definido como hardware, por la
integración de todos aquellos arreglos de componentes en la periferia del
microcontrolador, capaces de suministrar alimentación, adecuadas señales para ser
monitorizadas durante el procesamiento de las entradas y además un nivel limitado de
carga
para sus salidas, con la finalidad de cumplir eficientemente los requerimientos
solicitados sin sobrepasar los valores máximos de las especificaciones del PIC en
ninguno de ninguno de sus terminales.
A continuación se generaliza por separado cada uno de los bloques que integrarán el
circuito, así como sus características especiales:
3.1. CIRCUITOS DE PROTECCIÓN
Control de corto circuito
Todos los circuitos del vehículo reciben la alimentación de un convertidor DC/DC, que
pasa primeramente por una
caja de fusibles, similar a las implementadas en los
vehículos por las Industrias de Automoción, aunque también se podrían usar fusibles de
línea dentro del circuito.
La selección de esta protección estará relacionada con el calibre de alambre más
delgado según el estándar AWG, la pista más delgada del PCB o el componente más
sensible a la elevación de corriente.
- 45 -
A continuación se muestra el esquema general de protección contra cortocircuito, en la
siguiente figura:
Fig. 3.1 Protección contra cortocircuito
Protección contra inversión de polaridad.
En este apartado ha sido utilizada una solución compuesta de un arreglo muy simple,
usando las características de funcionamiento de un diodo de silicio, que nos permite
que circular corriente solamente en un estado de polarización y evita daños a los
elementos del circuito en polarización inversa, especialmente para evitar errores de
conexión en pruebas externas o remplazo de cableado dentro del vehículo.
El circuito recibe la alimentación del convertidor DC/DC, pasando a través de un fusible
como entrada los reguladores de tensión,
encargados de alimentar a los demás
componentes del circuito.
Fig. 3.2 Circuito protección inversión de polaridad
- 46 -
3.2. CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN DE ENERGÍA
Dentro de cualquier aplicación electrónica, existen dispositivos que nos exigen
determinados niveles de voltaje para su operación normal, en nuestro caso a más de
alimentar un microcontrolador, debemos alimentar otros integrados para el
acondicionamiento de señal y la conversión D/A, además de generar alimentación
independiente a los distintos sensores montados en el vehículo.
En el mercado existen numerosos integrados que permiten realizar estas aplicaciones, a
continuación se muestran los circuitos utilizados para esta función con una breve
descripción de los mismos:
Fuente de alimentación de 5V.
Se disponen de dos circuitos fuente, para obtener salidas independientes tanto para el
voltaje de alimentación del PIC como para la referencia de los sensores. Se ha utilizado
un integrado 7805, cuyas características esenciales a cuidar son el nivel máximo y
mínimo de voltaje de entrada, la corriente y la disipación de potencia. A continuación se
resumen sus principales características:
Tabla 3.1 Características generales del IC 7805
Voltaje de salida:
+5VDC
Voltaje de entrada
7-25 VDC
Corriente máxima de salida
1A
Tipo de encapsulado:
TO-220
A continuación se muestra un circuito implementado, donde adicionalmente se utiliza
un arreglo de condensadores, necesarios para eliminar ruidos si la fuente esta lejos del
regulador y estabilizar la señal a la salida del mismo, existe también un diodo colocado
- 47 -
entre
salida y la entrada del 7805, cuya función es evitar que se descargue el
condensador de 0,1uF, cuando se desconecte la alimentación del circuito.
En la aplicación cuenta con dos circuitos fuente de 5v,
que poseerán de manera
independientemente una indicación luminosa que permanecerá encendida cuando se
está alimentado a los sensores o al microcontrolador, esto facilita el rápido diagnostico
de producirse algún inconveniente.
Fig. 3.3 Fuente fija 5V, para el microcontrolador
Fig. 3.4 Fuente fija 5V, para referencia a los sensores
- 48 -
Fuente de alimentación de 12V.
Este circuito fuente también utiliza un regulador de voltaje de tres terminarles, las
características del de circuito son similares a las usadas con la fuente de 5V. Ésta
alimentación es necesaria para la utilización de los circuitos integrados que usamos
para acondicionamiento de señal, como para la conversión de frecuencia a voltaje para
el control de aceleración o frenada. La tabla que se muestra, resume a continuación las
características generales de este encapsulado.
Tabla. 3.2 Características generales del IC 7812
Voltaje de salida:
+12VDC
Voltaje de entrada
14-35 VDC
Corriente máxima de salida
1A
Tipo de encapsulado:
TO-220
A continuación se muestra el circuito fuente de 12V.
Fig. 3.5 Fuente Fija de 12V con IC.
- 49 -
3.3. CIRCUITO DE REJOJ
El circuito de oscilación corresponde al recomendado por el fabricante del
microcontrolador, para aplicaciones de oscilador externo, nos permite establecer cual va
ha ser el tiempo de ciclo del procesamiento del programa que se diseñará por otro
grupo de profesionales para esta aplicación.
La selección del cristal viene dada con la selección de los capacitores cerámicos, que
permiten estabilizar la oscilación en todo momento, usando el valor recomendado por la
por la hoja técnica del PIC, usamos para un cristal de 10Mhz, dos condensadores de
22pf. La figura a continuación muestra el esquema de su conexión, también permite
observar que el micro se ha conectado en sus terminales de alimentación a otros dos
capacitores, para evitar la presencia de ruidos que afecten a su normal funcionamiento.
A la hora de construir el PCB hay que tener especial cuidado de montarlos cerca del
dispositivo que se quiere aislar.
Fig. 3.6 Circuito Oscilador externo y filtrado de interferencias
- 50 -
3.4. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES DE ENTRADA
Detección de la petición de aceleración
Para esta característica del hardware, de manera inicial se ha procedido ha realizar dos
tipos de ensayos en el Laboratorio en el Área de electrónica del INSIA, con la
finalidad de verificar las curvas de funcionamiento y observar la variación de voltaje y
resistencia en distintas condiciones como son:

Ensayo de la Variación de Resistencia con y sin carga

Ensayo de la Variación del Voltaje con y sin carga
Se ha usado como alimentación de los sensores una fuente de alimentación de precisión
regulada a 5V.
Las tablas y figuras a continuación han sido realizadas utilizando el valor mínimo y el
valor máximo medido, al tratarse de un sensor lineal. Luego se ha comprobado su
linealidad experimentalmente con valores arbitrarios con resultados favorables.
Todos los
datos han sido medidos con equipos de medición de gran precisión y
adecuadas condiciones de calibración, también se ha establecido en forma de tanto por 1
la correspondencia de la posición del acelerador a través de gráficas usando Excel, éstas
serán de utilidad para el programador a la hora de diseñar sus algoritmos
Tabla 3.3 Valores medidos del sensor con RL
Coeficiente angular
%/100
0
1
Resistencia
Kohmios
0,817
1,551
- 51 -
Fig. 3.7 Resistencia vs. Coeficiente de apertura. Con RL
Tabla 3.4 Valores medidos del sensor sin RL
Coeficiente angular
%/100
Resistencia
Kohmios
0
1
0,89
1,837
Fig. 3.8 Resistencia vs. Coeficiente de apertura. Sin RL
- 52 -
El segundo ensayo muy similar pero se mide el voltaje energizando la entrada del sensor
con 5V y conectando la referencia a GNG, de lo cual se obtiene los siguientes
resultados:
Tabla 3.5 Voltaje medido a la salida del sensor con RL
Coeficiente angular
%/100
0
1
Voltaje
Voltios
0,192
3,67
Fig. 3.9 Voltaje vs. Coeficiente de apertura. Con RL
Tabla 3.6 Voltaje medido a la salida del sensor sin RL
Coeficiente angular
%
0
1
Voltaje
Voltios
0,209
4,05
- 53 -
Fig. 3.10 Voltaje vs. Coeficiente de apertura. Sin RL
Para nuestra aplicación, la utilización de estas curvas de acuerdo al ángulo mecánico
que se de al pedal del acelerador, nos permiten determinar en todo momento la posición
exacta a la que se encuentra, por lo tanto el requerimiento de aceleración. A manera de
explicación diremos que el ángulo máximo de este sensor es 89 grados y corresponde al
coeficiente 1, el ángulo mínimo es 0 grados y corresponde al valor cero, bastaría con
medir el voltaje de salida y multiplicar el coeficiente por el ángulo máximo para
determinar cuantos grados a girado el acelerador con la siguiente fórmula:
Angulo de giro= Coeficiente x Ángulo Máximo Ecuación 3.1
Frente al circuito de acondicionamiento de señal, se determina mecánicamente que el
máximo ángulo real de giro será de 30 grados, por lo que el voltaje máximo a la salida
del acondicionamiento de señal será cercano a esta condición. Calculamos el coeficiente
para determinar el valor del coeficiente y su correspondiente medida de voltaje en esta
posición.
Coeficiente = (30 grados/ 89 grados totales) = 0.33 %/100
- 54 -
En base a este valor se decide no utilizar la resistencia de carga para agrandar el voltaje
de funcionamiento que será de 0.24 V hasta 1.5 V (30 grados) y realizar un
acondicionamiento de señal cercano a 5V de valor máximo para este ángulo.
Por lo anterior se utiliza en esta aplicación un circuito restador con ganancia utilizando
amplificadores operacionales, para lo cual hay que determinar el valor la relación
R2/R1, de la configuración básica que se muestra a continuación:
Fig. 3.11 Esquema básico del restador
La ecuacion a emplear para calcular el voltaje de salida Vout, es la siguiente:
Vout = (R2/R1) (V2-V1)
Ecuación 3.2
Según nuestras condiciones R2/R1=4.3 igual para ambos sensores, para valores a 1.8
Voltios de entrada tendremos una salida que será limitada con un regulador.
- 55 -
Es necesario ahora, realizar un diagrama de bloques desde la salida de la señal de ambos
sensores, hasta la entrada al canal del conversor analógico-digital del microcontrolador,
este es mostrado a continuación:
Fig. 3.12 Esquema simplificado de acondicionamiento de señal torque encoder 1
Fig. 3.13 Esquema simplificado de acondicionamiento de señal torque encoder 2
- 56 -
Como nota importante de la figura 3.13, se tiene que aclarar la inversion de los
terminales del sensor 2, para poder tener una variacion positiva al montarse en sentido
opuesto con la consiguiente modificación del sentido de giro.
La utilización de los integrados CA3240 para acoplamiento de señal
y
acondicionamiento, obliga el uso de acopladores de voltaje a la entrada del restador.
Tomando en cuenta que este tipo de integrados no puede funcionar eficientemente con
un voltaje de alimentación de 5V, es necesario alimentarlos con valores comprobados
de 6,25 a 12V utilizando nuestros circuitos fuente. La limitación de voltaje a la salida se
realiza con la utilización de un zener cuya resistencia se muestra en la siguiente figura:
Fig. 3.14 Regulación con Zener
La determinación de Rs se calcula con la formula a continuación:
Ecuación 3.3
Basándonos en las características del zener, Rs nos permitirá tener una corriente Iz entre
sus valores mínimos y máximos según el dispositivo, para voltajes mayores a 5V de Vi.
Para valores menores a 5V, el voltaje en este punto será el entregado por la salida del
operacional, tomando en cuenta eso se ha determinado el valor de Rs de 40 a 80 ohms.
- 57 -
Una vez bajo control el voltaje, colocamos una resistencia de 330Ω que permite limitar
la corriente a la entrada del micro hasta 16mA.
Los circuitos finales para este punto se muestran a continuación:
Fig. 3.15 Circuito de acondicionamiento del sensor 1
Fig. 3.16 Circuito de acondicionamiento del sensor 2
- 58 -
Adicionalmente de acuerdo a la normativa, es necesario monitorizar las señales para
gestionar la desconexión del sistema de Tracción por acciones de corto circuito a 12V,
corto a GND, desconexión del conector y diferencia entre las señales mayor al 10%.
Para todo esto se ha establecido el siguiente arreglo hacia las entradas analógicas del
PIC, las mismas que podrán leerse manipulando su canal de selección del conversor
analógico-digital.
Fig. 3.17 Circuito de control y monitoreo de aceleración
Monitoreo de señales de IMD, Inertia switch, Brake, Ignition Switch.
En muchas aplicaciones como esta, es necesario el monitoreo el estado de las señales
que pertenecen a otros diferentes circuitos, por esta razón es importante obtener dicha
información realizando una separación eléctrica de las mismas, pudiendo ser fácilmente
transformadas a niveles digitales, para ser interpretados por una centralita de control y
de ser el caso trasformados a un dato digital alguna señal de tipo pulsante como la
proveniente del IMD.
Existen varios modelos de opto-acopladores en el mercado, para la utilizaremos el
ISP827 para el monitoreo de señales del sensor de inercia, códigos de fallo de IMD,
interruptor de encendido y activación del sistema de freno, estos integrados también
- 59 -
pudieran conectarse como salidas de algún circuito de control por ejemplo activación de
un motor paso a paso, de ser necesario.
Se presenta a continuación el diagrama de bloques de cara al control, que permite tener
una entrada de habilitación del ciclo del programa, cuando se habilita ignición,
pudiendo ser usado para establecer una serie de eventos antes de que el acelerador sea
habilitado como el TSOUND, después del cual el vehículo estará listo para la puesta en
marcha, dicha condición es llamada Ready to drive.
Fig. 3.18 Esquema simplificado, detección estado de interruptores
Este esquema se muestra traducido a un circuito electrónico siguiente figura,
alimentando a las entradas digitales del microcontrolador:
- 60 -
VCC_PIC
R64
1k
U63
RB0
R63
INERTIA OUT
1k
1
2
R66
IGNITION
1k
3
4
D1-AN
TR1-C
D1-CAT
TR1-E
D2-AN
TR2-C
D2-CAT
TR2-E
8
7
R65
1k
6
RB1
5
ISP-827-OPTOACOPLER
SWITCH MONITORING
Fig. 3.19 Diagrama esquemático control de entradas Inertia, Ignition
Este arreglo utilizando opto transistores, nos permite separar eléctricamente el control
de los interruptores de ignición e inercia, para la detección de su estado de activación,
simplemente al estar accionados harán que cambien el estado de 1L a 0L, a través de los
terminales del Puerto B RB1 y RB0.
La resistencia de entrada al ánodo del led emisor, se estima de acuerdo al límite de
corriente máximo de su hoja de característica y su caída de voltaje, según el voltaje de
entrada. A continuación se muestra la distribución interna simplificada del ISP 827.
Fig. 3.20 Componentes internos ISP 827
- 61 -
La resistencia de 1K limita la corriente del led emisor infrarrojo, pudiendo tomar hasta
un valor mínimo de 220Ω, que mantiene activado el transistor cuando existe contacto y
el interruptor de inercia esta cerrado, de esta manera podemos tenemos a las salidas 8 y
6, señales que permanecerán el alto en estos estados, si uno de los estados cambia, el
sistema deberá actuar para interrumpir la salida, esto puede hacerse actuando sobre el
mismo relé de desactivación de acelerador.
De manera similar se implementa el circuito usando otro integrado para las dos
funciones restantes, es importante señalar que RB0 tendrá que medir cuántas veces
cambia la señal para determinar su que mensaje esta enviando el IMD. A continuación
se muestra el arreglo del circuito.
Fig. 3.21 Esquema simplificado señales de entrada IMD, Brake
El circuito a utilizar será de forma similar al anterior, como se muestra en la figura a
continuación:
- 62 -
RC2
IMD_STATE
U64
R83
1k
1k R68
1
2
3
R84
1k
4
D1-AN
TR1-C
D1-CAT TR1-E
D2-AN
TR2-C
D2-CAT TR2-E
8
VCC_PIC
7
6
1k R82
5
RC1
BRAKE_SWITCH
ISP-827-OPTOACOPLER
Fig. 3.22 Diagrama esquemático control de entradas IMD, Brake
Monitoreo de desplazamiento pedal de freno
Al tratarse de un sensor que es capaz de proporcionarnos un cero lógico en estado
inactivo, e ir variando proporcionalmente de forma lineal la tensión en función del
desplazamiento longitudinal, su conexión será la mas simple aplicada a los sensores, su
vista de bloque simplificada se presenta en la siguiente figura:
Fig. 3.23 Esquema simplificado desplazamiento pedal de freno
Su circuito de acoplamiento constituye únicamente un seguidor. Se conecta a terminar
RA2 que deberá configurarse como entrada analógica para determinar la cantidad de
freno regenerativo, para el monitoreo como en casos anteriores es necesario dirigir al
canal del conversor A/D.
- 63 -
8
VCC_12V
DISP_BRAKE_SENSOR 3
R56
+
RA2
1
-
330R
4
2
U65A
CA3240
DISPLACEMENTE BRAKE
MONITORING
Fig. 3.24 Diagrama esquemático para control de freno regenerativo
Monitoreo de corriente del motor
El monitoreo de corriente se realiza como primer planteamiento en esta aplicación, para
desconectar la aceleración bajo cierto nivel de carga al grupo motor que haya sido
mantenido por un determinado tiempo, para este punto es importante que el
programador utilice las características de los ensayos realizados al motor para la
competición que se encuentran en proyectos complementarios a este.
Fig. 3.25 Esquema simplificado de monitorización de corriente del grupo motor
Gracias a este monitoreo se podrá realizar un control de tipo bucle cerrado, pudiendo
ampliarse para determinar el par si se complemente este hardware con un sistema de
- 64 -
monitoreo de la velocidad de las ruedas que no fue previsto por la no obligatoriedad de
montarlo para la competición.
CURRENT TRACTION SYSTEM MONITORING
6
3
+
7
2
4
CA3240
U66A
R69
+
1
R70
40R
2K
POT_5k
CA3240
R57
RA5
330R
4
5
U65B
R61
CURRENT_1
VCC_12V
8
8
VCC_12V
D21
BZX84C51/SOT
Fig. 3.26 Circuito para la detección de corriente del grupo motor
Monitoreo del sensor de sobrepresión del sistema de freno
De forma similar al caso anterior, contamos con un sensor que nos entrega un voltaje
entre cero y 5 voltios, por lo tanto no es necesario el acondicionamiento de señal. El
diagrama de bloques siguiente, es el adecuado para su acoplamiento al hardware de
control.
Fig. 3.27 Esquema simplificado frenado de emergencia
- 65 -
En este circuito esquemático, se puede apreciar la conexión recomendada por el
fabricante para su salida hacia un nivel de referencia o pull up a través de un resistor de
1,2KΩ.
VCC_12V
PULL UP
R58
5
+
6
-
U42B
CA3240/DIP8
7
RA3
4
VCC-pic
8
BOP
1k2
BRAKE OVER PRESSURE
Fig. 3.28 Circuito para la detección de presión de freno.
Monitoreo de recorrido incorrecto del pedal de freno
La normativa de la competición exige la monitorización del recorrido del pedal de freno
a través de un sensor denominado BOT (Brake over travel), descrito en las funciones de
entrada. Éste es básicamente un interruptor que está abierto o cerrado. Para
concepción de su circuito se utilizará el siguiente diagrama de bloques:
Fig. 3.29 Esquema simplificado monitoreo del BOT
- 66 -
la
El diseño electrónico de este circuito, guarda relación con las consideraciones realizadas
para la limitación del máximo voltaje de salida, por estar polarizado el integrado del
operacional a 12V. Al tener una entrada del micro que admite sólo un valor de 5V, se
limita con un regulador utilizando zener. El potenciómetro se fija a un voltaje
intermedio de 2,5V, que será sobrepasado al pulsar el sensor. Es importante tener un
nivel de voltaje a tierra entregado a la entrada del operacional, para mantener en
condiciones normales la salida a cero, como se muestra a continuación:
Fig. 3.30 Diagrama esquemático para acondicionamiento del BOT
Otros sensores complementarios
Como planteamiento general se plantea en esta parte la posibilidad de extender la
comunicación de este hardware a un sistema adicional, con el objetivo que monitoree y
controle otros parámetros presentes en el funcionamiento del coche, ya sea para
aplicaciones de mapping de motor, como para controles independientes de tracción.
Aquellos resultados, se podrían transmitir como una serie de datos al PIC de esta
aplicación, a través de sus líneas ECAN. Por esta razón se deberá dejar establecido un
acceso a estas entradas en el diseño del PCB. Los datos que se consideran más
complementarios son los siguientes:

Velocidad de ruedas (Mapping y Control de Tracción)

Ángulo de Dirección (Control de Tracción)
- 67 -
3.5. SEÑALES DE SALIDA DEL HARWARE DE CONTROL
Las señales de salida necesarias para la aplicación serán de tipo diverso, por ejemplo,
tendremos analógicas para el control de aceleración y frenada regenerativa, digitales
para el control de los actuadores del circuito de seguridad, y otras para control de
indicadores luminosos y acústicos.
Señales de indicación advertencia
Se dispondrá de un grupo de señales de advertencia, que serán controlados por las
salidas del Puerto C, pudiendo ser de diferentes colores. Todos los leds, a excepción del
usado para indicar fallos del IMD, tendrán que iluminarse de forma fija al ocurrir la
condición establecida. La corriente de las salidas digitales del micro se encuentra
limitada por la resistencia de 330Ω.
Fig. 3.31 Indicadores luminosos estados entradas
Activación del circuito de seguridad
Para la activación será necesaria la conmutación de un relé externo ubicado en la caja
de fusibles, para condiciones reseteables por el piloto y otras que no lo son. Éste será
comandado por un circuito que consta de un arreglo de control de potencia capaz de
soportar hasta 4 amperios, como se muestra en la figura a continuación:
- 68 -
Fig. 3.32 Circuito control de activación relé
Avisador acústico. Ready to drive, TSOUND.
El circuito a continuación es capaz de controlar a través de una señal pulsante enviada
por RC1, la activación de un buzzer para emitir un sonido característico como dictan
las especificaciones, luego del cual se podrá poner en marcha la aceleración. Se debe
seleccionar una bocina capaz de generar por lo menos 70 decibelios a dos metros de
distancia.
Fig. 3.33 Circuito de activación avisador Acústico.
- 69 -
Salida analógica de control de aceleración de la Kelly
El problema que se presenta para la obtención de este tipo de señal, se debe porque el
microcontrolador seleccionado no posee una salidas analógicas, por lo tanto, es
necesario realizar una conversión utilizando por una parte una salida pulsante que
pueda variar en su frecuencia del lado del PIC, y por otro lado que esta frecuencia pueda
ser convertida a una señal analógica de valores entre 0V y 5V dependiendo de su valor
instantáneo por otro dispositivo de acondicionamiento.
Se ha recurrido a la utilización de un circuito integrado especializado como es KA331,
cuyo fabricante recomienda una configuración para conversión de frecuencia a voltaje,
de todos modos, es necesario verificar posteriormente que valores de voltaje de salida a
la variación de la señal del PIC.
Fig. 3.34 Conversión Frecuencia a Voltaje aceleración Kelly
- 70 -
Salida analógica de control frenada regenerativa de la Kelly
De igual manera que en el caso anterior, se aplicará un conversor de frecuencia a voltaje
para determinar el porcentaje de frenada regenerativa necesario para la aplicación.
Nótese en ambos circuitos, que la salida del integrado KA331 ha sido conectado a un
seguidor, y posteriormente a un bloque de regulación de voltaje máximo y limitación de
corriente, que han sido constituidos de la misma manera como se ha comentado en el
diseño de acondicionamiento de las entradas.
El circuito esquemático se muestra en la siguiente figura:
Fig. 3.35 Conversión Frecuencia a Voltaje. Freno Regenerativo
Selección de modo de aceleración ó modo de frenada regenerativa
Esta función se ha pensado para que se active un relé que formará parte del circuito, a
través de la señal proveniente del sensor de freno denominado Brake sensor. Ésta será
monitorizada por el terminal RC1 del PIC y activará un switch electrónico que
controlará la energización de dicho relé, en cuyos contactos se conmutarán los dos
- 71 -
modos de operación, estableciéndose como estado de reposo el modo de Frenada
regenerativa.
A continuación se muestra en la figura, el esquema de esta función:
Fig. 3.36 Activación electrónica del relé de conmutación de Modos de operación
3.6. ESQUEMATIZACIÓN GENERAL DEL HARWARE
Para este apartado se ha utilizado como simbología y nomenclatura, la definida por el
programa computacional de diseño electrónico Orcad, que podría calificarse de tipo
convencional para dibujo de esquemas eléctricos.
El esquema general del Hardware se muestra en el Anexo I, donde también se indican la
distribución de las entradas y salidas a los conectores. Se ha tenido especial cuidado que
todas las líneas guarden relación con la actual electrónica montada en el vehículo.
- 72 -
CAPÍTULO IV
IV. CONSTRUCCIÓN Y PRUEBAS DEL CIRCUITO
ELECTRÓNICO
Esta parte del proyecto, se dedicará a realizar una prospectiva del proceso de fabricación
del PCB, se tomará como referencia el trabajo realizado, para la construcción de la
tarjeta electrónica que fue montada en el vehículo de competición eléctrica para la
competencia FSAE edición 2012, realizada en Silverstone, UK. La misma que fue
construida utilizando las instalaciones del INSIA, en colaboración con el grupo de
profesionales del Laboratorio de Instrumentación y Electrónica.
Los Circuitos impresos o PCB (Printed Circuit Board), se componen de unas placas de
sustrato no conductor que se emplean para el montaje e interconexión de componentes
electrónicos. Las rutas o pistas son de un material conductor, que han sido grabadas
previamente
sobre el sustrato, retirando el material sobrante. Estas pistas son
regularmente de cobre en los tipos comerciales.
4.1. PROCESO DE CONSTRUCIÓN
Se realizará una descripción del proceso de fabricación necesario para la puesta en
práctica de este proyecto, haciendo una división
en varias subsecciones, las que se
muestran a continuación:
 Diseño del PCB
 Fabricación
 Pruebas
Diseño del circuito impreso
A la hora de construir el circuito impreso para nuestra aplicación, nos enfrentamos a
como primer paso a la concepción y dibujo del diseño original del ruteado. Para esto se
- 73 -
utilizará una herramienta especializada, de tipo CAD (Computer Aided Design o Diseño
Asistido por Computador) y, como es de suponer, existen una gran variedad multitud
de programas que pueden satisfacer nuestras necesidades. Se ha optado por el uso del
Proteus profesional 7.6, que posee una gran cantidad de bibliotecas con modelos para la
mayoría de elementos eléctricos y electrónicos, necesarios para nuestro hardware.
Para su utilización es necesario dibujar el circuito esquemático, primeramente usando la
aplicación de programa Proteus denominada ISIS, donde se puede verificar entre otras
cosas, el modelo de package por defecto, para comprobar qué dimensiones que se
asignarán para cada componente.
También como en el caso del integrado KA331, que no se encuentra en las librerías de
la aplicación, se podrá crear como nuevo componente y asignar la correspondiente
indicación
de cada uno de sus terminales y el paquete correspondiente para
su
aplicación en el diseño del circuito impreso.
A continuación se muestra una imagen de la fase inicial de construcción de nuestro
proyecto usando el programa ISIS:
Fig. 4.1 Vista de diseño de circuito usando ISIS
- 74 -
Luego de la diagramación esquemática, procedemos a ubicar físicamente nuestros
componentes dentro de un límite de dimensiones que definirán el tamaño del circuito en
ancho y profundidad, esto se lo realiza utilizando la aplicación ARES del programa
Proteus Profesional, se ha tomado como punto central del diseño al PIC, por ser el
componente con mayores conexiones eléctricas, como se muestra a continuación:
Fig. 4.2 Ubicación de componentes, usando ARES
La altura del circuito dependerá principalmente, de cómo montemos de manera final
todos
componentes, especialmente algunos
accesorios necesarios a utilizar como
disipadores de calor, conectores, etc. A continuación se
muestra un esquema de
visualización de forma sólida, de los primeros componentes integrados al diseno:
- 75 -
Fig. 4.3 Ubicación preliminar de componentes
Existen algunas reglas generales para dibujo de esquemas para PCBs, pero en general,
todas ellas nos llevan a la realización de una aplicación eficiente de conexiones entre
circuitos.
Como normas importantes para el diseño de las pistas se tomará en cuenta lo siguiente:
 Tener en claro una posible distribución de los componentes, de forma ordenada, por
ejemplo nuestros tres reguladores montados en el mismo lado para ser conectados a
unas placas de disipación de calor. También se debe pensar, en como llegarían los
cableados de nuestros conectores, y ubicarlos de una manera adecuada. Esto aunque
tome algo de tiempo al inicio, lo ahorra de manera beneficiosa después, al no tener que
corregir incidencias, entonces se minimizará errores y permitirá optimizar el diseño
desde el principio.
 Para un circuito de hardware como este, que tiene restricciones de espacio y
alta densidad de líneas, se utilizarán para el acoplamiento de las capas una
denominación de agujeros de conexión de tipo hueco ó agujero pasante metalizado. En
el caso de no contar con esto, se obligaría a utilizar puentes con alambre, que deberán
ser anunciados como riesgos potenciales de fallo del circuito.
- 76 -
 Se debe evitar la utilización únicamente de la herramienta de autoruteado, que
ofrecen algunos programas ya que ella no garantiza un control ni sobre la estética ni
sobre la correspondencia espacial de los componentes y sus conexiones.
 La ubicación de los elementos debe hacerse entonces, teniendo en cuenta si todos los
dispositivos van en el impreso o sólo alguno de ellos, y los otros pueden colocarse en
un soporte ya sea para indicación, control u otras funcionalidades y deben conectarse al
impreso mediante conectores y/o cables.
 Si una tarjeta va sobre la otra, hay que prever la altura de separación de acuerdo con
los dispositivos, para elegir su contenedor.
 En los equipos en donde el chasis actúa como tierra, debe procurarse buscar
suficientes puntos de conexión del impreso a éste. Para ello se deben aprovechar,
eventualmente, los tornillos de sujeción del impreso.
 Dejar un espacio para la identificación del circuito, logo de la empresa.
 Asegurar un adecuado grosor para las separaciones entre líneas y pad de los
componentes.
 Evitar los trazados con esquinas a 90 grados.
 Evitar trazados espirales que puedan producir inducido magnético y consecuente
generación de ruidos.
 Procurar mantener una estética en el trazado de las líneas.
 Utilizar un grosor adecuado para las líneas de las pistas, sabiendo que nos
encontraremos normalmente con tres tipos de líneas que un circuito deben tener. Línea
delgada: para interconexión de dispositivos o conducción de señales o datos. Línea más
gruesa: para alimentación de voltaje Vcc y líneas de tierra.
- 77 -
De esta manera se irán modificando la posición de todos
los componentes, la
asignacion de conectores, el trazado de los pistas y la asignación de su espesor, la
colocacion de cualquier elemento adicional como por ejemplo, las almuedillas en los
pines de los integrados y cambio de capas según corresponda.
Fig. 4.4 Edición de líneas a 90 grados y espesor de la pista
Nuestro diseño requiere de una decisión para la distribución de sus componentes y
pistas, que se comentaran a continuación:
Distribución menos compacta
Al tomar esta alternativa, el diseñador tendrá más espacio lo que le permitirá rutear las
pistas utilizando en una sola capa, haciendo el proceso de fabricación más simple, pero
desperdiciando el espacio físico. A continuación un ejemplo de esta alternativa aplicada
a nuestro hardware:
- 78 -
Fig. 4.5 Distribución de componentes menos compacta
Distribución más compacta
Permite optimizar el espacio físico, pero implica la utilización de vías de conexión entre
las distintas capas, requiere un proceso de fabricación más especializado.
Fig. 4.6 Distribución inicial de componentes más compacta
- 79 -
Según se vayan incrementando el número de componentes añadidos al diseño será cada
vez mas complejo decidir la ubicación más efciciente de todos sus componentes. La
complejidad se incrementa con cada cambio, haciendo el trabajo de interconección más
laborioso.
En la figura se muestra el diseño de pistas de nuestro harware, a un porcentaje de 60%
de su finalización. Las líneas verdes significan que hay puntos que no estan conectados
e indican de dónde salen y hacia dónde deberían llegar. Todas las líneas en rojo
pertenecen a una capa denominada superior o Top Cooper, las azules estarán en una
capa paralela denominada Botton, que coincide en este caso con la de ubicación de
componentes. Se ha utilizado un tamaño de almuadillas (PAD) adecuada para la
soldadura de cada componente y ademas permitirá realizar los taladros sin afectar a las
pistas del circuito.
Fig. 4.7 Vista del diseño al 60%, utilizando distribución mas compacta
- 80 -
Fabricación
En este apartado se pretende algunas características generales que tiene la fabricación de
los circuitos impresos, sin considerar el proceso de fabricación automatizado.
En nuestra aplicación necesitamos implementar en multicapas la conexión eléctrica de
nuestros componentes, se había comentado que se comunicarán a través de orificios
llamados vías. Estas vías deben conducir las señales eléctricas y pueden ser de varios
tipos: vías ciegas, las cuales solo pueden verse en un lado del circuito, o vías enterradas,
las cuales no son visibles desde el exterior del circuito.
A continuación se describen los subprocesos de esta sección:
Impresión de Patrones. En la fabricación
del circuito impreso, vamos a utilizar
láminas trasparentes de acetato, donde se imprimirá los esquemas de la capa botón y
top. Estos deberán ser trasportados a una placa virgen, que estará cubierta primero por
una capa de cobre por sus dos lados, y también recubierta por una resina fotosensible
sobre la que se imprimirá el patrón de conexiones.
Fig. 4.8 Placa virgen de circuito impreso
A continuación mostramos nuestro diseño, separado en dos capas para cada lado del
cobre:
- 81 -
Fig. 4.9 Vista esquemática Top Cooper y Botton Cooper a la derecha.
Para tener una clara perspectiva de lo que se pretende realizar, se debe mostrar en un
esquema integrado de todo el diseño del PCB, como el indicado de la figura siguiente,
donde se muestra en rojo las capas correspondientes a la cara inferior o Top, en azul los
trazados en la botón, en lila los pad que existirán en ambas caras del PCB, adecuados
para soportar la soldadura en el acoplamiento de los de los componentes al circuito.
Podemos indicar también la ubicación de montaje de los elementos electrónicos en
cardenillo y finalmente como círculo amarillo las vías de acoplamiento entre caras.
- 82 -
Fig. 4.10 Vista esquemática de todos los elementos
Fotograbado
En esta técnica utilizaremos una transparencia del patrón en negativo, para transferir el
patrón a la placa utilizando luz UV (UltraVioleta). Para este tipo de grabado vamos a
requerir como materiales placas fotosensibles, para que se transfiera la transparencia
del patrón de manera adecuada.
Fig. 4.11 Proyección de luz UV al PCB
- 83 -
En las zonas en las que la transparencia deje pasar la luz UV, la resina reacciona con
ella. Esto se ha realizado utilizando la
máquina insoladora del laboratorio de
Instrumentación y Electrónica. A continuación, se muestran las trasparencias usadas
para la construcción de la placa considerada como versión anterior a la de este proyecto,
realizada para la competición:
Fig. 4.12 Trasparencias diseño primero prototipo
Se puede apreciar el empleo de la insoladora, donde se colocan la placa virgen, junto
con los esquemas como patrones a trasmitir.
Fig. 4.13 Imágenes de empleo de una insoladora para PCBs.
- 84 -
Revelado.
Es necesario un proceso que permita que la resina desaparezca de las zonas en las que
haya incidido la luz UV, dejando marcado sobre la placa el patrón del circuito en
ambas caras del cobre. El revelado se realiza con la aplicación de un líquido revelador,
que es una solución de sosa cáustica disuelta en agua, para dejar al descubierto el dibujo
transferido a la placa.
Atacado químico
Todas las técnicas de fotograbado,
requieren posteriormente
de un proceso que
elimine el cobre sobrante y deje únicamente el circuito eléctrico después del revelado.
Para ello, se podrían utilizar ácidos o corrosivo como el Percloruro Férrico, el Sulfuro
de Amonio, el Acido Clorhídrico mezclado con Agua y el Peróxido de Hidrógeno.
Para terminar con el atacado químico será necesario limpiar la tinta, o la resina en el
caso del fotograbado, con un disolvente, dejando al descubierto el cobre que define el
circuito.
Las imágenes a continuación ilustran la realización de estos dos procesos:
Fig. 4.14 Proceso de revelado aplicado a la tarjeta de control versión 2012.
- 85 -
Fig. 4.15 Resultado proceso de acidulado.
Perforado
Una vez terminado con la obtención del patrón en el circuito, será necesario realizar las
perforaciones en los lugares indicados, tanto para el montaje de componentes, como
para la comunicación entre las distintas capas del circuito impreso. Para esto,
necesitaremos contar con un taladro fijo que proporcione una velocidad de rotación
adecuada y
proveernos de brocas resistentes de carburo de tungsteno para poder
realizar una correcta perforación.
Durante la perforación, se debe tener especial cuidado en que los orificios queden
centrados en los pads, ya que la calidad de la soldadura dependerá de una correcta
ubicación del pin del componente electrónico el pad de acoplamiento a la vía.
Fig. 4.16 Realización de taladros en la tarjeta de control
- 86 -
Montaje y soldado de los componentes
Existen dos técnicas para el montaje de los componentes: el montaje a través de agujero
y el montaje superficial. La primera consiste en montar los componentes introduciendo
sus pines a través de los pads y fijarlos eléctrica y mecánicamente al circuito a través de
soldadura de estaño. La segunda de montaje superficial, es la más utilizada actualmente
en los entornos de fabricación automatizados. Cada una de estas técnicas de montaje,
utilizan componentes distintos, diseñados sólo para un tipo de montaje específico.
Fig. 4.17 Montaje y soldadura de componentes. Primera versión
Como consideración importante para la construcción, debe utilizarse algún medio para
proteger las tarjetas de circuitos impresos contra la corrosión del medio ambiente, la
cual causaría oxidación y aislamiento eléctrico de las pistas de cobre. Comúnmente se
utiliza tinturas que le dan una apariencia muy profesional al circuito con un color típico,
verde o azul.
Se puede usar para su fijación al contenedor unos tornillos de sujeción, principalmente
para que permitan su fácil desmontaje, al considerar
mantenimiento o pruebas de comprobación.
- 87 -
necesario realizar algún
Fig. 4.18 Montaje en el contenedor y acoplamiento de conectores
Todos los sensores deben ser montados correctamente en el vehículo, para lo que
necesitaremos adaptar los medios mecánicos para su soporte y aislamiento de
vibraciones, y además, se requiere instalar
un arnés eléctrico que garantice la
protección y aislamiento de todas sus conexiones. En la práctica, ésta tarea requiere de
mucha dedicación y buen criterio, ya que también se deberá garantizar la estética, será
necesario trabajar con mucha precaución, se aprecia a continuación un ejemplo de la
concepción de diagramas para conexión externa.
Fig. 4.19 Realización de conectores y conexiones
- 88 -
Las imágenes siguientes demuestran la importancia del diseño de planos para el arnés
de conexión eléctrica, ya que están involucrados con las zonas de movimiento del
piloto y otros sistemas mecánicos como: los mecanismos de dirección, pedales de
control y cañerías de freno.
Fig. 4.20 Montaje en el vehículo de los sensores y su arnés de conexión
Visualización final de nuestro proyecto.
Luego de documentar el proceso de construcción necesario para la puesta en práctica de
este diseño, finalmente se quiere presentar cómo sería la forma que tendría nuestra
placa, después de pasar por un proceso similar. Se esperá que este aporte sea de utilidad
para futuras competiciones o investigaciones en el Área del vehículo eléctrico.
Para esto se presenta una visualización en 3D, gracias a las herramientas de
visualización de ARES, en ella se encuentran están montados 170 componentes,
correctamente
conectados de igual manera como se planteo el
esquemático.
- 89 -
dibujo en el circuito
Fig. 4.21 Vista de producto terminado. Hardware de control FSAE.
También se puede obtener la lista de materiales, a través de una herramienta del
utilizado para este diseño, el resumen de todos los componentes se lista a continuación:
- 90 -
Tabla 4.1. Lista de componentes electrónicos para la aplicación
- 91 -
4.2. PRUEBAS Y VERIFICACIÓN
En esta sección se indicarán las pruebas de funcionamiento y verificación que son
necesarias para garantizar el correcto desempeño de nuestro producto. Se ha divido para
fines explicativos en tres fases:

Fase previa a la fabricación

Después de la fabricación

En la competencia
Pruebas antes de la fabricación
Se debe realizar una verificación del funcionamiento real de los componentes eléctricos
del diseño electrónico, puesto que estos no se comportan bajo ciertas configuraciones
como el modelo ideal, cargado en los simuladores. Además, es conveniente visualizar la
interconexión con algunos dispositivos para la detección de magnitudes físicas.
- 92 -
Como punto central de estas pruebas consideraremos la más importantes del acelerador
y de la salida analógica, que servirá para asegurar el control de aceleración y frenada
regenerativa de nuestro hardware.
Pruebas del acondicionamiento de aceleración. En los primeros ensayos de esta
prueba, el circuito inicialmente funciona con algunos problemas de precisión colocando
una alimentación de 5V, y mejora al alimentarlo a Vcc desde 6.25 hasta 12V. La figura
a continuación muestra una imagen del montaje de los ensayos de laboratorio para este
fin, para el circuito de la figura 3.35.
Fig. 4.22 Ensayos de acondicionamiento de aceleración
El método utilizado es el típicamente recomendado para evaluar las ondas de los
sensores de aceleración, es decir, someter a una rotación que simule la petición de
aceleración y deceleración rápida, media y finalmente progresiva. A continuación se
muestra una imagen tomada con el osciloscopio con una escala de 1Vpdv y una escala
de tiempo de 5s, que nos permite observar variaciones instantáneas de respuesta en el
tiempo. El canal 1 estará conectado a la salida del circuito de acondicionamiento y el
canal 2 a la señal del acelerador.
- 93 -
Fig. 4.23 Acondicionamiento señal, mariposa 30% max.
En la figura anterior, se puede observar la evolución de la onda de salida a través del
tiempo de acuerdo a la respuesta del acelerador. Como primer punto importante,
observamos la eficiencia del circuito restador fijado a 0.7 Voltios. Luego se aprecia que
el valor de salida estará entre un valor de cero hasta un máximo de 4.45 Voltios, para
ángulos de recorrido del pedal de hasta 30 grados.
Pruebas de las salidas analógicas. El segundo circuito a comprobar, será el que
entrega la señal de salida para el control de aceleración análogo al de frenada
regenerativa, para esto se montara el circuito para el conversor KA331, cuya salida
contará con un circuito de limitación de voltaje y corriente, ya que este valor ira a la
Kelly al accionar el acelerador y convertir la consigna a un determinado valor de
frecuencia, que consideramos será de 0 a 5KHz para conseguir una salida casi lineal de
0 a aproximadamente 5V. A continuación visualizaremos las imágenes de los elementos
montados para este tipo de ensayo.
- 94 -
Fig. 4.24 Ensayo de conversión frecuencia a voltaje
Los resultados de los experimentos para variaciones bruscas tomados en 20 segundos se
muestran a continuación.
Fig. 4.25 Evolución de la consigna con la variación de la frecuencia
- 95 -
Fig. 4.26 Valores de respuesta Voltaje vs. Frecuencia
Se define de manera final este circuito que se utilizará para la consigna de aceleración
según la frecuencia de salida cuyo valor máximo programado será 5OOO Hz
Pruebas después de la fabricación
Durante el proceso de fabricación pueden ocurrir fallos o defectos en la fabricación,
como pueden ser un fallo en la impresión del patrón en la soldadura, que causen que el
circuito impreso no funcione como debería. Por esto es necesario que se realice una
inspección visual primeramente de todas las uniones, para detectar y corregir lo
observado a simple vista.
- 96 -
Fig. 4.27 Fallos por cortocircuito y circuito abierto
Después del montaje de los componentes, es necesario realizar una comprobación
eléctrica de continuidad de las pistas, siguiendo el diagrama, para verificar la
interconexión entre ellos. Un método recomendado es empezar por las alimentaciones y
tierras. Luego seguir las entradas y salidas a los integrados de todos los componentes.
También será de utilidad seguir una norma, muy habitual en estos tipos de aplicaciones,
que es comprobar la llegada de voltaje de alimentación y tierra sin montar los integrados
a los zócalos. Además es recomendable ir montando por fases los integrados, para poder
verificar algunas funciones. Esto se puede hacerse utilizando equipos sencillos como un
multímetro, pero la experiencia apunta a usar osciloscopio para ver la calidad de las
señales, detectar la presencia de ruidos, falsas conexiones a tierra, caídas de tensión
indeseadas, falta de conexión entre puntos entre otras, entre otras no visibles fácilmente.
Finalmente con todo comprobado el circuito podrá acoger a nuestro microcontrolador
para controlar la aplicación.
Pruebas en la competición
Las pruebas en la competición probarán ante los jueces que se diseño y construyó un
sistema electrónico, según las consideraciones que se indica en la normativa.
- 97 -
La figura 4.28, indica el momento de evaluación de las características eléctricas del
coche, dando un resultado satisfactorio, para la primera versión del control sin utilizar
microcontrolador. Esto nos sirve de indicación de calidad y medio de prueba de la
efectividad de los circuitos electrónicos de este proyecto, ya que algunos de ellos,
como los circuitos de acondicionamiento, detección de falla y control de activación de
las salidas, forman parte de la base de esta propuesta.
Fig. 4.28 Electrical Test, FSAE, Silverstone 2012, UK.
Fig. 4.29 Sello oficial de la prueba
- 98 -
4.3 ANÁLISIS DE COSTOS DEL PROYECTO
En el siguiente análisis, se presenta la descripción e importancia de cada uno de los
siguientes puntos considerados para el estudio de costos del proyecto.
Costes de Infraestructura, Equipos y Herramientas
Se va a utilizar la infraestructura del INSIA, en especial el laboratorio de Electrónica
que se encuentra equipado con instrumentos de medición. Si el proyecto lo requiere se
debería hacer una estimación, como si se alquilarían las instalaciones, equipos y
materiales.
Otros Equipos y Herramientas
Se requiere la utilización de equipos portátiles para realizar el diseño, la adquisición de
señales eléctricas, diagnóstico y prueba de condiciones de funcionamiento, pudiendo
ser utilizados en la competición. Por lo tanto se requiere de un ordenador portátil como
medio de diseño, y adicionalmente, se ha tomado la opción de adquirir un osciloscopio
de doble canal, de tipo digital y portable para el análisis eléctrico de este proyecto.
Costo de Software especializado
Se requiere de paquetes dedicados a la elaboración de circuitos electrónicos. Programas
para programación de micro controladores. Simuladores de operación.
Materiales e Insumos.
La lista de materiales se estima de acuerdo a los costos de placas similares. Los
insumos serán todos los productos complementarios para el proceso de fabricación.
Ambos tendrán que ser actualizados durante la fase de ejecución del proyecto.
Costos de Ingeniería.
Se contempla una dedicación de horas de un ingeniero para la aplicación, desde la
investigación, pruebas y la puesta en práctica. Se debe asignar un valor adecuado para
una hora de diseño y desarrollo, para considerarlo en el resumen final.
- 99 -
Otros
Equipo de protección, fotocopias y reprografías.
La tabla 4.2 que se muestra una estimación muy aproximada de los costos del proyecto
utilizando los conceptos anteriormente especificados.
Tabla. 4.2 Detalle de costos aproximados del proyecto
DETALLE
COSTO
APROXIMADO
Costo de alquiler de instalaciones, equipo y herramientas del
€ 900,00
Laboratorio de Instrumentación y Electrónica.
Costo de adquisición de otros Equipos y Herramientas:
Computadora portátil
Osciloscopio portátil automotriz de 2 canales.
Software especializado para diseño y simulación de circuitos
€ 1350,00
€ 400,00
electrónicos.
Materiales e Insumos para el circuito electrónico.
€ 400,00
Construcción del PCB (Fotograbado, revelado, acidulado,
€ 520,00
perforado y montaje)
Costos de ingeniería (Diseño, desarrollo, montaje y pruebas)
Otros: Equipo de protección, impresiones, reprografías y
€ 2000,00
€ 120,00
fotocopias
€ 5690,00
Costo aproximado del proyecto
- 100 -
V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
Luego de la realización de esta memoria descriptiva, se puede concluir lo siguiente:
Se determinó eficientemente las condiciones de funcionamiento, operación y prueba,
requeridos para el Hardware de Control adecuado para el vehículo eléctrico, mediante
una planificación detallada de un producto, que se registró en tablas. Se utilizó la
metodología APQP que permitió traducir la normativa vigente para el año 2012 de la
competencia Tipo Fórmula SAE Electric a funciones de entrada y salida, lo que definió
las características del Hardware de Control.
Se seleccionó el
microcontrolador 18f4680, capaz de soportar eficientemente la
aplicación, a través de un estudio de sus recursos y arquitectura básica. Se consideró
todas sus especificaciones importantes como su capacidad de memoria, soporte de
conversión de datos analógicos a digitales, velocidad de procesamiento y conectividad,
además se analizó las características eléctricas para su conexión a un circuito,
cumpliendo todos los requerimientos de la tarjeta de control.
Se diseñó el esquema electrónico de la tarjeta de control, basándose en la investigación
de las características de los sensores y los medios de acondicionamiento de señal de
todas las funciones de entrada llevadas al procesamiento, y además, se implementó
todo el soporte para la conversión analógica de sus salidas, el control de indicación y
activación de potencia.
Se diseñó el circuito de la tarjeta electrónica para PCB, de forma óptima, garantizando
la calidad final de su funcionamiento y operación, además se documentó todo el
proceso de construcción para que pueda ser usado en la puesta en práctica de este
proyecto, en la próxima edición de la competición.
- 101 -
Se construyó una versión básica utilizando todas las características de los componentes
electrónicos estudiados para este proyecto.
Se realizó un ensamblaje y comprobación de todos los componentes de conexión
complementarios como conectores, arneses y terminales de tierra para la instalación en
el vehículo eléctrico de esta aplicación. Además se instaló adecuadamente los sensores
en los distintos sistemas a monitorizar.
Se realizó un conjunto de pruebas validación del producto y se verificó que los
resultados obtenidos sean los establecidos en los requisitos del control. Además, se
comprobó el diseño del circuito y su funcionamiento durante el Test Eléctrico realizado
por los jueces en la competición, que se aprobó exitosamente. En las pruebas
primeramente se probó de manera estática las condiciones de seguridad, modo de fallo,
donde está implícito el correcto funcionamiento del circuito de acondicionamiento se
señal y la monitorización de los datos de los sensores. Finalmente de manera dinámica
se verificó el funcionamiento de componentes de este sistema operando el vehículo en
la Pista de pruebas del INSIA.
De forma complementaria a lo anteriormente señalado, se desea añadir un grupo de
recomendaciones para este proyecto:
Es recomendable para futuros desarrollos de la tarjeta electrónica, analizar la normativa
de las nuevas competencias y determinar la eventual aplicación de su circuito de
control. Esto se hará únicamente gracias al importante el aporte de todos los integrantes
del nuevo equipo TU Madrid, que se conforme para la participación en la Formula SAE
Electric.
Realizar con anticipación los ensayos de todos los componentes a controlar, utilizando
los bancos de prueba del INSIA para la determinación de curvas reales de Potencia
efectiva, Par- velocidad, Corriente descarga de batería, que se usarán en el control.
- 102 -
Realizar modelos de simulación para determinar las condiciones de control como
mapping y modos de operación que deberían ser programadas en el microcontrolador
BIBLIOGRAFÍA
IBRAHIM D. Advanced PIC Microcontroller Projects in C, Elsevier, Burlington MA
01803 – USA, 2008.
IBRAHIM D. Microcontroller Based Applied Digital Control, John Wiley & Sons,
England, 2006.
MALVINO A. Principios de Electrónica, Sexta Edición, McGraw – Hill, España, 2002.
JOHNSON D. Análisis Básico de Circuitos Eléctricos, Quinta Edición, Prentice, 1995.
RAMOS G. Electrónica Digital y Circuitos Integrados, CEKIT Compañía Editorial
Tecnológica, Pereira – Colombia, 2000.
VARIOS, Diseño y construcción Banco de limpieza Inyectores, ESPE, Latacunga –
Ecuador, 2005.
MUHAMMAD R. Electrónica de Potencia: Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones,
Tercera Edición, Pearson Educación, México, 2004.
- 103 -
PÁGINAS WEB
Hoja de características, sensor corriente
http://pdf.directindustry.com/pdf/electrohms/hl050600t01/54132-2611993.html
Hoja de características, sensor de pedal del acelerador
http://www.bosch.com.au/content/language1/downloads/sensors_throttleposition.pdf
Hoja característica, sensor de desplazamiento pedal de frenos
http://www.bmcm.de/dld/ar-ds-s-xxx-1.0-en.pdf
http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/002b/0900766b8002b95d.pdf
Hoja de características, sensor de presión
http://apps.bosch.com.au/motorsport/downloads/sensors_highpressure.pdf
Hoja de características, inertia switch
http://www.everythingev.com/index.php?main_page=product_info&products_id=470
Hoja de características, PIC 18f4680
http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en010305
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39625c.pdf
Hoja de características, optoacopladores
http://www.datasheetcatalog.org/datasheets2/67/67089_1.pdf
Hoja de características, conversor de frecuencia a voltaje
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemiconductor/DS005680.PDF
http://www12.fairchildsemi.com/ds/KA/KA331.pdf
- 104 -
Hoja de características, amplificador operacional
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/intersil/fn1050.pdf
Hoja de características, relé de control de activación de acelerador
http://www3.telus.net/nook/balancerland/balancer/datasheets/t92_ds.pdf
Hoja de características, diodo zener
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/comchip/1N4763A.pdf
Hoja de características, mosfet de control
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/vishay/70212.pdf
Hoja de características, mosfet de potencia
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/irf/irlml6401.pdf
Hoja de características, reguladores de voltaje
http://freedatasheets.com/downloads/LM7812.pdf
- 105 -