Actuadores

Elementos de
Mecatrónica
Dr. José Sebastián Gutiérrez Calderón
Profesor Investigador - Ingenierías UP
jsgutierrez@up.edu.mx
Temas generales del curso
•
•
•
•
•
•
Conceptos básicos de la mecatrónica
Características principales de los transductores
Sensores y sistemas de medición
Actuadores y mandos
Mecanismos para la automatización
Control por computadora
2
Unidad 4: Actuadores y
mandos
(continuación…)
3
Actuadores
Existen tres tipos de actuadores:
 Neumáticos
 Hidráulicos
 Eléctricos
Actuadores
Neumáticos
Fuente de
energía: aire a
presión
Pistones,
motores,
válvulas
Hidráulicos
Fuente de
energía: fluido
Pistones,
motores,
válvulas
Eléctricos
Fuente de
energía:
electricidad
Motores AC, DC,
paso a paso,
servomotores
4
Actuadores
Actuadores eléctricos
Al estudiar sistemas eléctricos que se emplean como actuadores de
control deberán tenerse en cuenta los siguientes dispositivos y
sistemas:
Dispositivos de conmutación, como interruptores mecánicos
(relevadores) e interruptores de estado sólido (diodos, tiristores y
transistores), en los que la señal de control enciende o apaga un
dispositivo electrónico, que puede ser un calentador o un motor
5
Actuadores
Actuadores eléctricos
Dispositivos tipo solenoide, en los cuales una corriente que pasa
por un solenoide acciona un núcleo de hierro, por ejemplo una
válvula neumática/hidráulico operada por solenoide, donde la
corriente de control que pasa por el solenoide se utiliza para regular
el flujo neumático/hidráulico.
6
Actuadores
Actuadores eléctricos
Sistemas motrices, por ejemplo, motores de DC y AC, en los cuales
la corriente que pasa por el motor produce una rotación.
7
Actuadores
Actuadores eléctricos - Relevadores
El relevador también conocido como relé o relay, es un dispositivo
electromecánico. Están formados por una bobina y unos contactos
los cuales pueden conmutar corriente continua o bien corriente
alterna. Permite controlar circuitos de salida que posean mayor
potencia que los de entrada. Al fluir corriente a través del solenoide,
se produce un campo magnético que atrae la armadura metálica,
mueve la varilla de empuje, cierra los contactos del interruptor
normalmente abierto (NO, normally open) y abre los contactos del
interruptor normalmente cerrado (NC, normally closed)
8
Actuadores
Actuadores eléctricos - Relevadores
9
Actuadores
Actuadores eléctricos - Relevadores
Los relevadores se utilizan con frecuencia en sistemas de control.
Cuando la salida del controlador es relativamente pequeña y es
necesario encender o apagar un elemento final, es necesario una
corriente mucho más grande, por ejemplo la corriente requerida en
un motor. En tal situación es posible utilizar relevadores para
realizar este control.
Una desventaja presente en los relés mecánicos está en su vida útil,
por el sistema mecánico presente en éstos. Además, la conmutación
en un relé mecánico genera transitorios y sobre picos que pueden
alterar una medida o dañar directamente la eficacia en la entrada de
un sistema de adquisición como el Arduino®, PLC’s o
Microcontroladores y la salida en sistemas de control.
10
Actuadores
Actuadores eléctricos - Relevadores
De esta forma, debido a que los relevadores son inductivos, pueden
generar un contra voltaje cuando deja de fluir la corriente de
energización o cuando sus interruptores de entrada van de un
estado alto a uno bajo. Como resultado se puede presentar daño en
el circuito de conexión. Para solucionar el problema, se debe de
conecta un diodo a través del relevador, así, cuando se presente una
fuerza electromotriz, el diodo protegerá el sistema.
11
Actuadores
Actuadores eléctricos - Motores
Los motores eléctricos con frecuencia se usan como elemento de
control final en los sistemas de control por posición o de velocidad.
Los motores se pueden clasificar en dos categorías principales:
• Motores de DC
• Motores de AC
La mayoría de los motores que se emplean en los sistemas de
control modernos son motores de DC.
12
Actuadores
Actuadores eléctricos - Motores
Los principios básicos del funcionamiento de un motor son los
siguientes:
Fuerza sobre un conductor eléctrico.
Un conductor de longitud l lleva una corriente i en un campo
magnético con densidad de flujo B perpendicular al conductor, la
fuerza ejercida F es igual a Bil.
I
L
Fuerza F
B
13
Actuadores
Actuadores eléctricos - Motores
𝐹 = 𝐵𝑖𝑙 ∙ 𝑠𝑒𝑛(𝛼)
F=Fuerzan en newtons
B= Densidad de flujo magnético.􀂄(teslas)
i= Corriente eléctrica que circula por el conductor.􀂄(amperes)
l= longitud del conductor
Sen(a)= Seno del ángulo que forman los campos B e I.􀂄
14
Actuadores
Actuadores eléctricos - Motores
Cuando decimos que un campo magnético genera una corriente
eléctrica en un conductor, nos referimos a que aparece una fem
(llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se
mueven generando una corriente (corriente inducida).
La ley que explica esta interacción entre la fuerza electromotriz
inducida y el campo magnético es la Ley de Faraday:
𝑑𝜙𝑚
𝜀=−
(𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠)
𝑑𝑡
En donde fm es el flujo del campo magnético. Por tanto, para que
aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida se debe variar el
flujo del campo magnético a través de la superficie delimitada por el
conductor.
15
Actuadores
Actuadores eléctricos - Motores
El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar
la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz
“El sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la
causa que lo produce.”
El fenómeno de la inducción magnética constituye el principio
básico de los generadores eléctricos, de ahí que cualquier motor es
al mismo tiempo un generador.
16
Actuadores
Actuadores eléctricos - Motores
En un motor convencional, los devanados de alambre se montan en
las ranuras de un cilindro de material magnético conocido como
armadura. Esta armadura esta montada en cojinetes que le permite
girar (rotor).
Armadura
Devanados
17
Actuadores
Actuadores eléctricos - Motores
Se monta la armadura en el campo magnético que producirán los
polos de campo con los imanes permanentes o electroimanes.
Estator
Estator
Rotor
Rotor
18
Actuadores
Actuadores eléctricos - Motores
Los extremos del devanado de la armadura se conectan con los
segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como
conmutador. El contacto eléctrico con los segmentos se logra
mediante contactos de carbón conocidos como escobillas.
Devanados
Conmutador
Escobillas
19
Actuadores
Actuadores eléctricos - Motores
Conforme la armadura gira, el conmutador invierte la corriente de
cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo.
Esto es necesario para que las fuerzas que actúan en el devanado
sigan actuando en la misma dirección y la rotación continúe. La
dirección de rotación del motor de DC se invierte al invertir la
corriente de armadura o la corriente de campo.
Conmutador
20
Actuadores
Actuadores eléctricos - Motores - Imán
Hace años la empresa mastec® realizó un proyecto mecatrónico
donde se implementó un contacto eléctrico con escobillas de carbón
para conmutar corriente alterna y permitir el movimiento superior
de un robot de 360°.
21
Actuadores
Actuadores eléctricos - Motores - Imán
En los motores de imán permanente los campos del estator son
proporcionados mediante imanes permanentes.
Imán permanente
22
Actuadores
Actuadores eléctricos - Motores - Imán
Los motores de imán permanente no requieren fuente de
alimentación externa y por lo tanto no producen calentamiento.
Un motor de imán permanente es más ligero y más pequeño que
otros motores DC equivalentes debido a que la intensidad del
campo del imán permanente es alta.
Los motores de imán permanente son fáciles de invertir al conmutar
la dirección del voltaje aplicado, pues la corriente y el campo
cambian de dirección sólo en el rotor.
Rotor
Imán
permanente
23
Actuadores
Actuadores eléctricos - Motores - Imán
Los motores de imán permanente pueden ser motores con
escobillas, sin escobillas o de pasos.
Motores de imán permanente sin escobillas
Un problema con los motores DC es que requieren un colector y
escobillas para invertir en forma periódica la corriente que pasa por
cada uno de sus devanados de la armadura.
Las escobillas establecen contacto deslizante con el colector; las
chispas que saltan entre ambos van desgastando las escobillas. Por
ello, las escobillas deben remplazarse de manera periódica y
recubrirse el colector. Para evitar estos problemas se han diseñado
motores sin escobillas.
24
Actuadores
Actuadores eléctricos - Motores - Imán
Motores de imán permanente sin escobillas
Estos motores consisten en un rotor de imán permanente. Un
conductor por el que pasa corriente eléctrica en un campo
magnético experimenta una fuerza, asimismo, como consecuencia
de la tercera ley de Newton, el imán también experimenta una
fuerza opuesta de igual magnitud.
En un motor DC convencional, el imán esta fijo y los conductores por
los que pasa la corriente presentan movimiento. En cambio en el
motor DC de imán permanente sin escobillas sucede lo contrario; los
conductores por los que pasa la corriente están fijos y el imán se
mueve
25
Actuadores
Actuadores eléctricos - Motores - Imán
Motores de imán permanente sin escobillas
Rotor imán permanente
Devanados
Rotor imán permanente
Devanados
26
Actuadores
Actuadores eléctricos - Motores - Imán
Motores de imán permanente sin escobillas
La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en
forma electrónica mediante transistores en secuencia alrededor de
los devanados, la conmutación se controla con la posición del rotor,
de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imán
provocando que rote en la misma dirección.
Los sensores de efecto Hall por lo general se usan para detectar la
posición del rotor e iniciar la conmutación de los transistores; estos
sensores se colocan alrededor del estator.
Estos motores se utilizan cada vez más cuando se necesita alto
rendimiento aunado a una gran confiabilidad y poco mantenimiento.
Gracias a que no tienen escobillas, estos motores no producen ruido
y permite alcanzar altas velocidades.
27
Actuadores
Actuadores eléctricos - Lineal
Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones
físicas ordenadas por algún sistema de control.
Se le da el nombre de actuadores eléctricos cuando se usa la energía
eléctrica para que se ejecuten sus movimientos. Los actuadores
eléctricos se utilizan para robots, sistemas mecatrónicos y de control
de tamaño mediano, pues éstos no requieren de tanta velocidad ni
potencia. Los robots, sistemas mecatrónicos y de control que usan
actuadores eléctricos se caracterizan por una mayor exactitud y
repetitividad.
28
Actuadores
Actuadores eléctricos - Lineal
Un actuador lineal eléctrico es un dispositivo que convierte el
movimiento de rotación de un motor de corriente continua de bajo
voltaje en movimiento lineal. Un actuador lineal eléctrico consta de
un motor, un engranaje y una rosca de eje que incluye una tuerca.
engranaje Rosca sin fin
motor
29
Actuadores
Actuadores eléctricos - Lineal
30
Proyecto de
laboratorio 6
31
Proyecto de laboratorio 6
Objetivo:
Crear un mecanismo seguidor solar utilizando un actuador eléctrico y
un dos módulos fotovoltaicos colocado en una estructura metálica
diseñada y desarrollada por el equipo.
Características del sistema:
• El seguidor tiene que comenzar a moverse desde la salida del sol y parar
hasta la puesta del sol, su único movimiento será del este al oeste y
deberá regresar a su posición original para el siguiente día. El control
deberá ser automático y manual.
• En el control manual se realizará el movimiento del seguidor y será
representado con una interfaz gráfica en Visual Basic, mostrando el ángulo
de inclinación actual y su posición.
• Debe enviar la posición en la que se encuentra el ángulo para ser vista en
una página de internet. – Ver archivo Subir_Valor_.BAT en página roboticaup.org –
• Se deberá de registrar la corriente del panel solar y la hora en todo el día.
– Ver documentación artículo SENIE 2016 –
32
Proyecto de laboratorio 6
Entrega del proyecto:
• Tiempo de 1 hora y 30 minutos para entregar el proyecto.
• Jueves 13/10 se presentará el primer avance ante todo el salón. Se
mostrará una idea general del proyecto, el FTP funcionando y parte de
Interfaz gráfica de Visual Basic.
• Lunes 17/10 se presentará el segundo avance ante todo el salón. Se
mostrará la estructura metálica, el montaje de los sensores y parte de
Interfaz gráfica de Visual Basic.
• Jueves 20/10 se realizará la sexta entrega.
• Documentación en formato de artículo IEEE a doble columna, entregarla
antes de comenzar la siguiente clase.
• Documentación sin haber aprobado la entrega, no se acepta.
33