Un actuador es un dispositivo inherentemente mecánico cuya función es proporcionar
fuerza para mover o “actuar” otro dispositivo mecánico. La fuerza que provoca proviene de
tres fuentes posibles:
Presión neumática: los más usados en las industrias, son actuadores de posicionamiento, es decir: posicionar objetos.
Presión hidráulica: se emplean cuando lo que se necesita es potencia, pero es muy costosa.
Electricidad: son muy utilizados en los aparatos mecánicos y electrónicos.
Los actuadores son los dispositivos encargados de efectuar acciones físicas ordenadas por algún sistema de control. Esta acción física puede ser un movimiento lineal o un movimiento circular según sea el caso. Se le da el nombre de eléctricos cuando se usa la energía eléctrica para que se ejecuten sus movimientos.
Los actuadores eléctricos se utilizan para robots de tamaño mediano, pues éstos no requieren de tanta velocidad ni potencia como los robots diseñados para funcionar con actuadores hidráulicos. Los robots que usan la energía eléctrica se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad.
El proceso bajo control, la acción que se tiene que llevar a cabo y la velocidad con que ésta deba realizarse, son factores que influyen en la clase de actuador que se ha de utilizar. Los sistemas de acondicionamiento eléctrico han llegado a ser los que más predominan en los ambientes robóticos industriales. Aunque no proporcionan la velocidad o la potencia de los sistemas hidráulicos, ofrecen una mayor exactitud y repetitividad, necesitan de un menor espacio de trabajo y, como consecuencia, son muy adecuados para movimientos precisos, como el ensamblaje.
La estructura de un actuador eléctrico es simple en comparación con la de los actuadores hidráulicos y neumáticos, ya que sólo requieren de energía eléctrica como fuente de poder. Como se utilizan cables como medio conductor para transmitir electricidad y señales, es altamente versátil y prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia entre la fuente de poder y el actuador.
Existe una gran cantidad de modelos de actuadores eléctricos y es fácil utilizarlos con motores estandarizados según la aplicación. En la mayoría de los casos es necesario utilizar reductores, debido a que los motores son de operación continua.
Las ventajas de los actuadores eléctricos en comparación a los neumáticos e hidráulicos son:
Simple conexión en comparación a otros actuadores
Posicionamiento preciso. Sus principales usos son:
Generación de movimientos rotatorios para diferentes aplicaciones: líneas de producción,
electrodomésticos, juguetes, herramientas, etc.
Automatización de válvulas industriales.
Ampliamente utilizados en procesos industriales.
Fig. 2.6 Motor eléctrico montado en válvula
Un motor eléctrico de Corriente Continua es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos. Esta máquina es una de las más versátiles en la industria, su fácil control de posición, par y velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos. Pero con la llegada de la electrónica su uso ha disminuido en gran medida, pues los motores de corriente alterna, del tipo asíncrono, pueden ser controlados de igual forma a precios más accesibles para el consumidor medio de la industria. A pesar de esto los motores de corriente continua se siguen utilizando en muchas aplicaciones de potencia (trenes y tranvías) o de precisión (máquinas, micro-motores, etc.) Además, se utilizan en aquellos casos en los que es imprescindible utilizar corriente directa, como es el caso de motores accionados por pilas o baterías.
Está compuesto de 2 piezas fundamentales:
Rotor
Estator
Dentro de éstas se ubican los demás componentes como:
Escobillas y porta escobillas
Colector
Eje
Núcleo y devanado del rotor
Imán Permanente
Armazón
Tapas o campana
El principio de funcionamiento de los motores eléctricos de corriente directa o continua se basa en la repulsión que ejercen los polos magnéticos de un imán permanente cuando interactúan con los polos magnéticos de un electroimán que se encuentra montado en un
polos magnéticos norte y sur del imán permanente situado dentro de la carcasa o cuerpo del motor.
Cuando la corriente eléctrica circula por la bobina de este electroimán giratorio, el campo electromagnético que se genera interactúa con el campo magnético del imán permanente. Si los polos del imán permanente y del electroimán giratorio coinciden, se produce un rechazo y un torque magnético o par de fuerza que provoca que el rotor rompa la inercia y comience a girar sobre su eje en el mismo sentido de las manecillas del reloj en unos casos, o en sentido contrario, de acuerdo con la forma que se encuentre conectada al circuito la pila o la batería.
En la figura 2.7 se representa, de forma esquemática y simplificada, la vista frontal de un colector seccionado en dos partes, perteneciente a un motor de corriente directa (C.D.) muy simple. También se muestra el enrollado de la bobina del electroimán que gira a modo de rotor, diferenciada por un color diferente en cada una de sus mitades.
Fig. 2.7 Figura esquemática simplificada de un colector seccionado en dos partes
El colector sirve para conmutar o cambiar constantemente el sentido de circulación de la corriente eléctrica a través del enrollado de la bobina del rotor cada vez.que completa media vuelta. De esa forma el polo norte del electroimán coincidirá siempre con el también polo norte del imán permanente y el polo sur con el polo sur del propio imán. Al coincidir siempre dos polos magnéticos, que en todo momento van a ser iguales, se produce un rechazo constante entre ambos, lo que permite al rotor mantenerse girando ininterrumpidamente sobre su eje durante todo el tiempo que se encuentre conectado a la corriente eléctrica.
La revolución del rotor induce un voltaje en las bobinas de ésta. Este voltaje es opuesto en la dirección al voltaje exterior que se aplica al rotor, y de ahí que se conozca como voltaje inducido o fuerza contra electromotriz. Cuando el motor gira más rápido, el voltaje inducido aumenta hasta que es casi igual al aplicado.
La corriente entonces es pequeña, y la velocidad del motor permanecerá constante siempre que el motor no esté bajo carga y tenga que realizar otro trabajo mecánico que no sea el requerido para mover el rotor.
Fig. 2.8 Figura esquemática de conexión de un motor de cd.
Bajo carga, el rotor gira más lentamente, reduciendo el voltaje inducido y permitiendo que fluya una corriente mayor en el rotor. El motor puede así recibir más potencia eléctrica de la fuente, suministrándola y haciendo más trabajo mecánico.
Debido a que la velocidad de rotación controla el flujo de la corriente en el rotor, deben usarse aparatos especiales para arrancar los motores de corriente continua. Cuando el rotor está parado, ésta no tiene realmente resistencia, y si se aplica el voltaje de funcionamiento normal, se producirá una gran corriente, que podría dañar el conmutador y las bobinas del rotor.
El medio normal de prevenir estos daños es el uso de una resistencia de encendido conectada en serie al rotor, para disminuir la corriente antes de que el motor consiga desarrollar el voltaje inducido adecuado. Cuando el motor acelera, la resistencia se reduce gradualmente, tanto de forma manual como automática.
La velocidad a la que funciona un motor depende de la intensidad del campo magnético que actúa sobre el rotor, así como de la corriente de ésta. Cuanto más fuerte es el campo, más bajo es el grado de rotación necesario para generar un voltaje inducido lo bastante grande como para contrarrestar el voltaje aplicado. Por esta razón, la velocidad de los motores de corriente continua puede controlarse mediante la variación de la corriente del campo. Los carbones cierran el circuito de la fuente con las dos delgas y la espira conectada a ellas, de esta forma circula corriente por las espiras, como esto ocurre dentro de un campo magnético, aparecen fuerzas sobre las espiras y el rotor comienza a girar.
Como la espira gira dentro del campo lo hace cortando líneas de campo, lo mismo ocurre con las fuerzas, pero esto induce una fuerza electromotriz que se opone a la de la fuente y se denomina fuerza contra electromotriz (fcem) según la ley de Lenz.
Existen diferentes formas para controlar un motor de cd: Arrancadores Contactor Relevador de sobrecarga Estación de botones Variadores de CD Inversores Modulación de voltaje Modulación de corriente Servo controles
Amplificadores de muy alta ganancia
Exactitud
Lo que interesa en éste proyecto es el control para el sentido de giro en base a un voltaje aplicado en las terminales, para esto, lo más recomendable es un “puente h”.
2.2.1 Puente h
[31, 40]Hacer girar los motores impulsores de mecanismos como robots, máquinas herramientas (CNC) o cualquier otro sistema electromecánico que requiera de movimiento de piezas puede pensarse como una de las fases sencillas del desarrollo. El conocido y famoso
“puente H” o “H bridge” siempre es la solución en sistemas donde el sentido de giro es una
necesidad de operación. Sin embargo, el mundo real y físico nos presenta incontables dificultades a la hora de operar el puente H.
Comenzando por la inercia del sistema mecánico, pasando por la velocidad de respuesta y terminando en el proceso de frenado y detención apropiados.
El puente h, también conocido como “puente completo”, adopta la letra H para su nombre
debido a la forma que presenta dentro de un circuito esquemático simplificado, como el que se muestra en la figura 2.9.
En la barra central se encuentra ubicado el motor y
en cada “rama lateral”
ascendente o descendente se ubican los conmutadores que, activados de manera
apropiada, brindarán al
sistema los movimientos necesarios para que el motor utilizado pueda girar en un sentido u otro.
En los mostrados de manera habitual en los libros y la web, se menciona que los elementos que se utilizan para conmutar la alimentación (y, de este modo, elegir el sentido de giro) poseen un nombre muy específico, a pesar de que cada desarrollador puede adoptar el que más práctico le resulte.
Por ejemplo, “lado superior izquierdo” y “lado superior derecho” para las conexiones que
nos unen al positivo de la alimentación, siendo por el otro conjunto, “lado inferior izquierdo” y “lado inferior derecho”. Algunos se acostumbran mejor a los nombres en
inglés y sus siglas, por ejemplo, High Side Left (HSL) y High Side Right (HSR), por mencionar como ejemplos las ramas altas de la letra H.
Más allá de cómo se denominen, lo importante es que existen cuatro interruptores que se deben manejar en forma apropiada para lograr los objetivos que el proyecto exige.
Como se muestra en la figura 2.10, para un giro seguro en uno de los dos sentidos, debemos cerrar SW1 y SW4, observando que SW2 y SW3 permanezcan abiertas (líneas rojas). En el caso inverso sería SW2 y SW3 cerradas, mientras que SW1 y SW4 deberán permanecer abiertas (líneas azules).
Para conectar el motor y hacerlo girar se deben activar las llaves de conmutación por pares opuestos en lo que respecta a lados y a posición (superior o inferior). Un error en la activación que permita la conexión de elementos superiores e inferiores de un mismo lado provocará una descarga muy rápida y abrupta de
Fig. 2.11 Circuito de control para un puente h la batería que se esté utilizando o, en el peor de los casos, destruirá
los elementos que forman las llaves conmutadoras.
En la figura 2.11, se muestra de manera muy clara cuál es el circuito que seguirá la corriente para los casos (seleccionados al azar) de giro en avance - forward (arriba a la izquierda) y de retroceso – backward (abajo a la izquierda). Se puede apreciar con claridad cómo el motor asume una polaridad en un sentido de funcionamiento y cómo cambia el sentido de giro al invertir la conexión de positivo y negativo según la manera en que se activen los transistores, indicados en color azul para cada caso correspondiente.
Los potenciales de operación se indican con la sigla “Vo” y adquieren una determinada
polaridad de acuerdo a, como se mencionó antes, la activación oportuna de los transistores indicados en color azul.