Memoria de proyecto
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Memoria iii Agradecimientos A través de estas líneas quiero expresar mi agradecimiento hacia las personas que me han prestado su colaboración durante la realización de este proyecto. Sin su ayuda habría sido imposible emprender tamaña empresa. En primer lugar tengo que agradecer a Xabier Carrera el haberme hecho de guía durante todo el proceso. Lo mismo que a Laurentzi Garmendia, que estuvo todos los días dispuesto a resolver mis preguntas. También a Javier Sánchez, Jordi Viñolas y Joan Savall, como jefes del Laboratorio, sobre todo a éste último por su lucidez en los momentos difíciles. No me puedo olvidar de Luis Unzueta, que fue quien me introdujo en el Laboratorio de Automoción, ya que sin su consejo nada de esto habría ocurrido. También he de dar las gracias a Jorge Biera, de AP Amortiguadores, por su inestimable colaboración proporcionando material e información. Mención especial merece Juan Lizeaga, quien puso su experiencia a mi servicio y siempre estuvo dispuesto a ayudarme con los montajes. También agradezco al personal del taller, por su profesionalidad. A Emilio Sánchez y Eduardo Gómez, por sacarme en varias ocasiones de “apuros eléctricos”, y a José Macayo por su plena colaboración en cuanto a motores se refiere. También he de agradecer a los compañeros del laboratorio en general por el buen ambiente que se ha respirado todo este tiempo. Y, por supuesto, a Blanca. Memoria iv Resumen Esta memoria es parte de un proyecto de fin de carrera realizado en el Laboratorio de Automoción de Tecnun, Escuela Superior de Ingenieros de San Sebastián. El objetivo del proyecto es sustituir la suspensión del vehículo Car-Cross disponible en el laboratorio por un sistema más avanzado de suspensión semiactiva. Ello requiere la instalación de un complejo dispositivo de control de los motores paso a paso con que están equipados los amortiguadores. Así se conseguirá variar la dureza de la suspensión para adaptarla a distintos comportamientos dinámicos del vehículo. Lo primero fue ejercer un control mediante el software LabView del motor de pruebas con que contaba el laboratorio. Tras numerosos ensayos se logró un sencillo control sobre la cantidad de pasos girada por el eje del motor. Esto dio una idea aproximada del material necesario para implantar el sistema de control real. Después se procedió a ensayar los amortiguadores para caracterizarlos y obtener sus curvas fuerza-velocidad. Con esto se consiguió conocer su comportamiento para distintas leyes de dureza, puesto que son regulables. El último paso fue la instalación en el coche de todos los dispositivos. El núcleo central del sistema lo componen las dos cajas de mayor tamaño: la principal y la de convertidores. La caja principal es la que acoge la tarjeta de entrada/salida, es decir el centro de control del sistema de suspensión semiactiva. Además recoge y envía las señales de los sensores hacia el dispositivo de recogida de datos. La segunda de las cajas grandes está destinada a alimentar todos los dispositivos. Contiene varios convertidores de corriente continua que proveen de potencia al sistema. El último componente son las cuatro cajas con las tarjetas controladoras de los motores paso a paso. Estas tarjetas se encargan de generar los pulsos de corriente en la secuencia adecuada que hacen funcionar a los motores. A través de este proyecto se abre un claro camino hacia la consecución de un sistema que regule automáticamente la suspensión en función de la marcha del vehículo, en lo que sería una suspensión más puramente semiactiva. Memoria v Índice AGRADECIMIENTOS....................................................................................................................... III RESUMEN............. ........................................................................................................................... IV ÍNDICE................... ............................................................................................................................ V ÍNDICE DE FIGURAS ...................................................................................................................... VII CAPÍTULO 0 INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1 OBJETIVO ............................................................................................................ 2 CAPÍTULO 2 PUNTO DE PARTIDA .......................................................................................... 5 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.2.1 2.2.2.2 2.2.2.3 2.2.3 2.2.4 2.2.4.1 2.2.4.2 2.2.5 2.3 2.4 2.5 CAPÍTULO 3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.2.1 3.2.2.2 3.2.2.3 3.2.3 3.2.3.1 3.2.3.2 3.2.3.3 3.2.4 3.2.5 Introducción.................................................................................... 5 El monoplaza ................................................................................. 5 Descripción .................................................................................... 5 Suspensión .................................................................................... 7 Conjunto muelle-amortiguador................................................... 7 Suspensión delantera ................................................................ 8 Suspensión trasera.................................................................... 9 Sistema de adquisición de datos.................................................. 10 Sensores ...................................................................................... 11 Sensores de fuerza.................................................................. 11 Sensores de desplazamiento................................................... 12 Convertidores............................................................................... 13 Motor paso a paso........................................................................ 14 Tarjeta controladora del motor ..................................................... 16 Tarjeta de adquisición de datos ................................................... 17 BREVE ESTUDIO SOBRE LOS MOTORES PASO A PASO ........................... 18 Introducción.................................................................................. 18 Motores Paso a Paso ................................................................... 18 Principio de funcionamiento ......................................................... 19 Tipos ............................................................................................ 21 Imán permanente..................................................................... 21 Reluctancia variable ................................................................ 25 Híbridos ................................................................................... 25 Modos de funcionamiento ............................................................ 25 Secuencia normal .................................................................... 26 Modo onda............................................................................... 26 Medio paso .............................................................................. 27 Control.......................................................................................... 27 Comentarios................................................................................. 28 CAPÍTULO 4 CONTROL DEL MOTOR DE PRUEBAS ........................................................... 29 4.1 4.2 4.3 4.3.1 Introducción.................................................................................. 29 Software LabView ....................................................................... 29 Programación en LabView ........................................................... 30 Solución final................................................................................ 30 Memoria 4.3.2 vi Otras opciones barajadas ............................................................ 31 CAPÍTULO 5 ENSAYO DE LOS AMORTIGUADORES .......................................................... 35 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.3 5.4 Introducción.................................................................................. 35 Descripción de los amortiguadores .............................................. 35 Tecnología hidráulica ................................................................... 35 Amortiguadores monotubo ........................................................... 37 Condiciones del ensayo ............................................................... 40 Resultados ................................................................................... 43 CAPÍTULO 6 DESCRIPCIÓN DETALLADA E IMPLANTACIÓN DEL SISTEMA EN EL VEHÍCULO.......................................................................................................... 46 6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.2.1 6.3.2.2 6.3.3 6.3.3.1 6.3.3.2 6.3.3.3 6.4 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.2.1 6.5.2.2 6.5.2.3 6.5.3 6.5.3.1 6.5.3.2 6.6 6.6.1 6.6.2 6.6.3 CAPÍTULO 7 7.1 7.2 CAPÍTULO 8 8.1 8.2 8.3 8.4 Introducción.................................................................................. 46 Requisitos .................................................................................... 46 Diseño del sistema ....................................................................... 47 Introducción.................................................................................. 47 Proceso de diseño ....................................................................... 47 Elección del dispositivo central ................................................ 47 Diseño del sistema .................................................................. 49 Componentes principales del sistema.......................................... 52 Caja principal ........................................................................... 52 Caja de convertidores .............................................................. 54 Cajas de las tarjetas controladoras.......................................... 56 Selección del material .................................................................. 57 Tratamiento del material............................................................... 67 Cajas ............................................................................................ 67 Conectores................................................................................... 67 Conectores Serie Binder.......................................................... 67 Conectores tipo ‘D’ .................................................................. 68 Conectores Deustch ................................................................ 68 Terminales ................................................................................... 68 Micro-terminales para Carril DIN ............................................. 68 Terminales para PCB .............................................................. 69 Modo de aplicación al vehículo, Resultado de la instalación........ 70 Descripción general...................................................................... 70 Funcionamiento............................................................................ 73 Estado actual del control .............................................................. 75 CONCLUSIONES Y FUTURAS LÍNEAS DE TRABAJO................................... 76 Mejoras generales........................................................................ 76 Mejoras concretas ........................................................................ 76 PRESUPUESTO ................................................................................................. 78 Introducción.................................................................................. 78 Mediciones y consideraciones ..................................................... 78 Cuadro de precios ........................................................................ 79 Listado de precios ........................................................................ 79 CAPÍTULO 9 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................. 81 CAPÍTULO 10 URLS CONSULTADOS...................................................................................... 82 Memoria vii Índice de figuras Figura 1. Logotipo de APA-Kayaba ........................................................................ 1 Figura 2. Lotus T92 ................................................................................................ 3 Figura 3. Esquema del sistema ABC de Mercedes-Benz....................................... 4 Figura 4. Vista real del Car-Cross Melmac Tenroj T600 TT ................................... 6 Figura 5. Modelización del Melmac en Pro-Engineer ............................................. 7 Figura 6. Conjunto muelle-amortiguador ................................................................ 7 Figura 7. Regulación del amortiguador .................................................................. 8 Figura 8. Suspensión delantera izquierda .............................................................. 9 Figura 9. Suspensión trasera izquierda ................................................................ 10 Figura 10. Data Logger ........................................................................................ 10 Figura 11. Pantalla en el cuadro de mandos ........................................................ 11 Figura 12. Sensor de fuerza delantero ................................................................. 12 Figura 13. Sensor de fuerza trasero..................................................................... 12 Figura 14. Sensor de desplazamiento.................................................................. 13 Figura 15. Convertidores de alimentación de sensores y data-logger.................. 13 Figura 16. Tarjeta controladora del motor ............................................................ 16 Figura 17. Interfaz de la tarjeta de National Instruments...................................... 17 Figura 18. Ejemplo de motor paso a paso............................................................ 18 Figura 19. Motor para telescopio.......................................................................... 19 Figura 20. Imagen de un estator de cuatro bobinas ............................................. 20 Figura 21. Principio de funcionamiento de un motor paso a paso........................ 21 Figura 22. Motor paso a paso sin el rotor ............................................................. 22 Figura 23. Imagen de un rotor de imán permanente ............................................ 22 Figura 24. Secuencias según la alimentación del estator .................................... 23 Figura 25. Motor bipolar ....................................................................................... 24 Figura 26. Motor unipolar ..................................................................................... 24 Figura 27. Imagen de un rotor de reluctancia variable ......................................... 25 Figura 28. Secuencia normal................................................................................ 26 Figura 29. Modo onda .......................................................................................... 27 Figura 30. Medio paso.......................................................................................... 27 Figura 31. Panel de “Definitivo.vi” ........................................................................ 31 Figura 32. Diagrama de bloques de “El más simple.vi” ........................................ 32 Figura 33. Detalle de “Simple, reset activa avance.vi” ......................................... 33 Figura 34. Completamente abierto, media posición y completamente cerrado .... 36 Figura 35. Esquema simplificado de un amortiguador monotubo......................... 37 Figura 36. Esquema completo de un amortiguador monotubo............................. 38 Figura 37. Flujo de aceite a través del pistón durante la carrera de compresión . 39 Figura 38. Flujo de aceite a través del pistón durante la carrera de extensión .... 39 Figura 39. Banco de ensayos............................................................................... 41 Figura 40. Detalle de los amarres ........................................................................ 42 Figura 41. Segmentos de la trayectoria del cabezal............................................. 42 Figura 42. Dispositivo de control del banco.......................................................... 43 Figura 43. Curvas del amortiguador trasero izquierdo ......................................... 44 Memoria viii Figura 44. Diferencia entre la ley más dura y la más blanda en el delantero izquierdo........................................................................................................ 45 Figura 45. Esquema básico del sistema............................................................... 47 Figura 46. SR9000 Smart Star ............................................................................. 48 Figura 47. BL2100 Smartcat................................................................................. 49 Figura 48. Primera y segunda opciones ............................................................... 50 Figura 49. Opción escogida.................................................................................. 50 Figura 50. Posible instalación de un teclado ........................................................ 51 Figura 51. Caja principal ...................................................................................... 53 Figura 52. Montaje de los tornillos fijadores de caja y PCB ................................. 54 Figura 53. Caja de convertidores ......................................................................... 56 Figura 54. Caja de la tarjeta controladora ............................................................ 57 Figura 55. Cajas fundidas a presión estándar ...................................................... 57 Figura 56. Cajas fundidas a presión estándar revestidas de nylon, color negro .. 58 Figura 57. Placas de activación de motores paso a paso monopolar compacto .. 58 Figura 58. Conector jack hembra de chasis de 3 polos........................................ 59 Figura 59. Micro-terminales Entrelec color gris .................................................... 59 Figura 60. Carril DIN miniaturizado con perfil en U .............................................. 59 Figura 61. Abrazadera de montaje StegoFix para carril DIN ................................ 60 Figura 62. Terminales roscados para PCB de doble nivel de Phoenix Contact ... 60 Figura 63. Terminales con contactos de clavija/Conector hembra ....................... 61 Figura 64. Clavijas de haz de pines con terminales roscados.............................. 61 Figura 65. Separadores de latón roscados .......................................................... 61 Figura 66. Convertidores de c.c. serie PM30 de salida única, de 30W ................ 62 Figura 67. C.I.s sensores de temperatura ............................................................ 62 Figura 68. Termostato industrial bi-metálico......................................................... 63 Figura 69. Ventilador axial de corriente continua Tipo estándar........................... 63 Figura 70. Pasamuros roscados para cables de rosca métrica según EN50262 . 63 Figura 71. Pasamuros moldeados de goma......................................................... 64 Figura 72. Conectores tipo 'D' macho comerciales .............................................. 64 Figura 73. Fundas termorretráctiles para conectores tipo 'D' ............................... 65 Figura 74. Conjuntos de cierre atornillado para conectores 'D' ............................ 65 Figura 75. Relés Omron G6E – SPCO 3A ........................................................... 65 Figura 76. Conectores macho y hembra para cable Serie Binder 680 de 5 vías.. 66 Figura 77. Cable de 6 núcleos 16x0,2mm (0,5mm2)............................................ 66 Figura 78. Cable flexible para alimentación de red de 5 núcleos ......................... 66 Figura 79. Configuración de los pines de los conectores ..................................... 67 Figura 80. Vista de las dos cajas pricipales.......................................................... 71 Figura 81. Principio y final del cable que lleva las señales al data-logger............ 71 Figura 82. Esquema de la caja de convertidores ................................................. 72 Figura 83. Ubicación de las cajas de las tarjetas controladoras delanteras y traseras ......................................................................................................... 73 Figura 84. Esquema simplificado ......................................................................... 74 Memoria Capítulo 0 1 Introducción El presente proyecto se ha desarrollado en el Laboratorio de Automoción del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Escuela de Ingenieros-tecnun. En este laboratorio uno de los objetivos más importantes es que alumnos, becarios y doctorandos profundicen en las tecnologías de la automoción. No sólo es necesario estar informado de los progresos sino que hay que conocerlos con profundidad para poder basar en los mismos nuevas ideas o para que sirvan de base para posteriores desarrollos. Otra línea de trabajo en el laboratorio es la de colaboraciones con otras empresas. En este sentido este proyecto ha contado con el apoyo de AP Amortiguadores. AP Amortiguadores, S.A. es una compañía dedicada al diseño y fabricación de amortiguadores para turismos y furgonetas. Situada en la localidad de Ororbia en Navarra, fue fundada en el año 1974 y actualmente cuenta con un volumen de ventas de más de 100 millones de dólares al año, y unas 14 millones de unidades fabricadas anualmente. AP exporta el 80% de su producción principalmente a la Unión Europea y a Estados Unidos, y fabrica amortiguadores para los principales fabricantes europeos de coches como Renault, Ford, Volkswagen, Seat, Fiat, Audi, etc. Figura 1. Logotipo de APA-Kayaba En colaboración con esta empresa se ha profundizado en el diseño e implantación de los elementos necesarios para controlar una suspensión semiactiva en el Melmac Tenroj T600 TT, el monoplaza sobre el que se desarrolla la mayoría de los proyectos de este laboratorio. En este proyecto se ha realizado un estudio sobre la forma óptima de regular la dureza de los amortiguadores mediante unos motores paso a paso. Para ello ha sido necesario seleccionar adecuadamente los dispositivos que componen el sistema de control electrónico. Una vez seleccionados los dispositivos el siguiente paso ha sido programar la ley de control para facilitar una regulación sencilla de las propiedades de la suspensión. El presente proyecto se ha limitado a facilitar un control sencillo de la suspensión, dejando la puerta abierta a una futura implantación en el Melmac de una suspensión totalmente automática que se regule por sí misma según las características del terreno. Memoria Capítulo 1 2 Objetivo A través del siguiente proyecto se ha buscado mejorar la suspensión del monoplaza Car-Cross de competición Melmac Tenroj T600 TT. Sobre este vehículo se desarrolla y aplica la mayoría de las investigaciones del Laboratorio de Automoción. El objetivo ha sido avanzar en el desarrollo de una suspensión semiactiva para el Melmac. Este sistema debe ser capaz de variar las características de amortiguación de la suspensión en cualquier momento. Para ello se ha pretendido diseñar un dispositivo de control electrónico que, a través de una interfaz sencilla, provoque el cambio de dureza de los amortiguadores. Tras esto, el objetivo era el montaje del dispositivo en el monoplaza de forma que estuviese a punto para funcionar en ruta. El sistema de suspensión de un vehículo debe proporcionar, principalmente: una correcta maniobrabilidad, una absorción efectiva de las irregularidades de la carretera que se traduzca en confort de los pasajeros, y soportar las variaciones de cargas. Un buen nivel de confort implica la utilización de suspensiones blandas. Por el contrario para conseguir una buena maniobrabilidad la suspensión debe de ser dura. Durante el desarrollo de la suspensión es preciso encontrar un compromiso entre esos parámetros, que vendrá determinado en gran medida por el tipo de vehículo que se trate. Un sistema de suspensión pasiva tiene la capacidad de almacenar energía en los muelles y disiparla en los amortiguadores. Sus parámetros son fijos, y se eligen para alcanzar un compromiso entre estabilidad, sujeción de la carga y confort. Una suspensión de tipo activo es capaz de almacenar, disipar e introducir energía en el sistema. Puede variar sus parámetros dependiendo de las condiciones de operación y de los valores que pueden recoger los sensores instalados a bordo. Los sistemas de suspensión activos y semi-activos intentan resolver el citado compromiso adaptándose, en todo momento, a las condiciones de la carretera y maniobras del conductor, de forma que proporcionen simultáneamente un buen nivel de confort y un control óptimo del vehículo. Sin embargo, necesitan una electrónica asociada que los hace más caros que los sistemas convencionales, por lo que su utilización, hoy por hoy, queda reducida a coches de gama alta o muy deportivos. Los sistemas activos suelen utilizar actuadores en lugar de los habituales muelles y amortiguadores. Su consumo de potencia es muy elevado. La utilización más conocida de esta suspensión se produjo en la Fórmula 1, cuando Lotus desarrolló un sistema que probó en 1982 con su T92, en dos grandes premios y que utilizó ampliamente Williams a partir de 1987 con su T99, hasta su Memoria 3 prohibición en 1994, por la FIA, con el objetivo de reducir tanto costos, como la velocidad de las carreras. Figura 2. Lotus T92 Para resolver el conflicto entre el soporte de carga efectivo y el confort del vehículo, de forma que se mantenga un contacto suficiente entre neumáticos y se elimine el balanceo en curva y el cabeceo en la frenada, se desarrolla la suspensión activa. La suspensión activa ofrece una solución tecnológica muy avanzada para conseguir este reto. Estos sistemas se presentan como una respuesta a la necesidad para desarrollar vehículos seguros y capaces de combinar grandes niveles de confort, control y maniobrabilidad. La capacidad de controlar el reparto de carga entre el eje delantero y trasero permite un mejor manejo del coche. Esto es posible debido a que el control de cada rueda es independiente, distribuyendo las fuerzas de compensación necesarias a cada una de las ruedas. Este efecto es especialmente necesario en situaciones críticas en la conducción, en las que se necesita una seguridad en el control de la dirección. Asimismo, gracias a que la carga está distribuida en las cuatro ruedas del coche, la tendencia a sobrevirar y a subvirar puede ser modificada. Las suspensiones puramente activas constan de un sistema con un actuador hidráulico que puede generar fuerzas para compensar el balanceo y cabeceo del vehículo. Un computador se encarga de monitorizar (mediante sensores) el comportamiento dinámico del coche y enviar señales eléctricas a las suspensiones delantera y trasera. Aquí será donde los componentes hidráulicos, consistentes en bombas, actuadores y servoválvulas, actuarán manteniendo un nivel óptimo de estabilidad. Sin embargo, en las suspensiones activas, esta característica de amortiguamiento es regulable gracias al sistema hidráulico y se consigue un reposicionamiento de la carrocería casi perfecto. Es el caso del sistema ABC (Active Body Control) diseñado por Mercedes-Benz (Figura 3). Memoria 4 Figura 3. Esquema del sistema ABC de Mercedes-Benz Uno de los parámetros que indica la calidad de una suspensión activa o semiactiva es el tiempo de respuesta. Cuanto menor sea éste, más rápidamente será capaz de reaccionar la suspensión ante una irregularidad del terreno, un frenazo o un giro brusco. El tiempo de respuesta nos indica el ancho de banda. Si éste abarca un rango de frecuencias de hasta 3 ó 5 Hz el sistema de suspensión se denomina de baja frecuencia (Low Bandwidth Systems), mientras que si el rango abarca frecuencias más elevadas, hasta 10 ó 12 Hz, se denomina de alta frecuencia (High Bandwith Systems). El sistema de suspensión pasiva funciona tanto para un rango alto de frecuencias como para uno bajo. La suspensión activa puede controlar ambos rangos. A pesar de que el sistema para altas frecuencias ya ha sido ideado, todavía no ha sido implementado, debido al coste que supone. Lo que se está utilizando cada vez con más asiduidad son las suspensiones semiactivas, que controlan las bajas frecuencias con elementos activos y las altas con pasivos. Los sistemas semiactivos no suponen un costo ni un consumo de potencia tan altos como los activos. En estos sistemas los amortiguadores se denominan variables debido a que adaptan su característica en función de las condiciones de la carretera y maniobras del conductor. Estos sistemas se pueden encontrar en vehículos de gama alta. El objetivo de este proyecto se ha limitado a controlar la suspensión a voluntad, de forma sencilla, sin constituir un sistema de suspensión semiactiva en el sentido estricto. Pero se ha abierto un claro camino para diseñar una suspensión totalmente semiactiva que se regule automáticamente. Memoria 5 Capítulo 2 Punto de partida 2.1 INTRODUCCIÓN En este capítulo se describirán los elementos más importantes con que se contaba en el laboratorio al inicio de este proyecto. 2.2 EL MONOPLAZA 2.2.1 Descripción En el Laboratorio de Automoción se trabaja con un vehículo de competición tipo Car-Cross, Melmac Tenroj T600 TT, fabricado por Jornet. ES un tipo de vehículo planteado inicialmente para carreras de tierra, no obstante puede participar en otras disciplinas. El Car-cross o Kart-cross es una disciplina del automovilismo de las más espectaculares, baratas y sencillas de practicar, a la vez de las más competitivas debido a la excelente relación entre las variables precio, prestaciones, satisfacciones y mantenimiento. Los Car-Cross son vehículos monoplazas de tracción trasera, con el puesto de pilotaje dotado de los mandos habituales de un coche. Sus principales características de conducción son grandes aceleraciones y derrapadas. Su versatilidad le permite además participar en otras disciplinas como subidas o MotorShows. Melmac, distribuidor oficial de Tenroj, compite en la División IV de Autocross con varios de estos bólidos. Esta especialidad del automovilismo tiene sus orígenes en los EEUU, siendo importada a Europa por Francia en la década de los 80 donde experimentó un espectacular desarrollo. Fue importado a España en la década de los 90. Y en estos últimos años ha sufrido una notable evolución técnica. Sus características principales son: • Chasis principal y secundario: tubular. Tubos de 40 y 32 mm • Motor: central, Honda CBR600 F Potencia aproximada: 92 CV a 12.000 rpm Par máximo: 12 daN a 10.500 rpm Régimen máximo: 12.330 rpm • Tracción: a las ruedas traseras sin diferencial • Peso: inferior a 300 kg • Suspensión: se detallará en siguientes apartados Memoria 6 • Frenos: de disco macizo de 5 mm. Dos discos delanteros y uno trasero. Reparto de frenada delantero/trasero regulable. • • • Dirección: tipo piñón/cremallera Cambio de marchas: secuencial de 6 velocidades. Dispone de unos actuadores situados en el volante para facilitar el cambio. No tiene marcha atrás. Transmisión: por cadena Figura 4. Vista real del Car-Cross Melmac Tenroj T600 TT El Melmac Tenroj ha sido modelizado utilizando el software de diseño paramétrico Pro/Engineer. Esta modelización es útil para los diversos estudios llevados a cabo en cada uno de los elementos. En la siguiente figura se puede observar una imagen de la modelización. Memoria 7 Figura 5. Modelización del Melmac en Pro-Engineer 2.2.2 Suspensión 2.2.2.1 Conjunto muelle-amortiguador Cada conjunto está compuesto por un amortiguador hidráulico telescópico de tipo monotubo con gas a presión, y por un muelle helicoidal montados coaxialmente. Figura 6. Conjunto muelle-amortiguador Memoria 8 Los amortiguadores monotubo van provistos de un dispositivo de regulación manual que permite variar la dureza de los mismos. Esto se consigue por medio de la variación de la sección de paso del aceite a presión dentro del tubo. Como se aprecia en la figura, girando la ruedecilla del extremo del tubo en un sentido o en otro se varía la característica de fuerza del amortiguador. Sin embargo dispone de un número limitado de posiciones determinado por la geometría interior de las secciones de paso del aceite. Figura 7. Regulación del amortiguador Asimismo también es posible regular manualmente la precarga del muelle a través del giro de una arandela situada en la carcasa exterior. Variando esta precarga se consigue modificar la fuerza que opone el muelle a su elongación. 2.2.2.2 Suspensión delantera La suspensión delantera es del tipo de doble triángulo, con el conjunto formado por muelle y amortiguador anclado al triángulo inferior en su parte exterior y al chasis por encima del triángulo superior en su parte interior. Los triángulos giran respecto a un eje en el chasis, mientras que el conjunto muelleamortiguador, al actuar ligeramente inclinado en otro plano, va anclado al triángulo inferior y al chasis mediante anclajes denominados silent-blocks que permiten esa cierta desalineación. La posición del triángulo superior es regulable longitudinalmente y las rótulas que articulan los triángulos con la mangueta pueden variar su posición colocándolas más o menos introducidas mediante una tuerca. De esta manera se puede variar la geometría de la suspensión para hacer la dirección más o menos estable si retrasamos o avanzamos respectivamente el triángulo superior respecto al inferior. Esta regulación permite modificar el ángulo de avance, que es el que controla la estabilidad de la dirección, es decir su tendencia a volver a la posición recta. Memoria 9 Variando la cantidad de rosca que queda introducida en las rótulas se puede modificar, además de la anchura entre ruedas, la caída de las mismas, pudiendo adaptar la suspensión a recorridos de tierra o asfalto con más o menos curvas. Las caídas negativas mayores se utilizarán en tierra y con curvas, mientras que las caídas prácticamente nulas se usarán cuando se circule por asfalto. Figura 8. Suspensión delantera izquierda 2.2.2.3 Suspensión trasera La suspensión trasera es una suspensión del tipo de doble triángulo, aunque en este caso consta de un trapecio superior y un triángulo y un brazo inferiores, todos ellos unidos a la mangueta mediante rótulas. Las uniones del chasis a trapecio, triángulo y brazo se realiza mediante pares de revolución no regulables. El conjunto muelle-amortiguador va unido mediante silent-blocks a la mangueta por encima del trapecio superior. Como en la suspensión delantera, las uniones rotuladas se pueden regular, así que se puede variar la caída para adaptar el vehículo al terreno por donde vaya a circular y también es posible modificar la convergencia de las ruedas sacando más o menos las rótulas traseras respecto a las delanteras. Además, se puede variar ligeramente la anchura de vías, sacando o introduciendo todas las rótulas dentro del margen de rosca que hay disponible. Memoria 10 Figura 9. Suspensión trasera izquierda 2.2.3 Sistema de adquisición de datos El coche lleva incorporado un sistema de adquisición de datos GEMS DA99 para recoger las señales de los sensores instalados en él. La unidad central recibe el nombre de data-logger (Figura 10), y es en ella donde se aloja una tarjeta PC Card responsable de almacenar los datos recogidos. El sistema es capaz también de representar los datos en una pantalla instalada en el cuadro de mandos del propio coche que sirve de información al piloto. Figura 10. Data Logger Memoria 11 Sus principales características son: • Unidad central: 110x110x45 mm. Peso: 450 gr • 24 canales analógicos • 6 canales de velocidad • 8 entradas para termopares (temperatura) • Resolución: hasta 16 bits • Resolución en 8 bits con selección de modo: 8x1, 8x2, 8x4... • Hasta 1 kHz de frecuencia de muestreo • Ranura PCMCIA para almacenaje de datos en tarjeta PCCard SRAM • Conectores Autosport • Pantalla digital con hasta 8 configuraciones de presentación Figura 11. Pantalla en el cuadro de mandos 2.2.4 Sensores 2.2.4.1 Sensores de fuerza El Car-Cross tiene instalados dos sensores de fuerza creados en el propio Laboratorio de Automoción, uno en el amortiguador delantero izquierdo y otro en el trasero izquierdo. Son de gran utilidad para, por una parte, saber cuánto sufre el chasis tubular y por otra conocer la carga que transfieren instantáneamente los conjuntos Memoria 12 muelle-amortiguador, un dato interesante para ayudar a conocer y comprender el comportamiento dinámico del coche y del propio conjunto del amortiguador. Su diseño se basa en tecnología de galgas extensométricas. Los transductores de fuerza son dos diseños distintos, uno para cada suspensión. Éstos crean una señal eléctrica proporcional a la fuerza que los empuja. Siguiendo el esquema clásico, dicha señal es amplificada por unos amplificadores y recogida por el sistema de adquisición de datos (data-logger) instalado en el coche. Figura 12. Sensor de fuerza delantero Figura 13. Sensor de fuerza trasero 2.2.4.2 Sensores de desplazamiento El coche cuenta con cuatro sensores de desplazamiento, uno en cada suspensión, que se encargan de medir la distancia entre extremos de los conjuntos muelle-amortiguador. Memoria 13 Cada sensor consta de una pequeña caja situada en un extremo de cada amortiguador. Dicha caja contiene un potenciómetro accionado por una polea en la que se enrolla un cable sujeto al otro extremo del amortiguador, con lo que cuando varía la longitud del conjunto muelle-amortiguador cambia en la misma medida la longitud del cable del sensor. Figura 14. Sensor de desplazamiento 2.2.5 Convertidores El Car-Cross contaba al principio del proyecto con tres convertidores de potencia para suministrar alimentación al sistema de sensores y de adquisición de datos. Se encargaban de convertir los 12 voltios de la batería a 12V, 5V y ±5V todos ellos regulados y constantes. Figura 15. Convertidores de alimentación de sensores y data-logger Memoria 14 Las características principales de estos convertidores son: Marca y modelo Tensión Tensión Corriente Potencia entrada salida salida (W) (Vdc) (Vdc) (mA) Convertidor de 12V ASTEC AA15A024L-120S 9-36 12 1250 15 Convertidor de 5V TRACO Ten 31211 9-18 5 500 3 Convertidor de ±5V TRACO Ten 51221 9-18 ±5 ±500 6 Tabla 1. Características principales de los convertidores En el Anejo 1 se pueden conocer con más profundidad las características de estos convertidores. 2.3 MOTOR PASO A PASO El laboratorio contó a lo largo del proyecto con varios motores paso a paso para pruebas. El primero de ellos se encuentra descrito en el Anejo 2. Los siguientes son similares a los que posteriormente se montarían en la suspensión. Cuentan con las siguientes especificaciones: • 4 fases, unipolar, de 5 hilos (4 fases + común) • Ángulo de paso: 7,5º ⇒ 48 pasos / vuelta • Limitación recorrido: 120º, 17 posiciones, bidireccional • Consumo máximo: 1,6 A / fase • Voltaje nominal: 13,5 V Los motores disponen de cinco cables soldados a sus respectivas fases, cada uno con su color identificativo, como muestra la Tabla 2. Memoria 15 COLOR DEL CABLE FASE Verde A+ Rojo B+ Marrón GND Blanco B- Azul A- Tabla 2. Cables del motor El patrón de excitación de las fases responde a la siguiente secuencia: Posición estable 1 (blanda) Paso 01 → 02 Fase A+ Fase B+ + + 01 → 02 ← 03 2 3 + 02 → 03 ← 04 03 → 04 ← 05 + 04 → 05 ← 06 + 5 7 08 → 09 ← 10 + 9 (dura) + 10 → 11 ← 12 + + 11 → 12 ← 13 + 12 → 13 ← 14 + + 14 → 15 ← 16 + + + 16 → 17 + + + + 15 → 16 ← 17 + + + 13 → 14 ← 15 8 + + 09 → 10 ← 11 6 + 06 → 07 ← 08 + + + + 07 → 08 ← 09 Fase B- + + 05 → 06 ← 07 4 Fase A- + + + Tabla 3. Patrón de excitación Memoria 16 2.4 TARJETA CONTROLADORA DEL MOTOR Para generar la excitación de cada fase en la secuencia adecuada en cada momento se dispuso de una placa de activación de motores paso a paso en modo unipolar, de marca RS código 240-7920. Con este dispositivo se consigue generar la secuencia de alimentación de fases correcta a través de un control sencillo tipo enable/disable. Figura 16. Tarjeta controladora del motor Las entradas de esta tarjeta proporcionan control sobre habilitación/deshabilitación, paso completo/medio/onda, dirección y reloj. La velocidad del motor es ajustable mediante un reloj interno (20-600Hz) o externamente introduciendo desde fuera una señal de reloj. Las entradas/salidas lógicas son compatibles con TTL LS y CMOS, y las salidas de fase de MOSFET de potencia son en colector abierto. En el siguiente cuadro se indica la correspondencia de las fases indicadas en la tarjeta con las fases reales de los motores. Memoria 17 EN LA TARJETA EN EL MOTOR PHA A+ PHC B+ PHB A- PHD B- Tabla 4. Correspondencia de las fases Las características técnicas y el manual de usuario pueden consultarse en el Anejo 3. 2.5 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS Otro elemento con que contaba el laboratorio al inicio de este proyecto es una tarjeta de adquisición de datos de National Instruments modelo PC516/DAQCard. Se utilizó para ejercer el control del motor a través de un PC con un puerto PCMCIA. Dispone de 8 entradas analógicas, 4 entradas y 4 salidas digitales compatibles con TTL, además de 2 contadores. Su resolución es de 16 bits. Figura 17. Interfaz de la tarjeta de National Instruments El manual de la tarjeta se puede consultar en el siguiente URL: http://www.ni.com/pdf/manuals/321178a.pdf Memoria Capítulo 3 18 Breve estudio sobre los motores paso a paso 3.1 INTRODUCCIÓN En este capítulo se hará un breve estudio sobre los motores paso a paso, su principio de funcionamiento, tipos, control, etc. Pretende ser un acercamiento hacia este peculiar tipo de motores versátiles y utilizados en gran número de aplicaciones. Figura 18. Ejemplo de motor paso a paso 3.2 MOTORES PASO A PASO Los motores paso a paso son apropiados para la construcción de mecanismos en los que se requieren movimientos de alto grado de precisión. La característica principal de estos motores es que su eje gira un determinado ángulo por cada impulso de entrada. El resultado de este movimiento, fijo y repetible, es un posicionamiento preciso y fiable. Al aplicar un conjunto adecuado de impulsos eléctricos, el rotor gira un ángulo (llamado paso) determinado por las características constructivas del motor. De este modo el campo magnético giratorio que crea la corriente al atravesar las bobinas se ve conducido mejor a través de los dientes que del aire. El paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1,8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1,8°), para completar un giro completo de 360°. Estos motores poseen la capacidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas está energizada, el Memoria 19 motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas. Existe gran cantidad de aplicaciones que utilizan motores paso a paso. Se trata de casos donde es esencial un posicionamiento fijo y preciso de algún elemento. Figura 19. Motor para telescopio Como ejemplos cabe destacar los casos de actuadores lineales para máquina herramienta, aplicaciones médicas, actuación de posicionadores, impresoras, unidades de disquetera en ordenadores, registradores, plataformas inerciales, movimiento de cámaras y antenas en satélites, o telescopios. 3.2.1 Principio de funcionamiento Básicamente estos motores están constituidos por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un número de bobinas excitadoras arrolladas en su estator. Los motores eléctricos, en general, basan su funcionamiento en las fuerzas ejercidas por un campo electromagnético y creadas al hacer circular una corriente eléctrica a través de una o varias bobinas. Dicha bobina, denominada estator, se mantiene en una posición mecánica fija. En su interior, bajo la influencia del campo electromagnético creado por el paso de corriente, se coloca otra bobina, llamada rotor, en ocasiones recorrida por una corriente y capaz de girar sobre su eje. La bobina del rotor tendrá su propio campo magnético, con su propia orientación. Sin embargo tenderá a orientarse para buscar la posición de equilibrio Memoria 20 magnético dentro del campo del estator. De esta forma arrastrará al eje a una nueva posición. Cuando el rotor alcanza la nueva posición de equilibrio, el estator cambia la orientación de sus polos, provocando así el cambio de polaridad de los dientes, con lo que el rotor tratará nuevamente de buscar la siguiente posición de equilibrio. Manteniendo dicha situación de manera continuada, se conseguirá un movimiento giratorio y continuo del rotor y a la vez la transformación de una energía eléctrica en otra mecánica en forma de movimiento circular. Figura 20. Imagen de un estator de cuatro bobinas Así pues, como muestra la Figura 21, si se excitan las bobinas del estator de forma adecuada (por ejemplo, cambiando la polaridad de la corriente) se puede hacer girar al eje en el instante deseado y un ángulo determinado. Memoria 21 Figura 21. Principio de funcionamiento de un motor paso a paso 3.2.2 Tipos Desde el punto de vista de su construcción, existen tres tipos básicos de motores paso a paso: de imán permanente, de reluctancia variable e híbridos. 3.2.2.1 Imán permanente En este tipo de motores, también llamados de polo de uñas, el rotor es un imán permanente. El estator lo forman varios polos salientes en forma de dientes (Figura 22), abrazados por bobinas que constituyen las fases. Memoria 22 Figura 22. Motor paso a paso sin el rotor Su funcionamiento es muy simple: el rotor está permanentemente magnetizado, por lo que creará un campo magnético con una orientación determinada. A su vez, el estator también creará un campo magnético que envuelve al del rotor, con lo que el único con posibilidad de giro (el del rotor) tenderá a buscar la posición de equilibrio magnético. De esta forma se creará una fuerza electromagnética que arrastrará al rotor hasta una nueva posición. Figura 23. Imagen de un rotor de imán permanente Memoria 23 Si se va cambiando la excitación del estator para crear un campo giratorio, el rotor seguirá fielmente tal giro y se podrá posicionar el eje del motor con gran precisión. Como se aprecia en la figura, al conmutar la alimentación de las fases se cambia la polaridad de las piezas ferromagnéticas del estator de N-S a S-N. Así el campo fijo del imán del rotor se ve atraído en cada paso a una nueva posición. Figura 24. Secuencias según la alimentación del estator Su principal ventaja es que su posicionamiento no varía aun estando sin excitación y en régimen de carga, debido a la atracción entre el rotor y los entrehierros del estator. Esto hace que sea el tipo de motores paso a paso más comunes en áreas como la robótica. Dependiendo del tipo de bobinas que se encuentran devanadas sobre el estator (y, por tanto, del modo de crear el campo giratorio) se pueden dividir este tipo de motores en: Memoria 24 - Bipolares: constan de dos bobinas independientes por las que puede circular corriente en ambos sentidos. Cambiando este sentido se invertirá la polaridad de las bobinas (de ahí el nombre de bipolar). Cada inversión en la polaridad provoca el movimiento del eje, avanzando éste un paso. Esta necesidad de invertir corrientes complica en cierta medida el circuito de control del motor. Generalmente tienen cuatro cables de salida, como se aprecia en la Figura 25. Figura 25. Motor bipolar - Unipolares: cada bobina del estator se encuentra dividida en dos mediante una derivación central conectada a un terminal de alimentación. De este modo, el sentido de la corriente que circula a través de la bobina, y por consiguiente la polaridad magnética del estator, viene determinada por el terminal al que se conecta la otra línea de la alimentación a través de un dispositivo de conmutación. Por consiguiente las medias bobinas de conmutación hacen que se inviertan los polos magnéticos del estator en la forma apropiada. En lugar de invertir la polaridad de la corriente como en los bipolares, se conmuta la bobina por donde circula dicha corriente, lo que simplifica bastante el circuito de control. Generalmente tienen 5 ó 6 cables de salida. Figura 26. Motor unipolar Memoria 3.2.2.2 25 Reluctancia variable Los motores de reluctancia variable están formados por un estator con sus fases como en los motores de imán permanente, y por un rotor sin excitar de un material ferromagnético de alta permeabilidad. Tanto el estator como el rotor tienen su superficie dentada. Figura 27. Imagen de un rotor de reluctancia variable Al estar formado por un material ferromagnético, el rotor tiende a orientarse de modo que facilite el camino de las líneas de fuerza del campo magnético generado por las bobinas de estator. Así, el punto de equilibrio entre el estator y el rotor se encuentra en el que la reluctancia es mínima. Modificando el campo en el estator, el rotor girará buscando el punto de equilibrio. La principal ventaja es su elevada velocidad de accionamiento. Y su principal desventaja es que en condiciones de reposo (sin excitación) el rotor queda en libertad de girar y, por tanto, su posicionamiento en régimen de carga dependerá de su inercia y no será posible predecir el punto exacto de reposo. 3.2.2.3 Híbridos Este último tipo combina las características de los otros dos, logrando un alto rendimiento a buena velocidad. El rotor suele estar constituido por anillos de acero dulce dentado en un número ligeramente distinto al del estator y dichos anillos montados sobre un imán permanente dispuesto axialmente. Se obtienen importantes pares de accionamiento, un gran número de pasos por vuelta y una frecuencia de trabajo elevada. 3.2.3 Modos de funcionamiento En este apartado se considerarán únicamente los motores de imán permanente por ser los más comunes. Es necesario distinguir una vez más entre unipolares y bipolares. Los bipolares se controlan de forma más simple, ya que sólo requieren la inversión de Memoria 26 la corriente que circula por sus bobinas de forma adecuada. Cada inversión provoca el movimiento del eje un paso. En cuanto a los unipolares, existen tres modos de operación: secuencia normal, modo onda y medio paso. 3.2.3.1 Secuencia normal Es la secuencia más usada y la que generalmente recomiendan los fabricantes. En este modo se excitan dos bobinas adyacentes cada ocasión, de forma que el posicionamiento del rotor entre ambas es bastante fiable. El motor avanza un paso por vez y, debido a que siempre hay dos bobinas activadas, se obtiene un alto torque de paso y retención. Sin embargo tiene el inconveniente de que hay que mantener activadas dos bobinas para cada paso, con el gasto de corriente que ello supone. Figura 28. Secuencia normal 3.2.3.2 Modo onda En esta secuencia se activa sólo una bobina a la vez. En algunos motores esto brinda un funcionamiento más suave y eficiente. También, la corriente consumida para mantener las bobinas excitadas es la mitad que en modo normal. Por el contrario, el torque de paso y retención es menor, y al estar el rotor alineado con un único polo se pierde fiabilidad y precisión en el paso. Para aplicaciones en las que no se requiera un alto grado de precisión es aconsejable la elección de este modo de funcionamiento, ya que el calentamiento del motor por el paso de corriente es considerablemente menor que en los otros casos. Memoria 27 Figura 29. Modo onda 3.2.3.3 Medio paso En este caso se activan las bobinas de forma que se consigue un movimiento igual a la mitad del paso real. Para ello se excitan primero dos bobinas y luego una sola, y así sucesivamente. La secuencia completa consta de ocho movimientos en lugar de cuatro, como se aprecia en la Figura 30. Figura 30. Medio paso El torque de retención variará de un paso a otro porque cambia el número de bobinas excitadas. Esto creará el efecto de un paso fuerte y otro débil. Con este modo se gana en número de posiciones (para necesidad de incrementos más pequeños), pero se pierde precisión y par con respecto al modo normal. 3.2.4 Control Para controlar un motor paso a paso sólo se necesita un dispositivo que genere la secuencia adecuada de pulsos en los bobinados, según el modo de funcionamiento deseado. Esto se puede conseguir a través de un montaje sencillo. Sólo se necesita un PC, una interfaz con salidas de nivel TTL y una etapa de amplificación. Memoria 28 Para poder excitar las bobinas se tendrá que proporcionar la corriente necesaria. Por eso se necesita diseñar una sencilla etapa de potencia. En este caso se puede optar por el uso de circuitos integrados como el ULN2003A, que es un driver de corriente formado por transistores en configuración Darlington, que admite como señales de entrada las generadas por los dispositivos TTL. Típicamente estos circuitos tienen, entre otras, una entrada para indicar si se desea paso entero o medio, una señal de dirección (CW o CCW) y una señal de reloj para determinar la frecuencia de funcionamiento. Las salidas se conectan directamente a las fases del motor y son las que le proporcionan los pulsos de corriente. Para controlar el driver que contiene el circuito integrado hay que generar las órdenes de nivel TTL para el tipo de paso, sentido de giro y frecuencia de reloj. A través de una interfaz que genere estas señales, gobernado por un PC, se controlan las órdenes y con ello el movimiento del motor. Otra posibilidad es sustituir el PC por un dispositivo programado a tal efecto. Puede tratarse de una tarjeta de entrada/salida, una placa controladora, o simplemente un módulo que contenga una memoria programable y unos canales de salida. Se puede descargar en la memoria del controlador un programa conveniente para cada aplicación. Esto posibilita un comportamiento más autónomo del sistema, sin tener que controlar manualmente las órdenes a través del PC. 3.2.5 Comentarios Como comentario final en cuanto a los motores paso a paso, cabe destacar que, debido a que los motores paso a paso son dispositivos mecánicos y como tales deben vencer ciertas inercias, el tiempo de duración y la frecuencia de los pulsos aplicados es un punto muy importante a tener en cuenta. Si la frecuencia de pulsos es muy elevada, el motor puede reaccionar no realizando ningún movimiento en absoluto, comenzando a vibrar pero sin llegar a girar, girando erráticamente o incluso puede llegar a girar en sentido opuesto. En tal sentido, el motor debe alcanzar el paso antes de que la siguiente secuencia de pulsos comience. Memoria Capítulo 4 29 Control del motor de pruebas 4.1 INTRODUCCIÓN En este capítulo se detallará el trabajo realizado mediante el programa LabView, de National Instruments, para controlar la posición del eje del motor paso a paso de pruebas. Este paso se utilizó como previo al diseño de toda la instalación. El objetivo de esta primera etapa era, en primer lugar, familiarizarse con el manejo de los motores de pasos en cuanto a modos de funcionamiento, longitudes de paso, etc. Por otro lado se pretendía tener una idea de qué tipo de hardware iba a ser necesario más tarde para realizar las funciones de control de los motores definitivos. 4.2 SOFTWARE LABVIEW El programa LabView, de National Instruments, es una herramienta de programación gráfica para la construcción de sistemas de adquisición de datos, instrumentación y control. LabView proporciona la capacidad de crear rápidamente una interfaz de usuario que dota al usuario de interacción con el sistema. La programación G es el corazón de LabView, y difiere de otros lenguajes de programación como C o Basic, en que éstos están basados en texto, mientras que G es una programación gráfica. Los programas en G, o VIs (“Virtual Instruments”) constan de una interfaz interactiva de usuario y un diagrama de flujo de datos que hace las funciones de código fuente. De forma más específica, la programación gráfica LabView se estructura como sigue: - La interfaz interactiva de usuario de un VI se llama Panel Frontal, debido a que simula el panel de un instrumento físico. El panel frontal puede contener botones, interruptores, pulsadores, gráficas y otros controles e indicadores. Los datos se introducen utilizando el ratón y el teclado, y los resultados se muestran en la pantalla del ordenador. - El VI recibe instrucciones de un diagrama de bloques que se construye en G. El diagrama de bloques es la solución gráfica a un determinado problema de programación. Además, el diagrama de bloques es el código fuente del programa o VI. - Los VIs son jerárquicos y modulares. Pueden utilizarse como programas de alto nivel o como subprogramas de otros programas o subprogramas. Cuando un VI se usa dentro de otro VI, se denominan subVI. El icono y los conectores de un VI funcionan como una lista de parámetros gráficos de forma que otros VIs puedan pasar datos a un determinado subVI. Memoria 30 Tiene la ventaja de que permite una fácil integración con hardware, específicamente con dispositivos de medición, adquisición y procesamiento de datos (incluyendo adquisición de imágenes). Se utiliza con frecuencia en sistemas de monitorización de procesos y aplicaciones de control. 4.3 PROGRAMACIÓN EN LABVIEW El primer paso del diseño de la instalación fue ejercer un control fiable sobre los motores paso a paso. Esto requiere hacer girar el eje del motor la cantidad justa de pasos para que llegue a la posición deseada. Sin embargo había que tener en cuenta que los motores de los amortiguadores van ocultos y no se dispone de ninguna indicación de en qué paso se encuentran. Por ello el control tenía que ser en lazo abierto, sin conocer la posición real del motor. Lo más sencillo sería tener un sensor de posición o un encoder en el propio motor para indicar la posición real de éste, con lo que el control sería en lazo cerrado, pero en este caso no se dispone de esa instalación. Para el control se utilizó un PC, un dispositivo de adquisición y escritura de datos y el software LabView. Con estos medios se actuó sobre el motor de pruebas disponible (más concretamente sobre la tarjeta controladora del motor). El programa LabView permite actuar sobre los canales de un dispositivo de adquisición de datos mediante unos bloques de programación sencillos y una interfaz diseñable manualmente. 4.3.1 Solución final La mejor solución que se encontró para el caso estudiado fue el programa Definitivo.vi. Se basa en otros programas anteriores, y en él se dispone de un botón para activar un proceso que se ha denominado reset, consistente en que se le proporciona al motor una cantidad fija y suficiente de pulsos en un sentido, de forma que esté asegurado que cuando empiece a girar los pulsos deseados, esté en un extremo. Cabe señalar que a lo largo de los ensayos se encontraron ciertos problemas con la llegada del eje al tope mecánico que se encuentra en los extremos, puesto que se detectaba una especie de rebote. Este tope es un taco de goma que hace de límite para el recorrido del rotor. Se pensó que la razón podía ser la pérdida de pulsos al llegar a ese extremo, ya que el campo del estator seguía girando mientras el rotor estaba frenado. El programa cuenta con un reset esta vez de un número fijo de pasos, en el sentido y velocidad que se elija; otro grupo de controles para activar el avance, y dos botones para modo Wav y medio paso. Como se indica en el propio panel, el control de medio paso o entero sólo funciona con el botón de Wav en bajo, por motivos de construcción de la tarjeta controladora. Es decir que no puede funcionar en medio paso y modo Wav al mismo tiempo. En este caso se optó por hacer que la ejecución del reset fuese opcional. Esto permite tener la posibilidad de llevar el motor a un extremo rápidamente y Memoria 31 con facilidad en cualquier momento, no sólo al comienzo. Por el contrario, se pierde la aproximación al caso ideal de considerar posiciones del eje y no pasos girados por éste, como se conseguía con los ejemplos en los que se efectuaba una puesta a cero en el comienzo. Figura 31. Panel de “Definitivo.vi” En cuanto a los controles de velocidad, cabe señalar que no se trata exactamente de la frecuencia de paso. Esto se debe a que el programa necesita un cierto tiempo para compilar el código y ejecutarlo, por lo que no es inmediato. Se trata de milisegundos, pero en este caso no son despreciables, sobre todo si se pretende averiguar el ancho de banda de respuesta del motor. El significado real del valor del panel es el tiempo que va a estar el canal correspondiente en alto para crear cada pulso de reloj. Durante los ensayos se observó que el motor dejaba de reaccionar debidamente más o menos por debajo de 10 milisegundos de pulso. 4.3.2 Otras opciones barajadas En un principio se comenzó utilizando el reloj interno de la tarjeta controladora para generar los pulsos. De esta forma lo único que se controlaba Memoria 32 mediante el software era el sentido de giro (entrada DIR) y la orden de deshabilitar (entrada DIS). El siguiente paso fue generar los pulsos. Por cada escalón en la entrada de reloj (CKI), es decir por cada variación de estado de alto a bajo en dicha entrada de la tarjeta, el motor paso a paso se mueve un paso. La idea era generar tantos cambios de estado en un canal del dispositivo de adquisición como pasos se quería que girase el motor. La solución básica que se encontró fue generar un bucle For con tantas iteraciones como pasos se deseaba que girase el motor. En cada iteración se activaba un canal (conectado a la entrada de reloj de la tarjeta controladora), se esperaba un determinado tiempo con ese canal en alto, y después se desactivaba. Así se conseguía generar una cantidad finita de pulsos. A partir de esta idea se creó el programa El más simple.vi . Figura 32. Diagrama de bloques de “El más simple.vi” Siguiendo con esta idea, pero modificando la secuencia de bucles For, While, y Case Structure, se diseñó otro programa, Simple, reset activa el avance.vi. La novedad introducida es el hecho de que, al principio de la ejecución, se efectúa un reset, para asegurar que se parte de una posición más o menos conocida . A este efecto, una solución que se adoptó fue la de hacer que el fin del reset activase el Case Structure del avance, como se ve en la Figura 33. Memoria 33 Figura 33. Detalle de “Simple, reset activa avance.vi” Otra opción parecida es la de Reset inicial fijo.vi, en la que también se lleva al motor a un extremo al principio, pero como primer paso de una Sequence Structure. Esto minimiza bastante el tiempo de ejecución del programa en comparación con el caso de que una secuencia active a otra. Además, en este caso se mejoró la interfaz hacia el usuario haciendo que pudiese controlar por pantalla el funcionamiento en modo Wav, y el sentido y velocidad tanto del reset como del avance, además de, por supuesto, el número de pasos. Con la intención de conseguir un control lo más parecido posible a lazo cerrado se diseñó el programa Reset inicial path.vi. Éste fue fruto de la búsqueda (al final incompleta) de un programa que recordase de algún modo la cantidad de pasos de la etapa anterior, para no tener que ir cada vez hasta el principio y luego volver. En el fondo sería un cambio de concepción, ya que se pasaría a hablar de posiciones y no de pasos, y desaparecería el concepto de reset. En el programa Reset inicial path.vi se utiliza como apoyo un archivo .txt en el que en cada ejecución se escribe el número de pasos introducido. Así, en la siguiente ejecución el programa lee el contenido del archivo de texto, efectúa una resta de este valor con los pasos de la ejecución actual, y el resultado es el número de pasos que girará el reset. Con esto se consigue que no sobren pasos al llegar a un extremo, como ocurre en los casos de reset fijo, en los cuales se aplica un número de pulsos mayor que la amplitud total de que dispone el motor. Como inconveniente cabe citar la necesidad de coordinar la posición real del eje con el número escrito en el archivo .txt, en la primera ejecución. Esto se puede conseguir fácilmente con el apoyo de uno de los programas citados previamente (por ejemplo El más simple.vi). Sin embargo sólo es recomendable aplicar este algoritmo al motor de pruebas, ya que se necesita conocer con seguridad la Memoria 34 posición del eje, con lo que no sería fácil utilizarlo con los motores definitivos, ya que van ocultos. Además es una primera aproximación a esta idea, por lo que sería necesario profundizar en ella para conseguir un control más fiable. Memoria Capítulo 5 35 Ensayo de los amortiguadores 5.1 INTRODUCCIÓN Previamente a la colocación definitiva de los amortiguadores en el vehículo fue necesario ensayarlos. De esta forma se consiguió tener pruebas gráficas de su comportamiento, ya que una vez instalados a bordo se haría mucho más complicado obtenerlas. Se pretendía conocer con exactitud las leyes de dureza de cada amortiguador, para saber cómo se comporta en cada posición del motor paso a paso. De esta forma se puede determinar dónde hay que colocar el eje del motor para que el amortiguador se comporte de una forma u otra. Esto es útil para, por ejemplo, asignar cada ley a un tipo de terreno distinto, o a un comportamiento del coche más deportivo o más confortable. 5.2 DESCRIPCIÓN DE LOS AMORTIGUADORES Los nuevos amortiguadores que equipa el Melmac corresponden a la tecnología de monotubo variable. La tecnología monotubo consiste en la utilización de un único tubo para las funciones hidráulicas de tracción y compresión. En el caso del Melmac, además, existe una separación física de las fases hidráulica y gaseosa a través de un pistón flotante. Los amortiguadores son de rigidez variable, por lo que cada uno consta de 17 leyes de amortiguamiento, correspondientes a cada una de las posiciones del motor paso a paso integrado en ellos. Al ser variables, necesitan un criterio para determinar en cada momento la ley adecuada. Para ello es necesario definir una estrategia de control. Las entradas al control de la suspensión, en caso de un control automático, pueden corresponder a diferentes sensores o combinaciones de ellos, pudiendo ser más o menos sofisticados y en consecuencia más o menos costosos. También hay que indicar que la estrategia de control puede determinar el tipo de sensores a utilizar. En el caso de los amortiguadores del Melmac, el control más sencillo podría corresponder a la actuación de un único acelerómetro situado sobre el chasis del vehículo. 5.2.1 Tecnología hidráulica La variación de carga de estos amortiguadores se consigue mediante la alteración de las áreas de paso del aceite entre cámaras. Para conseguir esa variación de paso el amortiguador consta de una varilla con una válvula en su Memoria 36 extremo, que gira, solidariamente, de acuerdo a la rotación del motor. Tanto la varilla como la válvula rotativa van insertadas en el interior de un vástago taladrado. En esa válvula rotativa se observan unos orificios junto a unos apéndices rasgados, dispuestos en tres niveles, y que quedan enfrentados con otros tantos niveles del vástago taladrado, de forma que ante la rotación de la válvula en el interior del vástago se producen diferentes áreas de paso entre el extremo inferior del vástago y los agujeros del mismo. Figura 34. Completamente abierto, media posición y completamente cerrado Por otra parte, el amortiguador equipa un doble pistón. Por un lado un pistón convencional de doble efecto, es decir que proporciona carga tanto en tracción como en compresión (necesario dado que el amortiguador es monotubo), y por otra parte un pistón primario. A cada uno de los pistones le corresponde flujo de aceite en función de los diferentes niveles de agujeros del vástago. Por lo tanto la diferencia de posiciones enfrentadas vástago-válvula rotativa supone, además de una restricción del flujo del aceite, la actuación de un pistón u otro (o ambos a la vez), de forma que el flujo de aceite haga incidencia sobre cada una de las valvulerías correspondientes, posibilitando su apertura (flexión) y en consecuencia el intercambio de flujo hidráulico entre cámaras. Pistón primario Pistón convencional Memoria 37 5.2.2 Amortiguadores monotubo De aparición más tardía que los bitubo, su uso esta cada vez más extendido, sobre todo en competición. Constan de dos cámaras principales. Una contiene el aceite y la otra gas a presión (normalmente nitrógeno) que están separadas por un pistón flotante. Solamente hay válvulas en el pistón. Figura 35. Esquema simplificado de un amortiguador monotubo A la hora de describir su funcionamiento será mejor observar la Figura 36, en la que se pueden distinguir sus componentes principales: • Tubo de presión (5) • Pistón (2) conectado al vástago (1) • Pistón flotante, también llamado pistón separador (15) • Guía del vástago (3) • Acoplamientos superior e inferior Memoria 38 Figura 36. Esquema completo de un amortiguador monotubo Funcionamiento: • Carrera de compresión (Figura 37): A diferencia del bitubo el amortiguador monotubo no tiene cámara de reserva. El problema de ubicar el aceite que ocupa el espacio tomado por el vástago al penetrar se soluciona con una cámara de volumen variable. Mediante el pistón flotante se consigue dividir la cámara interior en dos zonas. Una la del aceite, y otra rellena de gas presurizado a una presión que según el caso puede ser entre 20 y 30 bares. Al empujar el vástago hacia dentro, la presión que ejerce el aceite sobre dicho Memoria 39 pistón flotante hace que la zona del gas se comprima, aumentando la presión a ambos lados (gas y aceite). Asimismo el aceite se ve obligado a pasar a través de las válvulas del pistón. La fuerza de amortiguamiento viene dada por la resistencia que oponen dichas válvulas al paso del aceite. Figura 37. Flujo de aceite a través del pistón durante la carrera de compresión • Carrera de extensión (Figura 38): Al tirar del vástago hacia fuera el aceite que queda por encima del pistón se comprime y pasa a través de las válvulas que hay en él. La resistencia que el aceite encuentra en dichas válvulas es la fuerza de amortiguamiento de extensión. Por la disminución de presión en la cámara, el pistón flotante vuelve hacia arriba recobrando su posición original para compensar el volumen liberado por el vástago. Figura 38. Flujo de aceite a través del pistón durante la carrera de extensión Tanto en la Figura 37 como en la Figura 38 se observa la división que se produce en el flujo del aceite según pase por la válvula de apertura por área (3) o por las de apertura por presión (1) y (2). Memoria 40 Los amortiguadores monotubo presentan algunas ventajas con respecto a los bitubo no presurizados: • Buena refrigeración debido a que la cámara esta en contacto directo con el aire. Esto se traduce en una mayor eficacia, pues hay que tener en cuenta que el amortiguador en un dispositivo que convierte la energía cinética en energía calorífica. • Mayor diámetro de pistón a igual diámetro de carcasa, lo que permite reducir las presiones de operación. • El nivel de aceite no baja al quedar el vehículo estacionado, lo que evita funcionamientos deficientes al volver a arrancar. • Debido a la presurización, el aceite no forma espuma, evitando problemas de cavitación y resultando un buen amortiguamiento incluso con pequeñas vibraciones de alta frecuencia. • Gracias al pistón separador, no queda restringida la posición de montaje, pudiéndose colocar incluso tumbados. Como desventajas se podrían citar las que siguen: • Mayores costos derivados de mayores requerimientos de precisión, tolerancias de fabricación y estanqueidad del gas. • La valvulería es más compleja. • Su mayor necesidad de espacio puede aumentar su longitud por encima de 100 mm en aplicaciones a automóviles. • Otra desventaja es la fuerza de extensión que realizan en su posición nominal, debido a la presión interna del gas y a la diferencia de áreas efectivas a ambos lados del pistón. Esta fuerza puede provocar variaciones en la altura de suspensión que es necesario considerar en su diseño. 5.3 CONDICIONES DEL ENSAYO Para realizar los ensayos se trasladaron los amortiguadores y el equipo de control al Laboratorio de Composites del CEIT, que cuenta con las instalaciones necesarias. En concreto se trata de un banco de ensayos MTS, capaz de probar unos amortiguadores de la forma que se detalla a continuación. El banco consta básicamente de dos cabezales verticales enfrentados, como se aprecia en la Figura 39, accionados hidráulicamente y capaces de Memoria 41 traccionar o comprimir el elemento que se coloque entre ellos. A su vez, cuenta con una célula de carga responsable de medir la fuerza ejercida. Figura 39. Banco de ensayos Para un correcto desarrollo del ensayo, lo primero es fijar el amortiguador a los cabezales de forma adecuada. Para ello fue necesario fabricar en el taller unos amarres para fijar los extremos de los amortiguadores a las mordazas de los cabezales. Esto se debió a que la geometría de los amortiguadores y de las mordazas no permitía un agarre adecuado. Memoria 42 Figura 40. Detalle de los amarres Para controlar los movimientos de los cabezales con exactitud, el banco también cuenta con un dispositivo de control y medida, retratado en la Figura 42. Sólo se trata de decidir cuál va a ser la trayectoria del cabezal superior e introducirla en el dispositivo. En este caso se eligió una senoidal, que correspondía a que el cabezal comenzase en la posición cero y comprimiese el amortiguador hasta la máxima amplitud, después regresase a cero y llegase a la máxima tracción, y por último acabase en cero (Figura 41). Así, se dividió el movimiento en tres segmentos, con lo que introduciendo la amplitud, la frecuencia y la posición inicial se conseguía el movimiento deseado. 3º 1º 2º Figura 41. Segmentos de la trayectoria del cabezal Memoria 43 Figura 42. Dispositivo de control del banco Para medir las señales de fuerza y desplazamiento el dispositivo genera unas tensiones proporcionales a ambas, las cuales se traducen a unidades de fuerza y desplazamiento mediante un PC y un dispositivo de adquisición de datos. 5.4 RESULTADOS El objetivo principal de los ensayos era caracterizar los amortiguadores en sus distintas leyes de dureza. Para ello se necesitaba obtener las curvas fuerzavelocidad de cada amortiguador para distintas durezas y para frecuencias diferentes. En realidad lo que se obtenía eran curvas fuerza-desplazamiento, ya que son las señales que se obtenían del banco. Para conseguir variar la dureza de los amortiguadores había que actuar sobre los motores paso a paso que llevan instalados. Para ello se utilizó el control que había sido programado previamente mediante LabView sobre el motor de pruebas. Así se suponía que se conseguía hacer girar el eje del motor, y con ello la válvula de paso de aceite del amortiguador, un número de pasos elegido. La dificultad estriba en que el motor no se encuentra a la vista por estar dentro del amortiguador, con lo que el control había de ser en lazo abierto. Esto hacía que hubiese que confiar en que el motor girara la cantidad de pulsos deseada. En un principio, a pesar de que en el motor de pruebas el control era satisfactorio, las curvas obtenidas de los primeros ensayos no correspondían con Memoria 44 que el motor real hubiese girado lo deseado. Sin embargo era perceptible al tacto la vibración cuando se producía el giro, pero no se sabía si era en un sentido o en otro y también se desconocía en qué posición se encontraba. Finalmente resultó que el motor de pruebas tenía una correspondencia de cables con las fases distinta de la de los motores de los amortiguadores. Las conexiones de las fases habían de ser diferentes, ya que hasta entonces se había estado utilizando la disposición del primer motor de pruebas (descrito en el Anejo 2). Una vez superado ese contratiempo, los ensayos pudieron ser efectuados con facilidad. Se ensayó cada amortiguador para tres frecuencias (1,5 ,5 y 12Hz), y dentro de cada frecuencia para cinco durezas distintas. Sin embargo es necesario señalar que en estos ensayos no se tuvo en cuenta el efecto que pudo tener el hecho de que el control no era todo lo preciso que se pudiera desear. Esto se debe a los problemas con el denominado reset comentados en el Capítulo 4. Por ello es posible que los resultados no correspondan con total exactitud a las posiciones verdaderas del amortiguador, pero son una aproximación hacia unos resultados más realistas. En la siguiente figura se proporciona una muestra de los resultados obtenidos. Se trata de las curvas fuerza-velocidad del amortiguador trasero izquierdo ensayado a 1,5Hz, en distintas posiciones de su motor paso a paso. Figura 43. Curvas del amortiguador trasero izquierdo En la siguiente figura se muestra la diferencia entre la ley más dura y la más blanda en el caso del delantero izquierdo. Memoria Figura 44. Diferencia entre la ley más dura y la más blanda en el delantero izquierdo El resto de las curvas se encuentra en el Anejo 4. 45 Memoria Capítulo 6 6.1 46 Descripción detallada e implantación del sistema en el vehículo INTRODUCCIÓN En este capítulo se describirá el proceso seguido para el diseño y la posterior aplicación al Melmac del sistema. Se hará mención de los aspectos y dificultades tenidas en cuenta a la hora tanto de idear como de desarrollar y aplicar todo el conjunto al vehículo. 6.2 REQUISITOS La idea inicial en cuanto a lo que debía ser este trabajo difiere un poco del resultado final. En un principio consistía en que se proyectase un dispositivo de control electrónico de los motores paso a paso instalados en los nuevos amortiguadores del Car-Cross. Con esto se conseguiría hacer girar el eje de los motores un número de pasos determinado y con ello regular de forma sencilla la dureza de amortiguación de la suspensión. El requerimiento principal era establecer el sistema de control de los motores. Éste debía ser capaz de posicionar los ejes con un alto grado de precisión y fiabilidad, puesto que para cada ocasión hay una ley de dureza de los amortiguadores adecuada. Así que una desviación en la posición del motor podría provocar el funcionamiento de los amortiguadores con una dureza indeseada. A medida que el proyecto avanzaba se introdujeron nuevos requisitos, los cuales se indican a continuación. • Centro de control de los sensores: se pretendía que el sistema recogiese todas las señales de los sensores instalados en el vehículo, para facilitar su posterior distribución. • Centralizar la adquisición: el sistema de adquisición de datos (datalogger) recibiría todos los datos desde el centro de control, y no desde los propios sensores. • Proporcionar alimentación: reunir los convertidores y reguladores de tensión en una misma caja, y aumentar la potencia de alimentación del sistema. • Ocupar el mínimo espacio: el Car-Cross no dispone de demasiado espacio libre para nuevos elementos, con lo que el sistema debía ocupar lo menos posible. • Modularidad: las cajas principales habían de tener la posibilidad de, en un futuro, poder ser aplicables con facilidad a otro vehículo similar. Memoria 47 • Orden: una de las ideas que subyacen de este proyecto fue la de reordenar el sistema eléctrico del coche. 6.3 DISEÑO DEL SISTEMA 6.3.1 Introducción Partiendo de los ensayos con el motor de pruebas se fue generando una idea más precisa de lo que había de ser el sistema. Se disponía de una tarjeta controladora que generaba las señales adecuadas en las fases del motor, con arreglo a las entradas que se le proporcionaban. Éstas debían ser señales digitales de nivel TTL, y controlarían el sentido de giro, el modo de funcionamiento y la frecuencia de los pulsos. Por tanto, la base del sistema estaba clara. El usuario generaría mediante algún dispositivo las entradas digitales a la tarjeta controladora, y ésta se encargaría de alimentar el motor. Generación de señales digitales Tarjeta controladora Motor Figura 45. Esquema básico del sistema 6.3.2 Proceso de diseño La primera elección que se hizo fue la del dispositivo central de adquisición, generación y procesamiento de señales. A partir de este elemento se diseñó el resto del sistema. 6.3.2.1 Elección del dispositivo central En un principio se necesitaba que el elemento central cumpliese unas funciones determinadas: - Poder generar señales digitales de 5V, en un número razonable de canales, mínimo 12 ó 14. - Ser capaz de recibir las señales analógicas de los sensores. - Tener una interfaz de programación sencilla. - Posibilidad de programación a través de puerto serie RS-232. Memoria 48 - Capacidad de funcionamiento autónomo para, en el futuro y una vez programado e instalado en el coche, operar sobre los motores paso a paso de forma automática según los valores de los sensores. - Memoria de programación suficiente. Esto es, que el programa más complejo que se pueda programar sea lo suficientemente amplio. - Por supuesto, tamaño y precio reducidos. Una vez sopesados todos los requerimientos se pasó a buscar posibles candidatos para cubrir las funciones necesarias. Enseguida se llegó a los productos de la marca Z-World, que gozaban de buena reputación en otros departamentos tanto de la Escuela como del CEIT. Dentro de las opciones que ofrecía esta marca, había dos productos que podían satisfacer los requerimientos del proyecto: por un lado el BL2100 Smartcat, y por otro el SR9000 Smart Star System. El primero de ellos pertenece a la familia de Single-Board Computers, es decir que es una placa o tarjeta que contiene un procesador y que es capaz de operar por sí misma una vez programada. Sin embargo, el SR9000 es un dispositivo de la familia de los Expandable Systems, lo que significa que es modular y ampliable. Se compone de una placa base con la CPU y una serie de puertos de conexión para tarjetas adaptadoras de I/O digital, A/D, D/A y relés. Figura 46. SR9000 Smart Star Tras estudiar las características de cada producto (ver Anejo 5) y las necesidades en cuanto al proyecto, se optó por el BL2100 Smartcat. Esto se debió a que cumplía el número de salidas digitales deseado (tiene 16), tenía suficientes entradas analógicas (11), era de un tamaño menor que el SR9000 y su precio era sensiblemente inferior. Una de las razones que más influyó fue la del Memoria 49 menor tamaño, ya que es un factor muy importante a la hora de instalar el dispositivo a bordo del Car-Cross. Figura 47. BL2100 Smartcat 6.3.2.2 Diseño del sistema Una vez escogido el dispositivo principal del sistema, el siguiente paso fue definir más en concreto el propio sistema. En las siguientes líneas se detallarán las distintas opciones barajadas en su confección. La primera posibilidad que se contempló fue la de colocar la tarjeta BL2100 Smartcat (en lo sucesivo se le denominará tarjeta de E/S) en una caja central, y las cuatro tarjetas que controlan los motores paso a paso (en lo sucesivo tarjetas controladoras) en otra caja similar todas juntas. Desde esta última caja se alimentaría a los cuatro amortiguadores por separado, como se puede ver en la Figura 48. También estaba la posibilidad de agrupar las tarjetas controladoras de dos en dos, es decir las dos de delante en una caja y las dos de atrás en otra. Memoria 50 Figura 48. Primera y segunda opciones Finalmente se optó por colocar la tarjeta de E/S en el centro y cada tarjeta controladora por separado en una caja individual cerca de cada amortiguador. En primer lugar parecía más racional que el control de cada suspensión se realizase por separado, por razones de orden, y en segundo lugar había más sitio para pequeñas cajas individuales que para una o dos cajas mayores. Figura 49. Opción escogida Una de las ideas iniciales era la de controlar manualmente los motores, y con ello la suspensión, a través de una botonera, una rueda, o un teclado instalado quizás en el salpicadero. Con esta opción se pensaba tener la Memoria 51 posibilidad de introducir la posición deseada de cada motor a través de la pulsación de la tecla correspondiente. Figura 50. Posible instalación de un teclado Al final se optó por dar prioridad a otros aspectos, dejando la cuestión del teclado como futura línea de trabajo. La siguiente etapa fue diseñar la alimentación tanto para la tarjeta de E/S como para los cuatro motores. En un comienzo se pensó en colocar algún convertidor de tensión, puesto que los que ya había (vid. Apartado 2.3.4) no eran capaces de suministrar la potencia suficiente. Lo primero que se consideró fue colocar estos convertidores en la misma caja principal que la tarjeta de E/S, pero más tarde se desechó esta idea por razones de tamaño tanto de los convertidores como de la caja. La decisión final en cuanto a potencia fue reunir los convertidores en una caja distinta, de forma que fuese la responsable de alimentar todo el sistema de los sensores y dispositivos eléctricos del coche. De esta forma se juntarían los nuevos convertidores con los tres que ya había. A su vez, esta caja estaría alimentada por la batería general. Otro aspecto que hubo que decidir fue el de cómo sacar e introducir los cables en las cajas. En un principio se pensó colocar conectores de distinto número de vías para todos los cables. Así se conseguiría una fácil y rápida conexión y desconexión. En el Anejo 6 se pueden comprobar los bocetos de una disposición con conectores. Al final se consideró más oportuno utilizar pasamuros de goma en lugar de conectores. Se optó por esta solución por razones de simplicidad y flexibilidad. Los conectores implicaban un número fijo de conexiones por cada agujero, mientras que con los pasamuros el número de cables por agujero puede aumentar hasta llenar todo el diámetro. Además, los conectores tenían una longitud que sobresalía demasiado de la planta de la caja, mientras que los pasamuros no lo hacían. Memoria 52 Como se ve en el Anejo 6, anteriormente citado, la primera concepción correspondía a llevar cables directamente desde las salidas de la tarjeta de E/S hasta las cajas de las tarjetas controladoras. Asimismo los cables de señal de los sensores llegarían también directamente a la tarjeta. Paralelamente, la alimentación de éstos partiría de la caja de potencia con los convertidores. Una de las ideas que tuvo más influencia en el diseño del sistema fue la que tuvo que ver con la forma de llegar a los conectores de la tarjeta de E/S. Se consideró más oportuno no actuar directamente sobre ellos, sino instalar una serie de conectores de tornillo (o algún sistema similar) que hiciesen de prolongación de las entradas y salidas de la tarjeta. De esta forma se conseguía una mayor flexibilidad y limpieza, porque no hacía falta conectar los cables directamente a los tornillos de la tarjeta. Incluso se planteó la posibilidad de utilizar una nueva caja sólo para conectores. Al final se consideró suficiente incluir el mayor número de conectores en la caja principal. Una vez tomada la decisión de poner una serie de conectores en la caja principal, surgió la posibilidad de hacer algo parecido con las conexiones del datalogger. Se decidió llevar todos los canales de este dispositivo a la caja principal. En definitiva, la idea era hacer pasar todas las señales que iban al data-logger por la caja principal. Así se lograría mayor control sobre dichos canales e incluso poder acceder a algunos que no estaban siendo utilizados, por si hacía falta en el futuro. Con esta idea la caja principal se convertía en el centro de control de todo el sistema de sensores y recogida de datos del coche. Uno de los problemas que surgieron más tarde fue el del excesivo consumo de los motores paso a paso cuando estaban alimentados, incluso estando parados. Por ello se decidió adoptar la estrategia de sólo alimentarlos cuando fuesen a ser movidos. A tal efecto se acordó instalar unos relés que cortasen el suministro de potencia hacia los motores después de actuar sobre ellos. 6.3.3 Componentes principales del sistema 6.3.3.1 Caja principal Para confeccionar la caja central del sistema se partió de una caja fundida a presión estándar, de tamaño 275x175x65mm, en la que se practicó una serie de orificios para entrada y salida de cables, fijación y conexiones. La disposición de estos agujeros puede consultarse el Anejo 8. El elemento principal de la caja es la tarjeta de E/S BL2100 Smartcat. Es el centro de control de los motores paso a paso de la suspensión y también se encarga de recibir la señal de gran parte de los sensores instalados en el CarCross. Memoria 53 Figura 51. Caja principal En cuatro de los agujeros de diámetro 9,5mm, reservados para los cables que van a las cuatro cajas de las tarjetas controladoras, se colocaron pasamuros moldeados de goma. En los dos agujeros para los cables de alimentación también se colocó este tipo de pasamuros, mientras que para los orificios de entrada de los cables de los sensores se utilizaron pasamuros de goma de rosca métrica y cabeza redonda de protección IP68. Se intentó aprovechar la mayor cantidad de espacio en la caja para colocar terminales de conexión para cables, con la intención de no actuar directamente sobre las salidas de la tarjeta. Se introdujeron dos filas de 22 terminales del menor tamaño que fue posible encontrar, y que tuviesen conexión atornillada por los dos lados. Estos terminales van montados sobre un Carril DIN, que fue fijado a la caja con unas abrazaderas adhesivas. Para sustentar la tarjeta de E/S se situó, cubriendo gran parte de la superficie de la base de la caja, una placa PCB apoyada sobre unos separadores hexagonales de latón roscados. De los siete tornillos que sujetan la placa a través de los separadores se aprovecharon tres para, al mismo tiempo, fijar la caja a la base del coche. Un detalle de este montaje se puede ver en la Figura 52. Memoria 54 Figura 52. Montaje de los tornillos fijadores de caja y PCB Sobre la placa PCB se montaron también terminales roscados para PCB de doble nivel, en un número suficiente para cubrir todos los canales del data-logger. La misión de estos terminales es hacer disponibles de forma ordenada y clara en el interior de la caja todas las conexiones a los canales del dispositivo de recogida de datos. Otro de los agujeros que se practicaron en las paredes de la caja se utilizó para un conector jack hembra de tres polos destinado a facilitar la comunicación en serie de la tarjeta con otros dispositivos. Al tener tres polos, sirve para los tres cables: Rx (recibir datos) con cable de color verde, Tx (transmitir datos) cable rosa y GND (referencia de tierra) con cable morado. Los tres agujeros rectangulares de la caja sirven para alojar los conectores tipo ‘D’ macho de 37 vías, que son los encargados de sacar de la caja todos los cables con dirección al data-logger. Ya en el exterior, sus conectores hembra complementarios completan la conexión a través de cables hasta los propios conectores del data-logger. Otros elementos presentes en la caja principal son cuatro relés, situados eléctricamente entre la alimentación y las tarjetas controladoras de los motores. Sirven para interrumpir la alimentación de los motores cuando se activa la bobina que llevan mediante un canal digital de la tarjeta de E/S. Están situados en una zona libre del PCB y su pequeño tamaño les permite ocupar poco espacio. 6.3.3.2 Caja de convertidores Esta caja constituye la alimentación de todo el sistema eléctrico tanto de la suspensión como de los sensores instalados en todo el coche. Memoria 55 Para diseñar este elemento se partió de una caja idéntica a la principal, es decir fundida a presión estándar, de tamaño 275x175x65mm. Se practicó una serie de orificios para entrada y salida de cables y se colocó en cada uno de ellos pasamuros de goma. El elemento esencial de este dispositivo son los convertidores de tensión de corriente continua que proporcionan la tensión regulada y constante que necesita todo el sistema. Para fijarlos se colocó una porción de placa PCB sobre la base de la caja, de forma similar a la expuesta en el apartado anterior. También se dispuso sobre la misma placa una pieza de los terminales roscados para PCB, conectada inferiormente a la salida de los convertidores, para servir de acceso a las salidas de los convertidores. Éstos se conectaron mediante pista de estaño. Aunque en un principio se pensó en conectar los convertidores en paralelo, para que todos a la vez alimentaran el sistema, finalmente se optó por dedicar cada uno de ellos a una tarea específica. Así, uno de ellos se ocuparía de alimentar los dos motores delanteros; otro los dos motores traseros, y el último los demás elementos (tarjeta de E/S, data-logger, sensores de 12V). Sin embargo, de este modo se hace necesario que el giro de los motores correspondientes a un mismo eje (delantero o trasero) no sea simultáneo, ya que se sobrepasaría la potencia que es capaz de dar el convertidor. Es necesario señalar que es posible que se pudiese prescindir de estos convertidores, o al menos sustituirlos por reguladores (más simples y baratos). Esto es así porque la batería principal del coche proporciona 12V que, aunque no sean del todo limpios, es muy posible que fuese capaz de alimentar directamente los motores. Sin embargo para la alimentación de los sensores sí es más recomendable la utilización de convertidores, puesto que su señal podría verse afectada por las fluctuaciones de la batería. Los otros componentes de esta caja son los convertidores que estaban instalados en el coche al comienzo del presente proyecto. Se trata de un convertidor de ±5V, otro de 5V y otro de 12V. Se decidió cambiar su ubicación e incluirlos en la caja de convertidores por razones de orden, para tener juntos todos los componentes de alimentación. A su vez, dado que ya sólo los nuevos convertidores cubren la alimentación de todo el sistema, se optó por destinar el convertidor antiguo de 12V a una función auxiliar, por si en el futuro se necesita conectar puntualmente cualquier dispositivo a dicha tensión. Para alimentar los propios alimentadores se diseñó la forma de hacer llegar la tensión desde la batería del coche. Se dispuso parte de un conector particular con una disposición de clavijas y conectores hembra que hace posible que el bloque se divida en dos mitades, con lo que se aísla la tira de clavijas sin necesidad de extraer cada conexión individualmente. Este conector se alojó en dos agujeros en la pared de la caja, apoyado en una pieza metálica en forma de L que se fijó a la pared. También se pretendía tener la posibilidad de cortar la alimentación del sistema en cualquier momento, con lo que, ya en el interior de la caja, se hizo pasar el cable de tensión proveniente de la batería por un interruptor con Memoria 56 capacidad de corte suficiente. Este interruptor también se encuentra alojado en un agujero de la pared de la caja. Para asegurar que no circule por el sistema una intensidad que pudiera dañarlo, se instaló como medida de protección un fusible de 15A en la entrada de la alimentación a esta caja. Por último, también se instaló un pequeño LED para indicar visiblemente cuándo se encuentra activada o cortada la alimentación de esta caja. Figura 53. Caja de convertidores 6.3.3.3 Cajas de las tarjetas controladoras Para alojar las tarjetas controladoras de los motores paso a paso se eligieron unas cajas fundidas a presión estándar revestidas de nylon, de color negro, de tamaño 114x64x30mm. Al igual que en los casos anteriores se hicieron unos agujeros, en este caso dos, para entrada y salida de cables, y en ellos se colocaron unos pasamuros de goma. Siguiendo el criterio que se explicó en apartados anteriores, se optó por colocar cuatro de estas cajas, cada una con una tarjeta controladora, correspondientes a los cuatro amortiguadores. Como se comprueba en la Figura 54, lo único que contiene cada una de estas cajas es la tarjeta, los pasamuros y los tornillos de fijación a la base del coche. Memoria 57 Figura 54. Caja de la tarjeta controladora 6.4 SELECCIÓN DEL MATERIAL En este apartado se hará un repaso del material que se ha elegido para confeccionar el sistema. En el Anejo 7 se ha incluido información ampliada de cada componente. • Cajas fundidas a presión estándar: dos cajas de 275x175x65mm, suficientemente grandes para albergar los componentes de la caja principal y de la de convertidores, con tapa atornillada y de material resistente. Figura 55. Cajas fundidas a presión estándar • Cajas fundidas a presión estándar revestidas de nylon, color negro: para las tarjetas controladoras de los motores. De tamaño 114x64x30mm, lo más pequeñas posibles pero de tamaño suficiente para las tarjetas. De material firme y con un recubrimiento de nylon color negro. Memoria 58 Figura 56. Cajas fundidas a presión estándar revestidas de nylon, color negro • Placas de activación de motor paso a paso monopolar compacto: cuatro tarjetas controladoras de motores paso a paso, una para cada amortiguador, idénticas a la disponible para pruebas al comienzo del proyecto (vid. Apartado 2.4). Son capaces de generar la secuencia adecuada de pulsos de corriente para que un motor paso a paso funcione según el modo deseado. Figura 57. Placas de activación de motores paso a paso monopolar compacto La arquitectura de estas tarjetas es bastante simple, incluso podrían ser sustituidas por algún dispositivo sencillo basado en microcontroladores PIC, lo que supondría una solución más barata. • Conector jack hembra de chasis de 3 polos: se utilizó para la comunicación en serie RS-232 con la tarjeta de E/S. Como este protocolo utiliza tres canales (Rx, Tx y GND), es apropiado disponer de un conector jack de tres polos, además de la facilidad y rapidez que presenta para su conexión y desconexión. Se colocó en un orificio de la pared en la caja principal. Memoria 59 Figura 58. Conector jack hembra de chasis de 3 polos • Micro-terminales Entrelec color gris: se optó por este tipo de terminales porque se necesitaba que cumpliesen varias características: facilidad para conectar los cables, entrada por ambos lados (de forma que la señal introducida por uno salga por el otro), tamaño reducido pero suficiente para albergar varios cables en el mismo terminal y al mismo tiempo cierta robustez. El inconveniente que presentan es que han de ser instalados sobre un carril DIN metálico. Figura 59. Micro-terminales Entrelec color gris • Carril DIN miniaturizado con perfil en U: se trata de un carril metálico que hace de guía para el montaje de los micro-terminales, y que ha de ser atornillado a la base sobre la que se sustente. Permite la instalación o desinstalación de los terminales de forma sencilla. Figura 60. Carril DIN miniaturizado con perfil en U • Accesorios para la serie en miniatura (etiquetas): etiquetas de plástico numeradas para distinguir de forma clara cada micro-terminal. Memoria 60 • Abrazadera de montaje StegoFix para carril DIN: piezas de plástico resistente para fijar los carriles DIN a una superficie mediante adhesivo. Se escogió esta forma de fijar los carriles, en lugar de atornillarlos a la base de la caja principal, por su sencillez y porque se consideró suficiente el agarre que proporciona. Figura 61. Abrazadera de montaje StegoFix para carril DIN • Terminales roscados para PCB de doble nivel, de 2 y 3 vías estándar de Phoenix Contact: estos terminales se destinaron a recibir todas las señales de los sensores y distribuirlas hacia los canales correspondientes del data-logger. Para esta función se precisaban unos terminales que cumpliesen las mismas características que los Microterminales Entrelec, pero esta vez era factor determinante el tamaño, puesto que el data-logger necesitaba 86 canales, cada uno con su terminal. Lo más parecido que se encontró fue esta solución, aunque exigía que la señal entrase por un lado y saliese por debajo de la placa PCB. Esto exigía un poco más de trabajo en la soldadura de los cables desde la parte inferior, pero fue la mejor solución que se encontró. Figura 62. Terminales roscados para PCB de doble nivel de Phoenix Contact • Terminales con contactos de clavija/Conector hembra: en este caso se necesitaba un conector que introdujese la alimentación proveniente de la batería en el interior de la caja de convertidores. Se pretendía que pudiese cambiarse el origen de la alimentación, para que pudiese sustituirse la batería por una fuente de alimentación. Debía cumplir dos características principales: facilidad para conectar los cables y capacidad de, aun con los cables conectados, interrumpir el contacto entre ambos lados. Memoria 61 Figura 63. Terminales con contactos de clavija/Conector hembra • Clavijas de haz de pines con terminales roscados: estas clavijas se emplearon para fabricar un cable que permitiese alimentar la caja de convertidores desde una fuente externa, y no desde la batería. Esta idea se propuso para no descargar la batería cuando se trabajase en el laboratorio, el cual dispone de una fuente de alimentación. Estas clavijas son adecuadas a la geometría de los contactos de la fuente. Figura 64. Clavijas de haz de pines con terminales roscados • Interruptor de 10A: se instaló en la caja de convertidores para tener la posibilidad de cortar la alimentación del sistema. Se eligió por su capacidad de corte de corriente (10A). • Separadores de latón roscados: son piezas hexagonales de latón con rosca métrica en su interior, que sirven para fijar y sustentar las placas PCB a una base. Permiten una firme sujeción con la ayuda de un tornillo y una tuerca. Figura 65. Separadores de latón roscados • Convertidores de c.c. serie PM30 de salida única, de 30W: debido al elevado consumo de potencia de los motores paso a paso de los amortiguadores, se decidió aumentar la potencia de la instalación con unos nuevos convertidores. Se escogió este tipo atendiendo a los parámetros de tensión de entrada (9-18V), tensión de salida (12V) y corriente (2,5A), y a que proporcionan salida regulada. Además tienen un perfil bajo que hace que no ocupen mucho espacio a lo alto. A pesar de su elevado precio se los consideró aptos para la función buscada. Memoria 62 Figura 66. Convertidores de c.c. serie PM30 de salida única, de 30W • Fusible de 15A: se eligió como medida de protección del sistema contra sobreintensidades. Se consideró suficiente esta corriente de corte frente a otras posibilidades también disponibles (25, 30 y 50A). • C.I.s sensores de temperatura: debido al probable calentamiento de los convertidores de corriente continua se pensó afrontar en un futuro la instalación de un sistema de refrigeración en el interior de la caja de convertidores. Para ello se adquirió un sensor de temperatura, que emite una señal proporcional a la temperatura que capta. Figura 67. C.I.s sensores de temperatura • Termostato industrial bi-metálico: otra opción para detectar el excesivo calentamiento de los convertidores es un interruptor como éste, que cierra el circuito cuando alcanza determinada temperatura. Es una alternativa más sencilla que el sensor de temperatura, ya que no exige programación aparte para activar un ventilador. Es de contacto normalmente abierto, y se activa al alcanzar los 50ºC. Memoria 63 Figura 68. Termostato industrial bi-metálico • Ventiladores axiales de corriente continua Tipo estándar: el elemento principal de un hipotético sistema de refrigeración es un ventilador. Se eligió éste por el poco espacio que ocupa, por la tensión de entrada de 12V, y porque se consideró suficiente el caudal de aire que suministra. Figura 69. Ventilador axial de corriente continua Tipo estándar • Pasamuros roscados para cables de rosca métrica según EN50262: para guiar los cables de los sensores al interior de la caja principal se efectuaron unos orificios en la pared de la misma, y se colocaron estos pasamuros. Se pretendió que fuesen más robustos que los de goma, ya que tenían que recibir cantidad de cables, y además se necesitaba un diámetro considerable. También tienen la ventaja de que su cabeza redonda es ajustable en diámetro, ya que tiene un interior de goma que permite el ajuste aunque no esté aprovechado todo el diámetro para cables. Se seleccionaron dos tipos, de diámetros 16 y 20mm para el orificio de montaje. Figura 70. Pasamuros roscados para cables de rosca métrica según EN50262 Memoria 64 • Bolsa de pasamuros moldeados: para el resto de agujeros para cables de las cajas se escogieron pasamuros moldeados de goma, de diámetros 9,5 y 7mm para el agujero de montaje en panel. Figura 71. Pasamuros moldeados de goma • Conectores tipo 'D' macho comerciales (contactos mecanizados) de 37 vías: para extraer de la caja principal los 86 cables que van al data-logger se pensó en un principio colocar tres conectores circulares de múltiples vías, parecidos a los conectores Deustch con que ya cuenta el propio data-logger. Pero unos conectores circulares de semejante tamaño eran demasiado grandes para la talla de la caja, con lo que se buscó otra solución. Así, se llegó a la conclusión de que una buena salida era colocar conectores tipo ‘D’ semejantes a los usados en ordenadores, puesto que tienen un elevado número de contactos soldables ocupando un espacio bastante reducido. Figura 72. Conectores tipo 'D' macho comerciales • Conectores tipo 'D' hembra comerciales (contactos mecanizados) de 37 vías: se trata de los conectores hembra complementarios a los anteriormente citados. • Fundas termorretráctiles para conectores tipo 'D': proporcionan la protección necesaria para los contactos soldados de los conectores tipo ‘D’ y para el final de los cables que llegan a él. Memoria 65 Figura 73. Fundas termorretráctiles para conectores tipo 'D' • Conjuntos de cierre atornillado para conectores 'D': complementos para una buena sujeción de los conectores macho y hembra una vez conectados. Figura 74. Conjuntos de cierre atornillado para conectores 'D' • Relés Omron G6E – SPCO 3A: debido al elevado consumo de los motores paso a paso se optó por la posibilidad de no alimentarlos mientras no fuese necesario moverlos. De esta forma se hacía preciso un dispositivo capaz de cortar la alimentación y restablecerla en los momentos deseados. Estos relés se eligieron por su capacidad de cortar una corriente de 3A, porque sus bobinas se activan con una tensión de 5V (la que se puede generar con una salida de la tarjeta de E/S), y por su reducido tamaño, dado que han de ir montados en la caja principal. Tienen un tiempo de respuesta de 5ms. Figura 75. Relés Omron G6E – SPCO 3A Memoria • 66 Conectores macho y hembra para cable Serie Binder 680 de 5 vías: estos conectores se utilizaron para sustituir los que venían montados en los amortiguadores, con lo que sirven de unión entre el cable que sale del amortiguador y el que va a la caja de la tarjeta controladora. También se instaló uno en el motor de pruebas, para facilitar su conexión durante los ensayos. Fue un factor determinante en su elección su robustez y su facilidad para la conexión y desconexión. Figura 76. Conectores macho y hembra para cable Serie Binder 680 de 5 vías • Carrete de 25m de cable de 6 núcleos 16x0,2mm (0,5mm2): este cable se utilizó para llevar a las cajas de las tarjetas controladoras las señales de control provenientes de la tarjeta de E/S, y la alimentación de los motores. Se eligió por el número de núcleos (6) y por la corriente que es capaz de conducir (2,5A por núcleo). Figura 77. Cable de 6 núcleos 16x0,2mm (0,5mm2) • Cable flexible para alimentación de red H05VV-F: dado el gran consumo de corriente que producen los motores se decidió adquirir cable que soportase una elevada cantidad de corriente (6A por núcleo), y que tuviese 5 núcleos, el mismo número de fases que los motores. Figura 78. Cable flexible para alimentación de red de 5 núcleos • Cables varios: aparte de los ya mencionados se utilizó gran cantidad de cables disponibles en el Laboratorio con antelación, de distinto número de núcleos y distinto diámetro. Incluso se aprovecharon tramos sobrantes Memoria 67 de los propios sensores, que fueron cortados debido a que la longitud necesaria era menor que la que ya tenían. 6.5 TRATAMIENTO DEL MATERIAL 6.5.1 Cajas Como se ha comentado previamente en otros apartados, una vez recibidas las cajas se les realizaron unos agujeros en las paredes para entrada y salida de cables, conectores y tornillos de fijación. Su ubicación concreta se puede comprobar en el Anejo 8. 6.5.2 Conectores 6.5.2.1 Conectores Serie Binder Para conectar los cables que salían de los motores montados en los amortiguadores con sus tarjetas controladoras correspondientes, se utilizaron conectores Serie Binder de 5 vías. Se hizo uso de las estaciones de soldadura existentes en el Laboratorio, con el fin de soldar los pines de los conectores a las fases adecuadas de las tarjetas. En las siguientes figuras se expone el criterio que se siguió para establecer el orden de los colores de los cables, y su correspondencia con las fases de los motores. Como en un tramo se utiliza un cable de 5 núcleos en el que dos de los cinco son negros, se procedió a denominarlos según entre qué dos colores se encontraban. Figura 79. Configuración de los pines de los conectores Memoria 68 Para facilitar el conexionado de los cables entre los motores y sus tarjetas controladoras se indica a continuación la correspondencia entre fases en las tarjetas, fases en los motores y colores de cables. FASE EN LA TARJETA PHA PHC PHB PHD +VL (o +VM) CABLE A LA TARJETA Negro (v-am/marr) Verde-Amarillo Negro (v-am/az) Azul Marrón CABLE AL MOTOR Verde Rojo Azul Blanco Marrón FASE EN EL MOTOR A+ B+ ABCOM Tabla 5. Correspondencia entre fases y colores de cables 6.5.2.2 Conectores tipo ‘D’ Este tipo de conectores de 37 pines se utilizó para reunir en el menor espacio posible todas las señales que entran en el data-logger. En el Anejo 9 se describen con precisión los criterios de numeración de los pines y los colores de los cables utilizados en las soldaduras. 6.5.2.3 Conectores Deustch En estos tres conectores lo que se hizo fue volver a soldar y conectar los cables que ya estaban instalados, y colocar nuevos cables en los canales que no estaban siendo utilizados y quedaban libres. Así, en el futuro, en el momento en que se quiera empezar a utilizar un nuevo canal no hará falta operar sobre los propios conectores, sino que se podrá actuar sobre los de la caja principal. Esto es una clara ventaja porque estos últimos tienen un acceso mucho más cómodo. En el Anejo 10 se expone la lista de todos los canales del data-logger con su numeración y la señal para la cual están preparados. 6.5.3 Terminales 6.5.3.1 Micro-terminales para Carril DIN Estos terminales se colocaron en la caja principal para distribuir las señales que llegaban de los sensores hacia el data-logger y hacia la tarjeta de E/S. Además se pretendía no actuar directamente sobre los terminales de la tarjeta, consiguiendo así mayor limpieza y seguridad. Se organizaron dos bloques de 22 terminales cada uno, ya que era el máximo número se ellos que cabía manteniendo unos espacios mínimos a su alrededor para poder operar. La distribución de los terminales y las conexiones de los cables conectados a cada uno se pueden comprobar en el Anejo 11. Memoria 6.5.3.2 69 Terminales para PCB Este grupo de terminales se instaló para agrupar y distribuir las señales hacia el data-logger. Éstas llegan por los cables y son conducidas a la parte inferior de la placa PCB. Desde ahí se dirigen a los conectores tipo ‘D’, con la correspondencia indicada en el Anejo 12. El criterio que se ha seguido para agrupar las señales en estos terminales (a partir de ahora denominados terminales verdes, por su color) se indica a continuación. Conector tipo ‘D’ nº 1 - Los dos canales de alimentación al principio (1 y 2) para que quede clara su ubicación, y además porque son un poco más gruesos, para que no se toquen con otros. - Los acelerómetros juntos, tanto los triaxiales como el uniaxial. - Los sensores de desplazamiento seguidos. - El potenciómetro de dirección él solo, pero junto con otros que vienen de los terminales para Carril DIN. - Los Analog Inputs libres (nº 11, 12, 13, 14 y 15 del data-logger) juntos. - Los canales preparados para señales de velocidad, seguidos y en orden ascendente. - Los tres restantes, en los últimos tres terminales (56, 57 y 58). Conector tipo ‘D’ nº 2 - Los canales de temperaturas, que son diferenciales: primero un grupo con las señales positivas todas seguidas en orden ascendente. - Después la salida de 5V disponible (no usada). - Luego el otro grupo de señales negativas, también en orden ascendente. Sólo hay dos termopares conectados. - El resto de canales diferenciales van después con el mismo criterio: primero todos los positivos en orden, y luego los negativos. Conector tipo ‘D’ nº 3 - Lo primero, las salidas de 0 y 12V, que quedan libres. - Record Switch, que sirve para encender o apagar la grabación de datos. - Los cuatro Light High Side Drivers con su 12V to High Side Drivers. - CAN 1 Low (para representar los datos en el display) y CAN 2 High (salida para otro dispositivo), que son para comunicaciones, con sus Memoria 70 correspondientes High y Low respectivamente, y con la salida para el Beacon de separación entre ellos. - Las ocho luces seguidas en orden ascendente. - Lo dos puertos serie RS-232: primero los dos pines de transmisión Tx de los dos puertos, con la salida Marker de separación, y por último los dos pines de recepción de datos Rx. 6.6 MODO DE APLICACIÓN AL VEHÍCULO, RESULTADO DE LA INSTALACIÓN En este apartado se explicará el resultado final de la instalación y su modo de funcionamiento. 6.6.1 Descripción general Como se aprecia en la Figura 80, el núcleo central del sistema lo componen las dos cajas de mayor tamaño: la principal y la de convertidores. Ambas están situadas en la plataforma que hace de base del vehículo, y la de convertidores está casi totalmente cubierta por el asiento cuando éste se encuentra montado. Para asignar esta ubicación se comprobó que no se interfería en la postura del conductor de ninguna manera. La caja principal es la que acoge la tarjeta de entrada/salida, es decir el centro de control del sistema de suspensión semiactiva. Esto es así porque se encarga de generar las señales digitales que gobiernan las tarjetas controladoras de los motores paso a paso. Además, esta caja posee los terminales de alimentación de todo el sistema de sensores, de la propia tarjeta, del data-logger y de los motores. Así mismo, un grupo de terminales está destinado a prolongar los canales digitales de la tarjeta, y otro grupo a los canales analógicos de recepción de señales de los sensores. Memoria 71 Figura 80. Vista de las dos cajas pricipales Por último, también hay sitio para los terminales correspondientes a todos los canales del data-logger. La función de estos es recoger y distribuir de manera ordenada las señales que iban antes directamente al data-logger, para poder acceder a los canales de forma sencilla. A partir de estos terminales salen unos conectores rectangulares tipo ‘D’ de 37 vías cada uno con destino los tres conectores Deustch del data-logger (Figura 81). Figura 81. Principio y final del cable que lleva las señales al data-logger La segunda de las cajas grandes está destinada a alimentar todos los dispositivos. Contiene varios convertidores de corriente continua que proveen de potencia al sistema. También tiene una salida para un cable de alimentación que se ha denominado auxiliar, ya que se corresponde con la salida del antiguo convertidor de 12V (ahora libre), y que queda para una conexión puntual de un dispositivo que necesite alimentación. Memoria 72 La caja está dotada de un interruptor general y de un fusible de protección. La acometida de alimentación de esta caja es intercambiable entre un cable directamente de la batería del coche u otro cable que venga de una fuente de alimentación, para el trabajo en el Laboratorio. El esquema de esta caja se puede observar en la Figura 82. Figura 82. Esquema de la caja de convertidores En cuanto al sistema de control de la suspensión, se colocaron cuatro cajas con las tarjetas controladoras (dos delante y dos atrás), correspondientes a los cuatro amortiguadores. Se buscó una ubicación adecuada para cada una, intentando alterar lo menos posible la configuración del coche. Finalmente se decidió colocarlas muy cerca de las cajas amplificadoras de los sensores de fuerza. Memoria 73 Figura 83. Ubicación de las cajas de las tarjetas controladoras delanteras y traseras 6.6.2 Funcionamiento De momento se ha pretendido establecer un funcionamiento sencillo de este sistema de control de la suspensión semiactiva. Se ha limitado el proyecto a controlar los motores paso a paso con el vehículo parado. Sin embargo ha sido una primera aproximación hacia un control automático durante la marcha, en función de la señal de los sensores. Lo primero que hay que hacer para variar la dureza de la suspensión es programar la tarjeta de E/S. Una vez cargado el programa a través del cable de programación (en el Anejo 13 se incluyen programas de control en Dynamic C), se ejecuta mediante el software de la tarjeta y se lleva los motores a la posición de la ley que se desea. Después de esto el coche está listo para rodar. Una vez en marcha, los sensores instalados en el Car-Cross emitirán sus señales. Éstas llegarán a la caja principal donde tendrán dos posibles destinos: unas pasarán por los bloques de terminales para Carril DIN y desde allí se desdoblarán hacia la tarjeta de E/S y hacia los terminales que van al data-logger. Así podrán ser leídas por un posible programa que actúe automáticamente en función de ellas. Y las otras irán directamente a los terminales del data-logger, donde podrán ser almacenadas en la tarjeta de memoria de este dispositivo. En la Figura 84 se observa el esquema simplificado de la instalación de dos sensores cuya disposición es diferente. Por un lado un sensor de velocidad, que va directamente a los terminales del data-logger, y por otro un sensor de desplazamiento que lleva su señal también a la tarjeta de E/S. También se puede comprobar que el cable que alimenta la caja de convertidores parte del contacto eléctrico del salpicadero, es decir que la tensión llega al sistema al encender el contacto. Memoria 74 Figura 84. Esquema simplificado Memoria 75 6.6.3 Estado actual del control Con las últimas versiones de los progamas de control (bien sea de LabView o de Dynamic C) se ha llegado a un mando más preciso sobre la posición del eje de los motores. Los ensayos realizados sobre uno de los motores de pruebas han dado unos resultados bastante satisfactorios en cuanto al control por posición. Los problemas comentados en capítulos anteriores sobre rebote y pérdida de pulsos han sido en gran medida superados con la nueva estrategia de control. Ésta supone hacer una variación sobre el concepto inicial de reset. Si al principio consistía solamente en dar al motor una cantidad suficiente de pulsos para llevarlo a un extremo, ahora lo que se hace es añadir dos etapas a esta primera. En la segunda se le da la cantidad justa de pulsos en el otro sentido para evitar en lo posible el efecto del rebote, después se corta la alimentación, y por último ésta se restablece y se le da un pulso. La explicación es sencilla. Lo primero es llevarlo a un extremo, el más blando (el criterio adoptado ha sido llamar a esta posición 9, en contra del criterio utilizado durante los ensayos de los amortiguadores), simplemente para preparar la siguiente etapa. El sentido de esta segunda etapa es tener el eje más o menos en el extremo más duro. Después se corta la alimentación, puesto que se ha comprobado que cuando se restablece, las fases empiezan siempre en la misma secuencia, con lo que siempre el eje se queda en la misma posición fija y no se pierden pulsos. A partir de aquí ya se puede controlar con mayor precisión la posición. En la actualidad se dispone de dos programas: uno que hace el reset cada vez que se mueve el eje, y el otro que lo hace cada cierto número de variaciones. A la finalización del presente proyecto, los trabajos están yendo encaminados a conseguir la respuesta automática a la señal del pedal acelerador. Es sólo un primer paso hacia la regulación automática de la suspensión durante la marcha, objetivo último de los trabajos en esta área. Memoria Capítulo 7 76 Conclusiones y futuras líneas de trabajo Debido a las limitaciones de tiempo que implica el desarrollo de un Proyecto Fin de Carrera, no se ha podido profundizar todo lo deseado en el diseño de la instalación. Por tanto, hay algún aspecto del proyecto que sería muy interesante tratar con más profundidad y que se explican a continuación: 7.1 MEJORAS GENERALES Este proyecto ha tratado de ser una primera aproximación hacia una plena suspensión semiactiva. Se ha intentado abrir el camino, seleccionando e instalando el material necesario para que el dispositivo funcione. El próximo paso es llegar a que la suspensión se regule por sí misma. Un aspecto a mejorar en este sentido es el de tratar las señales de los sensores que llegan a la tarjeta de E/S. Mediante una programación adecuada se puede llegar a activar el dispositivo de control de la suspensión en función de las citadas señales. Por ejemplo variar la dureza de los amortiguadores cuando se detecte un valor determinado de aceleración, o cuando se descubra un excesivo acortamiento de los sensores de desplazamiento de las suspensiones. Incluso se podría actuar solamente sobre dos amortiguadores, bien delanteros-traseros bien derechos-izquierdos. Sin embargo esto llevaría adjunto inevitablemente un estudio sobre la influencia de la dureza de la suspensión en el comportamiento dinámico del vehículo, cosa que no se ha abarcado en este proyecto. En cuanto a aspectos un poco más específicos, ya se ha comentado la conveniencia de mejorar en la programación de la tarjeta. De momento se ha pretendido proporcionar un modo muy simple de actuar sobre los canales digitales. Sin embargo se abre un claro camino para el trabajo en este sentido. 7.2 MEJORAS CONCRETAS En este apartado se comentarán varios aspectos concretos que se han detectado como mejorables, pero que se ha considerado oportuno no emprender su realización por el momento. • Instalación de un teclado en el salpicadero, o una rueda con las posiciones bien indicadas, para llevar fácil y manualmente los motores paso a paso a posiciones determinadas. • Realización de un programa de control interactivo a través del dispositivo PDA disponible en el laboratorio. Esto facilitaría la regulación de la suspensión puesto que se generaría una interfaz más intuitiva. • Mejorar la fijación de los contactos en el interruptor general de convertidores, ya que el material de los contactos no facilita que el Memoria 77 estaño se pegue y se hizo necesario poner una cantidad excesiva de estaño. • Refrigeración de los convertidores, si se prevé un excesivo calentamiento de los mismos. Se podría instalar un ventilador y un interruptor para la conexión automática del mismo (ya disponibles entre el material seleccionado para este proyecto) que hiciese entrar en funcionamiento el ventilador cuando se sobrepasase cierta temperatura en la caja de convertidores. • Convertidores más ajustados. Sería más adecuado sustituir los convertidores instalados por unos con un rango de tensiones de entrada ligeramente diferente. En lugar de 9-18V, por ejemplo algunos con un límite inferior del rango más bajo, puesto que la batería (que es quien los va a alimentar) puede ser que en algún momento crítico, como el arranque, sufra una caída de tensión. Sin embargo se comprobó que durante el arranque la caída de tensión no era muy grande, con lo que se puede funcionar con los convertidores actuales. O incluso sustituyéndolos por unos reguladores (sencillos y baratos). • Colocación de un comparador en la caja de convertidores o en el salpicadero, con la función de indicar mediante un sonido o un LED cuándo ha habido una bajada de tensión puntual, ya que esto puede acarrear un mal funcionamiento ocultando el verdadero motivo. • Tapa del orificio de Ethernet en la pared de la caja principal. Se necesitaría una pequeña tapa para el agujero cuadrado de acceso al puerto de Ethernet, ya que queda al aire el interior de la caja principal. • Poner más cómoda la conexión RS-232, instalando un cable que tenga en un extremo un conector jack estéreo macho (que iría insertado en el conector de chasis de la caja principal), y en el otro un conector del mismo estilo pero hembra, y en el salpicadero. Esto facilitaría la conexión para la comunicación en serie con la tarjeta de E/S, puesto que en este momento se encuentra en un lugar de difícil acceso con el conductor sentado en su puesto. • Fusibles individuales para cada elemento, en lugar de uno general. Así se protegería cada elemento por separado contra sobreintensidades. • Mejorar los cables que salen del data-logger. Al ser tres conectores de 37 canales (aunque se necesitaban 26, 34 y 26 respectivamente), lo más ajustado habría sido instalar cable de 37 núcleos en cada conector. Sin embargo, sólo se pudo utilizar este tipo de cable en uno de los casos. En los otros dos se utilizaron dos de 12 núcleos y otros dos individuales para completar los 26. Lo más limpio sería un cable por cada conector. Memoria Capítulo 8 78 Presupuesto 8.1 INTRODUCCIÓN En este capítulo se presenta un breve estudio económico para cuantificar el coste que supondría la realización de este proyecto. 8.2 MEDICIONES Y CONSIDERACIONES Para las mediciones se ha considerado que el proyecto se realiza en un plazo de nueve meses. Si se supone que cada mes se trabaja con dedicación exclusiva una media de 6 horas diarias, 5 días a la semana y 4 semanas por mes. En total se tiene que se trabajan 1080 horas útiles. No se va a tener en cuenta el coste de la disponibilidad del vehículo en este proyecto, porque ya se disponía de él con antelación. Lo mismo con el escáner y la impresora, ya que se utilizan con asiduidad en el laboratorio por muchas personas. La proporción de uso de estos elementos produciría un coste despreciable. El banco de ensayos del CEIT que se utilizó para ensayar los amortiguadores es de elevado precio, pero se considera ampliamente amortizado debido a su antigüedad. El software empleado es educacional, sin límite de licencias, por lo que el precio imputado es estimado. Memoria 79 8.3 CUADRO DE PRECIOS Coste anual (€) Horas óptimas (€) Coste por hora (€) 24000 1600 15 Dirección 1600 54 Ingenieros (colaboraciones) 1600 24 Operarios taller 1600 24 CONCEPTO Ingeniero Proyectando Alquiler oficina 3010 1600 1,88 PC 900 1600 0,56 Licencia de Pro/E 2001 y ProToolkit educacionales 80 1600 0,05 LabView 30 1600 0,02 Licencia Office 2000 educacional 100 1600 0,06 Tabla 6. Cuadro de precios 8.4 LISTADO DE PRECIOS CONCEPTO Dirección Ingenieros (Colaboraciones) Operarios taller PC Cartucho de impresora Licencia Pro-E 2001 Educacional Licencia Office 2000 Material del taller Material y componentes Material de oficina Alquiler de puesto de oficina Gastos (teléfono, luz, etc.) Gastos generados Ingeniero proyectando TOTAL Horas empleadas 15 100 50 1050 Tabla 7. Listado de precios 10 300 1080 1080 Coste (€) 810 2400 1200 590 50 0,5 20 20 2100 20 2030 30 9270,5 16200 25470,50 € Memoria 80 El coste final aproximado del proyecto descrito en esta memoria asciende a veinticinco mil cuatrocientos setenta euros con cincuenta céntimos. Memoria 81 Capítulo 9 Bibliografía • F. Santos Sabrás, Ingeniería de Proyectos. EUNSA.. • Catálogo “RS Amidata”, RS, 2003. • M. Arias-Paz Guitian, Manual de automóviles (53ª edición). CIE Inversiones Editoriales Dossat 2000 S.L. España, 2000. • J. G. Jiménez Ortiz, F. J. De Lasala García, Transportes, apuntes de la asignatura, Tecnun, 1998. • R. Bitter, T. Mohiuddin, M. Nawrocki, LABVIEW, Advanced programming techniques, CRC Press, 2001. • J. Alberdi Urbieta, Modelización y contraste teórico-experimental de amortiguadores monotubo. Aplicación al MELMAC TENROJ T600 TT. Proyecto fin de carrera, Tecnun, 2002. Memoria 82 Capítulo 10 Urls consultados MOTORES PASO A PASO http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/index.html Excelente tutorial sobre los motores paso a paso http://autric.com/Microbotica%20y%20Mecatronica/motores_paso_a_paso.ht m http://www.todorobot.com.ar/proyectos/stepper/stepper%20via%20paralelo.ht m http://www.todorobot.com.ar/informacion/tutorial%20stepper/steppertutorial.htm http://www.x-robotics.com/motorizacion.htm#MOTORES%20PaP http://www.hsimotors.com/technical-data/theory.htm http://www.allegromicro.com/techpub2/airpax/smh29.pdf http://www.infolaser.net/franpr/tecnica/soft4mpap/soft4mpap.html http://www.eggertelectronics.com/SSC3Info.htm#SSC3top SUSPENSIONES http://www-control.eng.cam.ac.uk/gww/what_is_active.html http://www.monroe.com Página web corporativa de Monroe. http://www.koni.com Página web de Koni. http://www.bilstein.com Página web de Bilstein. http://www1.ceit.es/Asignaturas/transportes/Trabajos_pdf_00_01/Suspension es-Activas.pdf Trabajo sobre suspensiones activas de la asignatura Transportes de Tecnun. http://www.kayaba.co.uk/mechanic_zone/index.html Web inglesa de KYB con información general sobre amortiguadores y cómo instalarlos. 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Carlos Echeverría García
