3.1.5 Drivers
Los drivers son los controladores de velocidad de los motorreductores. Anteriormente se estableció que la velocidad de un motor de d.c. puede ajustarse mediante la variación de el voltaje de armadura. La fuente de alimentación es una batería de ácido-plomo, sellada y recargable. El voltaje de la batería pasa por un convertidor DC-DC, que varía el nivel de voltaje que se aplica al motorreductor.

Ya que el motor es pequeño y la inductancia de la armadura lo es también, la frecuencia necesaria para mantener la corriente de la armadura constante es del rango de 20 kHz.[3]. Para permitir que el motor gire en cualquier dirección sin ningún switch mecánico es utilizado el circuito puente de la figura 3.8a, es conocido como control en cuatro cuadrantes ó chopper de cuatro cuadrantes. La operación en los cuadrantes es posible mediante el disparo adecuado de los conmutadores ( figura 3.8c ); las polaridades del voltaje de carga y corriente de carga se muestran en la figura 3.8b.

 
FIGURA. 3.8 (a)Chopper de cuatro cuadrantes
(b) Voltaje y corriente de carga
(c) Dispositivos en operación según el cuadrante en que se trabaje.

El voltaje promedio de la armadura del motor, y de ahí la velocidad, es controlado por la relación entre el período de encendido y el período de apagado en la modulación por ancho de pulso (PWM). Si el ciclo de conmutación es mucho menor que la constante de tiempo de la armadura ( L/R), la variación de la corriente es aproximadamente lineal[3].

Para conmutar se utilizan MOSFETS de potencia, son adecuados en ésta aplicación por su baja corriente necesaria para dispararlos, que puede ser obtenida directamente de los circuitos integrados CMOS, y también por la característica que tienen para recortar a altas frecuencias. Los MOSFETS de potencia tienen mejores ventajas en el control de motores alimentados con baterías por su habilidad para conmutar a frecuencias superiores al rango audible con pequeñas pérdidas de potencia.

La potencia para manejar el disparo es muy pequeña, por ejemplo, la corriente promedio sustraída de la batería para conmutar un MOSFET de potencia de 15 A, que opera a 20 kHz es típicamente menor a 1mA. La técnica por modulación por ancho de pulso es adecuada para la operación de baja velocidad y alto torque, y se utiliza en Quetzalcóatl, para obtener un buen factor de forma ( Irms / Iavg) y para minimizar el ruido audible[4]. Un buen factor de forma permite mejorar la eficiencia, aumentar la vida de las escobillas y disminuir la probabilidad de desmagnetización de el campo de imán permanente. Con frecuencias altas de conmutación se obtiene una reducción útil en el tamaño y peso de los componentes de filtrado, además de mejorar la respuesta del lazo de control de velocidad. En la Figura 3.9 se muestra un diagrama a bloques de el driver implementado.

 
FIGURA. 3.9 Diagrama a bloques del driver implementado.

3.1.5.1 Puente Completo del Driver
El circuito básico del puente completo es mostrado en la figura 3.10. Para controlar en dirección directa, los MOSFETS A y D están apagados, el MOSFET C está encendido, y el MOSFET B es conmutado con la señal de PWM. Para controlar el motor en dirección inversa, los MOSFETS C y B están apagados, el MOSFET A está encendido, y el MOSFET D es conmutado con la señal de PWM[2].

 
 
FIGURA. 3.10 Circuito básico del puente completo
3.1.5.2 PWM
El modulador por ancho de pulso (PWM: Pulse Width Modulation), es implementado por medio de un circuito integrado LM3524. El LM3524 es en Regulador Modulador de Ancho de Pulso; en la figura 3.11 se muestra el diagrama a bloques del encapsulado.
 
FIGURA. 3.11 Diagrama a bloques del CI LM3524
( Regulador Modulador de Ancho de Pulso )

Tiene un pin de apagado para protecciones. El latch tiene la función de asegurar un pulso por período aún en ambientes ruidosos. También incluye supresión lógica de doble pulso la cual asegura que al removerse una condición de apagado, el estado de el flip-flop T cambia solamente después de que llegue el primer pulso del reloj. Esto previene que se presente seguida la misma salida del pulso anterior, con lo que se reduce la posibilidad de saturación en diseños con push-pull.

Regulador interno de voltaje
El LM3524 tiene un voltaje de referencia de 5V con precisión de +/-1%, con capacidad de 50mA, y protección contra cortocircuito, este voltaje alimenta los circuitos internos de el dispositivo y puede ser utilizado como referencia externa.

Oscilador
La frecuencia del oscilador es establecida mediante una resistencia Rt y un capacitor Ct externos. La salida del oscilador provee las señales para disparar un flip-flop interno, el cual direcciona la información de el PWM a las salidas, y un pulso de borrado para apagar ambas salidas durante las transiciones para asegurar que no ocurran condiciones cruzadas. El ancho de el pulso de borrado, o tiempo muerto, es controlado por el valor de el capacitor Ct.

Amplificador de error
El amplificador de error es un amplificador transconductivo de entrada diferencial. Su ganancia es nominalmente de 86 dB, es colocada ya sea por retroalimentación o con carga a la salida. Ésta carga de salida puede ser resistiva solamente o resistiva y reactiva. La salida del amplificador, o la entrada de modulador de ancho de pulso, puede ser manejada fácilmente con un voltaje de dc aplicado al pin 9, para forzar en las salidas un ciclo de trabajo particular.

Limitador de corriente
La función de el amplificador limitador de corriente es manejar la salida del amplificador de error y tomar control del ancho de pulso. La salida del ciclo de trabajo es disminuida en un 25% aproximadamente cuando un voltaje sensado de límite de corriente de 200mV es aplicado entre las terminales +Cl y -Cl. Un incremento del voltaje sensado, de aproximadamente un 5%, da por resultado un ciclo de trabajo del 0%.

Etapa de salida
La salidas de el dispositivo son transistores NPN, la capacidad de manejo de corriente de los transistores es de hasta 200mA. Estos transistores son manejados 180º fuera de fase y tienen emisores y colectores abiertos.

3.1.6 Fuente de potencia conmutada
Este subsistema de potencia del robot tiene por objetivo suministrar la potencia necesaria para el buen funcionamiento de la tarjeta madre. En la Figura 3.12 se muestran los voltajes necesarios para el funcionamiento de la tarjeta madre.

 
 
FIGURA. 3.12 Voltajes utilizados por la tarjeta madre empleada.

Para alimentar la fuente de potencia se utiliza un banco de baterías de ácido-plomo, selladas y recargables de +12 V. Al conectar dos baterías en serie obtenemos la suma de las dos (24V), este voltaje lo regulamos mediante un convertidor DC-DC tipo buck, el cual fue explicado anteriormente, para obtener 12V regulados, además el circuito cuenta con protección contra sobrevoltaje, y sobrecorriente[6], esto es, que cuando la salida del convertidor DC-DC exceda un valor límite de voltaje, la salida cae inmediatamente a 0 V, para evitar daños a el circuito que se alimenta, de la misma forma ocurre con la corriente.

El dispositivo de conmutación del convertidor tipo buck es el transistor de potencia TIP31, que cuenta con un circuito controlador de base y una red snubber[5] para disminuir las pérdidas por conmutación. El diagrama a bloques de la fuente de potencia se muestra en la figura 3.13.

 
 
FIGURA. 3.13 Diagrama a bloques de la fuente de potencia.