CONTROL DE TORQUE PARA SERVOMOTORES SIN ESCOBILLAS (TORQUE CONTROL FOR BRUSHLESS SERVOMOTOR)

Resumen

En años recientes, el área de la robótica ha sido el centro de atención de diversas investigaciones, debido a los beneficios prácticos que esta línea de investigación brinda a la vida cotidiana de los seres humanos. Nuevos algoritmos, sistemas, postulados y axiomas surgen todos los días para emular las capacidades que cuenta el ser humano para poder interactuar con su entorno. Una de las problemáticas que encuentran los investigadores y tecnólogos a nivel mundial referentes a línea de investigación de robótica, es la imitación de los movimientos humanos. Diversas soluciones se han propuesto desde las máquinas simples al inicio de la historia humana hasta los robots humanoides actuales. Atacando la problemática de forma abstracta es necesario contar con un dispositivo que genere un movimiento mecánico con control de posición, velocidad, aceleración y torque, similar a la función de los músculos y tendones que realiza nuestro cuerpo. Dentro de las máquinas generadoras de movimiento con que se cuenta actualmente es el motor eléctrico, entre todas sus variantes podemos encontrar a los motores especiales para posicionamiento los cuales reciben el nombre de servomotores. En general los motores eléctricos generan un movimiento rotacional por medio de la interacción de campos magnéticos, sin embargo, por sí mismo no es suficiente para cubrir los requerimientos de movimientos precisos, controlados y con fuerza constante, para lo cual es necesario adicionar a los motores eléctricos sistemas que puedan generar un control de estas variables en el comportamiento de los motores.

En el presente trabajo se describe la implementación de un control digital de torque para servomotor de corriente directa sin escobillas (BLDC, por sus siglas en inglés) desde el bloque de accionamiento, la regulación de velocidad y finalmente el control de torque El control propuesto realiza una regulación del torque a través de la comparación de una señal de referencia y una medición de corriente por el sensor LTS15-NP. Para la realización de este sistema se utilizo un dispositivo FPGA Spartan 3A de la compañía Digilent para embeber la lógica de acción. En los resultados obtenidos se presentan gráficas de relación corriente eléctrica máxima y tensión suministrada, fuerza generada en la flecha del servomotor y corriente eléctrica máxima; finalmente se muestra la gráfica torque comparado con la energía circulante en los embobinados del servomotor. Con esto se comprueba de manera experimental que el comportamiento del torque es una relación proporcional de parámetros del motor y la corriente eléctrica que circula sobre las bobinas del circuito.

Palabra(s) Clave: BLDC, Control Automático, Control Torque, Robótica, SoC.

Abstract

In recent years, the area of robotics has been the focus of several investigations, due to the practical benefits that this line of research provides to the daily lives of human beings. New algorithms, systems, postulates and axioms emerge every day to emulate the capabilities that human beings have to interact with their environment.

One of the problems encountered by researchers and technologists worldwide concerning the line of research in robotics, is the imitation of human movements. Various solutions have been proposed from simple machines at the beginning of human history to the current humanoid robots. Attacking the problem in an abstract way is necessary to have a device that generates a mechanical movement with control of position, speed, acceleration and torque, like the function of the muscles and tendons that our body performs. Among the machines that generate movement is currently the electric motor, among all its variants we can find special motors for positioning which are called servomotors. In general, electric motors generate a rotational movement by means of the interaction of magnetic fields, however, by itself it is not enough to cover the requirements of precise movements, controlled and with constant force, for which it is necessary to add to the motors electrical systems that can generate a control of these variables in the behavior of the engines.

In the present work describes the implementation of a digital torque control for brushless direct current servomotor (BLDC) from the drive block, speed regulation and finally torque control a torque regulation through the comparison of a reference signal and a current measurement by the LTS15-NP sensor. For the realization of this system a Spartan 3A FPGA device from the Digilent company is used to embed the action logic. In the results obtained, the graphs of maximum electric current and voltage supply, force generated in the servomotor shaft and maximum electric current are presented; Finally, the graph of the compacted torque with the circulating energy in the servomotor windings is shown. With this, it is verified experimentally that the behavior of the torque is a proportional relation of parameters of the motor and the electric current that circulates on the coils of the circuit.

Keywords: BLDC, Automatic Control, Torque Control, Robotics, SoC.