Tutoriales
 

Creando nuestro robot móvil

4.- Etapa de potencia

Los motores no pueden ser conectados directamente a las salidas del PIC pues estas salidas no tienen suficiente potencia (20mA a 5V) para mover unos motores que requieren mucha potencia cada uno (3A a 6V), para ello se usan etapas de potencia, las cuales están formadas en su parte más importante por MOSFET, denominados MOSFET de potencia, que son capaces de conmutar rápidamente señales y grandes intensidades, la velocidad de conmutación depende en mayor medida del valor de Ron y del valor de la intensidad.

Por norma general suelen incluir puentes de diodos para proteger los motores de posibles corrientes de fuga y también unos drivers de control para mejorar y limpiar la señal que se encarga de mover a la velocidad que deseemos los motores, dicha señal es cuadrada modulada en anchura y se denomina PWM (Pulse Width Modulation).

Describiremos a continuación la unión de todas las partes, comunicación serie, microcontrolador…además de todas las funcionalidades de nuestra tarjeta de desarrollo y una descripción de las entradas y salidas que esta tiene.

4.1 Teoría etapa de potencia 

El primer concepto que se debe tener en cuenta para controlar un motor mediante un microcontrolador es que no se pueden conectar directamente, ya que el motor tiene un consumo de corriente que el chip no le puede proporcionar. La conexión directa provocaría que se quemase la electrónica. Para evitar este desastre, se coloca una etapa de potencia entre el microcontrolador y los motores. Para que un motor gire en el sentido contrario hay que invertir la polaridad entre los bornes del mismo. Está claro que no se puede ir detrás del robot cambiando manualmente dicha polaridad. Por lo tanto, es deseable también que la etapa de potencia nos permita cambiar el sentido de giro de los motores. La forma más corriente de diseñar las etapas de potencia es mediante el uso de puentes. Esta configuración consiste en colocar el motor flanqueado por cuatro transistores adoptando forma de H. Veamos el funcionamiento de estos transistores.


Puente en H  con interruptores

Se puede pensar inicialmente que en vez de transistores, se dispone de interruptores según muestra la figura anterior. Si se mantienen abiertos los interruptores 2 y 3, y cerrados 1 y 4, la parte derecha del motor estará conectada a tierra y la izquierda a alimentación. El motor está girando en un sentido.

Si se cierran los interruptores 2 y 3, y se abren el 1 y el 4, ahora la parte derecha del motor está conectada a alimentación, mientras que la izquierda lo está a tierra, justo al contrario que en el caso anterior. Con esta nueva configuración, el motor gira hacia el sentido contrario que antes.

Visto el funcionamiento con interruptores, extrapolar el problema a transistores es inmediato.

Se pueden emplear en el puente H tanto transistores bipolares de unión como MOSFET (transistores de efecto campo). En el caso del robot se emplearán los segundos, ya que son capaces de soportar mayor corriente que los otros. Se usan dos tipos de MOSFET: de canal P y de canal N, tal como se muestra en la figura:


Puente en H  con transistores MOSFET

Se puede pensar en un transistor MOSFET de canal P como un interruptor con señal de activación. Si la señal que le llega es un 1 el interruptor se abrirá, no dejando pasar corriente. Si la señal fuera un 0 el interruptor se cierra. Para los MOSFET de canal N sucede al contrario: se abren con un 0 y se cierran con un 1.

En el caso de las etapas de potencia del robot se podrían emplear los siguientes transistores MOSFET:

IRF9Z34N : MOSFET canal P. Soportan hasta 19A en el drenador (en continuo). Su resistencia entre fuente y drenador es de 0,1 ohm.

IRFZ24N : MOSFET canal N. Soportan hasta 14A en el drenador (en continuo). Su resistencia entre fuente y drenador es de 0,07 ohm.

4.2 Placa de potencia 

4.2.1 Placa comercial MD22

Los MOSFET de potencia no son especialmente baratos pues para nuestro robot rondan alrededor de unos 6€ cada uno y teniendo en cuenta que nos harían falta ocho MOSFET (cuatro por motor), la etapa de potencia saldría muy cara. Así pues se pensó en comprar una etapa de potencia comercial que nos saldría por el mismo precio y no nos traería quebraderos de cabeza…

Después de implementar una comunicación mediante PWM entre el PIC y la tarjeta MD22, resultó ser la tarjeta para parar los motores SIEMPRE cortocircuitaba el puente en H, haciendo que hubiese subidas de intensidad muy altas, lo cual no es interesante en un proyecto que se basa en una plataforma móvil y que la duración de las baterías es fundamental, así pues se tuvo que diseñar, implementar y fabricar una placa de potencia casera.

4.2.2 Características MD22

MD22 es una etapa de potencia comercial, el cual es capaz de controlar dos motores de corriente continua de media potencia (50V, 5A+5A).El módulo contiene una bomba de carga para el control del MOSFET, contienen un PIC de microchip para el control de los motores y unos driver de PWM externos.Gracias al PIC es capaz de controlar los motores de 5 formas diferentes entre ellas destaca PWM, I2C y analógico.


Placa comercial MD22

Podeis bajar el datasheet de la placa MD22 haciendo click aquí.

4.2.3 Etapa de potencia casera:

Podeis ver la realización de la etapa de potencia de 3A en continua y 4A de pico por motor, en la sección placas de este mismo tutorial.

 
 

 

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