CAPÍTULO I I. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL HARDWARE

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CAPÍTULO I

I. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL HARDWARE

1.1. REQUERIMIENTOS DEL CIRCUITO DE CONTROL

Para la realización de éste circuito de control denominado Hardware, es necesario

trabajar como con cualquier producto dentro de un proyecto de ingeniería, de tal manera

que sea fácil visualizar su incidencia con demás áreas del proyecto, permitiéndonos

generar oportunidades de mejora desde su concepción hasta su posterior fabricación.

Se presentará en el desarrollo del presente capítulo, un esquema general de A.P.Q.P., el

cual se podría utilizar para las cuatro fases orientadas a la fabricación de un producto,

como son:

Planeación y Definición,

Diseño y Desarrollo Producto,

Diseño y Desarrollo de Proceso,

Validación de producto y proceso.

A partir de este análisis podremos definir los requisitos de la centralita electrónica que

gobernará principalmente, el control de la aceleración y frenada regenerativa del

vehículo de competición tipo FSAE Electric, además de cumplir algunos requisitos

según las normas de la competición a la que va dirigida. Se plantea como punto de

partida, la definición de todas las fases para este producto, aclarando que no va existir

la necesidad de describir a detalle cada una de ellas, mas bien se tomarán aquellas que

de manera independiente aporten a la realización de esta memoria de Proyecto Fin de

Master.

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1.1.1. PLANEACIÓN Y DEFINICIÓN DEL PRODUCTO

En este apartado se realizará una definición general de las características que debe

cumplir el Hardware, relacionado con la normativa de la competición y las expectativas

del equipo denominado TU Madrid. A continuación se muestra una tabla de esta

primera fase con algunos requisitos y asignación de responsables.

Tabla 1.1 Indicadores Fase I APQP

Requisitos Responsables

Metas de

Confiabilidad y

Calidad.

Definir normativa competición que

afecta a la centralita de control

FSAE. Fijar metas con los directores

del proyecto.

Directores del Proyecto,

Líder Área de Electrónica,

Equipo de electrónica,

Miembros del Equipo TU

Madrid.

Lista preliminar

de Materiales.

Definición del tipo de tecnología

para implementar el control

(Analógica, Microcontrolada o

Modular).

Equipo de Electrónica.

Diagrama de flujo

preliminar del

Proceso

Listar como se realizara el rediseño,

los prototipos, la fabricación y puesta

en funcionamiento.


Equipo de electrónica.

Características

especiales de

Producto y

Proceso

Definir si van a existir características

que pueden convertirse en una

innovación aportada por el equipo.




Plan de

Aseguramiento

del Producto

Realizar un estudio de recursos

materiales y tecnológicos para

soportar el diseño, pruebas y

fabricación del producto.

Directores de Proyecto

Líder área de Electrónica.

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1.1.2. DISEÑO Y DESARROLLO DEL PRODUCTO

En la tabla presentada a continuación, se listan las tareas relacionadas con el producto,

desde el punto de vista de la concepción del diseño y posterior planeación para el

desarrollo de un producto, que será aplicado al control electrónico del vehículo eléctrico

de competición.

Tabla 1.2 Indicadores Fase II APQP


AMFE de

diseño.

Evaluar la probabilidad de fallo así

como el efecto de este. Se parte del

AMFE de la tarjeta analógica de

control.




Especificaciones

de Ingeniería.

Traducir de las funciones al lenguaje

de ingeniería, Listado de tipo de

señales de entrada y salida. Niveles de

control.



Dibujos de

Ingeniería.

Dibujo de planos eléctricos y

electrónicos de la centralita.




Construcción

de Prototipo.

Implementación en protoboard los

circuitos electrónicos, para que

cumplan con las características de

operación y funcionamiento deseadas.

Responsable de diseño y

construcción del

Hardware. Responsables

del Software aplicado de

ser necesario.

Equipo y

materiales.

Listado de equipo, herramientas, y

otros recursos necesarios para el

desarrollo, pruebas, fabricación y

verificación de la centralita.


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Plan de control

de Prototipo.

Establecer un plan de control del

prototipo.



AMFE Evalúa la probabilidad de falla del

diseño final.



1.1.3. DISEÑO Y DESARROLLO DEL PROCESO

En esta etapa del proyecto, el equipo se enfrenta a la puesta en marcha del proceso de

fabricación, por lo que es importante que se busque y defina un plan de control que

asegure la calidad de su producción. El punto de partida, será la realización de un

diagrama de flujo de proceso, el mismo que deberá ser ensayado y consensuado por los

miembros del equipo de electrónica, para su posterior aplicación práctica. Para términos

explicativos en esta memoria, se describirá el proceso de construcción de la tarjeta

analógica utilizada en la competencia FSAE Silverstone 2012, que servirá como aporte

para la próxima participación de la Universidad en la categoría A1 de vehículos

eléctricos.

Tabla 1.3 Indicadores Fase III APQP


Diagrama de Flujo del

Proceso

Nos permite establecer todas las

situaciones de control de cara a

la construcción del PCB.

Líder Área de

Electrónica,


AMFE de Proceso

Evalúa la probabilidad de falla

del dentro del proceso de

fabricación del PCB. Esto

incluye el montaje manual y

utilización de soldadura para

acoplamiento electrónico.

Proyect Manager,

Directo de Producto,

Líder Área de

Electrónica,


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Plan de Control

de Pre-producción

Descripción de mediciones

dimensionales, pruebas

funcionales y de los puntos de

control electrónico. Permiten

aclarar las características de

funcionamiento. Permiten la

validación del producto. Es una

verificación de conformidad o no

conformidad.

Líder Área de

Electrónica,

Equipo de electrónica,

Responsable de la

construcción de la

centralita.

1.1.4. VALIDACIÓN DEL PRODUCTO Y PROCESO

La fase a continuación toma gran importancia principalmente antes del lanzamiento en

serie de un producto, para fines de este proyecto se ha generalizado una serie de

indicadores que permitirán visualizar, desde la perspectiva de una producción unitaria,

todos los criterios, métodos y sistemas de validación que son necesarios para llevar a

cabo un producto, controlando sistemáticamente su proceso. La tabla 1.4 presentada a

continuación resume estos requerimientos frente a la fabricación de la tarjeta de

control.

Tabla 1.4 Indicadores Fase IV APQP


Corrida de Prueba

de Producción

Evaluación de sistemas de

medición. Factibilidad

final. Revisión de proceso.

Pruebas de validación de

producción.




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Evaluación del

Sistema de Medición

Listar dispositivos y

métodos especificados para

verificar.

Las características estarán

identificadas en el plan de

control.

Equipo TU Madrid,



Aprobación de

Partes de Producción

Valida que el producto

hecho con herramentales y

procesos de producción.

Para esto es necesario el

montaje en el coche y la

realización de las pruebas

estáticas y dinámicas de la

competición.

Equipo TU Madrid,


Equipo de electrónica

Pruebas de Validación de

Producción

Pruebas de ingeniería para

validar que los productos

hechos con herramientas

y procesos de producción

normal cumplen los

estándares de ingeniería

Equipo UT Madrid

Líder Área de Electrónica

Responsable de la

construcción de la

centralita

1.2. DELIMITACIÓN DE FUNCIONES DE ENTRADAS

A continuación se muestra los requisitos de funcionalidad de la centralita

correspondientes con la Fase II de la planificación del producto. Principalmente en estas

dos secciones, se van a definir qué tipos de entradas y salidas son necesarias para la

realización del hardware de control. Luego, será necesario, convertir las funciones a

diagramas de bloques para facilitar su conversión a circuitos electrónicos, aclarando la

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obligatoriedad de comprobarlos, para verificar su correcto funcionamiento para

integrarlos al control de tracción del tren de Potencia del vehículo eléctrico.

A continuación se describen las entradas de la ECU, sus requisitos y funciones:

Tabla 1.5 Delimitación de las entradas Fase II APQP

Orden Entrada Tipo de

señal

Descripción Características

1 Señal sensor

de posición

del

acelerador.

Analógica,

rotacional,

respuesta

lineal.

Señal enviada por el

sensor de resistencia

variable para

determinado recorrido

angular de acelerador. Se

convierte en la interface

para la consigna de par y

potencia.

Arreglo de

acondicionamiento de

señal para enviar un

nivel de 0 a 5V al

CAD del PIC, para

establecer el porcentaje

de aceleración

solicitada por el piloto.

2 Monitoreo

señal del

sensor de

aceleración.

Analógica,

rotacional,

respuesta

lineal.

Señal que vendrá del

potenciómetro montado

al extremo opuesto del

eje del acelerador. Sirve

como retroalimentación

de la señal consigna.

Acondicionamiento

similar al primer

acelerador, para evaluar

diferencias de voltaje

mayores al 10%.

3 Detección

del

desplazamien

to del pedal

de freno

Analógica,

desplazami

ento lineal,

Respuesta

lineal

Señal de desplazamiento

lineal, que indica cuanto

se ha desplazado el

freno y permite estimar

el grado de freno

regenerativo.

Arreglo electrónico

para acoplamiento de la

señal. Debe estar

acompañado de un

circuito independiente

al del PIC, para que

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Puede usarse en

combinación con un

pulsador convencional

de un sistema de freno.

sea capaz de llevar a

cero la señal del

acelerador cuando se

active el sensor.

4 Sensor

presión freno

BOP

Analógica,

piezo-

eléctrico,

Respuesta

lineal

Sensor para monitoreo

de la señal de la presión

de freno para indicar

situación de emergencia.

Este tipo de error es

reseteable por el piloto.

Se necesita un circuito

de acoplamiento de

señal. Y un arreglo de

despliegue una luz en

el cuadro de mandos

indicando fallo.

5 Sonda Hall

corriente

batería

Analógica,

Efecto Hall,

electro_

magnética.

Respuesta

lineal.

Medida de la corriente

consumida por los

motores, para conocer la

descarga de la batería

Permite tener

retroalimentación de la

respuesta de la planta.

Mejora las

características del

control.

6 Señal de

error de IMD

Digital,

pulsante.

Señal errores IMD,

enviado como arreglos

continuos de pulsos. Ver

catálogo específico

según modelo de IMD.

Existirá un circuito que

aísle eléctricamente la

señal enviada. Se

encenderá un led al

presentarse un código.

7 Activación

Sensor

inercia.

Digital Indica si se ha superado

un valor de fuerzas

longitudinales o laterales

correspondientes a un

posible impacto, para

desconexión de energía.

Se usa arreglos

similares al punto

anterior. Se encenderá

un led para indicar que

el suceso ha ocurrido.

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8 Detección de

la activación

de Ignición.

IS (Ignition

Switch).

Digital Es importante para el

controlador conocer

cuando cambia el mando

de la ignición, en cao de

tener alimentación

continua para poder

despertar de reposo.

Permitirá monitorizar

cualquier un cambio de

la señal en cualquier

momento, como al

cortar la alimentación

de energía de bajo

voltaje.

9 Detección

de recorrido

incorrecto de

pedal de

BOT ( Brake

Over

Pressure)

Digital Señal de error por

sobrepasar recorrido

máximo. Error NO

reseteable por piloto.

Luz en el cuadro de

mandos indicando fallo.

Este tipo de señal se

caracterizará por

cambiar de un estado

bajo a un estado alto,

cuando exista la

condición indeseada,

siendo monitorizada

por el PIC.

1.3. DELIMITACIÓN DE FUNCIONES DE SALIDA

En esta sección se muestran todas las variantes que tendrán las salidas de la tarjeta

electrónica. Éstas se componen de un arreglo de circuitos, que darán soporte a todo un

grupo de respuestas del microcontrolador. Por lo tanto, permitirán enviar las peticiones

requeridas por piloto a través de señales eléctricas al Controlador de Alto Voltaje o de

Tracción, es decir, de primera mano este hardware actuará principalmente como

interface hombre-máquina para las acciones de control de aceleración o de frenada

regenerativa y además, ejecutará otras funciones complementarias como por ejemplo el

mismo control de la planta, o la activación del circuito de seguridad según lo requerido

en la normativa de la competición.

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La tabla a continuación muestra la descripción detallada de estas señales de salida:

Tabla 1.6 Delimitación de las salidas. Fase II APQP

Orden Salidas Tipo de

señal.

Descripción Características

1 Señal de control

del grado de

aceleración

Analógica. Se entrega la señal

aceleración procesada

por el PIC al

controlador del motor

de acuerdo al ángulo de

giro del acelerador.

Tiene que tener una

respuesta ascendente

a la variación angular

entre 0 a 5V como

máximo y su corriente

estará limitada a

25mA.

2 Señal de ajuste

de porcentaje

Freno

regenerativo

Analógica. El PIC entregará al

controlador una señal

correspondiente al

porcentaje del freno

regenerativo según sea

el desplazamiento

lineal.

Variará de forma

ascendente al

desplazamiento del

freno, convertido de

angular a lineal.

Estará entre 0 a 5V y

la salida de corriente

estará limitada a

25mA.

3 Señal de control

de corte de

aceleración.

Activación

a 12V.

ON-OFF

Comandará la puesta

en activación de un

relé de 12V, que

desconectará la señal

de aceleración enviada

al controlador del

motor. No será

Esta característica

será comandada

directamente con el

pulsador de freno

(brake sensor),

optoacoplando esta

función, se

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comandada por el PIC

por motivos de

seguridad.

monitorizará con el

PIC la activación del

pulsador.

4 Conmutación

entre frenada y

aceleración.

Control de

Activación

a 12V.

ON-OFF

Esta función permitirá

la conexión de la señal

de porcentaje de

frenada regenerativa

con el controlador del

motor, cuando se pulse

el sensor de freno.

Se puede usar un relé

de doble contacto

para minimizar el

número de elementos.

Esto es verdadero

porque se priorizará la

función de frenada

frente a la

aceleración.

5 Relé del circuito

de seguridad

Activación

a 12V.

Activará el circuito de

seguridad, lo que no

permitirá flujo de

corriente al Motor.

Existirán condiciones

a activación de este

circuito que serán

reseteables o no por el

piloto.

6 TSOUND.

Ready to drive

Digital,

Pulsante.

Se debe generar un

sonido característico

para el vehículo de 1 a

3 segundos.

Este sonido puede ser

formado por una

consecución de

pulsos, sincronizados

en el tiempo que

produzcan un aviso

sonoro de hasta 70 db

7 LED INERTIA Digital Luz de advertencia fija,

visible para el piloto

Indicara activación

del interruptor de

inercia. Limitado por

la corriente del PIC.

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8 Led IMD Digital Indicará estados de

falla del IMD, que

pueda ser visualizado

en el tablero de control.

Luz de advertencia

Fija y Pulsante para

indicación del tipo de

fallo IMD.

9 LED Throttle Digital Indicación fallo de

señal de acelerador. Se

desplegará en forma

continua en el tablero

de instrumentos.

Estará encendida

siempre que exista

cualquier anomalía de

las señales de la

posición del pedal de

acelerador

10 Led BOT,

(Brake Over

Travel)

Digital Led de indicación del

recorrido incorrecto de

pedal de freno.

Indicará la ocurrencia

el evento.

11 Led BOP Digital Led de indicación

frenada de emergencia

BOP (Brake Over

pressure)

Indicará estado de

frenada de

emergencia.

1.4. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL CONTROL FRENTE A LA

PLANTA. OTRAS SEÑALES DE CONTROL. BANCO DE PRUEBAS

Las características de la planta, determinan muchas de las solicitaciones de la tarjeta

electrónica referente al control. Para fines del presente proyecto se explicará brevemente

su importancia, aunque no se describirán a detalle, ya que entran en el campo de Power

Train, al cual está dedicado un proyecto complementario al presente, por otro miembro

del equipo TU Madrid.

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Es es importante señalar, para los interesados en realizar la programación del

microcontrolador, la imperiosa necesidad de estudiar a fondo por lo menos algunas

características de los componentes que integran el Tren de Potencia como Motores,

Batería y otros sistemas complementarios como el que controlan el aislamiento, de

forma que se permita el diseño adecuados de los algoritmos de control. Se piensa que

los conceptos más importantes a requerir, serían los ensayados en un banco de pruebas,

como podrían ser los siguientes:

Control de par/velocidad

Curva señal de aceleración

Curva de descarga de batería

Curva del corriente consumida por el sistema de tracción.

Otro valor a estudiar es la determinación precisa de las señales de falla del IMD, aun

cuando se encuentren detalladas en su manual técnico de operación. Esto puede hacerse

generando las condiciones de fallo y midiendo las señales de respuesta con un

osciloscopio de gran precisión.

Finalmente en esta sección, bastará iniciar con la definición de bloques de control para

las entradas y salidas del Hardware. En la figura 1.1, se puede apreciar la existencia de

varias señales de entrada provenientes de los sensores de aceleración, de presión,

recorrido y desplazamiento de frenada, de corriente de motor, de estado de interruptores

de inercia e ignición y de estado del IMD, que deben pasar una fase de

acondicionamiento de señal antes de ser entregadas a la ECU. La Unidad electrónica de

control será la responsable del procesamiento de los valores de dichas entradas, por lo

tanto controlará el comportamiento de las salidas del circuito electrónico como son la

activación del circuito de seguridad, envío de señales al controlador de alta potencia de

los motores y otras de advertencia. La planta de este sistema se considera el grupo

motor eléctrico, que entregará su señal de retroalimentación a través de un sensor de

corriente.

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Fig. 1.1 Diagrama de bloques del hardware de control

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1.5. GENERALIDADES DE LOS SENSORES UTILIZADOS

Los sensores son sin duda elementos imprescindibles en este proyecto, permitirán medir

magnitudes físicas como desplazamiento lineal y rotacional, presión, posición,

accionamiento o flujo de corriente. Estas variables serán convertidas a señales eléctricas

que en su debido momento, deberán ser interpretadas por el microcontrolador a través

de sus condiciones de procesamiento. A continuación se hará una descripción de los

tipos empleados para esta aplicación, esperando sea de utilidad a la hora de la puesta en

práctica de este circuito electrónico.

Detección de la posición del pedal del acelerador

Se utiliza un sensor usado en aplicaciones de automoción para la determinación del

ángulo de rotación del estrangulador, que normalmente son montados directamente en

el eje del mismo. Nosotros los utilizaremos solidarios al eje de rotación del pedal del

acelerador, el que partirá de una posición de reposo fijada por el mecanismo y la acción

de unos resortes, hasta un nivel angular máximo según sean los requerimientos que se

tenga en la concepción del vehículo eléctrico.

El principio de funcionamiento es la variación de valor de resistencia, de acuerdo al

ángulo de giro, la caída de tensión entonces será proporcional a la variación angular,

tendremos el mismo efecto en el sensor al otro lado del eje si invertimos la polaridad de

la alimentación como indica el fabricante. Su curva característica se puede apreciar a

continuación:

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Fig. 1.2 Curva característica y vista del Torque encoder

Siendo:

N Característica nominal

T Límite de tolerancia

Ψw Ángulo de rotación

UA Voltaje de Salida

UB Voltaje de alimentación

Sus características generales se resumen en la siguiente tabla:

Tabla 1.7 Características generales Sensor de posición del acelerador

Fabricante Bosch

Principio de funcionamiento Potenciómetro rotacional

Alimentación de Voltaje 5V

Máxima corriente de alimentación 20mA

Medida de grados angulares mecánicos 89

Temperatura de funcionamiento 20 a 180 °C.

Accesorios para el modelo 0 280 122 001 Conector número 1 237 000 039

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Su posicionamiento en el mecanismo del acelerador, se muestra en siguiente figura:

Vista de sensor Vista real

Fig. 1.3 Vista de la posición de los sensores del acelerador

Como parámetro adicional a la descripción, es importante conocer el modelo interno del

sensor para las dos posibles condiciones de polarización del voltaje de alimentación,

tomadas de su hoja de características

Fig. 1.4 Esquema de polarización y modelo interno.

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A la hora del montaje será importante conocer la distribución física de sus pines,

mirando la vista del conector, a continuación se muestra un ejemplo:

Modo 1

Pin 1. Vcc

Pin 2. Gnd

Pin 3. Señal

Modo 2

Pin 1. Gnd

Pin 2. Vcc

Pin 3. Señal

Fig.1.5 Vista del conector y asignación de pines

Detección de la presión del freno

Este tipo de sensores son usados en automoción para aplicaciones de medida en los

motores de combustión de los vehículos, permiten medir la presión del riel en los

sistemas inyección directa de gasolina o en sistemas de inyección diesel de riel común.

También el fabricante recomienda su uso para medida de los sistemas de freno, ya que

no existe ninguna incompatibilidad con este tipo de fluido.

EL principio se base en la variación de la resistencia por deformación de un pequeño

film de polisilicón de su interior que esta acoplado eléctricamente en un arreglo tipo

puente de Wheatstone, cuya señal será amplificada por un circuito integrado que corrige

las características de offset y sensibilidad, permitiendo buena utilización de la señal y

compensación de la temperatura.

En la tabla a continuación se muestran las características mas importantes para su

utilización:

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Tabla 1.8 Características generales sensor de presión

Fabricante Bosch

Principio de funcionamiento Piezo-resistivo

Rango de medición Hasta 250 bar

Presión de ruptura 500 bar


Máxima corriente de alimentación ≤20mA

Corriente de salida -100 uA – 3mA

Temperatura de funcionamiento -40 a 120 °C.

Accesorios para el modelo 0 265005303

Conector número 29676421

A la hora de conectar algún sistema de conversión de su señal el fabricante recomienda

su acoplamiento de la manera mostrada en la figura:

Fig. 1.6 Diagrama de conexión del sensor de presión BOP

Su curva característica, muestra los niveles de voltaje a la salida del sensor para un

determinado valor de presión en el sistema.

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Fig. 1.7 Curva característica y vista del sensor de presión

Siendo:

UA Voltaje de señal a la salida del sensor

VS Voltaje de referencia (Uv)

P Presión del circuito de freno

La distribución del extremo de su conector puede verse apreciada a continuación:

Descripción

Pin 1. GND

Pin 2. Señal

Pin 3. Referencia

Fig. 1.8 Descripción del extremo del conector del BOP

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Detección del recorrido del pedal de freno

El principio de funcionamiento del sensor para este efecto es de tipo potenciómetro de

desplazamiento lineal, está constituido internamente por materiales conductivos de

polímero que han sido probados como excelentes divisores de potencial.

Sus características se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 1.9 Características generales sensor de desplazamiento lineal

Fabricante RS

Principio de funcionamiento Potenciómetro desplazamiento lineal

Rango de medición Desde 0mm hasta 10 mm

Rango de resistencia 500Ω - 10KΩ


Máxima corriente de alimentación 1mA

Tolerancia 2%


Accesorios para el modelo 317-780

No es necesario. Se puede usar

genéricos

A continuación se muestra una vista del sensor, con su descripción de conexión de cada

uno de sus cables:

Fig. 1.9 Vista y descripción de cableado sensor de desplazamiento.

Descripción:

Cable 1. Rojo . Señal

Cable 2. Verde. Referencia

Cable 3. Amarillo. Gnd

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Monitorización de la corriente del sistema

La medida de corriente constituye uno de los mecanismos de protección del grupo

motor, se realiza a través de un sensor que utiliza el principio de efecto hall y es de tipo

inducción electromagnética. Este sensor puede ser usado para medir varios tipos de

corriente como directa, alterna y pulsatoria.

Su tabla característica se muestra a continuación:

Tabla 1.10 Características generales sensor de corriente

Fabricante RoHS

Principio de funcionamiento Efecto Hall, electromagnético

Rango de medición Hasta 300 A

Linealidad ≤m0,5 %


Corriente de consumición 15mA

Tolerancia 1%


Voltaje a Ipn 2,5 +/- 0,6255

Ancho de banda 20 KHz

modelo HL300

No necesita accesorios

Este sensor será capaz de proporcionar una salida dependiendo del nivel de corriente

que circule por el conductor donde esta montado, el valor de 2.5V corresponde a cero

amperes, si es mayor a este, significa que la corriente circula en el sentido de la fecha, al

contrario el valor medido descenderá hasta un mínimo algo mayor que cero. A

continuación se resumen sus características principales:

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Fig. 1.10 Curva característica y vista del sensor de corriente

Siendo:

Ip Corriente primario

Ip+ Flujo en dirección de la fecha de

Vout Voltaje a la salida del sensor

Es necesario observar la figura a continuación a la hora de realizar su conexión a las

entradas del grupo motor.

Fig. 1.11. Vista extremo del conector. Sensor de corriente

Detección de recorrido incorrecto del pedal de freno

Se utiliza para este efecto tipo de sensor de posición, que conmutará sus contactos de

manera diferente para cada una de sus dos posiciones. Se indicará a través de esto,

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cuando el pedal de freno tenga un recorrido o no deseado, provocando la puesta en

apagado del sistema de tracción, esto se realiza abriendo el circuito de seguridad, se

recomienda usar similares al de la figura de tipo SPDT.

Fig. 1.12 Vista del sensor BOT

Detección activación del interruptor de inercia

El vehículo por normativa debe estar equipado con un sensor de inercia. Entre las

características que se piden para este sensor, es que permita ser reseteado por el piloto,

después de su activación. Su conexión eléctrica estará en serie con el circuito de

seguridad. A continuación se muestra la figura del sensor:

Fig. 1.13 Inertia Switch. Sensadata

El dispositivo se activará con aceleraciones de 6g a 11 g, dependiendo de la duración de

la aceleración según su hoja de características, provocando la apertura del circuito de

seguridad. Su montaje a través de tornillos permitirá desmontarlo para las pruebas

estáticas de la competición.

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CAPÍTULO II

II. SELECCIÓN DEL MICROCONTROLADOR PARA LA

APLICACIÓN

2.1. INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES

Existe una gran diversidad de microcontroladores que pueden ser utilizados para esta

aplicación. Realizando una clasificación inicial nos encontramos con las familias de la

gama de 4, 8, 16 ó 32 bits. Si nos referimos a sus prestaciones, los de 16 y 32 bits son

superiores que los de 4 y 8 bits. En realidad, los dispositivos de 8 bits dominan el

mercado, pero los de 4 bits se resisten a desaparecer. Siendo los de 4 y 8 bits apropiados

para la gran mayoría de las aplicaciones.

En cuanto a las técnicas de fabricación, se puede indicar que prácticamente la totalidad

de los actuales microcontroladores se fabrican con tecnología CMOS (Complementary

Metal Oxide Semiconductor), esto trae como resultado una tecnología de bajo consumo

y alta inmunidad al ruido.

2.2. RECURSOS COMUNES A TODOS LOS MICROCONTROLADORES.

Al estar los microcontroladores integrados en un chip, su estructura fundamental y sus

características básicas son muy parecidas. Todos deben disponer de los bloques

esenciales como: Procesador, memorias de datos y de programa, líneas de E/S, oscilador

de reloj y módulos controladores de periféricos. Cada fabricante enfatiza los recursos

más idóneos para las aplicaciones a las que se destinan preferentemente.

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2.3. ARQUITECTURA BÁSICA

Estos dispositivos inicialmente adoptaron la arquitectura clásica de Von Neumann, pero

actualmente se impone la arquitectura Harvard. La arquitectura de Von Neumann se

caracteriza por disponer de una sola memoria principal donde se almacenan datos e

instrucciones de forma indistinta. A dicha memoria se accede a través de un sistema de

buses único (direcciones, datos y control). La ventaja de la arquitectura Harvard es que

dispone de dos memorias independientes, una que contiene sólo instrucciones y otra,

sólo datos. Ambas disponen de sus respectivos sistemas de buses de acceso y es posible

realizar operaciones de acceso (lectura o escritura) simultáneamente en ambas

memorias, esto se puede apreciar gráficamente a continuación:

Fig. 2.1 Arquitectura Harvard del microcontrolador

2.3.1. EL PROCESADOR o CPU

Es el elemento más importante del microcontrolador y determina sus principales

características, tanto a nivel hardware como software. Se encarga de direccionar la

memoria de instrucciones, recibir el código de la instrucción en curso, además de su

decodificación y la ejecución, como también de la búsqueda de los operandos y el

almacenamiento del resultado.

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Existen tres orientaciones en cuanto a la arquitectura y funcionalidad de los

procesadores actuales.

CISC: Un gran número de procesadores usados en los microcontroladores están basados

en la filosofía CISC (Computadores de Juego de Instrucciones Complejo). Disponen de

más de 80 instrucciones máquina en su repertorio, algunas de las cuales son muy

sofisticadas y potentes, requiriendo muchos ciclos para su ejecución. Una ventaja de los

procesadores CISC es que ofrecen al programador instrucciones complejas que actúan

como macros.

RISC: Tanto la industria de los computadores comerciales como la de los

microcontroladores están decantándose hacia la filosofía RISC (Computadores de Juego

de Instrucciones Reducido). En estos procesadores el repertorio de instrucciones

máquina es muy reducido y las instrucciones son simples y, generalmente, se ejecutan

en un ciclo. La sencillez y rapidez de las instrucciones permiten optimizar el hardware

y el software del procesador.

SISC: En los microcontroladores destinados a aplicaciones muy concretas, el juego de

instrucciones, además de ser reducido, es "específico", o sea, las instrucciones se

adaptan a las necesidades de la aplicación prevista. Esta filosofía se ha bautizado con el

nombre de SISC (Computadores de Juego de Instrucciones Específico).

2.3.2. MEMORIA

En los microcontroladores la memoria de instrucciones y datos está integrada en el

propio chip. Una parte debe ser no volátil, tipo ROM, y se destina a contener el

programa de instrucciones que gobierna la aplicación. Otra parte de memoria será tipo

RAM, volátil, y se destina a guardar las variables y los datos.

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Hay dos peculiaridades que diferencian a los microcontroladores de los computadores

personales, la primera es que no existen sistemas de almacenamiento masivo. Como el

microcontrolador sólo se destina a una tarea en la memoria ROM, requiere de

almacenar un único programa de trabajo.

La RAM en estos dispositivos es de poca capacidad pues sólo debe contener las

variables y los cambios de información que se produzcan en el transcurso del programa.

Por otra parte, como sólo existe un programa activo, no se requiere guardar una copia

del mismo en la RAM pues se ejecuta directamente desde la ROM.

Estos integrados trabajan habitualmente con capacidades de memoria ROM

comprendidas entre 512 bytes y 8 Kbytes y de RAM comprendidas entre 20 y 512

bytes. Según el tipo de memoria ROM que se disponga, la aplicación y utilización de

los mismos es diferente. Se describen las cinco versiones de memoria no volátil que se

pueden encontrar en los microcontroladores del mercado:

ROM con máscara

Es una memoria no volátil de sólo lectura cuyo contenido se graba durante la

fabricación del chip. El elevado coste del diseño de la máscara sólo la hace aconsejable

el empleo de los microcontroladores con este tipo de memoria, cuando se precisan

cantidades superiores a varios miles de unidades.

OTP

El microcontrolador contiene una memoria no volátil de sólo lectura "programable una

sola vez" por el usuario o OTP (One Time Programmable). Es el usuario entonces,

quien puede escribir el programa en el chip mediante un sencillo grabador controlado

por un programa desde un PC. OTP es recomendable cuando es muy corto el ciclo de

diseño del producto, o bien, en la construcción de prototipos y series muy pequeñas.

- 29 -

Tanto en este tipo de memoria como en la EPROM, se suele usar la encriptación

mediante fusibles para proteger el código contenido.

EPROM

Los microcontroladores que disponen de memoria EPROM (Erasable Programmable

Read OnIy Memory) pueden borrarse y grabarse muchas veces. La grabación se realiza,

como en el caso de los OTP, con un grabador gobernado desde un PC. Si

posteriormente, se desea borrar el contenido, disponen de una ventana de cristal en su

superficie por la que se somete a la EPROM a rayos ultravioleta durante varios minutos.

Las cápsulas son de material cerámico y son más caros que los microcontroladores con

memoria OTP que están hechos con material plástico.

EEPROM

Se trata de memorias de sólo lectura, programables y borrables eléctricamente

EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read OnIy Memory). Tanto la

programación como el borrado, se realizan eléctricamente desde el propio grabador y

bajo el control programado de un PC. Es muy cómoda y rápida la operación de grabado

y la de borrado. No disponen de ventana de cristal en la superficie.

Los microcontroladores dotados de memoria EEPROM una vez instalados en el

circuito, pueden grabarse y borrarse muchas veces sin ser retirados de dicho circuito,

simplemente hay que dotarles de un medio de comunicación adecuada con el grabador.

Generalmente se utilizan "grabadores en circuito" que confieren una gran flexibilidad y

rapidez a la hora de realizar modificaciones en el programa de trabajo, bastaría con

desmontar el PIC de un zócalo para colocarlo en el dispositivo.

El número de veces que puede grabarse y borrarse una memoria EEPROM es finito, por

lo que no es recomendable una reprogramación continúa. Son muy idóneos para la

enseñanza y la Ingeniería de diseño.

- 30 -

FLASH

Se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar.

Funciona como una ROM y una RAM pero consume menos y es más pequeña. A

diferencia de la ROM, la memoria FLASH es programable en el circuito. Es más rápida

y de mayor densidad que la EEPROM.

La alternativa FLASH está recomendada frente a la EEPROM cuando se precisa gran

cantidad de memoria de programa no volátil. Es más veloz y tolera más ciclos de

escritura/borrado. Las memorias EEPROM y FLASH son muy útiles al permitir que los

microcontroladores que las incorporan puedan ser reprogramados "en circuito", es decir,

sin tener que sacar el circuito integrado de la tarjeta.

2.3.3. PUERTAS DE ENTRADA Y SALIDA

La principal utilidad de las patitas que posee el encapsulado que contiene un

microcontrolador es soportar varias las líneas de E/S para comunicar al procesador

interno con los periféricos exteriores. Según el número de controladores de periféricos

que posea cada modelo de microcontrolador, las líneas de E/S se destinan a

proporcionar el soporte a las señales de entrada, salida y control.

2.3.4. RELOJ PRINCIPAL

Todos los microcontroladores requieren de un circuito oscilador que genere una onda

cuadrada de alta frecuencia, que configura los impulsos de reloj usados en la

sincronización de todas las operaciones del sistema.

El circuito de reloj puede estar está incorporado en el microcontrolador y sólo se

necesitan unos pocos componentes exteriores para seleccionar y estabilizar la frecuencia

de trabajo. Dichos componentes suelen consistir en un cristal de cuarzo junto a

elementos pasivos o bien un resonador cerámico o una red R-C.

- 31 -

2.3.5. RECURSOS ESPECIALES

Cada fabricante oferta numerosas versiones de una misma arquitectura básica de

microcontrolador. En algunas de ellas, se amplía las capacidad de las memorias, en otras

incorpora nuevos recursos, en otras reduce las prestaciones al mínimo para aplicaciones

muy simples, etc. La labor del diseñador será encontrar el modelo mínimo que satisfaga

todos los requerimientos de su aplicación. De esta forma, minimizará el coste, el

hardware y el software.

Los principales recursos específicos que incorporan los microcontroladores son:

• Temporizadores o "Timers".

• Perro guardián o "Watchdog".

• Protección ante fallo de alimentación o "Brownout".

• Estado de reposo o de bajo consumo.

• Conversor A/D.

• Conversor D/A.

• Comparador analógico.

• Modulador de anchura de impulsos o PWM.

• Puertas de E/S digitales.

• Puertas de comunicación.

Temporizadores o "Timers"

Se emplean para controlar periodos de tiempo (temporizadores) y para llevar la cuenta

de acontecimientos que suceden en el exterior (contadores). Para la medida de tiempos

se carga un registro con el valor adecuado y a continuación dicho valor se va

incrementando o decrementando al ritmo de los impulsos de reloj o algún múltiplo hasta

que se desborde y llegue a 0, momento en el que se produce un aviso.

- 32 -

Cuando se desean contar acontecimientos que se materializan por cambios de nivel o

flancos en alguna de las patitas del microcontrolador, el mencionado registro se va

incrementando o decrementando al ritmo de dichos impulsos.

Perro guardián o "Watchdog"

Un microcontrolador funciona sin el control de un supervisor y de forma continua las 24

horas del día. El Perro guardián consiste en una aplicación que posee un temporizador

que, cuando se desborda y pasa por 0, en el caso que el programa se encuentre colgado,

provoca un reset automático en el sistema.

Se debe diseñar el programa de trabajo que controla la tarea de forma que refresque o

inicialice al Perro guardián antes de que se provoque el reset. Si falla el programa o se

bloquea, no se refrescará al Perro guardián y, al completar su temporización, "ladrará y

ladrará" hasta provocar el reset.

Protección ante fallo de alimentación o "brownout"

Se trata de un circuito que resetea al microcontrolador, cuando el voltaje de

alimentación (VDD) es inferior a un voltaje mínimo ("brownout"). Mientras el voltaje

de alimentación sea inferior al de brownout el dispositivo se mantiene reseteado,

comenzando a funcionar normalmente cuando sobrepasa dicho valor.

Estado de reposo ó de bajo consumo

Son amplias las situaciones reales de trabajo en que el microcontrolador debe esperar,

sin hacer nada, a que se produzca algún acontecimiento externo que le ponga de nuevo

en funcionamiento. Para ahorrar energía, (factor clave en los aparatos portátiles), los

PICs disponen de una instrucción especial (SLEEP), que permite pasar al estado de

reposo o de bajo consumo, en el cual los requerimientos de potencia son mínimos. En

dicho estado se detiene el reloj principal y se "congelan" sus circuitos asociados,

quedando sumido en un profundo sueño. Al activarse una interrupción ocasionada por el

acontecimiento esperado, se despierta y reanuda su trabajo.

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Conversor A/D (CAD)

Los microcontroladores que incorporan un Conversor A/D (Analógico/Digital) pueden

procesar señales analógicas, tan abundantes en las aplicaciones. Suelen disponer de un

multiplexor que permite aplicar a la entrada del CAD diversas señales analógicas desde

las patitas del circuito integrado.

Conversor D/A (CDA)

Transforma los datos digitales obtenidos del procesamiento del computador en su

correspondiente señal analógica que saca al exterior por una de las patitas de la cápsula.

Existen muchos efectores que trabajan con señales analógicas.

Comparador Analógico

Algunos modelos de microcontroladores disponen internamente de un Amplificador

Operacional que actúa como comparador entre una señal fija de referencia y otra

variable que se aplica por una de las patitas de la cápsula. La salida del comparador

proporciona un nivel lógico 1 ó 0 según una señal sea mayor o menor que la otra.

También hay modelos de microcontroladores con un módulo de tensión de referencia

que proporciona diversas tensiones de referencia que se pueden aplicar en los

comparadores.

Modulador de anchura de impulsos OPWM

Son circuitos que proporcionan en su salida impulsos de anchura variable, que se

ofrecen al exterior a través de las patitas del encapsulado.

Puertos de E/S digitales

Todos los microcontroladores destinan algunas de sus patitas a soportar líneas de E/S

digitales. Por lo general, estas líneas se agrupan de ocho en ocho formando Puertos.

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Las líneas digitales de los Puertos pueden configurarse como Entrada o como Salida

cargando un 1 ó un 0 en el bit correspondiente de un registro destinado a su

configuración.

Puertos de comunicación

Con objeto de dotar al microcontrolador de la posibilidad de comunicarse con otros

dispositivos externos, otros buses de microprocesadores, buses de sistemas, buses de

redes y poder adaptarlos con otros elementos bajo otras normas y protocolos. Algunos

modelos disponen de recursos que permiten directamente esta tarea, entre los que

destacan:

UART, adaptador de comunicación serie asíncrona.

USART, adaptador de comunicación serie síncrona y asíncrona

Puerta paralela esclava, para poder conectarse con los buses de otros

microprocesadores.

USB (Universal Serial Bus), que es un moderno bus serie para los PC.

Bus I2C, que es un interfaz serie de dos hilos desarrollado por Philips.

CAN (Controller Area Network), para permitir la adaptación con redes de

conexionado multiplexado desarrollado conjuntamente por Bosch e Intel para el

cableado de dispositivos en automóviles. En EE.UU. se usa el J185O.

2.3.6. HERRAMIENTAS PARA EL DESARROLLO DE APLICACIONES.

Uno de los factores que más importancia tiene a la hora de seleccionar un

microcontrolador, es el soporte tanto software como hardware de que dispone. Un buen

conjunto de herramientas de desarrollo puede ser decisivo en la elección, ya que pueden

suponer una ayuda inestimable en el desarrollo del proyecto. Entre estas señalamos:

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Placas de evaluación

Se trata de pequeños sistemas con un microcontrolador ya montado y que suelen

conectarse a un PC, desde aquel se cargan los programas que se ejecutan en el

microcontrolador. Las placas suelen incluir visualizadores LCD, teclados, LEDs, fácil

acceso a los pines de E/S, etc. El sistema operativo de la placa recibe el nombre de

programa monitor. El programa monitor de algunas placas de evaluación, aparte de

permitir cargar programas y datos en la memoria del microcontrolador, puede permitir

en cualquier momento realizar ejecución paso a paso, monitorizar el estado del

microcontrolador o modificar los valores almacenados los registros o en la memoria.

Emuladores en circuito

Se trata de un instrumento que se coloca entre el PC anfitrión y el zócalo de la tarjeta de

circuito impreso donde se alojará el microcontrolador definitivo. El programa es

ejecutado desde el PC, pero para la tarjeta de aplicación es como si lo hiciese el mismo

microcontrolador que luego irá en el zócalo. Presenta en pantalla toda la información tal

y como luego sucederá cuando se coloque la cápsula.

Depuradores: Debido a que los microcontroladores van a controlar dispositivos físicos,

los desarrolladores necesitan herramientas que les permitan comprobar el buen

funcionamiento del microcontrolador cuando es conectado al resto de circuitos.

Simuladores: Son capaces de ejecutar en un PC programas realizados para el

microcontrolador. Los simuladores permiten tener un control absoluto sobre la

ejecución de un programa, siendo ideales para la depuración de los mismos. Su gran

inconveniente es que es difícil simular la entrada y salida de datos del microcontrolador.

Tampoco cuentan con los posibles ruidos en las entradas, pero, al menos, permiten el

paso físico de la implementación de un modo más seguro y menos costoso, puesto que

ahorraremos en grabaciones de chips para la prueba in-situ.

- 36 -

2.3.7. LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN.

Como lenguajes de programación se detallan a continuación los dos mas importantes:

Ensamblador

La programación en lenguaje ensamblador puede resultar un tanto ardua para el

principiante, pero permite desarrollar programas muy eficientes, ya que otorga al

programador el dominio absoluto del sistema. Los fabricantes suelen proporcionar el

programa ensamblador de forma gratuita y en cualquier caso siempre se puede encontrar

una versión gratuita para los microcontroladores más populares.

Compilación en alto nivel.

La programación en un lenguaje de alto nivel (como el C ó el Basic) permite disminuir

el tiempo de desarrollo de un producto. No obstante, si no se programa con cuidado, el

código resultante puede ser mucho más ineficiente que el programado en ensamblador.

Las versiones más potentes suelen ser muy caras, aunque para los microcontroladores

más populares pueden encontrarse versiones demo limitadas e incluso compiladores

gratuitos.

2.4. SELECCIÓN DEL MICROCONTROLADORES PARA EL HARWARE DE

CONTROL DEL VEHICULO ELÉCTRICO

Antes de seleccionar un microcontrolador es imprescindible analizar los requisitos de la

aplicación como se ha mencionado en el capítulo I. La selección para el empleo en el

diseño concreto se basará en varios factores, como la documentación, herramientas de

desarrollo disponibles hasta su precio. También se tomará en cuenta la cantidad de

fabricantes que lo producen y por supuesto las características del microcontrolador (tipo

de memoria de programa, número de temporizadores, interrupciones, etc.), a

continuación se hará una descripción de las más importantes:

- 37 -

Documentación disponible.

Los fabricantes de microcontroladores entregan una gran cantidad de información de

forma gratuita, como es el caso de Microchip, cuya documentación usaremos para esta

aplicación. Además existe gran cantidad de autores que inclinados por la aplicación de

los PICs, tanto a nivel industrial como de enseñanza, han redactado múltiples fuentes de

consulta sobre temas relacionados con este mundo apasionante del control.

Costos.

Los fabricantes de microcontroladores compiten diariamente para vender sus productos,

por lo que su precio es bastante accesible.

Aplicación.

Antes de seleccionar un microcontrolador es imprescindible analizar los requisitos de la

aplicación, como se muestra a continuación

Procesamiento de datos: Puede ser necesario que el microcontrolador realice cálculos

críticos en un tiempo limitado. En ese caso debemos asegurarnos de seleccionar un

dispositivo suficientemente rápido para ello. Por otro lado, habrá que tener en cuenta la

precisión de los datos a manejar: si no es suficiente con un microcontrolador de 8 bits,

puede ser necesario acudir a microcontroladores de 16 ó 32 bits, o incluso a hardware de

coma flotante. Una alternativa más barata y quizá suficiente es usar librerías para

manejar los datos de alta precisión.

Entrada Salida: para determinar las necesidades de Entrada/Salida del sistema es

conveniente dibujar un diagrama de bloques del mismo, de tal forma que sea sencillo

identificar la cantidad y tipo de señales a controlar. Una vez realizado este análisis

puede ser necesario añadir periféricos hardware externos o cambiar a otro

microcontrolador más adecuado a ese sistema.

- 38 -

Consumo: algunos productos que incorporan microcontroladores están alimentados con

baterías. Lo más conveniente en un caso como éste, puede ser que el microcontrolador

esté en estado de bajo consumo pero que despierte ante la activación de una señal (una

interrupción) y ejecute el programa adecuado para procesarla.

Memoria: para detectar las necesidades de memoria de nuestra aplicación debemos

separarla en memoria volátil (RAM), memoria no volátil (ROM, EPROM, etc.) y

memoria no volátil modificable (EEPROM). Este último tipo de memoria puede ser útil

para incluir información específica de la aplicación como un número de serie o

parámetros de calibración.

Ancho de palabra: el criterio de diseño debe ser seleccionar el microcontrolador de

menor ancho de palabra que satisfaga los requerimientos de la aplicación. Usar uno de

4 bits supondrá una reducción en los costes importante, mientras que uno de 8 bits

puede ser el más adecuado si el ancho de los datos es de un byte. Los

microcontroladores de 16 y 32 bits, debido a su elevado coste, deben reservarse para

aplicaciones que requieran sus altas prestaciones (Entrada/Salida potente o espacio de

direccionamiento muy elevado).

Diseño de la placa: la selección de un microcontrolador concreto condicionará el

diseño de la placa de circuitos. Debe tenerse en cuenta que quizá usar un integrado

barato encarezca el resto de componentes del diseño. Los más populares se encuentran,

sin duda entre los fabricados por la empresa Microchip, que cuenta con innumerables

familias en el mercado, algunas de las cuales poseen un gran número de variantes para

sus aplicaciones.

- 39 -

2.4.1. JUSTIFICACIÓN DE LA SELECCIÓN DEL PIC 18F4680

Vistos los criterios de selección del microcontrolador se procedió a seleccionar el PIC

18F4680, el mismo que pertenece a la familia de la gama media, aunque su arquitectura

es de 8 Bit, cuenta con posee 40 patitas en su encapsulado.

Las razones principales que nos llevan a su selección se resumen a continuación:

Cantidad de puertos de entrada y salida: este PIC soporta todas las entradas y salidas

para los componentes presentados en el Capitulo I de este proyecto.

Usa como lenguaje de programación C: que permite tener poco una carga pequeña

relacionada con el tamaño del programa y el tiempo de instrucción. Permitiéndonos,

implementar programas más extensos, por ejemplo si se quiere trabajar en el mapping

para el control del Potencia del vehículo. Además de esto, existen buenos compiladores

disponibles y se cuenta con varios medios de información sobre la configuración y

manejo de instrucciones al momento de programar.

Pertenece a una familia de altas prestaciones 18XXX: es muy reconocido por los

diseñadores, posee una Pila de 32 Niveles, múltiples buses e instrucciones (16 Bits con

77 instrucciones). Además, posee también un CA/D, que se puede multiplexar con sus

11 canales. La conversión la realiza a 10 bits, lo que significa que posee mayor

precisión que un micro de 8 bits para este fin. Para nuestra aplicación es importante

contar con varias líneas de entradas analógicas.

La posibilidad de comunicarse con otros dispositivos: posee conectividad con CAN, a

través de un módulo denominado ECAN, con rangos de Mensajes de 10Mbps, además,

se puede conectar con LIN. Para futuras aplicaciones en el vehículo eléctrico, se ha

discutido con los miembros de equipo de la SAE Electric, TU Madrid, la posibilidad de

trabajar con un nuevo sistema del controlador de Potencia del grupo motor, que

- 40 -

remplace al actualmente implementado llamado Kelly Controler, por otro de mejores

prestaciones que adicionalmente se pueda comunicar con el micro a través de este

protocolo.

Capacidad de ensayo de distintos programas: su memoria FLASH es capaz de soportar

1.000.00 de ciclos de escritura y borrado, por lo que serviría para desarrollo de software

de control.

Debe proporcionar salidas analógicas: aunque su diseño no este establecido para este

fin, cuenta con características como un módulo CCP para captura, comparación y

modulación por ancho de pulso. Además, existen dispositivos electrónicos que

permiten el cambio de frecuencia a voltaje.

Alta velocidad de procesamiento: puede conectarse a un cristal de 40 MHz, lo que

garantiza un nivel de procesamiento rápido, además se puede trabajar en su programa

con la configuración de cuatro Timers, uno de 8 bits y 3 de 16 bits. Por ejemplo un

PIC18F4680 funciona en 10 MHz, le corresponde un ciclo de instrucción de 400ns,

puesto que cada instrucción tarda en ejecutarse cuatro periodos de reloj, o sea se tiene

4x100ns = 400ns. Todas las instrucciones del PIC se realizan en un ciclo de instrucción,

menos las de salto, que tardan el doble.

A continuación se muestra una tabla comparativa con otros de su misma gama, siendo

éste el de mayores prestaciones con respecto a la memoria de programa y de datos.

Tabla 2.1 Características de modelos de la Gama 18FXXXX

- 41 -

2.4.2. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL MODELO

A continuación se enunciaran algunas de las características generales comentadas, y

otras específicas desde la perspectiva de acoplamiento eléctrico al resto de elementos,

que van hacer diseñados en el capítulo siguiente. Advertimos también la necesidad de

ampliar esta información con más detalle, si se desean conocer otras especificaciones

para la elaboración del programa de control que sale fuera de los fines de este proyecto.

Como resumen de sus características generales, se presenta la siguiente tabla:

Tabla 2.2 Características generales del PIC 18F4680.

Memoria de programa: Flash 64kB 32Kwords

Memoria de datos RAM: 3328 byte

Memoria de datos EEPROM: 1024 byte

Interrupciones 10 tipos diferentes

Juego de instrucciones 77

Encapsulado Plástico, DIP 40

Líneas de e/s digitales 36

Frecuencia de trabajo 40 MHz máxima

Temporizadores 1 x 8 bit, 3 x 16 bit

Comparadores 2

Entradas analógicas 11

Conectividad ECAN, LIN

Voltaje en cualquier pin con respecto a

Vss (excepto Vdd y Mclr)

-0.3v to (Vdd + 0.3V)

Voltaje sobre Vdd con respecto a Vss -0.3v to +7.5 V

Voltaje sobre Mclr con respecto a Vss 0v to +13.25 V

Disipación total de potencia 1.0 W

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Máxima corriente de salida de pin Vss 300 mA

Máxima corriente de entrada al pin

Vdd

250 mA

Máxima corriente de entrada o salida

cualquier pin E/S

25 mA

Máxima corriente soportada o

suministrada por todos los puertos

200 mA

Temperatura ambiente sobre las vías -40°c to +125°C

Temperatura de almacenamiento -65°c to +150°C

2.4.3 UTILIZACIÓN EN EL CIRCUITO DE CONTROL

Para la presente aplicación, es necesario visualizar una posible asignación de funciones

para cada terminal del microcontrolador, lo que dará características especiales a cada

puerto y a cada pin del encapsulado. Toda la información de este integrado se encuentra

disponible en la hoja característica que proporciona de forma gratuita el fabricante.

Para fines descriptivos de esta memoria, se cree oportuno realizar una tabulación de

todas las entradas y salidas que se espera soportar con este integrado.

En la figura se puede apreciar la distribución de sus puertos de entrada, con sus pines

respectivamente numerados y señalados con siglas correspondientes a sus características

funcionales.

- 43 -

Fig. 2.2 Vista diagrama de distribución de pines. PIC 18F4680

A continuación se finaliza este capítulo, con el detalle de la distribución de terminales a

los distintos componentes del Hardware, mostrado en las en las siguientes tablas:

Tabla 2.3 Selección de canales analógicos para el CAD

Entrada Pin correspondiente

Analógica del sensor 1, acelerador 2. PortA, RA0,AN0

Analógica del sensor 2, monitoreo de aceleración 3. PortA, RA1, AN1

Analógica sensor de desplazamiento, freno 4. PortA, RA2, AN2

Analógica sensor de sobrepresión, freno 5. PortA, RA3, AN3

Analógica sensor de corriente, grupo motor 7. PortA, RA5,AN4

Analógica monitoreo de corto a positivo, corto a

GND, fuera de rango, desconexión sensor 1,

acelerador

8. PortE, RE0, AN5

Analógica monitoreo de corto a positivo, corto a

GND, fuera de rango, desconexión sensor 2,

acelerador

9. PortE, RE1, AN6

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Tabla 2.4 Selección entradas digitales


Entrada monitoreo, activación del freno 16. PortC, RC1,T1OSI

Senal para monitoreo del IMD 17. PortC, RC2,T1OSI

Detección de Activación Inertia Switch 33. PortB, RB0, INT0

Detección de Activación Ignition Switch 34. PortB, RB1, INT1

Tabla 2.5 Selección salidas digitales


Activación 1, Circuito de Seguridad 15. PortC,

RC0,T1OSO

Activación 2. circuito de seguridad 17. PortC, RC2, CCP1

Pin de medida externa 26. PortC, RC7, RX,

DT

TSOUND 28. PortD, RD5, P1B

Digital pulsante, salida de frecuencia, indicación

de aceleración

27. PortD, RD4, P1A

Digital pulsante, salida de frecuencia, indicación

de freno regenerativo

29. PortD, RD6,P1A

Indicación luminosa BOT 17. PortC, RC2,

Indicación luminosa BOP 18. PortC, RC3,

Indicación luminosa IMD 23. PortC, RC4,

Indicación luminosa INERTIA 24. PortC, RC5,

Indicación fallo acelerador 25. PortC, RC6,

Canal de comunicación 36. PortB, RB3,

CANRX

Canal de comunicación 35. PortB, RB2,

CANTX

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CAPÍTULO III

III. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS PARA LA APLICACIÓN

En esta sección se hará una descripción de los circuitos electrónicos aplicados al

control de funciones de entrada/salida específicas para el vehículo de competición tipo

FSAE Electric. El circuito de la aplicación estará definido como hardware, por la

integración de todos aquellos arreglos de componentes en la periferia del

microcontrolador, capaces de suministrar alimentación, adecuadas señales para ser

monitorizadas durante el procesamiento de las entradas y además un nivel limitado de

carga para sus salidas, con la finalidad de cumplir eficientemente los requerimientos

solicitados sin sobrepasar los valores máximos de las especificaciones del PIC en

ninguno de ninguno de sus terminales.

A continuación se generaliza por separado cada uno de los bloques que integrarán el

circuito, así como sus características especiales:

3.1. CIRCUITOS DE PROTECCIÓN

Control de corto circuito

Todos los circuitos del vehículo reciben la alimentación de un convertidor DC/DC, que

pasa primeramente por una caja de fusibles, similar a las implementadas en los

vehículos por las Industrias de Automoción, aunque también se podrían usar fusibles de

línea dentro del circuito.

La selección de esta protección estará relacionada con el calibre de alambre más

delgado según el estándar AWG, la pista más delgada del PCB o el componente más

sensible a la elevación de corriente.

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A continuación se muestra el esquema general de protección contra cortocircuito, en la

siguiente figura:

Fig. 3.1 Protección contra cortocircuito

Protección contra inversión de polaridad.

En este apartado ha sido utilizada una solución compuesta de un arreglo muy simple,

usando las características de funcionamiento de un diodo de silicio, que nos permite

que circular corriente solamente en un estado de polarización y evita daños a los

elementos del circuito en polarización inversa, especialmente para evitar errores de

conexión en pruebas externas o remplazo de cableado dentro del vehículo.

El circuito recibe la alimentación del convertidor DC/DC, pasando a través de un fusible

como entrada los reguladores de tensión, encargados de alimentar a los demás

componentes del circuito.

Fig. 3.2 Circuito protección inversión de polaridad

- 47 -

3.2. CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN DE ENERGÍA

Dentro de cualquier aplicación electrónica, existen dispositivos que nos exigen

determinados niveles de voltaje para su operación normal, en nuestro caso a más de

alimentar un microcontrolador, debemos alimentar otros integrados para el

acondicionamiento de señal y la conversión D/A, además de generar alimentación

independiente a los distintos sensores montados en el vehículo.

En el mercado existen numerosos integrados que permiten realizar estas aplicaciones, a

continuación se muestran los circuitos utilizados para esta función con una breve

descripción de los mismos:

Fuente de alimentación de 5V.

Se disponen de dos circuitos fuente, para obtener salidas independientes tanto para el

voltaje de alimentación del PIC como para la referencia de los sensores. Se ha utilizado

un integrado 7805, cuyas características esenciales a cuidar son el nivel máximo y

mínimo de voltaje de entrada, la corriente y la disipación de potencia. A continuación se

resumen sus principales características:

Tabla 3.1 Características generales del IC 7805

Voltaje de salida: +5VDC

Voltaje de entrada 7-25 VDC

Corriente máxima de salida 1 A

Tipo de encapsulado: TO-220

A continuación se muestra un circuito implementado, donde adicionalmente se utiliza

un arreglo de condensadores, necesarios para eliminar ruidos si la fuente esta lejos del

regulador y estabilizar la señal a la salida del mismo, existe también un diodo colocado

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entre salida y la entrada del 7805, cuya función es evitar que se descargue el

condensador de 0,1uF, cuando se desconecte la alimentación del circuito.

En la aplicación cuenta con dos circuitos fuente de 5v, que poseerán de manera

independientemente una indicación luminosa que permanecerá encendida cuando se

está alimentado a los sensores o al microcontrolador, esto facilita el rápido diagnostico

de producirse algún inconveniente.

Fig. 3.3 Fuente fija 5V, para el microcontrolador

Fig. 3.4 Fuente fija 5V, para referencia a los sensores

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Fuente de alimentación de 12V.

Este circuito fuente también utiliza un regulador de voltaje de tres terminarles, las

características del de circuito son similares a las usadas con la fuente de 5V. Ésta

alimentación es necesaria para la utilización de los circuitos integrados que usamos

para acondicionamiento de señal, como para la conversión de frecuencia a voltaje para

el control de aceleración o frenada. La tabla que se muestra, resume a continuación las

características generales de este encapsulado.

Tabla. 3.2 Características generales del IC 7812

Voltaje de salida: +12VDC

Voltaje de entrada 14-35 VDC

Corriente máxima de salida 1 A

Tipo de encapsulado: TO-220

A continuación se muestra el circuito fuente de 12V.

Fig. 3.5 Fuente Fija de 12V con IC.

- 50 -

3.3. CIRCUITO DE REJOJ

El circuito de oscilación corresponde al recomendado por el fabricante del

microcontrolador, para aplicaciones de oscilador externo, nos permite establecer cual va

ha ser el tiempo de ciclo del procesamiento del programa que se diseñará por otro

grupo de profesionales para esta aplicación.

La selección del cristal viene dada con la selección de los capacitores cerámicos, que

permiten estabilizar la oscilación en todo momento, usando el valor recomendado por la

por la hoja técnica del PIC, usamos para un cristal de 10Mhz, dos condensadores de

22pf. La figura a continuación muestra el esquema de su conexión, también permite

observar que el micro se ha conectado en sus terminales de alimentación a otros dos

capacitores, para evitar la presencia de ruidos que afecten a su normal funcionamiento.

A la hora de construir el PCB hay que tener especial cuidado de montarlos cerca del

dispositivo que se quiere aislar.

Fig. 3.6 Circuito Oscilador externo y filtrado de interferencias

- 51 -

3.4. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES DE ENTRADA

Detección de la petición de aceleración

Para esta característica del hardware, de manera inicial se ha procedido ha realizar dos

tipos de ensayos en el Laboratorio en el Área de electrónica del INSIA, con la

finalidad de verificar las curvas de funcionamiento y observar la variación de voltaje y

resistencia en distintas condiciones como son:

Ensayo de la Variación de Resistencia con y sin carga

Ensayo de la Variación del Voltaje con y sin carga

Se ha usado como alimentación de los sensores una fuente de alimentación de precisión

regulada a 5V.

Las tablas y figuras a continuación han sido realizadas utilizando el valor mínimo y el

valor máximo medido, al tratarse de un sensor lineal. Luego se ha comprobado su

linealidad experimentalmente con valores arbitrarios con resultados favorables.

Todos los datos han sido medidos con equipos de medición de gran precisión y

adecuadas condiciones de calibración, también se ha establecido en forma de tanto por 1

la correspondencia de la posición del acelerador a través de gráficas usando Excel, éstas

serán de utilidad para el programador a la hora de diseñar sus algoritmos

Tabla 3.3 Valores medidos del sensor con RL

Coeficiente angular %/100 0 1

Resistencia Kohmios 0,817 1,551

- 52 -

Fig. 3.7 Resistencia vs. Coeficiente de apertura. Con RL

Tabla 3.4 Valores medidos del sensor sin RL


Resistencia Kohmios 0,89 1,837

Fig. 3.8 Resistencia vs. Coeficiente de apertura. Sin RL

- 53 -

El segundo ensayo muy similar pero se mide el voltaje energizando la entrada del sensor

con 5V y conectando la referencia a GNG, de lo cual se obtiene los siguientes

resultados:

Tabla 3.5 Voltaje medido a la salida del sensor con RL


Voltaje Voltios 0,192 3,67

Fig. 3.9 Voltaje vs. Coeficiente de apertura. Con RL

Tabla 3.6 Voltaje medido a la salida del sensor sin RL

Coeficiente angular % 0 1

Voltaje Voltios 0,209 4,05

- 54 -

Fig. 3.10 Voltaje vs. Coeficiente de apertura. Sin RL

Para nuestra aplicación, la utilización de estas curvas de acuerdo al ángulo mecánico

que se de al pedal del acelerador, nos permiten determinar en todo momento la posición

exacta a la que se encuentra, por lo tanto el requerimiento de aceleración. A manera de

explicación diremos que el ángulo máximo de este sensor es 89 grados y corresponde al

coeficiente 1, el ángulo mínimo es 0 grados y corresponde al valor cero, bastaría con

medir el voltaje de salida y multiplicar el coeficiente por el ángulo máximo para

determinar cuantos grados a girado el acelerador con la siguiente fórmula:

Angulo de giro= Coeficiente x Ángulo Máximo Ecuación 3.1

Frente al circuito de acondicionamiento de señal, se determina mecánicamente que el

máximo ángulo real de giro será de 30 grados, por lo que el voltaje máximo a la salida

del acondicionamiento de señal será cercano a esta condición. Calculamos el coeficiente

para determinar el valor del coeficiente y su correspondiente medida de voltaje en esta

posición.

Coeficiente = (30 grados/ 89 grados totales) = 0.33 %/100

- 55 -

En base a este valor se decide no utilizar la resistencia de carga para agrandar el voltaje

de funcionamiento que será de 0.24 V hasta 1.5 V (30 grados) y realizar un

acondicionamiento de señal cercano a 5V de valor máximo para este ángulo.

Por lo anterior se utiliza en esta aplicación un circuito restador con ganancia utilizando

amplificadores operacionales, para lo cual hay que determinar el valor la relación

R2/R1, de la configuración básica que se muestra a continuación:

Fig. 3.11 Esquema básico del restador

La ecuacion a emplear para calcular el voltaje de salida Vout, es la siguiente:

Vout = (R2/R1) (V2-V1) Ecuación 3.2

Según nuestras condiciones R2/R1=4.3 igual para ambos sensores, para valores a 1.8

Voltios de entrada tendremos una salida que será limitada con un regulador.

- 56 -

Es necesario ahora, realizar un diagrama de bloques desde la salida de la señal de ambos

sensores, hasta la entrada al canal del conversor analógico-digital del microcontrolador,

este es mostrado a continuación:

Fig. 3.12 Esquema simplificado de acondicionamiento de señal torque encoder 1

Fig. 3.13 Esquema simplificado de acondicionamiento de señal torque encoder 2

- 57 -

Como nota importante de la figura 3.13, se tiene que aclarar la inversion de los

terminales del sensor 2, para poder tener una variacion positiva al montarse en sentido

opuesto con la consiguiente modificación del sentido de giro.

La utilización de los integrados CA3240 para acoplamiento de señal y

acondicionamiento, obliga el uso de acopladores de voltaje a la entrada del restador.

Tomando en cuenta que este tipo de integrados no puede funcionar eficientemente con

un voltaje de alimentación de 5V, es necesario alimentarlos con valores comprobados

de 6,25 a 12V utilizando nuestros circuitos fuente. La limitación de voltaje a la salida se

realiza con la utilización de un zener cuya resistencia se muestra en la siguiente figura:

Fig. 3.14 Regulación con Zener

La determinación de Rs se calcula con la formula a continuación:

Ecuación 3.3

Basándonos en las características del zener, Rs nos permitirá tener una corriente Iz entre

sus valores mínimos y máximos según el dispositivo, para voltajes mayores a 5V de Vi.

Para valores menores a 5V, el voltaje en este punto será el entregado por la salida del

operacional, tomando en cuenta eso se ha determinado el valor de Rs de 40 a 80 ohms.

- 58 -

Una vez bajo control el voltaje, colocamos una resistencia de 330Ω que permite limitar

la corriente a la entrada del micro hasta 16mA.

Los circuitos finales para este punto se muestran a continuación:

Fig. 3.15 Circuito de acondicionamiento del sensor 1

Fig. 3.16 Circuito de acondicionamiento del sensor 2

- 59 -

Adicionalmente de acuerdo a la normativa, es necesario monitorizar las señales para

gestionar la desconexión del sistema de Tracción por acciones de corto circuito a 12V,

corto a GND, desconexión del conector y diferencia entre las señales mayor al 10%.

Para todo esto se ha establecido el siguiente arreglo hacia las entradas analógicas del

PIC, las mismas que podrán leerse manipulando su canal de selección del conversor

analógico-digital.

Fig. 3.17 Circuito de control y monitoreo de aceleración

Monitoreo de señales de IMD, Inertia switch, Brake, Ignition Switch.

En muchas aplicaciones como esta, es necesario el monitoreo el estado de las señales

que pertenecen a otros diferentes circuitos, por esta razón es importante obtener dicha

información realizando una separación eléctrica de las mismas, pudiendo ser fácilmente

transformadas a niveles digitales, para ser interpretados por una centralita de control y

de ser el caso trasformados a un dato digital alguna señal de tipo pulsante como la

proveniente del IMD.

Existen varios modelos de opto-acopladores en el mercado, para la utilizaremos el

ISP827 para el monitoreo de señales del sensor de inercia, códigos de fallo de IMD,

interruptor de encendido y activación del sistema de freno, estos integrados también

- 60 -

pudieran conectarse como salidas de algún circuito de control por ejemplo activación de

un motor paso a paso, de ser necesario.

Se presenta a continuación el diagrama de bloques de cara al control, que permite tener

una entrada de habilitación del ciclo del programa, cuando se habilita ignición,

pudiendo ser usado para establecer una serie de eventos antes de que el acelerador sea

habilitado como el TSOUND, después del cual el vehículo estará listo para la puesta en

marcha, dicha condición es llamada Ready to drive.

Fig. 3.18 Esquema simplificado, detección estado de interruptores

Este esquema se muestra traducido a un circuito electrónico siguiente figura,

alimentando a las entradas digitales del microcontrolador:

- 61 -

Fig. 3.19 Diagrama esquemático control de entradas Inertia, Ignition

Este arreglo utilizando opto transistores, nos permite separar eléctricamente el control

de los interruptores de ignición e inercia, para la detección de su estado de activación,

simplemente al estar accionados harán que cambien el estado de 1L a 0L, a través de los

terminales del Puerto B RB1 y RB0.

La resistencia de entrada al ánodo del led emisor, se estima de acuerdo al límite de

corriente máximo de su hoja de característica y su caída de voltaje, según el voltaje de

entrada. A continuación se muestra la distribución interna simplificada del ISP 827.

Fig. 3.20 Componentes internos ISP 827

INERTIA OUT

IGNITION

R64 1k

RB1

VCC_PIC

RB0

R651k

R66 1k

SWITCH MONITORING

D2-AN3

D2-CAT4

TR1-C8

D1-AN1

TR2-E5

D1-CAT2

TR2-C6

TR1-E7

U63

ISP-827-OPTOACOPLER

R63 1k

- 62 -

La resistencia de 1K limita la corriente del led emisor infrarrojo, pudiendo tomar hasta

un valor mínimo de 220Ω, que mantiene activado el transistor cuando existe contacto y

el interruptor de inercia esta cerrado, de esta manera podemos tenemos a las salidas 8 y

6, señales que permanecerán el alto en estos estados, si uno de los estados cambia, el

sistema deberá actuar para interrumpir la salida, esto puede hacerse actuando sobre el

mismo relé de desactivación de acelerador.

De manera similar se implementa el circuito usando otro integrado para las dos

funciones restantes, es importante señalar que RB0 tendrá que medir cuántas veces

cambia la señal para determinar su que mensaje esta enviando el IMD. A continuación

se muestra el arreglo del circuito.

Fig. 3.21 Esquema simplificado señales de entrada IMD, Brake

El circuito a utilizar será de forma similar al anterior, como se muestra en la figura a

continuación:

- 63 -

Fig. 3.22 Diagrama esquemático control de entradas IMD, Brake

Monitoreo de desplazamiento pedal de freno

Al tratarse de un sensor que es capaz de proporcionarnos un cero lógico en estado

inactivo, e ir variando proporcionalmente de forma lineal la tensión en función del

desplazamiento longitudinal, su conexión será la mas simple aplicada a los sensores, su

vista de bloque simplificada se presenta en la siguiente figura:

Fig. 3.23 Esquema simplificado desplazamiento pedal de freno

Su circuito de acoplamiento constituye únicamente un seguidor. Se conecta a terminar

RA2 que deberá configurarse como entrada analógica para determinar la cantidad de

freno regenerativo, para el monitoreo como en casos anteriores es necesario dirigir al

canal del conversor A/D.

BRAKE_SWITCH

VCC_PIC

R821k

RC1

IMD_STATERC2

R681kR831k

R841k

D2-AN3

D2-CAT4

TR1-C8

D1-AN1

TR2-E5

D1-CAT2

TR2-C6

TR1-E7

U64

ISP-827-OPTOACOPLER

- 64 -

Fig. 3.24 Diagrama esquemático para control de freno regenerativo

Monitoreo de corriente del motor

El monitoreo de corriente se realiza como primer planteamiento en esta aplicación, para

desconectar la aceleración bajo cierto nivel de carga al grupo motor que haya sido

mantenido por un determinado tiempo, para este punto es importante que el

programador utilice las características de los ensayos realizados al motor para la

competición que se encuentran en proyectos complementarios a este.

Fig. 3.25 Esquema simplificado de monitorización de corriente del grupo motor

Gracias a este monitoreo se podrá realizar un control de tipo bucle cerrado, pudiendo

ampliarse para determinar el par si se complemente este hardware con un sistema de

DISPLACEMENTE BRAKE

MONITORING

RA2

R56

330R

3

21

84

-

+

U65A

CA3240

VCC_12V

DISP_BRAKE_SENSOR

- 65 -

monitoreo de la velocidad de las ruedas que no fue previsto por la no obligatoriedad de

montarlo para la competición.

Fig. 3.26 Circuito para la detección de corriente del grupo motor

Monitoreo del sensor de sobrepresión del sistema de freno

De forma similar al caso anterior, contamos con un sensor que nos entrega un voltaje

entre cero y 5 voltios, por lo tanto no es necesario el acondicionamiento de señal. El

diagrama de bloques siguiente, es el adecuado para su acoplamiento al hardware de

control.

Fig. 3.27 Esquema simplificado frenado de emergencia

R57

POT_5k

RA5

R69

40R

R70

330R

5

67

84

-

+

U65B

CA3240

3

21

84

-

+

U66A

CA3240

R6

1

2K

CURRENT_1

CURRENT TRACTION SYSTEM MONITORING

D21

BZX84C51/SOT

VCC_12V VCC_12V

- 66 -

En este circuito esquemático, se puede apreciar la conexión recomendada por el

fabricante para su salida hacia un nivel de referencia o pull up a través de un resistor de

1,2KΩ.

Fig. 3.28 Circuito para la detección de presión de freno.

Monitoreo de recorrido incorrecto del pedal de freno

La normativa de la competición exige la monitorización del recorrido del pedal de freno

a través de un sensor denominado BOT (Brake over travel), descrito en las funciones de

entrada. Éste es básicamente un interruptor que está abierto o cerrado. Para la

concepción de su circuito se utilizará el siguiente diagrama de bloques:

Fig. 3.29 Esquema simplificado monitoreo del BOT

VCC_12V

5

67

84

-

+

U42B

CA3240/DIP8

BRAKE OVER PRESSURE

BOP

PULL UP

RA3VCC-pic R58

1k2

- 67 -

El diseño electrónico de este circuito, guarda relación con las consideraciones realizadas

para la limitación del máximo voltaje de salida, por estar polarizado el integrado del

operacional a 12V. Al tener una entrada del micro que admite sólo un valor de 5V, se

limita con un regulador utilizando zener. El potenciómetro se fija a un voltaje

intermedio de 2,5V, que será sobrepasado al pulsar el sensor. Es importante tener un

nivel de voltaje a tierra entregado a la entrada del operacional, para mantener en

condiciones normales la salida a cero, como se muestra a continuación:

Fig. 3.30 Diagrama esquemático para acondicionamiento del BOT

Otros sensores complementarios

Como planteamiento general se plantea en esta parte la posibilidad de extender la

comunicación de este hardware a un sistema adicional, con el objetivo que monitoree y

controle otros parámetros presentes en el funcionamiento del coche, ya sea para

aplicaciones de mapping de motor, como para controles independientes de tracción.

Aquellos resultados, se podrían transmitir como una serie de datos al PIC de esta

aplicación, a través de sus líneas ECAN. Por esta razón se deberá dejar establecido un

acceso a estas entradas en el diseño del PCB. Los datos que se consideran más

complementarios son los siguientes:

Velocidad de ruedas (Mapping y Control de Tracción)

Ángulo de Dirección (Control de Tracción)

- 68 -

3.5. SEÑALES DE SALIDA DEL HARWARE DE CONTROL

Las señales de salida necesarias para la aplicación serán de tipo diverso, por ejemplo,

tendremos analógicas para el control de aceleración y frenada regenerativa, digitales

para el control de los actuadores del circuito de seguridad, y otras para control de

indicadores luminosos y acústicos.

Señales de indicación advertencia

Se dispondrá de un grupo de señales de advertencia, que serán controlados por las

salidas del Puerto C, pudiendo ser de diferentes colores. Todos los leds, a excepción del

usado para indicar fallos del IMD, tendrán que iluminarse de forma fija al ocurrir la

condición establecida. La corriente de las salidas digitales del micro se encuentra

limitada por la resistencia de 330Ω.

Fig. 3.31 Indicadores luminosos estados entradas

Activación del circuito de seguridad

Para la activación será necesaria la conmutación de un relé externo ubicado en la caja

de fusibles, para condiciones reseteables por el piloto y otras que no lo son. Éste será

comandado por un circuito que consta de un arreglo de control de potencia capaz de

soportar hasta 4 amperios, como se muestra en la figura a continuación:

- 69 -

Fig. 3.32 Circuito control de activación relé

Avisador acústico. Ready to drive, TSOUND.

El circuito a continuación es capaz de controlar a través de una señal pulsante enviada

por RC1, la activación de un buzzer para emitir un sonido característico como dictan

las especificaciones, luego del cual se podrá poner en marcha la aceleración. Se debe

seleccionar una bocina capaz de generar por lo menos 70 decibelios a dos metros de

distancia.

Fig. 3.33 Circuito de activación avisador Acústico.

- 70 -

Salida analógica de control de aceleración de la Kelly

El problema que se presenta para la obtención de este tipo de señal, se debe porque el

microcontrolador seleccionado no posee una salidas analógicas, por lo tanto, es

necesario realizar una conversión utilizando por una parte una salida pulsante que

pueda variar en su frecuencia del lado del PIC, y por otro lado que esta frecuencia pueda

ser convertida a una señal analógica de valores entre 0V y 5V dependiendo de su valor

instantáneo por otro dispositivo de acondicionamiento.

Se ha recurrido a la utilización de un circuito integrado especializado como es KA331,

cuyo fabricante recomienda una configuración para conversión de frecuencia a voltaje,

de todos modos, es necesario verificar posteriormente que valores de voltaje de salida a

la variación de la señal del PIC.

Fig. 3.34 Conversión Frecuencia a Voltaje aceleración Kelly

- 71 -

Salida analógica de control frenada regenerativa de la Kelly

De igual manera que en el caso anterior, se aplicará un conversor de frecuencia a voltaje

para determinar el porcentaje de frenada regenerativa necesario para la aplicación.

Nótese en ambos circuitos, que la salida del integrado KA331 ha sido conectado a un

seguidor, y posteriormente a un bloque de regulación de voltaje máximo y limitación de

corriente, que han sido constituidos de la misma manera como se ha comentado en el

diseño de acondicionamiento de las entradas.

El circuito esquemático se muestra en la siguiente figura:

Fig. 3.35 Conversión Frecuencia a Voltaje. Freno Regenerativo

Selección de modo de aceleración ó modo de frenada regenerativa

Esta función se ha pensado para que se active un relé que formará parte del circuito, a

través de la señal proveniente del sensor de freno denominado Brake sensor. Ésta será

monitorizada por el terminal RC1 del PIC y activará un switch electrónico que

controlará la energización de dicho relé, en cuyos contactos se conmutarán los dos

- 72 -

modos de operación, estableciéndose como estado de reposo el modo de Frenada

regenerativa.

A continuación se muestra en la figura, el esquema de esta función:

Fig. 3.36 Activación electrónica del relé de conmutación de Modos de operación

3.6. ESQUEMATIZACIÓN GENERAL DEL HARWARE

Para este apartado se ha utilizado como simbología y nomenclatura, la definida por el

programa computacional de diseño electrónico Orcad, que podría calificarse de tipo

convencional para dibujo de esquemas eléctricos.

El esquema general del Hardware se muestra en el Anexo I, donde también se indican la

distribución de las entradas y salidas a los conectores. Se ha tenido especial cuidado que

todas las líneas guarden relación con la actual electrónica montada en el vehículo.

- 73 -

CAPÍTULO IV

IV. CONSTRUCCIÓN Y PRUEBAS DEL CIRCUITO

ELECTRÓNICO

Esta parte del proyecto, se dedicará a realizar una prospectiva del proceso de fabricación

del PCB, se tomará como referencia el trabajo realizado, para la construcción de la

tarjeta electrónica que fue montada en el vehículo de competición eléctrica para la

competencia FSAE edición 2012, realizada en Silverstone, UK. La misma que fue

construida utilizando las instalaciones del INSIA, en colaboración con el grupo de

profesionales del Laboratorio de Instrumentación y Electrónica.

Los Circuitos impresos o PCB (Printed Circuit Board), se componen de unas placas de

sustrato no conductor que se emplean para el montaje e interconexión de componentes

electrónicos. Las rutas o pistas son de un material conductor, que han sido grabadas

previamente sobre el sustrato, retirando el material sobrante. Estas pistas son

regularmente de cobre en los tipos comerciales.

4.1. PROCESO DE CONSTRUCIÓN

Se realizará una descripción del proceso de fabricación necesario para la puesta en

práctica de este proyecto, haciendo una división en varias subsecciones, las que se

muestran a continuación:

Diseño del PCB

Fabricación

Pruebas

Diseño del circuito impreso

A la hora de construir el circuito impreso para nuestra aplicación, nos enfrentamos a

como primer paso a la concepción y dibujo del diseño original del ruteado. Para esto se

- 74 -

utilizará una herramienta especializada, de tipo CAD (Computer Aided Design o Diseño

Asistido por Computador) y, como es de suponer, existen una gran variedad multitud

de programas que pueden satisfacer nuestras necesidades. Se ha optado por el uso del

Proteus profesional 7.6, que posee una gran cantidad de bibliotecas con modelos para la

mayoría de elementos eléctricos y electrónicos, necesarios para nuestro hardware.

Para su utilización es necesario dibujar el circuito esquemático, primeramente usando la

aplicación de programa Proteus denominada ISIS, donde se puede verificar entre otras

cosas, el modelo de package por defecto, para comprobar qué dimensiones que se

asignarán para cada componente.

También como en el caso del integrado KA331, que no se encuentra en las librerías de

la aplicación, se podrá crear como nuevo componente y asignar la correspondiente

indicación de cada uno de sus terminales y el paquete correspondiente para su

aplicación en el diseño del circuito impreso.

A continuación se muestra una imagen de la fase inicial de construcción de nuestro

proyecto usando el programa ISIS:

Fig. 4.1 Vista de diseño de circuito usando ISIS

- 75 -

Luego de la diagramación esquemática, procedemos a ubicar físicamente nuestros

componentes dentro de un límite de dimensiones que definirán el tamaño del circuito en

ancho y profundidad, esto se lo realiza utilizando la aplicación ARES del programa

Proteus Profesional, se ha tomado como punto central del diseño al PIC, por ser el

componente con mayores conexiones eléctricas, como se muestra a continuación:

Fig. 4.2 Ubicación de componentes, usando ARES

La altura del circuito dependerá principalmente, de cómo montemos de manera final

todos componentes, especialmente algunos accesorios necesarios a utilizar como

disipadores de calor, conectores, etc. A continuación se muestra un esquema de

visualización de forma sólida, de los primeros componentes integrados al diseno:

- 76 -

Fig. 4.3 Ubicación preliminar de componentes

Existen algunas reglas generales para dibujo de esquemas para PCBs, pero en general,

todas ellas nos llevan a la realización de una aplicación eficiente de conexiones entre

circuitos.

Como normas importantes para el diseño de las pistas se tomará en cuenta lo siguiente:

Tener en claro una posible distribución de los componentes, de forma ordenada, por

ejemplo nuestros tres reguladores montados en el mismo lado para ser conectados a

unas placas de disipación de calor. También se debe pensar, en como llegarían los

cableados de nuestros conectores, y ubicarlos de una manera adecuada. Esto aunque

tome algo de tiempo al inicio, lo ahorra de manera beneficiosa después, al no tener que

corregir incidencias, entonces se minimizará errores y permitirá optimizar el diseño

desde el principio.

Para un circuito de hardware como este, que tiene restricciones de espacio y

alta densidad de líneas, se utilizarán para el acoplamiento de las capas una

denominación de agujeros de conexión de tipo hueco ó agujero pasante metalizado. En

el caso de no contar con esto, se obligaría a utilizar puentes con alambre, que deberán

ser anunciados como riesgos potenciales de fallo del circuito.

http://www.monografias.com/trabajos901/evolucion-historica-concepciones-tiempo/evolucion-historica-concepciones-tiempo.shtml

http://www.monografias.com/trabajos5/estat/estat.shtml

- 77 -

Se debe evitar la utilización únicamente de la herramienta de autoruteado, que

ofrecen algunos programas ya que ella no garantiza un control ni sobre la estética ni

sobre la correspondencia espacial de los componentes y sus conexiones.

La ubicación de los elementos debe hacerse entonces, teniendo en cuenta si todos los

dispositivos van en el impreso o sólo alguno de ellos, y los otros pueden colocarse en

un soporte ya sea para indicación, control u otras funcionalidades y deben conectarse al

impreso mediante conectores y/o cables.

Si una tarjeta va sobre la otra, hay que prever la altura de separación de acuerdo con

los dispositivos, para elegir su contenedor.

En los equipos en donde el chasis actúa como tierra, debe procurarse buscar

suficientes puntos de conexión del impreso a éste. Para ello se deben aprovechar,

eventualmente, los tornillos de sujeción del impreso.

Dejar un espacio para la identificación del circuito, logo de la empresa.

Asegurar un adecuado grosor para las separaciones entre líneas y pad de los

componentes.

Evitar los trazados con esquinas a 90 grados.

Evitar trazados espirales que puedan producir inducido magnético y consecuente

generación de ruidos.

Procurar mantener una estética en el trazado de las líneas.

Utilizar un grosor adecuado para las líneas de las pistas, sabiendo que nos

encontraremos normalmente con tres tipos de líneas que un circuito deben tener. Línea

delgada: para interconexión de dispositivos o conducción de señales o datos. Línea más

gruesa: para alimentación de voltaje Vcc y líneas de tierra.

http://www.monografias.com/trabajos14/control/control.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/empre/empre.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/basda/basda.shtml

http://www.monografias.com/Salud/Nutricion/

- 78 -

De esta manera se irán modificando la posición de todos los componentes, la

asignacion de conectores, el trazado de los pistas y la asignación de su espesor, la

colocacion de cualquier elemento adicional como por ejemplo, las almuedillas en los

pines de los integrados y cambio de capas según corresponda.

Fig. 4.4 Edición de líneas a 90 grados y espesor de la pista

Nuestro diseño requiere de una decisión para la distribución de sus componentes y

pistas, que se comentaran a continuación:

Distribución menos compacta

Al tomar esta alternativa, el diseñador tendrá más espacio lo que le permitirá rutear las

pistas utilizando en una sola capa, haciendo el proceso de fabricación más simple, pero

desperdiciando el espacio físico. A continuación un ejemplo de esta alternativa aplicada

a nuestro hardware:

- 79 -

Fig. 4.5 Distribución de componentes menos compacta

Distribución más compacta

Permite optimizar el espacio físico, pero implica la utilización de vías de conexión entre

las distintas capas, requiere un proceso de fabricación más especializado.

Fig. 4.6 Distribución inicial de componentes más compacta

- 80 -

Según se vayan incrementando el número de componentes añadidos al diseño será cada

vez mas complejo decidir la ubicación más efciciente de todos sus componentes. La

complejidad se incrementa con cada cambio, haciendo el trabajo de interconección más

laborioso.

En la figura se muestra el diseño de pistas de nuestro harware, a un porcentaje de 60%

de su finalización. Las líneas verdes significan que hay puntos que no estan conectados

e indican de dónde salen y hacia dónde deberían llegar. Todas las líneas en rojo

pertenecen a una capa denominada superior o Top Cooper, las azules estarán en una

capa paralela denominada Botton, que coincide en este caso con la de ubicación de

componentes. Se ha utilizado un tamaño de almuadillas (PAD) adecuada para la

soldadura de cada componente y ademas permitirá realizar los taladros sin afectar a las

pistas del circuito.

Fig. 4.7 Vista del diseño al 60%, utilizando distribución mas compacta

- 81 -

Fabricación

En este apartado se pretende algunas características generales que tiene la fabricación de

los circuitos impresos, sin considerar el proceso de fabricación automatizado.

En nuestra aplicación necesitamos implementar en multicapas la conexión eléctrica de

nuestros componentes, se había comentado que se comunicarán a través de orificios

llamados vías. Estas vías deben conducir las señales eléctricas y pueden ser de varios

tipos: vías ciegas, las cuales solo pueden verse en un lado del circuito, o vías enterradas,

las cuales no son visibles desde el exterior del circuito.

A continuación se describen los subprocesos de esta sección:

Impresión de Patrones. En la fabricación del circuito impreso, vamos a utilizar

láminas trasparentes de acetato, donde se imprimirá los esquemas de la capa botón y

top. Estos deberán ser trasportados a una placa virgen, que estará cubierta primero por

una capa de cobre por sus dos lados, y también recubierta por una resina fotosensible

sobre la que se imprimirá el patrón de conexiones.

Fig. 4.8 Placa virgen de circuito impreso

A continuación mostramos nuestro diseño, separado en dos capas para cada lado del

cobre:

- 82 -

Fig. 4.9 Vista esquemática Top Cooper y Botton Cooper a la derecha.

Para tener una clara perspectiva de lo que se pretende realizar, se debe mostrar en un

esquema integrado de todo el diseño del PCB, como el indicado de la figura siguiente,

donde se muestra en rojo las capas correspondientes a la cara inferior o Top, en azul los

trazados en la botón, en lila los pad que existirán en ambas caras del PCB, adecuados

para soportar la soldadura en el acoplamiento de los de los componentes al circuito.

Podemos indicar también la ubicación de montaje de los elementos electrónicos en

cardenillo y finalmente como círculo amarillo las vías de acoplamiento entre caras.

- 83 -

Fig. 4.10 Vista esquemática de todos los elementos

Fotograbado

En esta técnica utilizaremos una transparencia del patrón en negativo, para transferir el

patrón a la placa utilizando luz UV (UltraVioleta). Para este tipo de grabado vamos a

requerir como materiales placas fotosensibles, para que se transfiera la transparencia

del patrón de manera adecuada.

Fig. 4.11 Proyección de luz UV al PCB

- 84 -

En las zonas en las que la transparencia deje pasar la luz UV, la resina reacciona con

ella. Esto se ha realizado utilizando la máquina insoladora del laboratorio de

Instrumentación y Electrónica. A continuación, se muestran las trasparencias usadas

para la construcción de la placa considerada como versión anterior a la de este proyecto,

realizada para la competición:

Fig. 4.12 Trasparencias diseño primero prototipo

Se puede apreciar el empleo de la insoladora, donde se colocan la placa virgen, junto

con los esquemas como patrones a trasmitir.

Fig. 4.13 Imágenes de empleo de una insoladora para PCBs.

- 85 -

Revelado.

Es necesario un proceso que permita que la resina desaparezca de las zonas en las que

haya incidido la luz UV, dejando marcado sobre la placa el patrón del circuito en

ambas caras del cobre. El revelado se realiza con la aplicación de un líquido revelador,

que es una solución de sosa cáustica disuelta en agua, para dejar al descubierto el dibujo

transferido a la placa.

Atacado químico

Todas las técnicas de fotograbado, requieren posteriormente de un proceso que

elimine el cobre sobrante y deje únicamente el circuito eléctrico después del revelado.

Para ello, se podrían utilizar ácidos o corrosivo como el Percloruro Férrico, el Sulfuro

de Amonio, el Acido Clorhídrico mezclado con Agua y el Peróxido de Hidrógeno.

Para terminar con el atacado químico será necesario limpiar la tinta, o la resina en el

caso del fotograbado, con un disolvente, dejando al descubierto el cobre que define el

circuito.

Las imágenes a continuación ilustran la realización de estos dos procesos:

Fig. 4.14 Proceso de revelado aplicado a la tarjeta de control versión 2012.

- 86 -

Fig. 4.15 Resultado proceso de acidulado.

Perforado

Una vez terminado con la obtención del patrón en el circuito, será necesario realizar las

perforaciones en los lugares indicados, tanto para el montaje de componentes, como

para la comunicación entre las distintas capas del circuito impreso. Para esto,

necesitaremos contar con un taladro fijo que proporcione una velocidad de rotación

adecuada y proveernos de brocas resistentes de carburo de tungsteno para poder

realizar una correcta perforación.

Durante la perforación, se debe tener especial cuidado en que los orificios queden

centrados en los pads, ya que la calidad de la soldadura dependerá de una correcta

ubicación del pin del componente electrónico el pad de acoplamiento a la vía.

Fig. 4.16 Realización de taladros en la tarjeta de control

- 87 -

Montaje y soldado de los componentes

Existen dos técnicas para el montaje de los componentes: el montaje a través de agujero

y el montaje superficial. La primera consiste en montar los componentes introduciendo

sus pines a través de los pads y fijarlos eléctrica y mecánicamente al circuito a través de

soldadura de estaño. La segunda de montaje superficial, es la más utilizada actualmente

en los entornos de fabricación automatizados. Cada una de estas técnicas de montaje,

utilizan componentes distintos, diseñados sólo para un tipo de montaje específico.

Fig. 4.17 Montaje y soldadura de componentes. Primera versión

Como consideración importante para la construcción, debe utilizarse algún medio para

proteger las tarjetas de circuitos impresos contra la corrosión del medio ambiente, la

cual causaría oxidación y aislamiento eléctrico de las pistas de cobre. Comúnmente se

utiliza tinturas que le dan una apariencia muy profesional al circuito con un color típico,

verde o azul.

Se puede usar para su fijación al contenedor unos tornillos de sujeción, principalmente

para que permitan su fácil desmontaje, al considerar necesario realizar algún

mantenimiento o pruebas de comprobación.

- 88 -

Fig. 4.18 Montaje en el contenedor y acoplamiento de conectores

Todos los sensores deben ser montados correctamente en el vehículo, para lo que

necesitaremos adaptar los medios mecánicos para su soporte y aislamiento de

vibraciones, y además, se requiere instalar un arnés eléctrico que garantice la

protección y aislamiento de todas sus conexiones. En la práctica, ésta tarea requiere de

mucha dedicación y buen criterio, ya que también se deberá garantizar la estética, será

necesario trabajar con mucha precaución, se aprecia a continuación un ejemplo de la

concepción de diagramas para conexión externa.

Fig. 4.19 Realización de conectores y conexiones

- 89 -

Las imágenes siguientes demuestran la importancia del diseño de planos para el arnés

de conexión eléctrica, ya que están involucrados con las zonas de movimiento del

piloto y otros sistemas mecánicos como: los mecanismos de dirección, pedales de

control y cañerías de freno.

Fig. 4.20 Montaje en el vehículo de los sensores y su arnés de conexión

Visualización final de nuestro proyecto.

Luego de documentar el proceso de construcción necesario para la puesta en práctica de

este diseño, finalmente se quiere presentar cómo sería la forma que tendría nuestra

placa, después de pasar por un proceso similar. Se esperá que este aporte sea de utilidad

para futuras competiciones o investigaciones en el Área del vehículo eléctrico.

Para esto se presenta una visualización en 3D, gracias a las herramientas de

visualización de ARES, en ella se encuentran están montados 170 componentes,

correctamente conectados de igual manera como se planteo el dibujo en el circuito

esquemático.

- 90 -

Fig. 4.21 Vista de producto terminado. Hardware de control FSAE.

También se puede obtener la lista de materiales, a través de una herramienta del

utilizado para este diseño, el resumen de todos los componentes se lista a continuación:

- 91 -

Tabla 4.1. Lista de componentes electrónicos para la aplicación

- 92 -

4.2. PRUEBAS Y VERIFICACIÓN

En esta sección se indicarán las pruebas de funcionamiento y verificación que son

necesarias para garantizar el correcto desempeño de nuestro producto. Se ha divido para

fines explicativos en tres fases:

Fase previa a la fabricación

Después de la fabricación

En la competencia

Pruebas antes de la fabricación

Se debe realizar una verificación del funcionamiento real de los componentes eléctricos

del diseño electrónico, puesto que estos no se comportan bajo ciertas configuraciones

como el modelo ideal, cargado en los simuladores. Además, es conveniente visualizar la

interconexión con algunos dispositivos para la detección de magnitudes físicas.

- 93 -

Como punto central de estas pruebas consideraremos la más importantes del acelerador

y de la salida analógica, que servirá para asegurar el control de aceleración y frenada

regenerativa de nuestro hardware.

Pruebas del acondicionamiento de aceleración. En los primeros ensayos de esta

prueba, el circuito inicialmente funciona con algunos problemas de precisión colocando

una alimentación de 5V, y mejora al alimentarlo a Vcc desde 6.25 hasta 12V. La figura

a continuación muestra una imagen del montaje de los ensayos de laboratorio para este

fin, para el circuito de la figura 3.35.

Fig. 4.22 Ensayos de acondicionamiento de aceleración

El método utilizado es el típicamente recomendado para evaluar las ondas de los

sensores de aceleración, es decir, someter a una rotación que simule la petición de

aceleración y deceleración rápida, media y finalmente progresiva. A continuación se

muestra una imagen tomada con el osciloscopio con una escala de 1Vpdv y una escala

de tiempo de 5s, que nos permite observar variaciones instantáneas de respuesta en el

tiempo. El canal 1 estará conectado a la salida del circuito de acondicionamiento y el

canal 2 a la señal del acelerador.

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Fig. 4.23 Acondicionamiento señal, mariposa 30% max.

En la figura anterior, se puede observar la evolución de la onda de salida a través del

tiempo de acuerdo a la respuesta del acelerador. Como primer punto importante,

observamos la eficiencia del circuito restador fijado a 0.7 Voltios. Luego se aprecia que

el valor de salida estará entre un valor de cero hasta un máximo de 4.45 Voltios, para

ángulos de recorrido del pedal de hasta 30 grados.

Pruebas de las salidas analógicas. El segundo circuito a comprobar, será el que

entrega la señal de salida para el control de aceleración análogo al de frenada

regenerativa, para esto se montara el circuito para el conversor KA331, cuya salida

contará con un circuito de limitación de voltaje y corriente, ya que este valor ira a la

Kelly al accionar el acelerador y convertir la consigna a un determinado valor de

frecuencia, que consideramos será de 0 a 5KHz para conseguir una salida casi lineal de

0 a aproximadamente 5V. A continuación visualizaremos las imágenes de los elementos

montados para este tipo de ensayo.

- 95 -

Fig. 4.24 Ensayo de conversión frecuencia a voltaje

Los resultados de los experimentos para variaciones bruscas tomados en 20 segundos se

muestran a continuación.

Fig. 4.25 Evolución de la consigna con la variación de la frecuencia

- 96 -

Fig. 4.26 Valores de respuesta Voltaje vs. Frecuencia

Se define de manera final este circuito que se utilizará para la consigna de aceleración

según la frecuencia de salida cuyo valor máximo programado será 5OOO Hz

Pruebas después de la fabricación

Durante el proceso de fabricación pueden ocurrir fallos o defectos en la fabricación,

como pueden ser un fallo en la impresión del patrón en la soldadura, que causen que el

circuito impreso no funcione como debería. Por esto es necesario que se realice una

inspección visual primeramente de todas las uniones, para detectar y corregir lo

observado a simple vista.

- 97 -

Fig. 4.27 Fallos por cortocircuito y circuito abierto

Después del montaje de los componentes, es necesario realizar una comprobación

eléctrica de continuidad de las pistas, siguiendo el diagrama, para verificar la

interconexión entre ellos. Un método recomendado es empezar por las alimentaciones y

tierras. Luego seguir las entradas y salidas a los integrados de todos los componentes.

También será de utilidad seguir una norma, muy habitual en estos tipos de aplicaciones,

que es comprobar la llegada de voltaje de alimentación y tierra sin montar los integrados

a los zócalos. Además es recomendable ir montando por fases los integrados, para poder

verificar algunas funciones. Esto se puede hacerse utilizando equipos sencillos como un

multímetro, pero la experiencia apunta a usar osciloscopio para ver la calidad de las

señales, detectar la presencia de ruidos, falsas conexiones a tierra, caídas de tensión

indeseadas, falta de conexión entre puntos entre otras, entre otras no visibles fácilmente.

Finalmente con todo comprobado el circuito podrá acoger a nuestro microcontrolador

para controlar la aplicación.

Pruebas en la competición

Las pruebas en la competición probarán ante los jueces que se diseño y construyó un

sistema electrónico, según las consideraciones que se indica en la normativa.

- 98 -

La figura 4.28, indica el momento de evaluación de las características eléctricas del

coche, dando un resultado satisfactorio, para la primera versión del control sin utilizar

microcontrolador. Esto nos sirve de indicación de calidad y medio de prueba de la

efectividad de los circuitos electrónicos de este proyecto, ya que algunos de ellos,

como los circuitos de acondicionamiento, detección de falla y control de activación de

las salidas, forman parte de la base de esta propuesta.

Fig. 4.28 Electrical Test, FSAE, Silverstone 2012, UK.

Fig. 4.29 Sello oficial de la prueba

- 99 -

4.3 ANÁLISIS DE COSTOS DEL PROYECTO

En el siguiente análisis, se presenta la descripción e importancia de cada uno de los

siguientes puntos considerados para el estudio de costos del proyecto.

Costes de Infraestructura, Equipos y Herramientas

Se va a utilizar la infraestructura del INSIA, en especial el laboratorio de Electrónica

que se encuentra equipado con instrumentos de medición. Si el proyecto lo requiere se

debería hacer una estimación, como si se alquilarían las instalaciones, equipos y

materiales.

Otros Equipos y Herramientas

Se requiere la utilización de equipos portátiles para realizar el diseño, la adquisición de

señales eléctricas, diagnóstico y prueba de condiciones de funcionamiento, pudiendo

ser utilizados en la competición. Por lo tanto se requiere de un ordenador portátil como

medio de diseño, y adicionalmente, se ha tomado la opción de adquirir un osciloscopio

de doble canal, de tipo digital y portable para el análisis eléctrico de este proyecto.

Costo de Software especializado

Se requiere de paquetes dedicados a la elaboración de circuitos electrónicos. Programas

para programación de micro controladores. Simuladores de operación.

Materiales e Insumos.

La lista de materiales se estima de acuerdo a los costos de placas similares. Los

insumos serán todos los productos complementarios para el proceso de fabricación.

Ambos tendrán que ser actualizados durante la fase de ejecución del proyecto.

Costos de Ingeniería.

Se contempla una dedicación de horas de un ingeniero para la aplicación, desde la

investigación, pruebas y la puesta en práctica. Se debe asignar un valor adecuado para

una hora de diseño y desarrollo, para considerarlo en el resumen final.

- 100 -

Otros

Equipo de protección, fotocopias y reprografías.

La tabla 4.2 que se muestra una estimación muy aproximada de los costos del proyecto

utilizando los conceptos anteriormente especificados.

Tabla. 4.2 Detalle de costos aproximados del proyecto

DETALLE COSTO

APROXIMADO

Costo de alquiler de instalaciones, equipo y herramientas del

Laboratorio de Instrumentación y Electrónica.

€ 900,00

Costo de adquisición de otros Equipos y Herramientas:

Computadora portátil

Osciloscopio portátil automotriz de 2 canales.

€ 1350,00

Software especializado para diseño y simulación de circuitos

electrónicos.

€ 400,00

Materiales e Insumos para el circuito electrónico. € 400,00

Construcción del PCB (Fotograbado, revelado, acidulado,

perforado y montaje)

€ 520,00

Costos de ingeniería (Diseño, desarrollo, montaje y pruebas) € 2000,00

Otros: Equipo de protección, impresiones, reprografías y

fotocopias

€ 120,00

Costo aproximado del proyecto € 5690,00

- 101 -

V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

Luego de la realización de esta memoria descriptiva, se puede concluir lo siguiente:

Se determinó eficientemente las condiciones de funcionamiento, operación y prueba,

requeridos para el Hardware de Control adecuado para el vehículo eléctrico, mediante

una planificación detallada de un producto, que se registró en tablas. Se utilizó la

metodología APQP que permitió traducir la normativa vigente para el año 2012 de la

competencia Tipo Fórmula SAE Electric a funciones de entrada y salida, lo que definió

las características del Hardware de Control.

Se seleccionó el microcontrolador 18f4680, capaz de soportar eficientemente la

aplicación, a través de un estudio de sus recursos y arquitectura básica. Se consideró

todas sus especificaciones importantes como su capacidad de memoria, soporte de

conversión de datos analógicos a digitales, velocidad de procesamiento y conectividad,

además se analizó las características eléctricas para su conexión a un circuito,

cumpliendo todos los requerimientos de la tarjeta de control.

Se diseñó el esquema electrónico de la tarjeta de control, basándose en la investigación

de las características de los sensores y los medios de acondicionamiento de señal de

todas las funciones de entrada llevadas al procesamiento, y además, se implementó

todo el soporte para la conversión analógica de sus salidas, el control de indicación y

activación de potencia.

Se diseñó el circuito de la tarjeta electrónica para PCB, de forma óptima, garantizando

la calidad final de su funcionamiento y operación, además se documentó todo el

proceso de construcción para que pueda ser usado en la puesta en práctica de este

proyecto, en la próxima edición de la competición.

- 102 -

Se construyó una versión básica utilizando todas las características de los componentes

electrónicos estudiados para este proyecto.

Se realizó un ensamblaje y comprobación de todos los componentes de conexión

complementarios como conectores, arneses y terminales de tierra para la instalación en

el vehículo eléctrico de esta aplicación. Además se instaló adecuadamente los sensores

en los distintos sistemas a monitorizar.

Se realizó un conjunto de pruebas validación del producto y se verificó que los

resultados obtenidos sean los establecidos en los requisitos del control. Además, se

comprobó el diseño del circuito y su funcionamiento durante el Test Eléctrico realizado

por los jueces en la competición, que se aprobó exitosamente. En las pruebas

primeramente se probó de manera estática las condiciones de seguridad, modo de fallo,

donde está implícito el correcto funcionamiento del circuito de acondicionamiento se

señal y la monitorización de los datos de los sensores. Finalmente de manera dinámica

se verificó el funcionamiento de componentes de este sistema operando el vehículo en

la Pista de pruebas del INSIA.

De forma complementaria a lo anteriormente señalado, se desea añadir un grupo de

recomendaciones para este proyecto:

Es recomendable para futuros desarrollos de la tarjeta electrónica, analizar la normativa

de las nuevas competencias y determinar la eventual aplicación de su circuito de

control. Esto se hará únicamente gracias al importante el aporte de todos los integrantes

del nuevo equipo TU Madrid, que se conforme para la participación en la Formula SAE

Electric.

Realizar con anticipación los ensayos de todos los componentes a controlar, utilizando

los bancos de prueba del INSIA para la determinación de curvas reales de Potencia

efectiva, Par- velocidad, Corriente descarga de batería, que se usarán en el control.

- 103 -

Realizar modelos de simulación para determinar las condiciones de control como

mapping y modos de operación que deberían ser programadas en el microcontrolador

BIBLIOGRAFÍA

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01803 – USA, 2008.

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England, 2006.

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Ecuador, 2005.

MUHAMMAD R. Electrónica de Potencia: Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones,

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- 104 -

PÁGINAS WEB

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Hoja de características, sensor de pedal del acelerador

http://www.bosch.com.au/content/language1/downloads/sensors_throttleposition.pdf

Hoja característica, sensor de desplazamiento pedal de frenos

http://www.bmcm.de/dld/ar-ds-s-xxx-1.0-en.pdf

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Hoja de características, sensor de presión

http://apps.bosch.com.au/motorsport/downloads/sensors_highpressure.pdf

Hoja de características, inertia switch

http://www.everythingev.com/index.php?main_page=product_info&products_id=470

Hoja de características, PIC 18f4680

http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en010305

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39625c.pdf

Hoja de características, optoacopladores

http://www.datasheetcatalog.org/datasheets2/67/67089_1.pdf

Hoja de características, conversor de frecuencia a voltaje

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- 105 -

Hoja de características, amplificador operacional

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/intersil/fn1050.pdf

Hoja de características, relé de control de activación de acelerador

http://www3.telus.net/nook/balancerland/balancer/datasheets/t92_ds.pdf

Hoja de características, diodo zener

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/comchip/1N4763A.pdf

Hoja de características, mosfet de control

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/vishay/70212.pdf

Hoja de características, mosfet de potencia

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/irf/irlml6401.pdf

Hoja de características, reguladores de voltaje

http://freedatasheets.com/downloads/LM7812.pdf

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/intersil/fn1050.pdf

http://www3.telus.net/nook/balancerland/balancer/datasheets/t92_ds.pdf

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/comchip/1N4763A.pdf

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http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/irf/irlml6401.pdf

http://freedatasheets.com/downloads/LM7812.pdf

CAPÍTULO I I. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL HARDWARE

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