Control Micrométrico de Posición Basado en SMA-S

Los actuadores diseñados utilizando aleaciones con memoria de forma (SMA-s), debido a su alta potencia frente al su pequeño peso, podrían ser utilizados para generar movimiento o fuerza en dispositivos electromecánicos y micromáquinas.

Estos materialesexperimentan una transición de fase estructural cuando se modifica su temperatura, dando lugar a un cambio en su longitud. No obstante, debido a la dificultad de controlar de manera fina la proporción austenita-martensita del material, estos actuadores se empleen mayoritariamente como actuadores electromecánicos  “todo o nada''.

La principal dificultad de control de estos materiales es la histéresis que aparece debido a la transición de fase que presentan. En este trabajo se realizan varios experimentos de control sobre dos plataformas experimentales y se exploran así las posibilidades reales de utilizar SMAs como actuadores de precisión.

DISPOSITIVOS EXPERIMENTALES:

Plataforma experimental 1: Consta de:

•  Plataforma experimental con el soporte del hilo de nitinol (Ver figura 1).
•  Sensor de posición: LVDT (Linear variable differential transformer).
•  Sensor de corriente (resistencia calibrada).
•  Tarjeta de Adquisición de datos (6025-E de National Instruments, 12 bits, ±10V).
•  Fuente de corriente

El hilo está suspendido de la cubierta superior del soporte. El extremo inferior está unido al núcleo de un LVDT, que proporcionará una tensión correspondiente al desplazamiento del hilo. Además, del hilo cuelga una pesa que realizará la fuerza de deformación para que recupere su longitud original. El circuito de acondicionamiento del sensor de posición (LVDT) está basado en el integrado AD598 de Analog Devices.

 Plataforma experimental 2: Consta de:

•   Plataforma experimental con el soporte del hilo de nitinol (Ver figura 2).
•   Sensor de posición: LVDT (Linear variable differential transformer).
•   Sensor de deformación: Galgas extensométricas
•   Tarjeta de Adquisición de datos (PCI-GPIB de National Instruments).
•   Multímetro – Fuente de tensión: (2602 SourceMeter de Keithley)

El extremo inferior del hilo está fijo en la base del dispositivo, mientras que el extremo superior está suspendido de una lámina metálica, de tal forma que la contracción del hilo produce una flexión de la lámina. Esta flexión puede medirse mediante las galgas extensométricas situadas en la lámina.

El circuito de acondicionamiento de las galgas está basado en un circuito en puente estándar para galgas extensométricas. La señal que se obtiene en este circuito es medida en el multímetro y enviada mediante la tarjeta PCI-GPIB al programa diseñado en NI LabVIEW con el fin de realizar un control de posición y fuerza.

RESULTADOS EXPERIMENTALES:

Utilizando la plataforma experimental 1 se analizará la respuesta del sistema ante dos tipos de señales de referencia:

•   Onda cuadrada: Esta referencia representará una contracción y relajación periódica del hilo.
•   Rampa: Esta referencia representará una contracción paulatina del hilo, a velocidad constante.

 Debe destacarse que en todos los controles realizados se introduce un saturador para no dejar pasar hacia el hilo corrientes mayores que 400mA y así, no sobrecalentarlo.

Se implementa en LabVIEW un lazo de control basado en el método de control PI con antiwindup. Este método se caracteriza principalmente porque la parte integral se activa según sea necesario. Cuando la señal de control está saturada no interesa tener la parte integral activada, mientras que cuando no lo está, la parte integral podrá ayudar a disminuir el error en el estacionario. Los resultados del análisis se exponen en las figuras 3 y 4.

Como puede comprobarse, este control consigue precisiones de posición cercanas a 4μm, a pesar de que la histéresis del sistema requiere de grandes esfuerzos en la señal de control para corregir errores pequeños.

El objetivo de estas medidas experimentales es poder diseñar un actuador basado en un hilo de nitinol. Se ha diseñado la plataforma experimental 2 como prototipo de uno de estos actuadores. Para controlar de forma precisa la deflexión de la varilla, se ha implementado en LabVIEW un lazo de control de posición que recibirá la señal de voltaje necesaria desde el multímetro vía GPIB y tras ejecutar el lazo de control ordenará al multímetro que envíe la corriente necesaria al hilo para minimizar el error.

Conclusión:

Los experimentos realizados muestran que los SMA son de gran interés para ser utilizados como actuadores de precisión en micromáquinas. Con el control PI con antiwindup se consiguen errores de posición de 4μm. No obstante, la histéresis del sistema requiere de grandes esfuerzos en la señal de control para corregir pequeños errores.

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