Implementación y control de múltiples manipuladores en cocina de inducción

Resumen

El concepto de las zonas de calentamiento flexibles ha sido introducido recientemente en las cocinas de inducción con el fin de responder a la demanda de flexibilidad de los usuarios. El objetivo principal es hacer cocinas adaptables al uso de diferentes recipientes, de cualquier forma y tamaño colocados aleatoriamente sobre el cristal vitrocerámico. Actualmente esta flexibilidad se consigue a través de una configuración estática de múltiples inductores, con un coste económico elevado. Existen patentes donde esta flexibilidad se logra mediante la inclusión de sistemas mecánicos que proporcionan movilidad a los inductores, pero los desarrollos existentes hasta el momento no entran en detalle en el análisis de la configuración estructural de los sistemas mecánicos que comunican el movimiento a los inductores, ni en el tipo de accionamientos a utilizar, tampoco se mencionan las estrategias de movimiento y de calentamiento, ni el número y tamaño de los recipientes que se pueden calentar para conferir a la cocina una flexibilidad total. En esta tesis para comprobar la viabilidad técnica de los sistemas de inductores móviles se va a desarrollar y construir un prototipo mecatrónico para proporcionar movimiento bidimensional a los inductores, que posteriormente pueda ser incorporado en placas de inducción comerciales con el objetivo de calentar hasta seis recipientes de cualquier tamaño colocados aleatoriamente en cualquier posición del cristal vitrocerámico. Para este prototipo se aborda la síntesis dimensional para múltiples manipuladores en espacio de trabajo restringido; se desarrolla un simulador en el que se analiza la respuesta de las soluciones propuestas; se estudian e implementan diferentes tipos de generación de trayectorias que evaden colisiones de los manipuladores entre sí y con los límites del bastidor; y se desarrolla la electrónica de control necesaria para que los centros de los inductores realicen las trayectorias deseadas. La síntesis se diseña como un problema de minimización sujeto a restricciones no lineales. Éstas son las referidas a todas las características geométricas que ha de cumplir el diseño, impuestas por BSH Home Appliances, y a las necesarias para que el movimiento sea posible dentro de la superficie de trabajo compartida. Tanto las restricciones como la función objetivo se han desarrollado de forma analítica y paramétrica. A través de una GUI, Graphic Users Interface, desarrollada en Matlab, se seleccionan los parámetros dimensionales de la síntesis y se resuelve tanto la posición de anclaje como la longitud de las barras que forman cada manipulador, maximizándose el área de cobertura del sistema. El simulador se implementa en Matlab, a través de él se introducen los recipientes a calentar, la potencia deseada para cada uno de los mismos, y mediante el desarrollo de un algoritmo se evalúan diferentes estrategias de asignación dinámica de inductores a recipientes, minimizando la diferencia entre la potencia aportada a cada recipiente por cada inductor y la deseada. Dentro de este simulador, como aportación propia de la tesis, se ha desarrollado un algoritmo de generación de trayectorias analítico, que es capaz de generar trayectorias libres de colisiones a tiempo real y que devuelve, si la trayectoria no es posible, información relativa a qué inductor debe apartarse. El controlador ha sido implementado en una plataforma de hardware libre Arduino, en la cual se ha adaptado el algoritmo gráfico de Bresenham para la distribución de los pulsos eléctricos que mueven los motores paso a paso, seleccionados como resultado del diseño del prototipo. La gestión de memoria se ha llevado a cabo mediante el desarrollo de algoritmos para el cálculo de la solución cinemática en tiempo real y para la generación de perfiles de aceleración lineales para los motores. El autómata desarrollado permite recibir trayectorias lineales o circulares a través del puerto USB y generar los pulsos necesarios para que el centro del inductor de cada manipulador desarrolle los movimientos requeridos. Para el control del prototipo mecatrónico se diseñan placas de control que incluyen los drivers que se encargan de dar potencia a los motores, microcontroladores programables en los que se implementan rutinas que permiten, a través de un uso eficiente de los drivers y de los recursos del microcontrolador, realizar trayectorias en línea recta y trayectorias circulares con cada uno de los manipuladores comandadas a través del puerto USB del PC. Los resultados de este trabajo han demostrado su efectividad tanto para la síntesis de múltiples manipuladores 2DOF en espacios de trabajo compartidos y restringidos, como en la simulación y control del sistema de cocina de inducción flexible. El enfoque abordado en este trabajo puede servir como base para otros problemas de síntesis dimensional para cocinas de inducción flexible, donde manteniendo los objetivos y restricciones de la formulación se pueda variar el número de manipuladores y las dimensiones de la placa; estudiar cocinas modulares con uno o varios manipuladores por módulo, generando así superficies de cocción más amplias que las estudiadas en esta tesis; o generar otro tipo de trayectorias como elípticas o espirales.