ES2944606B2 - Metodo y sistema mecatronico de activacion en cascada - Google Patents
Metodo y sistema mecatronico de activacion en cascadaInfo
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Description
DESCRIPCIÓN
MÉTODO Y SISTEMA MECATRÓNICO DE ACTIVACIÓN EN CASCADA
Objeto de la invención
El objeto de la invención es proporcionar una alimentación sin baterías ni condensadores de alta capacidad para hacer funcionar un sistema mecatrónico, de tal forma que la energía generada por el generador eléctrico del sistema mecatrónico sea consumida instantánea y simultáneamente por los elementos que necesitan energía para su funcionamiento como pueden ser microcontroladores, sensores, actuadores, etc.
La invención utiliza la energía eléctrica creciente que produce un generador eléctrico mecatrónico para activar en cascada los componentes del sistema mecatrónico, comenzando por la parte de control (microcontroladores) por ser la de voltaje y potencia más bajos de funcionamiento, y continuando con el resto de componentes del sistema mecatrónico como sensores y actuadores que tienen un voltaje y una potencia de activación mayores a los del microcontrolador.
Sector de la técnica
La presente invención pertenece al sector de la mecatrónica, y más concretamente a la alimentación eléctrica de sistemas embebidos de bajo consumo de potencia donde la energía eléctrica procede de un generador eléctrico que convierte la energía mecánica en energía eléctrica.
Problema técnico a resolver y antecedentes de la invención
Actualmente, existen muchas formas de alimentar eléctricamente los sistemas embebidos. Los más comunes son los cableados y los que funcionan con baterías recargables o baterías intercambiables, incluso sistemas que se usan con baterías recargables mediante la tecnología conocida como "Energy Harvesting”. Pero últimamente se han puesto muy en moda los sistemas embebidos sin batería, debidos a los problemas de sostenibilidad medioambientales que representan las baterías.
Para sustituir las baterías, se usan supercondensadores con distintas formas de generar la energía, hay generadores que generan una energía continua durante un largo tiempo (paneles solares, erergy harvesters de temperatura o vibración, etc.), pero existen otro tipo de generadores que generan una energía considerable en poco periodo de tiempo (dinamos, materiales piezoeléctricos, etc.).
El problema de usar un supercondensador es que, a diferencia de la batería, el voltaje en el supercondensador depende de la cantidad de energía almacenada. Es decir, el voltaje va disminuyendo de forma prácticamente lineal a medida que el supercondensador va entregando la carga que tiene almacenada, mientras que la batería es capaz de entregar la carga y mantener el voltaje casi constante hasta que la batería se descarga por completo, momento en el cual el voltaje en bornes de la batería decrece exponencialmente.
El gran problema de generar energía eléctrica desde cero en un periodo corto de tiempo, y emplearla en ese mismo tiempo o, en unos pocos segundos después, es que si esa energía se almacena en un supercondensador o un condensador, para después utilizarla, hay un porcentaje elevado de la energía eléctrica que no es aprovechable, porque su voltaje no alcanza el mínimo voltaje necesario para el correcto funcionamiento del sistema embebido.
Como ejemplo, se muestra en la Figura 1, para un supercondensador de 5,5V y un sistema mecatrónico embebido en una cerradura que funciona con un voltaje mínimo de 3,3V, alrededor de un 20% de la energía generada por el generador eléctrico será inservible. Cuanto mayor sea la capacidad del condensador, se requerirá más energía para alcanzar el voltaje necesario para el uso del sistema mecatrónico.
A modo de ejemplo, se muestran los resultados de un test de recarga de supercondensadores de 5,5V de distintas capacidades, se han cargado a una corriente de 100mA y se ha calculado el tiempo de recarga de cada uno. Si suponemos que las tensiones de funcionamiento del sistema embebido van desde los 3,3V a los 5,5V, toda la energía cargada hasta llegar a los 3,3V es energía que no se puede utilizar. El resultado obtenido es el siguiente:
5,5V y 0,1F:
- De 0 a 5,5V: Voltaje medio= 3.797658 V; Tiempo total= 3.213788 s; Potencia= 0,339mWh
- De 0 a 3,3V: Voltaje medio= 2.491079V; Tiempo total= 1.019281s; Potencia= 0,071mWh
- El 21% de la energía generada no se puede utilizar
5,5V y 0,22F:
- De 0 a 5,5V: Voltaje medio= 3.695646 V; Tiempo total= 4.945991 s; Potencia= 0,508mWh
- De 0 a 3,3V: Voltaje medio= 2.474711 V; Tiempo total= 1.730389s; Potencia= 0,119mWh
- El 23% de la Energía generada no se puede utilizar
5,5V y 1F:
- De 0 a 5,5V: Voltaje medio= 3.944717 V; Tiempo total= 26.610774 s; Potencia= 2,916mWh
- De 0 a 3,3V: Voltaje medio= 2.673263 V; Tiempo total= 7.893806 s; Potencia= 0,586mWh
- El 20% de la energía generada no se puede utilizar
Descripción de la invención
La presente invención divulga varios aspectos relacionados con los sistemas mecatrónicos, incluyendo un método de activación de los mismos.
En la presente descripción, y por tratarse de componentes eléctricos, el término "conectado” indica que dos elementos que estén "conectados” pueden estar directamente conectados y o conectados a través de otros elementos. Igualmente el término "conectado” puede hacer referencia a una conexión eléctrica (alimentación) y/o a una conexión de datos.
En un primer aspecto de la invención, se divulga un sistema mecatrónico de activación en cascada que comprende un generador eléctrico que genera una energía eléctrica de voltaje variable desde un voltaje mínimo hasta un voltaje máximo, a partir de una energía mecánica. La energía eléctrica generada por el generador eléctrico es de voltaje variable en el tiempo y puede tener distintas formas (campana, pico, etc.) por lo que la forma de la energía eléctrica de voltaje variable comienza en un voltaje mínimo y llega hasta un voltaje máximo donde se mantiene durante un tiempo corto (forma de pico) o largo (forma de campana) y luego vuelve a caer hasta el valor de voltaje mínimo. El sistema mecatrónico de activación en cascada de la presente invención adicionalmente comprende:
• un primer regulador de voltaje conectado a una salida del generador eléctrico, para la alimentación del primer regulador de voltaje; donde el primer regulador de voltaje genera al menos un primer voltaje de activación mayor que el voltaje mínimo del generador eléctrico;
• un microcontrolador conectado a una salida del primer regulador de voltaje para la alimentación del microcontrolador, donde el microcontrolador tiene un voltaje de alimentación equivalente al primer voltaje de activación;
• un adaptador de voltaje conectado a una salida del generador eléctrico y tierra para la alimentación del adaptador de voltaje, donde el adaptador de voltaje está configurado para generar y enviar una señal de activación al microcontrolador para cualquier valor de voltaje, que sea mayor o igual que el voltaje mínimo del generador eléctrico; la señal de activación indica al microcontrolador que el generador eléctrico está generando energía;
• un actuador conectado a la salida del generador eléctrico, para una alimentación del actuador con voltaje no regulado, donde el actuador tiene un voltaje de activación mayor que el primer voltaje de activación del primer regulador de voltaje, y donde el actuador está configurado para consumir de forma simultánea una parte de la energía eléctrica generada por el generador eléctrico.
Es decir, el microcontrolador es el elemento con menor voltaje de alimentación/activación de todos los elementos comprendidos en el sistema mecatrónico salvo el adaptador de voltaje. El adaptador de voltaje es el encargado de comunicar al microcontrolador que hay tensión en el generador eléctrico. De esta forma, el microcontrolador es el primer elemento del sistema que es activado para poder controlar el funcionamiento del resto de elementos comprendidos en el sistema mecatrónico. El microcontrolador utiliza líneas de datos para comunicarse con el resto de elementos del sistema. En una realización de la invención, el microcontrolador comprende una línea de activación conectable con el actuador para que el actuador sea activado/desactivado por el microcontrolador. Para cualquier realización de la invención, el microcontrolador tiene una memoria no-volátil para almacenar datos.
En la presente descripción, un "regulador de voltaje con un voltaje de activación” es un dispositivo electrónico que, para cualquier valor de voltaje que reciba a su entrada, el regulador de voltaje tiene a su salida un voltaje de valor constante que se corresponde con el "voltaje de activación”. De esta forma, y aplicando lo anterior al "microcontrolador” y al "primer regulador de voltaje”, el "primer regulador de voltaje” genera a su salida un voltaje constante cuyo valor es el "primer voltaje de activación” que es el voltaje que necesita el microcontrolador para ser activado/alimentado, siempre y cuando se cumpla que la potencia a la entrada del regulador de voltaje sea mayor o igual que la potencia a la salida del regulador de voltaje.
En una realización de la invención, el sistema mecatrónico de activación en cascada puede comprender un segundo regulador de voltaje con un segundo voltaje de activación mayor que el primer voltaje de activación, y donde el segundo regulador de voltaje tiene una entrada conectada a la salida del generador eléctrico.
En una realización de la invención, el sistema mecatrónico de activación en cascada puede comprender un tercer regulador de voltaje con un tercer voltaje de activación mayor que el segundo voltaje de activación, y donde el tercer regulador de voltaje tiene una entrada conectada a la salida del generador eléctrico.
En una realización de la invención, el sistema mecatrónico de activación en cascada puede comprender un cuarto regulador de voltaje y sucesivos si se cumple que cada regulador de voltaje tiene un voltaje de activación mayor al anterior.
En una realización de la invención, el sistema mecatrónico de activación en cascada puede comprender un regulador de voltaje multinivel que comprenda el primer regulador de voltaje, el segundo regulador de voltaje, el tercer regulador de voltaje, y el cuarto regulador de voltaje y sucesivos de realizaciones anteriores. El regulador de voltaje multinivel tiene una entrada conectada al generador eléctrico y distintas salidas, Es decir, al menos tantas salidas como reguladores de voltaje internos tenga el regulador de voltaje multinivel.
En otra realización de la invención, el sistema mecatrónico de activación en cascada puede comprender un diodo anti-retorno conectado a una salida del generador eléctrico. El diodo anti-retorno evita que la energía vuelva al generador eléctrico y se pierda.
En otra realización de la invención, el sistema mecatrónico de activación en cascada también puede comprender un condensador conectado a la salida del diodo anti retorno y tierra, donde el condensador está configurado para eliminar el ruido de la energía eléctrica de voltaje variable del generador eléctrico, absorber picos de conmutación o arranque de sensores/actuadores y almacenar la energía eléctrica de voltaje variable no consumida por el resto de elementos del circuito (reguladores de voltaje, microcontrolador, adaptador de voltaje, sensor, actuador).
En otra realización de la invención, el tercer regulador de voltaje está interconectado entre el actuador y el generador eléctrico. De esta forma, el actuador recibe del tercer regulador de voltaje una alimentación con voltaje regulado proporcionado por el tercer regulador de voltaje.
En otra realización de la invención, el sistema mecatrónico de activación en cascada de la presente invención comprende un sensor conectado al segundo regulador de voltaje. El sensor tiene un voltaje de alimentación igual al segundo voltaje de activación del segundo regulador de voltaje. El sensor está configurado para consumir de forma simultánea una parte de la energía eléctrica generada por el generador eléctrico.
En otra realización de la invención, el microcontrolador está adicionalmente configurado para activar el sensor y el actuador, de forma secuencial por intervalos de tiempo predefinidos. Los intervalos de tiempo predefinidos requieren de un conocimiento previo de la forma en la que se produce la generación de energía por parte del generador eléctrico. Concretamente se calcula el tiempo transcurrido desde que comienza la generación de energía por parte del generador eléctrico (inicio de la curva) hasta que el voltaje/potencia es suficiente para activar los componentes del sistema como son el microcontrolador, los reguladores de voltaje, los sensor(es), y los actuador(es).
En otra realización de la invención, el sistema mecatrónico de activación en cascada puede comprender un medidor de voltaje conectado entre la salida del generador eléctrico y tierra. El medidor de voltaje está configurado para medir el voltaje variable de la energía eléctrica generada por el generador eléctrico, y enviar el voltaje medido al microcontrolador. Si hay un sensor conectado al segundo medidor de voltaje, el microcontrolador envía una señal de activación al sensor cuando el voltaje medido es igual al segundo voltaje de activación. Si hay un actuador conectado al tercer medidor de voltaje, el microcontrolador envía una señal de activación al actuador cuando el voltaje medido es igual al tercer voltaje de activación. Si hay un actuador conectado a la salida del generador eléctrico, el microcontrolador envía una señal de activación al actuador cuando el voltaje medido es igual al voltaje de activación/alimentación del actuador.
En otra realización de la invención, el actuador es un motor. El motor puede estar conectado a la salida del generador eléctrico para una alimentación del motor noregulada, es decir, de voltaje no constante. Alternativamente, el motor puede estar conectado a la salida de un regulador de voltaje para una alimentación a voltaje constante del motor, según las necesidades del motor.
En otra realización de la invención, el sensor puede comprender un controlador de antena y una antena, donde el controlador de antena está conectado al microcontrolador mediante un bus de comunicación para que el microcontrolador pueda controlar al controlador de antena así como enviar/recibir datos a través de la antena.
En un segundo aspecto de la invención, se divulga un método de activación en cascada para un sistema mecatrónico. El método de activación en cascada para un sistema mecatrónico comprende los siguientes pasos:
• analizar el sistema mecatrónico según los siguientes sub-pasos:
- listar los elementos del sistema mecatrónico que necesitan alimentación; - calcular el voltaje de activación/alimentación mínimo necesario para cada elemento listado en el sub-paso anterior;
- calcular el intervalo temporal de activación en el que cada elemento es activado;
- calcular la secuencia de actuación de los elementos en base al voltaje mínimo de activación y al intervalo temporal de activación de cada elemento de tal forma que la secuencia de activación:
• comienza por los voltajes de activación/alimentación más bajos y crece hasta los voltajes de activación/alimentación más altos; y, • en caso de que dos o más elementos tengan voltajes de activación/alimentación iguales, la secuencia de activación prioriza al elemento con intervalo temporal de activación más largo;
• seleccionar el generador eléctrico en base a la energía/potencia que es necesaria proporcionar al sistema mecatrónico. Es decir, el generador eléctrico debe proporcionar una energía/potencia igual o mayor que la suma de todas las energías/potencias de todos los elementos comprendidos en el sistema mecatrónico y que consumen energía/potencia como son al menos el microcontrolador, los reguladores de voltaje, el sensor y el actuador, y opcionalmente, al menos el condensador; y,
• programar el microcontrolador con la secuencia de activación. Opcionalmente, programar el microcontrolador con parámetros de control adicionales del sistema mecatrónico seleccionados entre control y aviso a usuario de un mal funcionamiento, energía insuficiente y lecturas incorrectas.
En una realización de la invención, el método de activación en cascada para un sistema mecatrónico, adicionalmente comprende programar el microcontrolador para llevar a cabo funciones adicionales en caso de que el condensador tenga energía almacenada. Las funciones adicionales están seleccionadas entre almacenamiento en memoria interna del microcontrolador, y encendido de un led de aviso.
En un tercer aspecto de la invención, se divulga un método de activación en cascada para un sistema mecatrónico, el cual comprende un generador eléctrico que genera una energía eléctrica a partir de una energía mecánica conectado a un primer regulador de voltaje con un primer voltaje de activación y a un segundo regulador de voltaje con un segundo voltaje de activación mayor que el primer voltaje de activación. El método comprende conectar un microcontrolador al primer regulador de voltaje y un sensor/actuador al segundo regulador de voltaje de tal forma que el generador eléctrico genera la energía eléctrica desde un valor mínimo hasta un valor máximo donde el microcontrolador se activa al recibir el primer voltaje de activación y el sensor/actuador se activa al recibir el segundo voltaje de activación.
Breve descripción de las figuras
Figura 1.-Muestra la subida de tensión respecto la cantidad de energía almacenada para un supercondensador en función de la relación voltaje-tiempo.
Figura 2.-Muestra una gráfica representativa del voltaje en función del tiempo para una energía generada en un sistema mecatrónico y los valores de activación de los componentes mecatrónicos comprendidos en el sistema mecatrónico.
Figura 3A y 3B.-Muestran el test de carga continua de 100mA realizado con un supercondensador de 0,1F y 5,5V, y con un condensador de 220uF y 6,3V, respectivamente.
Figura 4.-Muestra una gráfica representativa del voltaje en función del tiempo para una energía generada en un sistema mecatrónico.
Figuras 5A y 5B.-Muestran dos capturas de un mismo generador eléctrico con un mismo recorrido, pero con distintas fuerzas de pulsación.
Figura 6.-Muestra una forma de realización del sistema mecatrónico de la presente invención.
Figura 7.-Muestra una forma de realización del sistema mecatrónico de la presente invención.
Figura 8.-Muestra una forma de realización del sistema mecatrónico de la presente invención.
Descripción de un ejemplo de realización de la invención
A continuación se detallan los ejemplos de realización de la invención, partiendo de datos numéricos referidos al consumo de energía de los sistemas mecatrónicos.
El sistema que divulga la presente invención consume la energía al mismo tiempo que se está generando, es decir, no se almacena la energía generada. De esta manera se evita utilizar un condensador o supercondensador de grandes capacidades y se consigue reducir el tamaño o la fuerza necesaria del generador eléctrico en un 20%-25% con el objetivo de evitar o reducir al máximo el desperdicio de energía, dependiendo del voltaje mínimo y máximo de funcionamiento del sistema.
Mediante el sistema de la presente invención se emplea un generador eléctrico 2, que convierte la energía mecánica, producida por un movimiento rectilíneo o circular, en energía eléctrica, la mecatrónica se activa, realiza todas sus acciones y vuelve a su estado de reposo durante el tiempo que el generador eléctrico está generando energía.
Con el sistema de la presente invención se consigue también acelerar la acción de la mecatrónica, pudiendo comenzar a funcionar casi en el mismo instante en el que el generador eléctrico comienza a generar la energía eléctrica.
Dependiendo de la aplicación/uso y de la energía eléctrica que necesite el sistema mecatrónico 1, se utiliza un condensador 7 de una capacidad no muy elevada en relación a la energía eléctrica que suministra el generador eléctrico 2, cuya principal función es la de estabilizar el voltaje que proporciona el generador eléctrico 2 y proporcionar energía a los picos de consumo elevado como el arranque de un actuador. La energía que tiene almacenada el condensador proviene de la energía no consumida en el propio ciclo de generación del pulso de energía (Figs. 2 y 4) o de ciclos anteriores.
Al mismo tiempo, cuando la acción/ciclo termina, el condensador 7 queda cargado con una energía eléctrica, la cual puede ser utilizada para realizar alguna acción de bajo consumo, como parpadeo de un led, activar un zumbador, guardar ciertos datos en memoria no volátil, accionar un flip-Dot que sirve para indicar el estado abierto/ cerrado de la puerta, etc.
En caso de que la acción/ciclo no se haya terminado y que el generador eléctrico 2 deje de generar energía, el condensador 7 con capacidad mínima, deja energía suficiente para guardar los datos en la memoria no volátil del microcontrolador 8.
En la figura 2 se muestra la forma en la que el generador eléctrico 2 transforma la energía mecánica en energía eléctrica, donde se observa que tiene forma de una campana cóncava. Es decir, al principio del movimiento mecánico, la energía eléctrica generada es baja, durante el transcurso del movimiento la energía eléctrica aumenta y hacia el final de la campara, la energía eléctrica disminuye otra vez.
Como se observa en la figuras 2 y 4, el generador eléctrico 2 genera la energía eléctrica desde un valor mínimo hasta un valor máximo, luego se estabiliza y termina decreciendo. De esta manera, el primer regulador de voltaje 3 se activa al recibir primer voltaje de activación (y consecuentemente el microcontrolador 8), instantes después, el segundo regulador de voltaje 4 se activa al recibir el segundo voltaje de activación (y consecuentemente el sensor 9b y el controlador del sensor 9a), e instantes después, el tercer regulador de voltaje 5 se activa al recibir el tercer voltaje de activación (y consecuentemente el actuador (10)). Como ejemplos de voltajes crecientes de activación están 1,8v, 3v y 5v.
Para poder aprovechar la energía que genera el generador eléctrico 2 en un sistema mecatrónico, se ha desarrollado una metodología de activación en cascada. Esta metodología consiste en adaptar el voltaje que está proporcionando el generador eléctrico 2 al voltaje de funcionamiento/activación de cada parte del circuito.
Por ejemplo, ver figura 2, el microcontrolador 8 generalmente comienza a funcionar a 1,8 Voltios, por lo que cuando el generador eléctrico 2 alcanza ese nivel de voltaje, el microcontrolador 8 comienza a funcionar. Después comienza a funcionar el resto de elementos del sistema mecatrónico, como sensores 9 y actuadores 10, cuando el generador eléctrico 2 alcance el voltaje mínimo de funcionamiento de los sensores 9 y actuadores 10. Normalmente, los sensores 9 necesitan más voltaje de alimentación/activación que los microcontroladores 8 pero menos que los actuadores 10.
Con la activación en cascada de la presente invención se disminuye aún más el voltaje mínimo de arranque y se acelera la acción que se realiza con cada ciclo de generación de energía.
Con la activación en cascada del sistema mecatrónico de la presente invención con un regulador dedicado a cada elemento (microcontrolador, sensor, actuador) del sistema mecatrónico, cada regulador de voltaje alimenta sólo una parte del circuito (microcontrolador, sensor, actuador), y cada elemento (microcontrolador, sensor, actuador) estará activo siempre que el voltaje de alimentación supere el voltaje del regulador de voltaje. De esa forma, como se ve en la Figura 2, el regulador de voltaje de 1,8V para el microcontrolador está activo durante más tiempo al principio y al final, que los reguladores de 3,3V para "sensores” o de 5V para "actuadores”. Además, cada regulador de voltaje, según la forma de realización, puede enviar una señal digital al microcontrolador para indicarle que el regulador de voltaje está activo.
Para que la invención tenga un correcto funcionamiento, es importante que el orden de activación de los elementos del sistema mecatrónico coincida con el orden en el que es necesario activar cada componente. El microcontrolador suele ser el componente que menos voltaje requiere seguido de los sensores y actuadores, por lo que el sistema mecatrónico de activación en cascada, tiene como ventaja poder acelerar la acción que se desea realizar con el sistema mecatrónico. No hay un orden de activación establecido por microcontrolador-sensores-acturadores, si no que se establece un orden en función de los voltajes de activación de cada elemento (microcontrolador, sensores, acturadores).
En la figura 3A se muestra un test de carga continua de 100mA realizado con un supercondensador de 0,1F y 5,5V, y en la figura 3B, el mismo test para un condensador de 220uF y 6,3V. Los resultados son los siguientes:
6,3V y 220uF:
- De 0 a 6,3V: Tiempo total= 83ms; Potencia= 7,75uWh
- De 0 a 3,3V: Tiempo total= 42ms; Potencia= 2,03uWh
- De 0 a 1,8V: Tiempo total= 20ms; Potencia= 0,71uWh
5,5V y 0,1F:
- De 0 a 5,5V: Tiempo total= 3.21 s; Potencia= 0,339mWh
- De 0 a 3,3V: Tiempo total= 1.01 s; Potencia= 0,071mWh
- El 21% de la energía generada no se puede utilizar
Si se compara el voltaje inicial, utilizando el voltaje de activación de 3,3V en todo el sistema mecatrónico, la energía desaprovechada con el condensador es de tan solo 2,03uWh mientras que con el supercondensador la energía desaprovechada es de 339uWh.
Teniendo en cuenta que con la metodología de activación en cascada de la presente invención, el sistema mecatrónico empieza a funcionar ya desde los 1,8V del microcontrolador, la energía desaprovechada es de 0,71uWh. Además el tiempo hasta que se alcanza el voltaje mínimo para comenzar a operar, en el caso del condensador es de 20ms y la del supercondensador de 1,01 segundos.
Por lo tanto, la presente invención tiene la ventaja de que reduce los tiempos de activación, haciendo al sistema mecatrónico más rápido en su actuación, y se reduce enormemente la energía desaprovechada hasta el punto de no necesitar ni baterías ni supercondensadores.
Por otro lado, en los casos en los que la energía generada puede variar, como por ejemplo cuando es una persona la que realiza el movimiento mecánico para generar la energía, puede haber casos en los que la fuerza empleada no es suficiente y no se tenga energía suficiente para que la electrónica pueda realizar todas las acciones deseadas. Y puede ocurrir el caso contrario, en el que la fuerza empleada sea demasiada, y que el tiempo del movimiento sea muy corto, no dando tiempo a la mecatrónica a realizar todas sus acciones.
Para solventar estas situaciones, se calculan previamente las diferentes curvas de energía del generador eléctrico, en función de los diferentes movimientos mecánicos que se realizan en el generador eléctrico para generar energía, y se determina el tiempo que tarda el generador eléctrico en alcanzar los distintos voltajes para predecir la cantidad de energía que va a generar. Pudiendo saber de este modo, si hay energía suficiente, con el movimiento mecánico realizado, y en caso contrario, parar las acciones de los actuadores/sensores y aprovechar la energía generada para dar información al usuario de que el movimiento mecánico realizado no ha sido correcto.
En las figuras 5A y 5B se observan dos capturas de un mismo generador eléctrico con un mismo movimiento mecánico, pero la fuerza empleada para realizar el movimiento mecánico ha sido distinta. Como se ve, el tiempo que tarda cada uno en alcanzar cada valor de voltaje cambia, por lo que recogiendo tan solo dos valores de voltaje en dos tiempos distintos del arranque, se puede prever cuanta energía eléctrica se va a generar.
En relación con lo anterior, en la figura 6 se muestra una realización del sistema de la presente invención que funciona por “mediciones de tiempo”. En esta realización, el microcontrolador 8 tiene pre-programados los tiempos de activación de los regulares de voltaje, de los sensores y de los actuadores. Es decir, el microcontrolador 8 registra cuanto tiempo transcurre entre el arranque de cada regulador de voltaje (3, 4, 5). Por ejemplo, de esta manera, se sabe exactamente cuánto tiempo ha transcurrido desde que el generador eléctrico 2 genera 1,8V hasta 3V.
Por tanto, el sistema mecatrónico de activación en cascada 1 mostrado en la figura 6 comprende:
• el generador eléctrico 2 que genera una energía eléctrica de voltaje variable desde un voltaje mínimo hasta un voltaje máximo, a partir de una energía mecánica;
• el adaptador de voltaje 12 conectado a la salida del generador eléctrico 2 y tierra, donde el adaptador de voltaje 12 está configurado para generar y enviar la señal de activación 12a al microcontrolador 8 para indicar al microcontrolador que el generador eléctrico 2 está generando energía; el adaptador de voltaje 12 envía la señal al microcontrolador 8 para cualquier valor de voltaje mayor o igual que el voltaje mínimo del generador eléctrico 2;
• el diodo anti-retorno 6 conectado al positivo del generador eléctrico 2; el diodo anti retorno 6 sirve para que la energía almacenada tanto en la circuitería como en el condensador 7 no vuelva hacia el generador eléctrico 2 y quede almacenada en el condensador 7;
• el condensador 7 conectado entre la salida del diodo anti-retorno 6 y tierra 11; • el regulador multi-nivel 14 que comprende interiormente el regulador de voltaje 3 y el regulador de voltaje 4; donde:
oel primer regulador de voltaje 3 genera un primer voltaje constante de activación mayor que el voltaje mínimo del generador eléctrico 2;
oel segundo regulador de voltaje 4 genera un segundo voltaje constante de activación mayor que el primer voltaje de activación;
• el microcontrolador 8 conectado a una salida del regulador multi-nivel 14 que está conectada a su vez con la salida del primer regulador de voltaje 3, donde el microcontrolador 8 tiene un voltaje de alimentación equivalente al primer voltaje de activación y donde el microcontrolador 8 se activa al recibir el primer voltaje de activación del primer regulador de voltaje 3 y la señal 12a del adaptador de voltaje 12;
• el sensor 9 formado por el controlador de la antena 9a y la antena 9b conectados a una salida del regulador multi-nivel 14 que está conectada a su vez con la salida del segundo regulador de voltaje 4, donde el controlador de la antena 9a y la antena 9b tienen un voltaje de alimentación equivalente al segundo voltaje de activación; el controlador de la antena 9a tiene un bus de comunicación 9c con el microcontrolador 8 para la activación/desactivación del sensor 9 (antena 9b y controlador de la antena 9a) en base a los tiempos pre-programados en el microcontrolador 8; por tanto, el controlador de la antena 9a y la antena 9b quedan alimentados por el segundo regulador de voltaje 4 y se activan al recibir la señal de activación del microcontrolador 8 por el bus de comunicación 9c;
• el actuador 10 conectado a la salida del generador eléctrico 2 con interconexión del diodo anti-retorno 6; el actuador 10 recibe alimentación no-regulada del generador eléctrico 2; el microcontrolador 8 tiene un bus de comunicación 8a con el actuador 10 para la activación/desactivación del actuador 10 en base a los tiempos pre-programados en el microcontrolador 8.
Como se ha indicado, el microcontrolador 8 controla en qué momento el generador eléctrico 2 está generando energía y en qué momento no mediante el adaptador de voltaje 12. El adaptador de voltaje 12, por ejemplo, transforma el voltaje de la energía eléctrica generada por el generador eléctrico 2 que se encuentra entre 2,5v y 7v, en un voltaje de 2,5v que es el aceptado por el microcontrolador 8 para señales que no son de alimentación del microcontrolador 8. Esto permite la utilización del adaptador de voltaje 12 como sensor para indicar cuándo empieza a funcionar el sistema mecatrónico 1. También se emplea para saber cuándo el generador eléctrico 2 deja de funcionar, indicando al microcontrolador 8 que tiene que irse a su estado de reposo inmediatamente y realizar ciertas operaciones de bajo consumo como guardar datos en memoria no-volátil o proporcionar información al usuario como pitidos o parpadeos de leds con la ayuda de la energía restante que quede almacenada en el condensador 7.
Otra forma de realización del sistema de la presente invención es por "medidores de voltaje descentralizado”, la cual se muestra en la figura 7. En esta realización, los reguladores de voltaje miden la tensión a sus respectivas entradas y se activan al medir sus respectivos voltajes de activación. Cuando el regulador de voltaje se activa, envía una señal al microcontrolador para que sepa que el regulador de voltaje se ha activado, dejando el control de la activación de los reguladores de voltaje. Por tanto, el sistema mecatrónico de activación en cascada 1 mostrado en la figura 7 comprende:
• el generador eléctrico 2 que genera una energía eléctrica de voltaje variable desde un voltaje mínimo hasta un voltaje máximo a partir de una energía mecánica;
• el adaptador de voltaje 12 conectado a la salida del generador eléctrico 2 y tierra 11, donde el adaptador de voltaje 12 está configurado para generar y enviar una señal de activación 12a al microcontrolador 8 para indicar al microcontrolador que el generador eléctrico está generando energía, para cualquier valor de voltaje mayor o igual que el voltaje mínimo del generador eléctrico 2;
• el diodo anti-retorno 6 conectado al positivo del generador eléctrico 2;
• el condensador 7 conectado entre la salida del diodo anti-retorno 6 y tierra 11; • el primer regulador de voltaje 3 conectado a la salida del diodo anti-retorno 6, donde el primer regulador de voltaje 3 genera a su salida un primer voltaje de activación mayor que el voltaje mínimo del generador eléctrico 2;
• el microcontrolador 8 conectado a la salida del primer regulador de voltaje 3, donde el microcontrolador 8 tiene un voltaje de alimentación equivalente al primer voltaje de activación y donde el microcontrolador 8 se activa al recibir el primer voltaje de activación del primer regulador de voltaje 3 y la señal 12a del adaptador de voltaje 12;
• el segundo regulador de voltaje 4 conectado a la salida del diodo anti-retorno 6, donde el segundo regulador de voltaje 4 genera un segundo voltaje de activación mayor que el primer voltaje de activación; el microcontrolador 8 tiene un bus de comunicación 4a con el segundo regulador de voltaje 4 por el que el microcontrolador 8 recibe la señal de activación/desactivación del segundo regulador de voltaje 4 cuando se activa/desactiva, respectivamente;
• el sensor 9 formado por el controlador de la antena 9a y la antena 9b conectados a la salida del segundo regulador de voltaje 4, donde el controlador de la antena 9a y la antena 9b tienen un voltaje de activación/alimentación equivalente al segundo voltaje de activación; el controlador de la antena 9a tiene un bus de comunicación 9c con el microcontrolador 8; por tanto, el controlador de la antena 9a y la antena 9b quedan alimentados por el segundo regulador de voltaje 4 y se activan al recibir la señal de activación del microcontrolador 8 por el bus de comunicación 9c;
• el tercer regulador de voltaje 5 conectado a la salida del diodo anti-retorno 6, donde el tercer regulador de voltaje 5 genera un tercer voltaje constante de activación mayor que el segundo voltaje de activación; el microcontrolador 8 tiene un bus de comunicación 5a con el tercer regulador de voltaje 5 por el que el microcontrolador 8 recibe la señal de activación/desactivación del tercer regulador de voltaje 5 cuando se activa/desactiva, respectivamente;
• el actuador 10 conectado a la salida del tercer regulador de voltaje 5 donde el actuador tienen un voltaje de alimentación equivalente al tercer voltaje de activación; el microcontrolador 8 tiene un bus de comunicación 8a con el actuador 10 para la activación/desactivación del actuador 10; por tanto, el actuador 10 queda alimentado por el tercer regulador de voltaje 5 y se activa al recibir la señal de activación del microcontrolador 8.
En la figura 8 se muestra una realización del sistema de la presente invención que funciona por "medidores de voltaje centralizado”. En esta realización, el medidor de voltaje 13 mide el voltaje a la entrada del regulador multi-nivel 14 y se la comunica al microcontrolador 8 para que sea el microcontrolador 8 el que decida los momentos en los que se activan los sensores y actuadores. Por tanto, el sistema mecatrónico de activación en cascada 1 mostrado en la figura 8 comprende:
• el generador eléctrico 2 que genera una energía eléctrica de voltaje variable desde un voltaje mínimo hasta un voltaje máximo, a partir de una energía mecánica;
• el diodo anti-retorno 6 conectado al positivo del generador eléctrico 2;
• el condensador 7 conectado entre la salida del diodo anti-retorno 6 y la tierra 11; • el adaptador de voltaje 12 conectado a la salida del generador eléctrico 2 y tierra, donde el adaptador de voltaje 12 está configurado para generar y enviar una señal de activación 12a al microcontrolador 8 para indicar al microcontrolador que el generador eléctrico 2 está generando energía, para cualquier valor de voltaje mayor o igual que el voltaje mínimo del generador eléctrico 2;
• el medidor de voltaje 13 conectado a la entrada del regulador multi-nivel 14, donde el medidor de voltaje 13 está configurado para medir el voltaje a la entrada del regulador multi-nivel 14;
• el regulador multi-nivel 14 que comprende interiormente el regulador de voltaje 3 y el regulador de voltaje 4; donde:
oel primer regulador de voltaje 3 genera un primer voltaje constante de activación mayor que el voltaje mínimo del generador eléctrico 2;
oel segundo regulador de voltaje 4 genera un segundo voltaje constante de activación mayor que el primer voltaje de activación;
• el microcontrolador 8 conectado a una salida del regulador multi-nivel 14 que está conectada a su vez con la salida del primer regulador de voltaje 3, donde el microcontrolador 8 tiene un voltaje de alimentación equivalente al primer voltaje de activación y donde el microcontrolador 8 se activa al recibir el primer voltaje de activación del primer regulador de voltaje 3 y la señal 12a del adaptador de voltaje 12;
• el sensor 9 formado por el controlador de la antena 9a y la antena 9b conectados a una salida del regulador multi-nivel 14 que está conectada a su vez con la salida del segundo regulador de voltaje 4, donde el controlador de la antena 9a y la antena 9b tienen un voltaje de alimentación equivalente al segundo voltaje de activación; el controlador de la antena 9a tiene un bus de comunicación 9c con el microcontrolador 8 para la activación/desactivación del sensor 9 (antena 9b y controlador de la antena 9a) en base a la tensión medida por el medidor de voltaje 13; por tanto, el controlador de la antena 9a y la antena 9b quedan alimentados por el segundo regulador de voltaje 4 y se activan al recibir la señal de activación del microcontrolador 8 por el bus de comunicación 9c;
• el actuador 10 conectado a la salida del diodo anti-retorno 6 del que recibe alimentación no-regulada del generador eléctrico 2; el microcontrolador 8 tiene un bus de comunicación 8a con el actuador 10 para la activación/desactivación del actuador 10 en base a la tensión medida por el medidor de voltaje 13; por tanto, el actuador 10 queda alimentado por el generador eléctrico 2 y se activa al recibir la señal de activación del microcontrolador 8 por el bus de comunicación 8a.
Respecto del método de activación en cascada, los pasos que definen el método/metodología son los siguientes:
1. Analizar el sistema mecatrónico según los siguientes sub-pasos:
A. listar los elementos del sistema mecatrónico que necesitan alimentación;
B. calcular el voltaje mínimo necesario de activación (alimentación) para cada elemento listado en el sub-paso anterior;
C. calcular el intervalo temporal de activación en el que cada elemento es activado;
D. calcular la secuencia de actuación de los elementos en base al voltaje mínimo de activación y al intervalo temporal de activación de cada elemento de tal forma que la secuencia de activación:
• comienza por los voltajes de activación (alimentación) más bajos y crece hasta los voltajes de activación (alimentación) más altos; y, • en caso de que dos o más elementos tengan voltajes de activación (alimentación) iguales, la secuencia de activación prioriza al elemento con intervalo temporal de activación más largo.
2. Seleccionar el generador eléctrico (2) en base a la energía/potencia que es necesaria proporcionar al sistema mecatrónico (1). Es decir, el generador eléctrico (2) debe proporcionar una energía/potencia igual o mayor que la suma de todas las energías/potencias de todos los elementos comprendidos en el sistema mecatrónico (1) y que consume energía/potencia como son al menos el microcontrolador (8), el los reguladores de voltaje (3, 4, 5), el sensor (9) y el actuador (10), y opcionalmente, al menos el condensador (7).
3. Programar el microcontrolador (8) con la secuencia de activación. Opcionalmente, programar el microcontrolador (8) con parámetros de control adicionales del sistema mecatrónico (1) como por ejemplo: control y aviso a usuario de un mal funcionamiento, energía insuficiente, lecturas incorrectas, etc.
4. Programar el microcontrolador (8) para llevar a cabo funciones adicionales en caso de que el condensador (7) tenga energía almacenada. Ejemplos de dichas funciones adicionales son el almacenamiento en memoria interna del microcontrolador (8), encendido de un led de aviso, Flip-Dot, etc.
Claims (11)
1. Sistema mecatrónico de activación en cascada (1), caracterizado porque comprende: • un generador eléctrico (2) que genera una energía eléctrica de voltaje variable desde un voltaje mínimo hasta un voltaje máximo, a partir de una energía mecánica;
• un primer regulador de voltaje (3) conectado a una salida del generador eléctrico (2);
donde el primer regulador de voltaje (3) genera al menos un primer voltaje de activación mayor que el voltaje mínimo del generador eléctrico (2);
• un microcontrolador (8) conectado a una salida del primer regulador de voltaje (3), donde el microcontrolador (8) tiene un voltaje de alimentación equivalente al primer voltaje de activación;
• un adaptador de voltaje (12) conectado a una salida del generador eléctrico (2) y tierra, donde el adaptador de voltaje (12) está configurado para generar y enviar una señal de activación (12a) al microcontrolador (8);
• un actuador (10) conectado a la salida del generador eléctrico (2), donde el actuador (10) tiene un voltaje de activación mayor que el primer voltaje de activación del primer regulador de voltaje, y donde el actuador (10) está configurado para consumir de forma simultánea una parte de la energía eléctrica generada por el generador eléctrico (2); • un diodo anti-retorno (6) conectado a una salida del generador eléctrico (2);
• un condensador (7) conectado a la salida del diodo anti-retorno (6) y tierra (11).
2. Sistema mecatrónico de activación en cascada, según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende un segundo regulador de voltaje (4) con un segundo voltaje de activación mayor que el primer voltaje de activación, y donde el segundo regulador de voltaje (4) tiene una entrada conectada a la salida del generador eléctrico.
3. Sistema mecatrónico de activación en cascada, según reivindicación 2, caracterizado porque comprende un tercer regulador de voltaje (5) con un tercer voltaje de activación mayor que el segundo voltaje de activación, y donde el tercer regulador de voltaje (5) tiene una entrada conectada a la salida de un diodo anti-retorno (6).
4. Sistema mecatrónico de activación en cascada, según la reivindicación 3, caracterizado porque comprende un regulador de voltaje multinivel (14), el cual comprende al primer regulador de voltaje (3), al segundo regulador de voltaje (4) y al tercer regulador de voltaje (5).
5. Sistema mecatrónico de activación en cascada, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el microcontrolador (8) comprende una línea de activación (8a) conectable con el actuador (10).
6. Sistema mecatrónico de activación en cascada, según la reivindicación 3 o 4, caracterizado porque el tercer regulador de voltaje (5) está interconectado entre el actuador (10) y el generador eléctrico (2).
7. Sistema mecatrónico de activación en cascada, según la reivindicación 2, caracterizado porque comprende un sensor (9) conectado al segundo regulador de voltaje (4), donde el sensor (9) tiene un voltaje de alimentación igual al segundo voltaje de activación del segundo regulador de voltaje (4), y donde el sensor (9) está configurado para consumir de forma simultánea una parte de la energía eléctrica generada por el generador eléctrico (2).
8. Sistema mecatrónico de activación en cascada, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el microcontrolador (8) está adicionalmente configurado para activar el sensor (9) y el actuador (10), de forma secuencial por intervalos de tiempo predefinidos.
9. Sistema mecatrónico de activación en cascada, según las reivindicaciones 6 y 7, caracterizado porque adicionalmente comprende un medidor de voltaje (13) conectado entre la salida del generador eléctrico (2) y tierra (11), donde el medidor de voltaje (13) está configurado para medir el voltaje variable de la energía eléctrica generada por el generador eléctrico (2), y enviar el voltaje medido al microcontrolador (8); donde el microcontrolador (8) envía una señal de activación al sensor (9) cuando el voltaje medido es igual al segundo voltaje de activación, y donde el microcontrolador (8) envía una señal de activación al actuador (10) cuando el voltaje medido es igual al tercer voltaje de activación.
10. Sistema mecatrónico de activación en cascada, según una cualquiera de las reivindicaciones 1, 5, 6, 8 y 9, caracterizado porque el actuador (10) es un motor.
11. Sistema mecatrónico de activación en cascada, según la reivindicación 7, caracterizado porque el sensor (9) comprende un controlador de antena (9a) y una antena (9b), donde el controlador de antena (9a) está conectado al microcontrolador (8) mediante un bus de comunicación (9c).
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