Gràcies als avenços de l'electrònica de potència, la microelectrònica i la teoria de control s'ha generalitzat l'ús dels controls vectorials del motor d'inducció en aplicacions industrials. Les prestacions d'aquests controls són funció directa del grau de certesa en el coneixement, en tot moment, de la posició del flux a l'interior de la màquina. En conseqüència, és molt important , no solament el coneixement de la velocitat del rotor, sinó el de la posició d'aquest. En moltes de les aplicacions industrials el desig principal és eliminar el sensor de velocitat però en cap cas es desitja disminuir les prestacions dinàmiques del sistema d'accionament del motor. L'interès d'aquests accionaments sense sensor "Sensorless" és doble, cal que el sistema pugui controlar el més ampli rang possible de velocitats i, a més, tenir una ràpida resposta.De l'estudi dels diferents sistemes d'estimació s'extreu que els sistemes amb major resolució són més complexos i més difícils d'implementar i, per tant, industrialment menys viables. Els sistemes complexos necessiten un coneixement exacte dels paràmetres del motor i són molt influenciables per les seves variacions, per això necessiten rutines d'estimació de paràmetres. Finalment, els sistemes més simples són fàcils d'implementar però tenen una pitjor resposta dinàmica Els objectius plantejats en aquesta tesi són:1) Desenvolupar i validar un estimador de velocitat per a una regulació Sensorless.2) Tancar el llaç de velocitat amb un control vectorial.3) Implementar el sistema tenint en compte la seva viabilitat pràctica.En aquesta tesi es proposa implementar un sistema de control de la velocitat d'un motor d'inducció sense sensor de velocitat (Sistema sensorless) de baix cost. Per estimar la velocitat es proposa la idea de millorar la resposta dinàmica d'un estimador de velocitat en règim permanent. Per a l'estimació de velocitat, s'implementen dos estimadors de velocitat treballant en paral·lel: l'estimador en règim permanent i l'estimador en règim transitori. Per tal d'obtenir el bo i millor d'ambdós estimadors, es realitza un promig intel·ligent de les dues velocitats estimades mitjançant un sistema basat en lògica "fuzzy". Aquest sistema "fuzzy" intel·ligent, és capaç d'obtenir la relació òptima de promitjat entre les dues estimacions en funció del punt de treball del motor; punt de treball que ve determinat per la velocitat del motor i el nivell o grau de règim permanent. Per tancar el llaç de control de la velocitat amb la velocitat estimada es proposa la utilització d'un sistema de control de parell FAM i un regulador PI.L'estimador en règim transitori ofereix una velocitat estimada que difícilment és pot fer servir degut al soroll que conté, si no es realitza un procés de filtrat. Aquest soroll és conseqüència dels derivadors, de la divisió que incorpora l'algoritme d'estimació i del soroll provinent del corrent del motor. S'ha dissenyat un filtre adaptatiu (fuzzy), que en funció del punt de treball del motor, varia la seva freqüència de tall òptima. Així, s'estableix un equilibri entre el retard degut a un filtrat fort i l'excés d'arrissada que implica un filtrat massa suau. Les variables que proporcionen la informació del punt de treball per seleccionar la freqüència de tall són la pròpia velocitat estimada i la derivada d'un corrent proporcional al parell (obtingut amb l'algoritme de l'estimador en règim permanent); és a dir el nivell de règim permanent. El sistema fuzzy en conjunt s'ha dissenyat el més simple possible en pro de la viabilitat de la seva futura implementació.Per estalviar la mesura directa de la tensió del motor s'ha dissenyat un model de l'inversor a implementar.L'accionament del motor d'inducció implementat tanca el llaç de velocitat mitjançant un control vectorial emprant la velocitat estimada de l'estimador proposat en aquesta tesi. / Due to the improvements on power electronics, microelectronics and control theory, vector control of the induction motors has gained importance and its usage has grown in industrial applications. Vector controls are good induction motor drives because of its motor torque accuracy and its excellent dynamic performance. However, it is well known that this good performance depends on the knowledge of the position of the motor flux. Consequently, it is really important to know not only the rotor speed but also its exact position. Therefore, it is difficult to have a good performance with a vector control without measuring the position of the rotor, which is usually measured by encoders, etc. The usage of encoders increases the price of the drive.The main aim in many industrial applications is to avoid implementing a speed sensor in the motor because either this sensor can't be implemented in the system or a low cost system is desired. Nevertheless, the system must keep all its properties of dynamic behaviour and good performance. So the development of a sensorless induction motor drive is nowadays a wide field of research. The interest of sensorless systems is double; the system must be able to control the widest range of speed and must have a fast dynamic response. There are several classifications about sensorless systems but the most generic one is the classification that shows the difference between low cost and high cost systems. The first ones have a low cost but a low performance, whilst the second ones have a high performance but the drive has a high cost.In this thesis a low cost sensorless induction motor drive is presented. A sensorless speed estimator has been developed, the speed loop has been closed by means of a vector control and the implementation has taken in consideration its further viability. To obtain the estimated speed two estimators work at the same time. A fuzzy system filters the response of one of them in order to get a better response. The same fuzzy system makes an intelligent weighed average between the responses of both estimators to get the final estimated speed. The final response is better than the separately responses of both estimators. The value of the motor voltage is needed to estimate the speed, so a model of the inverter is presented to avoid the use of any voltage measurement over the motor. Finally, the proposed system has been experimentally tested and the results validate all algorithms and the thesis proposals.

Els robots caminadors presenten alguns avantatges respecte als tradicionals robots mòbils amb rodes, que es resumeixen en major mobilitat i capacitat de superació d'obstacles. Un dels principals problemes actuals en el desenvolupament de robots caminadors és l'elevat consum energètic i la poca autonomia, com a conseqüència de l'elevada massa dels accionaments i del seu rendiment limitat.Un primer objectiu d'aquesta tesi és desenvolupar i caracteritzar energèticament un accionament rotatiu per a les articulacions de la pota d'un robot caminador. Un cop desenvolupat aquest accionament s'analitza el comportament energètic global de la pota.La pota dissenyada és de tipus insecte i l'aplicació considerada és un robot hexàpode. L'accionament rotatiu consta de tres elements: un motor de corrent continu, una transmissió per corretja dentada i un reductor Harmonic Drive. El conjunt d'aquest reductor s'ha dissenyat específicament per a aquesta aplicació, i materialitza també l'enllaç de cada articulació de la pota.Per tal de determinar els requeriments mecànics a les articulacions, s'ha portat a terme una simulació dinàmica del moviment de la pota. Aquesta simulació s'ha realitzat considerant que les articulacions del mecanisme són ideals. Les resistències passives d'aquestes es tracten posteriorment al analitzar el comportament del reductor. Els resultats obtinguts són els parells requerits a les diferents articulacions al llarg d'un cicle.Amb l'objectiu de determinar el comportament real dels components de l'accionament, per a diferents condicions de funcionament, s'han plantejat i realitzat diverses sèries d'experiments. Per portar a terme els experiments ha estat necessària la construcció d'un prototipus de l'accionament. A partir de les dades experimentals s'han definit uns models matemàtics que representen les resistències passives a cada component de l'accionament per a diferents condicions de funcionament. S'ha realitzat un ajust per mínims quadràtics per tal determinar els paràmetres dels models que millor ajusten els resultats a les dades experimentals.Com que cada motor treballa com tal o com fre, segons la fase del moviment, s'ha analitzat en detall el funcionament d'una màquina elèctrica de corrent continu d'imants permanents, des del punt de vista de la conversió de potència elèctrica en mecànica i viceversa, en els 4 quadrants i tenint en compte els diferents modes de funcionament: com a motor, com a fre-generador i com a fre.Posteriorment s'han definit uns models globals del comportament mecànic dels elements de transmissió de l'accionament: la corretja dentada i el reductor HD, que integren la modelització de les resistències passives i també inclouen la inèrcia de les parts mòbils de cada element.Finalment s'ha realitzat la simulació dels tres accionaments d'una pota al llarg d'un cicle de l'anadura del robot, a partir dels requeriments de parell i velocitat angular a cada articulació i utilitzant els models dels elements definits anteriorment. L'objectiu és estimar l'energia intercanviada a cada element de l'accionament, avaluant per separat l'energia transmesa en sentit directe, des de l'alimentació del motor a la sortida del reductor, i en sentit invers. El resultat més important és l'estimació de l'energia elèctrica que cal subministrar a cada motor per cada cicle de moviment de la pota.Dels diversos casos analitzats se'n treu la conclusió que l'energia elèctrica que cal subministrar als motors és sempre molt superior, de l'ordre de 30 vegades, a l'energia mecànica que l'accionament transmet a l'articulació. La despesa energètica dels motors depèn poc de les condicions de càrrega a les que està sotmesa la pota, en canvi el moviment que descriuen les articulacions al llarg del cicle hi té una influència important. Reduint el recorregut angular del moviment de les articulacions s'aconsegueix un considerable estalvi energètic, doncs disminueix l'energia dissipada per les resistències passives. / Walking robots have some advantages respect to the traditional mobile wheeled robots. These can be summarised in superior mobility and the capacity to overcome obstacles. One of the main problems in the development of walking robots is the high energy consumption and the low autonomy of operation, due to the high mass of the actuators and their limited efficiency.A first objective of this thesis is to develop a rotary actuator, for the leg pin joints of a walking robot, and to characterize it energetically. Once the actuator is developed, leg global energetic performance is analysed.The leg design is according to an insect type leg and the considered application is a hexapod robot. The rotary actuator consists of three elements: a DC electric motor, a synchronous belt transmission and a Harmonic Drive gear reducer. Gear assembly has been particularly designed for this application, and integrates pin joint implementation.In order to determine the mechanical specifications at the joints, a dynamic simulation of the leg movement has been carried out. For this simulation pin joints in the mechanism have been considered as ideal joints. Resistance to motion at the joints are taken into account later, when gear operation is analysed. Results from the simulation are the required torques at the different joints along a walking cycle.Several series of experiments have been planned and carried out in order to work out the real behaviour of the actuator components under different working conditions. The construction of an actuator prototype has been necessary for the experimentation.Then derived from the experimental data, mathematical models that estimate resistance to motion at every actuator component as a function of the working conditions, have been defined. Parameters in the models to best fit the experimental data have been identified by least square approximations.Every DC motor works as a motor or as a brake depending on the movement stage. Therefore the operation of a permanent magnet DC electric machine has been analysed, from the point of view of the conversion of electrical power into mechanical and vice versa. This was performed taking into account the different operation modes: as a motor, as a brake-generator and as a brake.Global models that represent the mechanical behaviour of the transmission components in the actuator have been defined: the synchronous belt and the HD gear. These models integrate resistance to motion estimation and also the inertia of the mobile parts of every element. Finally, starting from the torque and angular velocity requirements at every joint and using the models of the elements described above, the simulation of the three actuators of a leg along a gait cycle of the robot has been carried out. The objective was to estimate the exchanged energy at every element of the actuator, separately calculating the transmitted energy in both directions: from the motor power supply to the output of the gear reducer and in reverse. The main result was the estimation of the electrical energy that must be supplied to every motor per leg movement cycle. From the several cases that have been analysed, it can be concluded that the electrical energy that has to be supplied to the motors is always much higher, around 30 times higher, than the mechanical energy that the actuator transmits to the joint. Motor energetic consumption has low dependence on leg load condition, but pin joint movement along a cycle has a great influence on it. Reducing the angular run of pin joint movements is a way to obtain substantial energy savings, since it decreases the resistance to motion energy dissipation.