Unidad 5 Proyecto “Controlador digital para la regulación de velocidad de una puerta automática”
Carrera: Ingeniería Mecatrónica Materia: Control Discreto Profesor: Dr. Fidel A. Camarena Vudoyra Alumnos: Arciniaga Gonzlez Gil!erto Gil!erto "os# García $i%era "o%anny
SEP
SNEST
DGEST
Introducción INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA &oy en día 'odemos %er en nuestro entorno ento rno (ue los motores tienen una gran a'licación en las cosas (ue usamos como 'or e)em'lo las %entanillas el#ctricas de los autos* las !andas trans'ortadoras del su'ermercado* las !om!as de agua* los %entiladores* las 'uertas automticas* entre otras ms. +eniendo niendo en cuenta cuenta esto esto se realiz realiza a como como 'royecto 'royecto una a'lica a'licació ción n so!re so!re las 'uertas automticas acti%adas 'or medio de sensor* con un control de un motor de CD (ue consiste en tener un sensado 'or medio de un ultrasónico ultrasónico (ue detecte detecte el o!)eti%o frente a #l de esta manera entre ms cercano se encuentre el o!)eto el motor aumentara su %elocidad*
Resumen ,l 'royecto se !asa en un sensor ultrasónico (ue ser el (ue entregue la se-al al micro'rocesador (ue en este caso ser una tar)eta arduino así de esta manera de'endiendo la se-al del sensor la tar)eta de!er regular 'or medio de un PM la %elocidad del motor* todo esto teniendo como !ase una función de transferencia o!tenida del motor a utilizar 'ara 'oder realizar clculos y o!tener la 'arte del control del motor ms ó'tima 'ara la a'licación 'ro'uesta.
Antecedentes /a)o el control de un microcontrolador* el cual de!e en%iar un 'ulso corto de dis'aro* el sensor emite una corta rfaga ultrasónica a una frecuencia de 01 2&z. 3a rfaga %ia)a a tra%#s del aire* c4oca con un o!)eto y luego re!ota 4acia el sensor. ,l sensor PI5G 'ro%ee un 'ulso de salida al microcontrolador* (ue inicia cuando la rfaga es en%iada y termina cuando el eco es detectado* de a4í (ue la longitud del 'ulso corres'onda con la distancia al o!)eto. Proyecto Medición de distancia con 6ensor ultrasónico 7ni%ersidad de /oli%ia 8119 Autor: ,lin ,sar
Descripción ,l sens sensor or es util utiliz izado ado 'ara la medi medici ción ón de la distancia de o!)etos 'ara des'u#s des'legar la distancia en un dis'lay* el funcionamiento 'rinci'al el control de un microcontrolador* consiste en tener el el cual de!e en%iar un 'ulso corto de dis'aro* el sensor sensor emite emite una corta corta rfaga rfaga ultras ultrasóni ónica ca a una frecuencia de 01 2&z. 3a rfaga %ia)a a tra%#s del aire* c4oca con un o!)eto y luego re!ota 4acia el sensor. ,l sensor PI5G 'ro%ee un 'ulso de salida al microc microcont ontrol rolado ador* r* (ue inicia inicia cuando cuando la rfaga rfaga es en%iada y termina cuando el eco es detectado* de a4í (ue la longitud del 'ulso corres'onda con la
SEP
SNEST
DGEST
Introducción INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA &oy en día 'odemos %er en nuestro entorno ento rno (ue los motores tienen una gran a'licación en las cosas (ue usamos como 'or e)em'lo las %entanillas el#ctricas de los autos* las !andas trans'ortadoras del su'ermercado* las !om!as de agua* los %entiladores* las 'uertas automticas* entre otras ms. +eniendo niendo en cuenta cuenta esto esto se realiz realiza a como como 'royecto 'royecto una a'lica a'licació ción n so!re so!re las 'uertas automticas acti%adas 'or medio de sensor* con un control de un motor de CD (ue consiste en tener un sensado 'or medio de un ultrasónico ultrasónico (ue detecte detecte el o!)eti%o frente a #l de esta manera entre ms cercano se encuentre el o!)eto el motor aumentara su %elocidad*
Resumen ,l 'royecto se !asa en un sensor ultrasónico (ue ser el (ue entregue la se-al al micro'rocesador (ue en este caso ser una tar)eta arduino así de esta manera de'endiendo la se-al del sensor la tar)eta de!er regular 'or medio de un PM la %elocidad del motor* todo esto teniendo como !ase una función de transferencia o!tenida del motor a utilizar 'ara 'oder realizar clculos y o!tener la 'arte del control del motor ms ó'tima 'ara la a'licación 'ro'uesta.
Antecedentes /a)o el control de un microcontrolador* el cual de!e en%iar un 'ulso corto de dis'aro* el sensor emite una corta rfaga ultrasónica a una frecuencia de 01 2&z. 3a rfaga %ia)a a tra%#s del aire* c4oca con un o!)eto y luego re!ota 4acia el sensor. ,l sensor PI5G 'ro%ee un 'ulso de salida al microcontrolador* (ue inicia cuando la rfaga es en%iada y termina cuando el eco es detectado* de a4í (ue la longitud del 'ulso corres'onda con la distancia al o!)eto. Proyecto Medición de distancia con 6ensor ultrasónico 7ni%ersidad de /oli%ia 8119 Autor: ,lin ,sar
Descripción ,l sens sensor or es util utiliz izado ado 'ara la medi medici ción ón de la distancia de o!)etos 'ara des'u#s des'legar la distancia en un dis'lay* el funcionamiento 'rinci'al el control de un microcontrolador* consiste en tener el el cual de!e en%iar un 'ulso corto de dis'aro* el sensor sensor emite emite una corta corta rfaga rfaga ultras ultrasóni ónica ca a una frecuencia de 01 2&z. 3a rfaga %ia)a a tra%#s del aire* c4oca con un o!)eto y luego re!ota 4acia el sensor. ,l sensor PI5G 'ro%ee un 'ulso de salida al microc microcont ontrol rolado ador* r* (ue inicia inicia cuando cuando la rfaga rfaga es en%iada y termina cuando el eco es detectado* de a4í (ue la longitud del 'ulso corres'onda con la
Control de motor CD como m#todo de !om!eo 'ara sistemas 4idrulicos 7ni%ersidad Autónoma de &idalgo Autor: Meneses 6nc4ez "os# Guadalu'e
Dise-o de un sistema de control de %elocidad de un motor de corriente continua !asado en acelerómetros ,scuela t#cnica su'erior de ingeniería ICAI Madrid Autor: Fernando Moreno P#rez
distancia al o!)eto. /a)o /a)o el contro controll de un microc microcont ontrol rolado ador* r* el cual cual de!e en%iar un 'ulso corto de dis'aro* el sensor emite una corta rta rfaga ultrasónica a una frecuencia de 01 2&z. 3a rfaga %ia)a a tra%#s del aire* c4oca con un o!)eto y luego re!ota 4acia el sensor. ,l sensor PI5G 'ro%ee un 'ulso de salida al microcontrolador* (ue inicia cuando la rfaga es en%iada y termina cuando el eco es detectado* de a4í (ue la longitud del 'ulso corres'onda con la distancia al o!)eto. 6e 'retende dise-ar un sistema de control (ue 'ermita regular la %elocidad de un motor ,l#ctrico en función de la aceleración: Para ello* ser necesario realizar: 3a estimación de los 'armetros físicos de la 'lanta mediante ensayos. ,l mode modela lado do del del sist sistem ema a a 'art 'artir ir de dic4 dic4os os 'armetros. ,l dise dise-o -o y cons constr truc ucci ción ón del del 4ard 4ard;a ;are re del del sist sistem ema: a: eta' eta'a a de 'ote 'otenc ncia ia <(ue <(ue cont conten endr dr el dri%er del motor=* y circuitos de acondicionamiento de se-ales de medida
Problemática ,l 'lanteamiento del 'ro!lema se !asa en o!tener un control (ue nos 'ermita regular la %elocidad del motor de Corriente Directa en relación a la distancia detectada 'or el sensor ultrasónico.
ipótesis 3a idea del control es o!tener una se-al (ue 'ermita ser la acti%ación de la fase de control 'ara (ue de'endiendo de esta se-al de entrada se 'ueda controlar la %elo %eloci cida dad d del del moto motorr 'or 'or medi medio o del del uso uso de regis registr tros os digi digita tale less y anal analog ogic icos os directamente de la tar)eta Arduino* a'oyndonos de los circuitos 're%iamente desarrollados desarrollados 'ara la con%ersión con%ersión de se-ales discretas discretas en Analogica Analogicas* s* 'ara este caso 'articular el con%ertidor de Frecuencia a Volta)e 'ro%eniente del 3M>>?.
!b"etivos
,l o!)eti%o 'rinci'al es o!tener un control discreto de %elocidad del motor (ue %aya en función del sensor ultrasónico utilizado. ?. $ealizar un encoder 'ara ser utilizado como sensor de frecuencia 'ara el motor ,l encoder se 'uede realizar 'or medio de un disco con 'erforaciones o ranuras (ue %aya siendo sensado 'or un led o I$Da 'ara o!tener 'ulsos en función del motor ,s 'osi!le tener dos motores aco'lados 'ara tener un sistema motor@generador y de esta manera o!tener una lectura en el generador* 'ero de!ido a la carga (ue se e)erce en los rotores no es tan eacta este ti'o de 'rctica. 6e de!e tomar en cuenta no tener un gran im'acto so!re el motor a la 4ora del sensado 'or medio del encoder ya (ue 'odemos o!tener so!re im'ulsos (ue nos 4arían una lectura muy im'recisa •
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8. ,la!orar un circuito con%ertidor de frecuencia a %olta)e ,l circuito 'uede ser simulado 'ara tener una idea general de la se-al (ue se de!e de o!tener con el circuito físico ,l circuito se !asa en un C.I 3M>>?5 (ue 'or medio de un arreglo de ca'acitores nos 'ermitir a 'artir de la se-al del encoder tener una se-al discretizada en función a la cur%a generada 'or el motor. Podemos generar tam!i#n el circuito con el C:I 3M>>?5 lo Bnico (ue de!e tenerse en cuenta es tener los %alores de los ca'acitores ms ó'timos ya (ue la se-al tiende a desesta!ilizarse si no se tienen los 'armetros re(ueridos 'or cada circuito integrado. •
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>. !tener la función de transferencia del motor 3a función de transferencia %aria con res'ecto las es'ecificaciones de cada motor* es decir (ue aun(ue tengamos 8 motores iguales <4aciendo referencia al m#todo de Motor generador= su función %ariara de!ido a (ue no son 'erfectamente id#nticos a 'esar (ue tengan el mismo 'roceso de fa!ricación. Por medio del encoder y del circuito con%ertidor de frecuencia se 'odr o!tener los datos necesarios 'ara la formulación de la función de transferencia. Matla! es la 4erramienta com'utacional (ue nos 'ermitir la asimilación grafica de los datos o!tenidos* 'ara 'osteriormente entregarnos un modelo matematico* con el cual se 'uede comenzar a tra!a)ar •
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0. ,la!orar a 'artir de la función de transferencia el control ms ó'timo. 3a ela!oración del control es la 'arte ms im'ortante ya (ue de'endiendo la función de transferencia de!emos o!tener un circuito (ue nos 'ermita generar un control es'ecífico 'ara nuestro motor. De!emos tener en cuenta el m#todo matemtico ms eacto 'ara 'oder generar en !ase a eso un circuito físico y una 'rogramación adecuada 'ara el control de la %elocidad de nuestro motor. Por medio de la tar)eta arduino nos auiliaremos 'ara 'oder generar un control ms esta!le a'oyndonos en la esta!ilidad (ue nos 'ro'orciona este ti'o de microcontroladores. Asi como la mani'ulación de los registros analógico y digitales •
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9. A'licar el control 'ro'uesto al motor 'ara o!tener resultados finales. Finalmente ya teniendo todos los datos necesarios el control ser a'licado al motor 'ara %erificar (ue los resultados son los es'erados. +eniendo en cuenta el sensor ultrasónico se generaran 'rue!as necesarias 'ara %er si se re(uiere algBn ti'o de a)uste con res'ecto al sensor 3a 'arte de control ser a'licada en con)unto con la 'arte del sensor finalmente 'ara o!tener la a'licación deseada. •
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Delimitación 6e entregar un sistema com'leto de control* el cual funcione %ariando la %elocidad de un motor de CD* con retroalimentación mediante un encoder (ue muestree la %elocidad actual* error y calcule %elocidad 'róima. 3a restricción ms grande 'ara el desarrollo del 'resente 'royecto es monetaria* de!ido a (ue se !usca tener un sistema (ue 'ueda ser im'lementado de manera fi)a en un dis'ositi%o de control de una 'uerta automtica sin em!argo 'ara lograrlo* las eigencias de sistemas industriales so!re'asan la ca'acidad de com'ra 'ara el desarrollo del a'arato.
#arco $eórico
%unción de $rans&erencia
3a función de transferencia es una 4erramienta analítica matemtica Btil 'rinci'almente 'ara: determinar la res'uesta de frecuencia de un sistema analizar la esta!ilidad de un sistema. 7na función de transferencia es la relación entre una salida y una entrada. ,n general una red lineal 'uede ser re'resentada mediante un !lo(ue en su forma ms sim'le. ,n la teoría de control* a menudo se usan las funciones de transferencia 'ara caracterizar las relaciones de entrada y salida de com'onentes o de sistemas (ue se descri!en mediante ecuaciones diferenciales lineales e in%ariantes en el tiem'o. 7no de los 'rimeros matemticos en descri!ir estos modelos fue 3a'lace* a tra%#s de su transformación matemtica. Por definición una función de transferencia se 'uede determinar segBn la e'resión:
Donde H (s) es la función de transferencia
3a salida o res'uesta en frecuencia del sistema se 4alla entonces de
y la res'uesta como función del tiem'o se 4alla con la transformada de 3a'lace in%ersa de Y(s):
Cual(uier sistema físico
'ncoder
7n encoder* tam!i#n conocido como codificador o decodificador en ,s'a-ol* es un dis'ositi%o* circuito* 'rograma de soft;are* un algoritmo o incluso 4asta una 'ersona cuyo o!)eti%o es con%ertir información de un formato a otro con el 'ro'ósito de estandarización* %elocidad* confidencialidad* seguridad o incluso 'ara com'rimir arc4i%os. 6e realizaron las 'rue!as corres'ondientes con diferentes encoders* 'ara des'u#s determinar (ue el me)or era de dos líneas de interru'ción.
%ig()( 'structura básica de un encoder
Convertidores de %recuencia a *olta"e
3os con%ertidores de frecuencia a %olta)e son circuitos integrados (ue con%ierten un %olta)e de entrada anlogo en un tren de 'ulsos cuya frecuencia de salida es 'ro'orcional al ni%el de entrada. 6e utilizan en a'licaciones de con%ersión anlogo a digital donde la %elocidad no es un factor crítico* tam!i#n o'era como con%ertidores de frecuencia a %olta)e y 'ueden ser utilizados como con%ertidores de se-ales digitales a anlogas de !a)a frecuencia. Dentro de los con%ertidores de se-ales de %olta)e a frecuencia o de frecuencia a %olta)e se encuentran: 3M>>? de 5acional semiconductor.
Algunas a'licaciones de los con%ertidores de Frecuencia a Volta)e son: E@Control de %elocidad de motores. E Medición de flu)o E Demodulación de FM E +ransmisión de datos. E Aislamiento de sistemas E ,nlaces 'ticos E Interface de transductores con sistemas digitales. E +elemetría de FM de !a)o costo. E Aislamiento de se-ales anlogas
%ig(+( Circuito en convertidor %,*
%ig(-( Circuito integrado .#--)
/ensores ultrasónicos
3os sensores ultrasonidos son detectores de 'roimidad (ue tra!a)an li!res de roces mecnicos y (ue detectan o!)etos a distancias de 4asta m. ,l sensor emite un sonido y mide el tiem'o (ue la se-al tarda en regresar. ,stos refle)an en un o!)eto* el sensor reci!e el eco 'roducido y lo con%ierte en se-ales el#ctricas* las cuales son ela!oradas en el a'arato de %aloración. ,stos sensores tra!a)an solamente en el aire* y 'ueden detectar o!)etos con diferentes formas* colores* su'erficies y de diferentes materiales. 3os materiales 'ueden ser sólidos* lí(uidos o 'ol%orientos* sin em!argo 4an de ser deflectores de sonido. 3os sensores tra!a)an segBn el tiem'o de transcurso del eco* es decir* se %alora la distancia tem'oral entre el im'ulso de emisión y el im'ulso del eco.
%ig(0( /ensor ultrasónico
Controlador digital
3os controladores digitales son deri%ados del ramo de la teoría de control (ue utiliza microcontroladores y microcom'utadoras como unidades de 'rocesamiento de datos. 3a teoría de los controles digitales trata los temas del com'ortamiento de sistemas dinmicos a tra%#s de muestras discretas en el tiem'o* o sea* el sistema de control ir a muestrear
%ig(5( 's1uema de un control digital
$abla )( *enta"as y desventa"as entre los controladores analógicos y digitales
Pasos de dise-o de un sistema de control:
!tención del modelo del sistema a controlar Dise-o del controlador 'ara o!tener el com'ortamiento deseado del sistema a controlar
,l dise-o de controles digitales im'lica la con%ersión del sistema en una forma discreta. Dos m#todos de con%ersión:
Dise-o analógico y con%ersión a discreto 'ara su im'lementación
Dise-o discreto ⇒ se de!e o!tener el modelo de la 'lanta en forma discreta
A 'esar de (ue la teoría de sistemas muestreados es anterior a su a'licación al control* co!ró realmente fuerza con ello. Mostraremos algunos de sus 'rinci'ales ideas. ,s im'ortante sa!er !a)o (u# condiciones una se-al muestreada 'uede ser totalmente reconstruida. 3os 'rimeros tratamientos fueron 4ec4os 'or 5y(uist (uien demostró (ue 'ara reconstruir una se-al senoidal es necesario muestrearla al menos dos %eces 'or 'eríodo. 3a solución com'leta la dio 64annon en ?0. 3as ecuaciones en diferencias
• •
• •
&ure;icz
+sy'Kin* 7$66*
3a transformada en H lle%a a resultados sencillos y como contra'artida tiene la limitación de dar información solo en los instantes de muestreo. Para esto eiste una 4erramienta adecuada (ue es la transformada en H modificada. 7n e%ento im'ortante en los a-os L1 fue el desarrollo de la teoría del es'acio de estado. 3os 'rinci'ales a'ortes lo dieron Pontryagin y /ellman. 2alman desarrolló ms esta teoría a'licada al control. Crecen en forma 'aralela con los sistemas discretos. ,l Control de tiem'o finito es difícil analizarlo con ecuaciones diferenciales Muc4os de los elementos teóricos a'arecieron al estudiar el 'ro!lema del control en tiem'o finito. 6e llegó así a los conce'tos de controla!ilidad y o!ser%a!ilidad. +am!i#n se desarrollaron a fines de los 91 los conce'tos de Control 'timo y ,stocstico. /ellman
otros mostraron la 'osi!ilidad de formular el dise-o del control como un 'ro!lema de o'timización. 7na solución e'lícita 'ara sistemas lineales con función de costo cuadrtica la dio /ellman en ?9. 2alman o!tu%o su c#le!re demostración donde el 'ro!lema lineal cuadrtico 'odía ser reducido a la solución de una ecuación de $iccati. Fue tam!i#n 2alman el (ue formuló el filtro de iener 'ara el es'acio de estado lo (ue 'ermitió resol%erlo con ecuaciones recursi%as* fcilmente a'lica!les al clculo num#rico. A comienzo de los NL1 el 'ro!lema %ariacional estocstico se formula asumiendo (ue la 'ertur!ación es un 'roceso aleatorio. +odo esto contri!uyó a desarrollar la teoría del control estocstico. Cuando se intentó a'licar la teoría a la 'rctica surgió la necesidad de tener 4erramientas de modelización. 6e desarrolla entonces toda una teoría al res'ecto generndose una gran cantidad algoritmos =* etc.=.
'stado del arte 2! ?
A3!
.U4AR
+)-
I5DIA
Pus4eK Madaan
C3M/IA
Al%aro $omero Acero
8 +)+
> +)+
AU$!R
/auer* 2arine I5G3A+,$$A Mendes* 3uciano
0 +)+
,6+AD6 75ID6 "AP5
,'erimento didctico del control de la %elocidad de un motor de dc
,niKo%* ,. +. Cam'a* G. 2azuya 64ira4ata
M#todos de control de %elocidad de %arios ti'os de motores
L
J
6istema de control de 'osición motor dc inalm!rico
Aero'#ndulo mecatrónico: demostración de retroalimentación lineal o no lineal
9 +6
C!2C'P$!/ C.A*' Princi'ios de control 'ara motores
+7
I5DIA
C4innaiyan* V.2.
+8
C&I5A
Guoliang H4ong
Dise-o e im'lementación de con%ertidores de alto 'oder y controladores de %elocidad 'ara control de motores DC Dise-o de un sistema de control
de lazo cerrado 'ara un motor DC
$abla +( Principales temas relacionados con el proyecto
?. Princi'ios de Control 'ara motores: Artículo 'u!licado en 81?>* 'or Pus4eK Madaan* 4a!la so!re la im'ortancia de las o'ciones 'ara el control de motores dis'oni!les 'ara la o'eración confia!le y 'rotección de los mismos. Madaan clasifica el control en tres categorías: Control de %elocidad Control de tor(ue Protección de motor • • •
Dentro de dic4o artículo* en la sección de control de %elocidad* Pus4eK 'ro'one di%ersos sistemas modernos 'ara el control de motores 'or medio de control a lazo cerrado. =
%ig(7( .a9o de control de velocidad
8. 6istema de control de 'osición motor DC Inalm!rico: ,n este artículo se 'resenta una a'licación del sistema de control de 'osición al motor DC* en forma inalm!rica 'or medio de módulos Q!ee. 3a identificación de la función de transferencia del sistema se realiza a 'artir de la ad(uisición de datos y el anlisis del sistema de control ante 'ertur!aciones y entradas de escalones 'ertinentemente ecitados* o!tenidos 'or el modelo físico y simulado. <$omero Acero* 81?8=
%ig(:( /istema de Control de Posición
>. ,'erimento didctico del control de la %elocidad de un motor de dc: ,l 'ro'ósito de este artículo es in%estigar y re'ortar en un 'royecto de la!oratorio donde la %elocidad de un motor de corriente directa es controlado en lazo cerrado* siendo los 'armetros de control del sistema a)ustados 'or el usuario de manera remota. 3os e'erimentos de control so!re el dis'ositi%o son mane)ados y transmitidos en línea 'or medio de una %ideoconferencia 'or internet* desde una 'lanta localizada físicamente en el la!oratorio de sistemas y automatización en la 7ni%ersidad Católica Pontificia de Parana.
%ig(6( /istema de Aerop;ndulo
9. M#todos de control de %elocidad de %arios ti'os de motores: ,ste documento nos da una am'lia e'licación so!re los diferentes ti'os de control 'ara motores (ue eisten* sin em!argo la im'ortancia 'ara el 'resente radica en (ue trata con sistemas modernos de control* tales como control 'or salida* control in%ersor* control de motores tanto alternos como de corriente directa* etc. <64ira4ata* 811= L. Dise-o e im'lementación de con%ertidores de alto 'oder y controladores de %elocidad 'ara control de motores DC: Artículo (ue descri!e el dise-o e im'lementación de un con%ertidor de corriente directa a corriente de alto 'oder* usando circuitos de control analógico y control de un motor de corriente directa usando un +M6>81F801 D6P. ,l control de %elocidad a lazo cerrado se logra gracias al integrado mencionado anteriormente. 3a %elocidad actual es com'arada con su res'ecti%a referencia 'ara lograr el control en el motor. ,l 4ard;are 4a sido desarrollado y 'ro!ado !a)o condiciones de la!oratorio.
#etodolog
Anlisis Dise-o Im'lementación Prue!as Mantenimiento
A continuación se desglosan cada una de estas eta'as y lo (ue se re alizó en cada una de ellas. Análisis
?.@ 6e 'lantea el uso de control discreto mediante muestreo de datos 'ara lle%ar a ca!o un control de un motor de corriente directa* en !ase a la distancia detectada 'or un sensor ultrasónico. 8.@ 6e determinó (ue mediante el m#todo analítico de com'ensadores 'or medio de la transformada H* es 'osi!le encontrar una función 'ara un controlador (ue elimine el so!re im'ulso de nuestro sistema y (ue elimine el error en el mismo. >.@ Para (ue el sistema o'ere como se (uiere necesita una retroalimentación en cuanto a la %elocidad actual del sistema. 3o (ue nos lle%a a la utilización de un circuito con%ertidor de frecuencia a %olta)e* 'ara lograr esto se utiliza un integrado 3M>>?. 0.@ 6e utiliza como microcontrolador una 'laca arduino Mega (ue sea ca'az de 'rocesar los datos a la frecuencia re(uerida.
%ig(8( Circuito Integrado .#--)
%ig()( Placa Arduino #ega+557
Dise=o ,l 'rimer 'aso fue o!tener el tren de 'ulsos 'or medio un encoder* en nuestro caso conseguimos uno ya estructurado con el fin de o!tener una se-al de 'ulsos ms lim'ia y esta!le lo cual fue de gran ayuda 'ara o!tener graficas ms 'recisas. 6e tu%ieron ligeros contratiem'os ya (ue el aco'lamiento del encoder con el motor fue con un resorte el cual nos genera!a una cur%a con error* lo cual se solucionó disminuyendo el aco'lamiento a una distancia ms corta 'ara tener la se-al deseada.
%ig())( Acoplamiento anterior
%ig()+( Acoplamiento %inal
,n seguida tomamos el encoder el cual se alimenta con un %olta)e de 9VCD y 'ro!amos la se-al (ue nos genera!a ya con el aco'lamiento final del motor dndonos la siguiente se-al en el oscilosco'io.
%ig()- /e=al del encoder
7na %ez (ue se o!tu%o una grafica esta!le* 'asamos a ela!orar el circuito con%ertidor de frecuencia y conectamos la se-al del encoder aco'lado al motor a la entrada del circuito o!tenido directamente desde la 4o)a de datos* teniendo en cuenta el %olta)e de referencia (ue se usa asi como las resistencias a la salida* 'ara no alterar en gran medida la salida del %olta)e 'ara finalmente o!tener los datos de la cur%a de arran(ue del motor y así o!tener finalmente la siguiente grafica en el oscilosco'io.
%ig()0 Circuito convertidor de %,*
%ig()5( 4ra&ica escalón y curva de arran1ue del motor
Des'u#s de o!tener la grfica 'or medio del 'uerto 76/ del oscilosco'io se etra)eron los datos de la cur%a 'ara 'asarlos ,cel y de esta manera 'oder o!tener > celdas de información 'ara 'oder 'rocesarlos en el soft;are matla! y o!tener la función de transferencia mediante la función indent.
1.40E+02 1.20E+02 1.00E+02 8.00E+01 6.00E+01
CH1 Funcion
CH2 E c!"on
4.00E+01 2.00E+01 0.00E+00 -2.00E+01
%ig()7( 4ra&ica en '>cel
%ig(): 4rá&ica del modelo en #atlab ??2!$A@ 'ara fines reales* la cur%a del escalón de!e encontrarse eactamente cuadrada* 'articularmente en nuestro caso* a'arecía una ligera cur%atura* (ue se de!ía a el consumo de am'era)e en el motor
%ig(): !btención de la &unción de tras&erencia en #atlab ID'2$
Ra los datos im'ortados y a'licando la función de matla! 'asamos a o!tener finalmente la función de transferencia.
%ig()6( %unción de trans&erencia obtenida en #atlab
Finalmente se o!tu%o la función de trasferencia y se sim'lifico 'ara tener la función de trasferencia en con)unto con el escalón a la (ue est sometida.
Calculo del compensador
%ig()8( Cálculos para la implementación del controlador
Implementación 7na %ez ya teniendo la función de trasferencia de nuestro motor* nuestro controlador calculado y el circuito de retroalimentación 'rocedemos a construir el 'rototi'o del modelo 'ro'uesto 'ara realizar las 'rue!as y a)ustes necesarios ,n la siguiente imagen 'odemos o!ser%ar la 'laca arduino conectada con el motor aco'lado al encoder y el circuito de retroalimentación con el circuito integrado lm>>?.
%ig(+( Circuito completo del proyecto
,l ultrasónico fue 'rogramado en la 'laca arduino 'ara regular la %elocidad del motor en función de la distancia a la (ue detecte el o!)eto* en las 'rue!as realizadas se tomaron > diferentes distancias 'ara (ue en cada una eistiera una %elocidad diferente en el motor* la e%idencia 'rinci'al del cam!io de %elocidad se o!ser%a en las siguientes imgenes ca'turadas en el oscilosco'io donde %emos el cam!io en la frecuencia de'endiendo la %elocidad del motor.
%ig(+) /etcB de activación del sensor /R%5
%ig(++ /etcB de acoplamiento 49 a lengua"e C Arduino
,n esta 'rimer Imagen se ca'turo las > diferentes %elocidades y sus cur%as 'royectadas en el oscilosco'io* la 'rimer cur%a ascendente corres'onde a la %elocidad ms !a)a del motor (ue es en el momento (ue el sensor detecta la distancia ms le)ana del o!)eto* la segunda cur%a ascendente grafica la segunda %elocidad cuando el o!)eto se encuentra en una distancia media* y la Bltima cur%a generada corres'onde a la %elocidad mima del motor cuando el o!)eto est ms cercano al sensor.
%ig(+- 4ra&ica curva de comportamiento a velocidades
,n las siguientes imgenes se grafica las frecuencias generadas 'or la %elocidad del motor de'endiendo la distancia del o!)eto sensada 'or el ultrasónico.
%ig(+0( %recuencia más ba"a captura en osciloscopio
%ig(+5( %recuencia más ba"a &otogra&
%ig(+7( %recuencia velocidad media captura en osciloscopio
%ig(+:( %recuencia velocidad media &otogra&
%ig(+6( %recuencia más alta captura en osciloscopio
%ig(+8( %recuencia más alta &otogra&
Pruebas •
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6e 'rue!a un código 'ara microcontrolador (ue 'ermita el muestreo y eliminación de error en nuestro sistema. Por medio de un %oltímetro se 'rue!an las salidas del con%ertidor de frecuencia a %olta)e* de manera (ue corres'ondan los %alores de %olta)e de salida a la %elocidad actual del motor. Mediante oscilosco'io se 'rue!a (ue la salida del con%ertidor digital analógico de%uel%a %alores en !ase al código del microcontrolador* de manera (ue tenga una %ariación consistente de %olta)e.
%ig(-( Código del controlador en el A*R
%ig(-)( Código del controlador en el A*R de&inición de set points
$AE.A D' R'/U.$AD!/ '/P'RAD!/ *'.!CIDAD
%R'CU'2CIA
*!.$AF'
8811 $PM
?124z
9. V
?>L8 $PM
L.? 24z
>.L9 V
?88 $PM
.8 24z
0. V
81>J $PM
.8L 24z
9.0L V
$AE.A D' R'/U.$AD!/ R'A.'/ *'.!CIDAD
%R'CU'2CIA
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8811 $PM
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9. V
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>.>9 V
??1 $PM
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0.J1 V
8?11 $PM
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9.L V
#antenimiento • •
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$e%isión del correcto funcionamiento del sistema 6e re%isa (ue los com'onentes est#n en !uen estado* (ue no eista so!re calentamiento en ningBn dis'ositi%o y (ue no eistan cortos en el sistema. Mediante un %oltímetro digital se com'rue!an los %alores de %olta)e 'ara cada una de las secciones del sistema. Prue!as de circuito de encoder* de!ido a 'ro!lemas de resolución en el sistema. Me)oramiento del aco'lamiento del encoder en el motor 'ara o!tener una se-al ms clara.
Cronograma Acti%idades $ealizar un encoder aco'lado al motor a utilizar. ,la!orar el circuito con%ertidor
6emana ? ?J@8? 5o%iem!re
6emana 8 80@8 5o%iem!re
6emana > ?@9 Diciem!re
6emana 0 @?8 Diciem!re
de frecuencia !tener la función de transferencia del motor $ealizar los clculos matemticos ,n !ase a los clculos realizar el circuito de control Programación del sensor ultrasónico en la tar)eta arduino 7nir el circuito de control y el circuito de sensado $ealizar a)ustes y 'rue!as finales !tención de resultados y conclusiones
Alcance
,ste 'royecto 'uede tener gran alcance ya (ue al o!tener el control del motor 'uede tener muc4as a'licaciones* en esta ocasión nuestra a'licación es 'ara automatizar alguna 'uerta (ue consistiría en (ue entre ms cercano se encuentre un o!)eto ms r'ido se a!rir la 'uerta. ,l alcance real del 'royecto* es mani'ular mediante un control discreto 'rogramado la %elocidad del motor mostrando físicamente su funcionamiento* sin 'arte mecnica.
Conclusiones 6i !ien los dis'ositi%os de acondicionamiento de instalaciones son muy fciles de im'lementar y de controlar de manera tradicional* un sistema de control discreto 'uede me)orar sustancialmente el funcionamiento del mismo* las dificultades (ue
'odrían suscitarse sin em!argo* son la alta gama de com'etencia en el mercado* así como la falta de inter#s en tecnologías nue%as 'ara sistemas como este. Podemos resaltar el 4ec4o de (ue un controlador discreto a diferencia de un analógico 'uede ser dise-ado !a)o una intensa su'er%isión* a diferencia del analógico* (ue de!e ser im'lementado de manera directa* como caso e)em'lificado* el control de motores a ni%el industrial de maner nalogica* re(uiere de %ariadores de %elocida* los cuales estn directamente relacionados con el %olta)e de entrada* en caso contrario* el control discreto de un motor a ni%el industrial* se 'uede realizar !a)o condiciones 'racticas e im'lementar las eta'as de 'otencia (ue concretamente se encontraran aisladas del circuito de control. Por otro lado* una de las %enta)as mas nota!les de controlar discretamente una 'lanta* es la discretizacion de datos. ,sta característica nos 'ro'orciona un gran cam'o de acción en el estudio del com'ortamiento de la 'lanta* ya (ue en cada inter%alo de tiem'o se 'uede o!tener una lectura* de a4í se 'arte a determinar un fallo de manera mas o!)eti%a* u!icndo el instante de tiem'o donde ocurre la inesta!ilidad.
BIBLIOGRAFIA
Geblab o& a dc motor speed control didactical e>periment( Campus, Hide in&ormation systems bauer arine mendes J luciano( +)+
