CONTROL DE VELOCIDAD DE UN MOTOR DE CORRIENTE

CONTINÚA POR PWM Nombre: Alberto Bardalez Arica Mail: lalo_aba1988@hotmail.com INTRODUCCION EL primer paso para el diseño y aplicación de algoritmos de control, es el tener un buen modelo de la planta (motor DC). Para lo cual utilizaremos 2 métodos, y revisaremos la comprobación del mismo mediante el uso del programa Matlab, nuestra primera identificación la haremos teniendo en cuenta los datos teóricos obtenidos del datasheet del motor, y obtendremos una función transferencia teórica, la segunda identificación la haremos obteniendo una data del proceso la cual será nuestra data experimental. Los datos capturados por la tarjeta se procesan utilizando el programa Labview que nos permite verlos en forma gráfica o en un archivo tipo texto, además de poder programar los algoritmos de control. Para el cálculo de la función transferencia experimental utilizamos los siguientes datos, obtenidos de la ficha técnica. Considerando que la función transferencia de un motor está dada por la siguiente formula.

2 ( ) ( )

tm

a m a m m a a m b t

KG

L J S R J B L S R B K K

Y su respectivo diagrama de bloques

Datos técnicos básicos del motor

Reemplazando estos datos en la funciona transferencia obtenemos:

2

15212

502.52 18569mG

S S

Una vez identificada la función de transferencia teórica procedemos a hacer un análisis experimental debemos de desarrollar las siguientes implementaciones Circuito convertidor de frecuencia – voltaje

La etapa de potencia se diseño teniendo las siguientes consideraciones: La velocidad máxima del motor estará dada por la polarización a 10 voltios, siendo la respuesta del convertidor de frecuencia a voltaje aproximadamente de 3 voltios. El circuito mostrado es muy sencillo su funciona es convertir la frecuencia de la onda generada por el encoder del motor, en una señal de voltaje continuo, la misma que nos servirá como señal de salida o realimentación del proceso,

Esquema interno del convertidor de frecuencia.

Disparador del pwm Para disparar una señal de PWM vamos a utilizar un microprocesador 16F877A, del cual utilizaremos la señal analogica para que sale de la DAQ y convertiremos la señal a una señal de PWM de 80Hz que ira a los mocs para habilitar el puente H. La Regulación por Ancho de Pulso de un motor de CC está basada en el hecho de que si se recorta la CC de alimentación en forma de una onda cuadrada, la energía que recibe el motor disminuirá de manera proporcional a la relación entre la parte alta (habilita corriente) y baja (cero corriente) del ciclo de la onda cuadrada. Controlando esta relación se logra variar la velocidad del motor de una manera bastante aceptable.

Circuito del puente H que sera habilitado con el generador de PWM

Como podemos apreciar el puente H ha sido implementado utilizando mosfet, la eleccion de estos componentes viene dada por las siguientes caracteristicas

- Los mosfet son dispositivos controlads por voltaje y requieren pequeña corriente de entrada.

- Alta velocidad de conmutaciondel orden de los nanosegundos - Impedancia de entrada muy alta

Una vez implementado los anteriores circuitos procedemos a armar el sistema de control con ayuda del siguiente diagrama de bloques.

Diagrama de bloques en Labview para la adquisición de datos.

Ploteo en Matlab de los datos adquiridos en Labview

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

t(s)

V

señal entrada vs. señal motor

input

output

Una vez que hemos adquirido la data procedemos a escribir el siguiente código en Matlab clc; clear all; close all; load data_motor_red1.lvm data = data_motor_red1; t = data(11821:12024,1)-11.8200; y = data(11821:12024,2)-0.0898; u = data(11821:12024,4); plot(t,y) hold plot(t,u,'r') axis([0 0.203 0 4])

La grafica nos muestra un poco de ruido debido a que es experimental.

Procedemos a la comprobación del sistema identificado experimentalmente con el teórico. Escribimos el siguiente código en Matlab y ejecutamos. N = [15212]; d = [1 502.5242 18569]; G = tf(n,d); t1 = 0:0.001:0.2; y1 = 3.8495*step(G,t1) figure plot(t1,y1,'r') hold plot(t,y) axis([0 0.203 0 3.5])

Como podemos apreciar existe gran similitud entre los datos adquiridos experimentalmente y los hallados teóricamente. Una vez realizada la identificación y comprobación del sistema, procedemos a diseñar el controlador, el diagrama de bloques que se muestra a continuación es el que implementaremos para nuestro control de velocidad.

El controlador El controlador será un PID el mismo que hallaremos mediante las leyes de Ziegler-Nichols , para lo cual utilizamos un algoritmo escrito en Matlab que nos dará los resultados de nuestras ganancias requeridas: Kp, Ki, Kd.

El diagrama de bloques que se muestra acontinuacion nos da los pasos para la implementación de la simulación en LABVIEW.

Como podemos ver entre los pasos a ubicar vemos que usaremos los toolkits siguiente: system identification, control design y simluation module.

A continuación mostramos las tablas correspondientes al rediseño PID por Ziegler-Nichols.

Una vez implementado el planteamiento en Matlab estos son los resultados:

Como apreciamos en las figuras obtenemos una mejor respuesta al escalón con el control implementado; a la derecha podemos observar la función transferencia del controlador PID y del sistema realimentado completo. Con sus respectivas ganancias:

Ahora para verificar nuestros resultados vamos a Labview donde realizaremos la simulación respectiva, del sistema identificado y controlado. Conjuntamente con nuestra planta el diagrama de bloques a escribir en Labview sería el siguiente

Como podemos apreciar en nuestro sistema existe un saturador este dispositivo nos permite realizar el control en el rango permitido por la NIDAQ que es de 0 a 5 voltios en la salida analógica para lo cual este ha sido restringido.

Al correr la simulación obtendríamos lo mostrado en la siguiente figura:

Como vemos la simulación Corre según lo predicho en el algoritmo de Matlab, ahora procedemos a realizar la implementación en físico, para esto necesitamos de los siguientes drivers para la etapa de potencia

CONCLUSIONES El desempeño del motor, logrado al aplicarle los algoritmos de control fue satisfactorio. Además el uso de la tarjeta NIDAQ – 6009 y el programa Labview facilitan en gran medida el diseño de controladores para diversos comportamientos, y permiten tener un control flexible ya que podemos realizar cualquier modificación a los valores de las ganancias de los Controladores en la ventana del programa principal sin modificar otros módulos de este como se muestra. REFERENCIAS [1] Pierre E. Dupont: Avoiding Sticki-Slip Through PD Control, IEEE TRANSACTIONS ON AUTOMATIC CONTROL, Vol.39, pp. 1094-1097, (1994). [2] Ogata Katsuhiko: Ingenier´ıa de Control Moderna: Tercera Edici´on, Prentice Hall, (1998). [3] Cotistantin Llas, Aurelian Sarca, Radu Giuclea, Liviu Kreindler:Using TMS320 Family DSPs in Motion Control Systems, ESIEE, Paris Septiembre 1996. [4] Norman S. Nise: Sistemas de Control para Ingenier´ıa, Tercera Edici´on, CECSA, (2002).