IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROL PID DE VELOCIDAD Y POSICIÓN PARA UN MOTOR DC Ávila Vanessa Vanessa - Hidrovo Maqueavelo – López Oswaldo – Mera Germán – Torres Torres Guido Microcontroladores Microprocesadores e-mail! septimonivel"espe#edu#ec $ec%a de presentación! &' de a(osto del )*&+
Abstract Abstract
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T%is paper presents t%e development and implementation o, a speed controller and a . motor position# /t presents t%e tpe o, senso ensorr used used00 t%e si(n si(nal al proc proces essi sin( n( per,ormed0 o1tainin( and discretization o, t%e t%e plan plant0 t0 cont contro rollller er desi desi(n (n and and ,ina ,inall assem1l o, t%e sstem# Resumen
2ste documento presenta el desarrollo e impl implem emen enta taci ción ón de un cont contro rola lado dorr de velocidad velocidad posición posición para un motor .# 3e presentará el tipo de sensor utilizado0 el proc proces esami amien ento to reali realiza zado do a la se4al se4al00 la o1tención discretización de la planta0 el dise4o del controlador el monta5e ,inal del sistema# Palabras Pala bras
Clave: Clave:
Moto Motorr .0 .0 2nco 2ncode derr0
.ontrolador 6/# Index Terms: .
Motor0 2ncoder0 Grap%ic
6/ .ontroller# OBJETIVOS •
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/mpl /mplem ement entar ar un circ circui uito to 6/ 6/ de control de velocidad de un motor . en un pro( pro(ra rama mado dorr seri serial al m7diate la utilización de módulos 1luetoot% para 7l envió actualizaci ación de pro(ramas %e8adecimales en un microcontrolador 6/. &+,9::;# 6ro(ra 6ro(ramar mar un arc%iv arc%ivo o 1ootlo 1ootloade ader r en ,or ,ormato mato %e8a %e8ade deci cima mall en la memoria del microcontrolador 6/. &+,9 &+,99: 9::; :; para para acti activa varr el puer puerto to seri erial0 al0 sin nin( nin(<
MATERIALES
6
MARCO TEORICO INTRODUCCÍON
2n la actualidad los sistemas de control son de vital ital impo import rtan anci cia a de los los proc proces esos os indust industria riales les modern modernos os la manu,ac manu,actura tura00 de1ido a que dan un desempe4o óptimo delos delos sistem sistemas as dinámi dinámicos cos me5ora me5orando ndo la producción0 disminuendo la repetitividad las operaciones rutinarias eliminando las pro1a1ilidades de error# 6ero para que un sistema de control sea óptimo es necesario dar muc%a importancia a la etapa de dise4o e implementación del sistema teniendo en cuenta el tipo de controlador sensor a utilizar# >no de los elementos com
n micro controlador es como un orde ordena nado dorr pequ peque4 e4o! o! dis dispone pone de una una memoria memoria donde se (uardan (uardan los pro(ramas0 una una memo memori ria a par para alma almaccenar enar dato datos0 s0 dispone de puertos de entrada salida0 etc# ?&@
2l 6/.&+$9::; es un microcontrolador con memoria de pro(rama tipo $L;3H0 lo que representa (ran ,acilidad en el desarrollo de prototipos en su aprendiza5e a que no se requiere 1orrarlo con luz ultravioleta como las versiones 26=OM0 sino que permite repro(ramarlo nuevamente sin ser 1orrado con anterioridad# 2s un microcontrolador con tecnolo(Aa .MO30 su consumo de potencia es mu 1a5o además es completamente estático0 esto quiere decir que el relo5 puede detenerse los datos de la memoria no se pierden 2l encapsulado de este microcontrolador tiene B* pines0 2n ane8os se puede apreciar las caracterAsticas de este micro controlador# ?&@ CRISTAL OSCILADOR 2n electrónica un oscilador es un circuito que es capaz de convertir la corriente continua en una corriente que varAa de ,orma periódica en el tiempo Ccorriente periódicaDE estas oscilaciones pueden ser senoidales0 cuadradas0 trian(ulares0 etc#0 dependiendo de la ,orma que ten(a la onda producida#
tiempo posi1le optimizando el consumo de ener(Aa#?F@ SENSOR Encode >n encoder0 tam1i7n conocido como codi,icador o decodi,icador0 es un dispositivo0 circuito0 pro(rama de so,tware0 un al(oritmo o incluso %asta una persona cuo o15etivo es convertir in,ormación de un ,ormato a otro con el propósito de estandarización0 velocidad0 con,idencialidad0 se(uridad o incluso para comprimir arc%ivos# Los encoders de los que %a1laremos aquA son encoders para motores el7ctricos . más com
>n oscilador de onda cuadrada suele denominarse multivi1rador# 6or lo (eneral0 se les llama osciladores sólo a los que ,uncionan en 1ase al principio de oscilación natural que se constituen por una 1o1ina L CinductanciaD un condensador . C.apacitanciaD0 mientras que a los demás se le asi(nan nom1res especiales#
2l disco está %ec%o de vidrio o plástico se encuentra codi,icado con unas partes transparentes otras opacas que 1loquean el paso de la luz emitida por la ,uente de luz CtApicamente emisores in,rarro5osD# 2n la maorAa de los casos0 estas áreas 1loqueadas Ccodi,icadasD están arre(ladas en ,orma radial#
>n oscilador electrónico es ,undamentalmente un ampli,icador cua se4al de entrada se toma de su propia salida a trav7s de un circuito de realimentación# ?)@
; medida que el e5e rota0 el emisor in,rarro5o emite luz que es reci1ida por el sensor óptico Co ,oto-transistorD (enerando los pulsos di(itales a medida que la luz cruza a trav7s del disco o es 1loqueada en di,erentes secciones de este# 2sto produce una secuencia que puede ser usada para controlar el radio de (iro0 la dirección del movimiento e incluso la velocidad#
CONTROL DE VELOCIDAD Y POSICIÓN >n controlador de velocidad posición es un sistema de control que se encar(a a partir de una se4al de re,erencia C3etpointD variar la velocidad o posición de un motor %asta la deseada0 teniendo como re,erencia los valores actuales de estas captadas mediante un sensor# ic%o controlador de1e estar dise4ado de tal manera que la posición o velocidad deseada sean alcanzadas con e8actitud0 en el menor
Los encoders son utilizados en una in,inidad de campos e industrias que van desde máquinas de ,a80 electro-dom7sticos de consumo %asta ro1ótica0 minerAa0 transporte0 maquinaria0 aeroespacial más# ?I@
opacas transparentes so1re la cara del disco# La luz que emite la ,uente es reci1ida por el ,oto-detector o interrumpida por el patrón de secciones opacas produciendo como resultado se4ales de pulso#
Ilustración 1: Funcionamiento de E ncoder
T"'o(
28isten 1ásicamente dos tipos de encoder se(
2s una parte de códi(o estática que está dentro del microcontrolador la cual se e5ecuta antes que el códi(o se pro(rama con un pro(ramador e8terno# .omo una venta5a que adquiere el microcontrolador lue(o de %a1er sido pro(ramado es que no necesita un pro(ramador e8terno para descar(ar los pro(ramas sino que lo %ará directamente0 a trav7s de di,erentes medios como por e5emplo puerto serial0 us10 etc# EN SINTESIS&Es un programa muy pequeño que permite descargar programas al PIC usando únicamente el puerto serie, sin ningún hardware adicional.
Encode Ó'%"co
2l encoder óptico es el tipo de encoder más com
2l códi(o que se produce con dic%as se4ales de pulso es entonces leAdo por un dispositivo controlador el cual incluen un micro-procesador para determinar el án(ulo e8acto del e5e# Encode L"ne#)
>n encoder lineal es un dispositivo o sensor que cuenta con una escala (raduada para determinar su posición# Los sensores en el encoder leen la escala para despu7s convertir su posición codi,icada en una se4al di(ital que puede ser interpretada por un controlador de movimiento electrónico# Los encoders lineales pueden ser a1solutos o incrementales e8isten di,erentes tipos de encoders lineales se(
>n encoder de cuadratura es un tipo de encoder rotativo incremental el cual tiene la capacidad de indicar tanto la posición como la dirección la velocidad del movimiento# Los encoders de cuadratura se encuentran con muc%a más ,recuencia en muc%os productos el7ctricos de consumo en una in,inidad de aplicaciones comerciales# La ,le8i1ilidad del encoder de cuadratura es su principal venta5a a que o,recen una alta resolución0 medición con precisión quir
en un (ran espectro de velocidades que van desde unas cuantas revoluciones por minuto %asta velocidades que van más allá de las I0*** =6M#
Los encoders a1solutos se dividen en dos (rupos! los encoders de un solo (iro los encoders a1solutos de (iro m
2ste tipo de encoder de cuadratura (eneralmente utiliza sensores ópticos o ma(n7ticos0 lo cual los convierte en dispositivos sencillos de usar e8tremadamente duraderos#
Los encoders a1solutos son más com
Encode Ince$en%#)
>n encoder incremental0 como su nom1re lo indica0 es un encoder que determina el án(ulo de posición por medio de realizar cuentas incrementales# 2sto quiere decir que el encoder incremental provee una posición estrat7(ica desde donde siempre comenzará la cuenta# La posición actual del encoder es incremental cuando es comparada con la
$i(ura ) 2ncoder ;1soluto Con%o)#do PID
2l control 6/ es un mecanismo de control que a trav7s de un lazo de retroalimentación permite re(ular la velocidad0 temperatura0 presión ,lu5o entre otras varia1les de un proceso en (eneral#
Encode A*(o)!%o
2l controlador 6/ calcula la di,erencia entre nuestra varia1le real contra la varia1le deseada# 2n sistemas de 1om1eo0 re(ularmente nos interesa mantener la presión o ,lu5o constante0 por lo tanto0 el control 6/ mide la di,erencia entre la presión en la tu1erAa la presión requerida act
>n encoder a1soluto se 1asa en la in,ormación proveAda para determinar la posición a1soluta en secuencia# >n encoder a1soluto o,rece un co(ido
2l al(oritmo de control inclue tres parámetros ,undamentales! Ganancia proporcional C6D0 /nte(ral C/D erivativo CD#
$i(ura & 2ncoder /ncremental
2l parámetro 6roporcional C6D mide la di,erencia entre el valor actual el setpoint Cen porcenta5eD aplica el cam1io# 6ara aplicaciones sumer(i1les0 el valor recomendado es I*K para aplicaciones centrA,u(as0 el valor recomendado es &*K# 2l parámetro /nte(ral C/D se re,iere al tiempo que se toma para llevar a ca1o acción correctiva# Mientras el valor sea más peque4o0 el a5uste es más rápido0 pero puede causar inesta1ilidad en el sistema0 oscilaciones0 vi1ración de motor de la 1om1a# 2l valor recomendado para aplicaciones sumer(i1les es de *#I se(undos para aplicaciones centrA,u(as es de & se(undo# 2l parámetro erivativo CD emite una acción predictiva0 es decir0 prev7 el error e inicia una acción oportuna# =esponde a la velocidad del cam1io del error produce una corrección si(ni,icativa antes de que la ma(nitud del error se vuelva demasiado (rande# La correcta sintonización o pro(ramación de estos parámetros nos auda a controlar de manera e,ectiva nuestra presión o ,lu5o deseado# 3i no pro(ramamos adecuadamente estos parámetros0 el sistema puede quedar inesta1le el motor la 1om1a pueden comenzar a vi1rar da4arse# ?+@
RESULTADOS OBTENIDOS •
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CONCLUSIONES •
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La pro(ramación con 6/. es más económica que usar una placa ;rduino o de acinal /nstrument# 2l 6/. solo ,unciona con IV valores maores o menores pueden da4ar el pic# 2s necesario usar un oscilado para que ,uncione el inte(rado &+$9::;# La pantalla L. permite la visualización del monitoreo de las varia1les que se usan en el pro(rama# 2l modulo 1luetoot% conectado al puerto serial del pic permite la comunicación con el computador para realizar pro(ramación con auda de arc%ivos 1ootloader#
RECOMENDACIONES& •
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6revio a la impresión de la placa 6.J realizar el circuito en una proto1oard para ase(urar que la simulación se cumple en lo ,Asico# Veri,icar los datas%eet de los elementos a emplear0 de tal ,orma que se corro1ore la in,ormación la distri1ución de los pines en el 6roteus para la realización de la 6.J# 6revio a soldar los elementos en la 6.J veri,icar la continuidad de las pistas si se realizaron las per,oraciones de ,orma correcta#
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