Visi´ on Electr´ onica Vol. 12 No. 1 (2018) • Enero-Junio • p.p. 65-72 • ISSN 1909-9746 • ISSN-E 2248-4728 • Bogot´ a (Colombia) Visi´onElectr´ onica M´ as que un estado s´ olido https: revistas.udistrital.edu.co/ojs/index.php/visele/index VISION ELECTRONICA VISI ´ ON DE CASO Prototipo para modelar y controlar un motor DC Prototype for modeling and controling a DC motor Jairo David Cuero Ortega. 1 informaci´ on del art´ ıculo resumen Historia del art´ ıculo: Enviado: 13/10/2017 Recibido: 22/10/2017 Aceptado: 12/01/2018 Palabras clave: Controlador PID MATLAB R MBED R Modelamiento de sistemas Motor DC Sistemas de control Este art´ ıculo presenta el dise˜ no e implementaci´ on de un sistema de control de velocidad y posici´ on para un motor de corriente continua (12VDC – 200RPM) que consta de una interfaz en MATLAB R que se comunica con un microcontrolador ARM R de 32Bits programado en la plataforma MBED R . El usuario, a trav´ es de la interfaz gr´ afica, puede realizar el proceso de dise˜ no de un sistema de control desde la adquisici´ on de los datos para identificar la planta hasta la simulaci´ on del sistema directamente en el motor. Esto permite que el usuario visualice r´ apidamente el funcionamiento del controlador reci´ en dise˜ nado y pueda realizar los ajustes y sintonizaci´ on del mismo. El equipo se utiliza actualmente como ayuda did´ actica en la Universidad de los Llanos, esto ha contribuido a que el proceso de ense˜ nanza sea m´ as pr´ actico y que se apliquen los fundamentos de la teor´ ıa de control m´ as all´ a de la simulaci´ on en Matlab. abstract Keywords: PID controller MATLAB R MBED R System modeling DC motor Control systems This paper presents the design and implementation of a speed and position control system for a DC motor (12VDC - 200RPM) consisting of a MATLAB interface that communicates with a 32bit ARM R microcontroller programmed on the MBED platform. The user, through the graphic interface, can perform the design process of a control system from the acquisition of the data to identify the plant to the simulation of the system directly in the engine. This allows the user quickly visualize the operation of the newly designed controller and make adjustments in order to tune it. The equipment is currently used as a didactic tool in the University of Los Llanos, this has contributed to make the teaching process more practical and to apply the fundamentals of the control theory beyond the simulation in Matlab. 1 Ingeniero electr´onico, Universidad de los Llanos, Colombia. Especialista en instrumentaci´ on y control industrial, Universidad de los Llanos, Colombia. Lugar de trabajo o Afiliaci´ on institucional: Universidad de los Llanos, Colombia. Correo electronico: Jairo [email protected]Citar este art´ ıculo como:J. D. Cuero. “Prototipo para modelar y controlar un motor DC”. Visi´on Electr´onica, algo m´as que un estado s´olido, Vol. 12, No. 1, 65-72, enero-junio 2018. https: // doi. org/ 10. 14483/ 22484728. 13754
platform. The user, through the graphic interface, can perform the design process
of a control system from the acquisition of the data to identify the plant to the
simulation of the system directly in the engine. This allows the user quickly visualize
the operation of the newly designed controller and make adjustments in order to
tune it. The equipment is currently used as a didactic tool in the University of Los
Llanos, this has contributed to make the teaching process more practical and to
apply the fundamentals of the control theory beyond the simulation in Matlab.
1Ingeniero electronico, Universidad de los Llanos, Colombia. Especialista en instrumentacion y control industrial, Universidad de los Llanos,Colombia. Lugar de trabajo o Afiliacion institucional: Universidad de los Llanos, Colombia. Correo electronico: Jairo [email protected]
Citar este artıculo como:J. D. Cuero. “ Prototipo para modelar y controlar un motor DC” . Vision Electronica, algo mas que un estadosolido, Vol. 12, No. 1, 65-72, enero-junio 2018. https://doi.org/10.14483/22484728.13754
La educacion superior esta presentando cambiosestructurales en la forma de ensenar los conceptosbasicos de las asignaturas transversales en las ciencias delsaber, dichos cambios buscan un fortalecimiento en lasbases del conocimiento de los futuros profesionales. [1]En la ensenanza de la ingenierıa los laboratorios deinstruccion han sido una parte esencial de los programasde pregrado, ya que eran, en un principio, la unicafuente de instruccion practica que se necesitaba paracomplementar la ciencia de ingenierıa que se ensenabaen el aula de clases. En cierto modo, los laboratorioscon estudiantes que trabajaban en grupos eran el primerreconocimiento de que la mejor manera de ensenar era“ practicar haciendo” y “ ensenar a otros”. [2]
La ingenierıa electronica, como carrera de basecientıfica, aborda tematicas y cursos como sistemas decontrol que requieren de un componente practico en elproceso de ensenanza, y aunque el uso de programasde simulacion o de laboratorios virtuales permite a losestudiantes poner en practica sus habilidades de diseno[3], estas se ven limitadas al impedirles enfrentarse a losproblemas que surgen al momento de implementar unsistema del mundo real. Por otra parte, si las simulacionesse complementan con hardware configurable se puederealizar un acercamiento a las situaciones y condicionesdel entorno fısico que permite al estudiante fortalecer sucapacidad para corregir errores y adquirir habilidadesque no son posibles en un entorno controlado como elacademico.
Consciente de esta necesidad, se planteo el diseno eimplementacion de un sistema de control de velocidadpara un motor DC que provee a los estudiantes de unaherramienta practica muy util en la aplicacion de losconocimientos adquiridos en cursos como modelamientode sistemas dinamicos y teorıa de control. Variosproductos de este tipo se comercializan en el mercado,de los mas importantes esta QNET 2.0 DC Motor Boardque es un sistema de servomotor disenado para ensenary demostrar los fundamentos del control en motoresde corriente continua en una variedad de maneras [4].Sin embargo, este esta disenado exclusivamente parala plataforma NI ELVIS y el software LabVIEWTM yno ası para Matlab que es ampliamente utilizado en laensenanza de sistemas de control gracias a los poderosostoolbox que ofrece, como el de identificacion de sistemas(IDENT) y el de diseno de controladores (SISOTOOL).
Con respecto al desarrollo del proyecto, este se llevo acabo a traves de las siguientes fases: fase conceptual, fasede requerimientos, diseno, implementacion y finalmente
la fase de presentacion de los resultados. En la faseconceptual se investiga sobre modelado de sistemas yteorıa de control; la siguiente fase comprende la definicionde requerimientos y la seleccion de componentes; enla fase de diseno se aborda el diseno electronico,la programacion del MBED y el desarrollo de lainterfaz grafica en el GUIDE de MATLAB; la fase deimplementacion consiste en el montaje electronico, lacomunicacion entre MATLAB y el MBED, pruebas yajustes finales. Una vez culminadas las anteriores fasesse procedio a evaluar los resultados obtenidos a travesdel funcionamiento del proyecto en el aula de clases.
2. Materiales y metodos
La puesta en funcionamiento del proyecto y suevaluacion se realizo en los cursos de control digitaly modelado de sistemas con estudiantes de octavoy sexto semestre, respectivamente, ambos cursos,pertenecen al programa de ingenierıa electronica dela universidad de los Llanos, ubicada en la regionde la Orinoquıa Colombiana, con georreferenciacion4◦04’27”N 73◦35’04”W.
2.1. Requerimiento de diseno y seleccion de materiales
Para el desarrollo del proyecto se consideraron lossiguientes requerimientos:
• El elemento a controlar debe ser un motor decorriente continua debido a la facilidad paramodelarlo. Debe traer incorporado un encoder conel fin de obtener su velocidad y sentido de giro.
• Se debe contar con una tarjeta de adquisicion, unsistema de desarrollo o un microcontrolador queactue como puente entre el motor y el softwareen el computador. El sistema seleccionado hade tener entradas y salidas analogicas, capacidadde comunicacion con otros dispositivos y/o PC,Unidad de punto flotante y ser capaz de operar aalta velocidad.
• Es necesario que la interfaz se desarrolle o seacompatible con MATLAB ya que cuenta conherramientas exclusivas (toolbox) para trabajarcon sistemas de control.
• Se requiere que la interfaz grafica sea bastanteintuitiva para facilitar el manejo por parte delos estudiantes y robusta para evitar los posibleserrores de los mismos.
• El prototipo tiene que incluir todos los procesospara disenar un controlador (adquisicion de los
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datos, identificacion de la planta, verificacion,fijacion de requerimientos, seleccion del controladory obtencion de los parametros del controlador) [5],ademas de ser capaz de realizar la simulacion delsistema de control y la implementacion del mismopara verificar su funcionamiento.
Una vez establecidos los parametros de diseno, se hizola seleccion de los componentes teniendo en cuenta larelacion costo – beneficio y la asequibilidad en el mercadonacional. (Ver Tabla 1).
Tabla 1: Materiales seleccionados.
Hardware
Motor reductor con encoder pol-1444
Puente H – L298
Tarjeta de desarrollo MBED-LPC1768
Software Matlab 2014a.
Fuente: elaboracion propia.
2.1.1. Motor reductor pol-1444
Este motor usa un encoder de efecto Hall de doscanales que se utiliza para detectar la rotacion de undisco magnetico que se encuentra en la parte posteriordel eje de rotacion del motor. El encoder de cuadraturaproporciona una resolucion de 64 pulsos por revoluciondel eje del motor. El sensor de efecto Hall requiere unatension de entrada desde 3.5V a 20V con una corrientemaxima de 10mA. Las salidas A y B son ondas cuadradasde 0V a Vcc, con un desfase aproximado de 90◦ entre lasdos. La frecuencia de las senales indica la velocidad del
motor y el orden de las transmisiones indica la direccion.[6]
2.1.2. Puente H
Es un circuito electronico que permite controlar lavelocidad y el sentido de giro de un motor de corrientecontinua ya sea en sentido de las manecillas del reloj o ensentido contrario de estas. El puente H seleccionado es elL298 de alta potencia y puede manejar directamente dosmotores.
2.1.3. Tarjeta de desarrollo MBED-LPC1768
Los microcontroladores MBED son una serie detarjetas de desarrollo de microcontroladores ARM,disenados para crear rapidamente prototipos dedesarrollo. El MBED LPC1768 cuenta con nucleo CortexM3 de 32 bits a 96MHz, 512KB FLASH, 32 KB de RAMe interfaces como: Ethernet incorporada, USB, CAN,SPI, I2C, ADC, DAC, PWM y otras interfaces de E/S.Esta tarjeta viene en un encapsulado DIP de 40 pines.Incluye una interfaz de programacion USB tan sencillade usar como una unidad flash, solo basta conectarlo,cargar el programa ARM y queda listo para usar. [7]
2.2. Diseno Electronico
El esquema general del proyecto se muestra en laFigura 1. El diseno electronico se encarga del circuitopara controlar la velocidad y giro del motor a traves delpuente H como driver de potencia (ver Figura 2); estosson controlados por el MBED que se comunica por puertoUSB con la interfaz grafica.
El programa en el MBED cuenta con tres opcionesprincipales: Adquirir, Velocidad y Posicion.
• Adquirir: Esta opcion recibe los parametros detiempo de muestreo y el valor de tres senales deescalon enviadas desde Matlab, las cuales seranaplicadas al motor. Ası mismo lee los datos delencoder que resultan de estas senales aplicadas ylos envıa a Matlab.
• Velocidad: se encarga de recibir el valor del ciclode trabajo que sera aplicado al motor y a su vezleer los datos del encoder para graficar y realizar larealimentacion del sistema de control.
• Posicion: realiza las mismas operaciones que laopcion de velocidad, ademas de ello convierte losvalores recibidos en un rango de -1 a 1 para aplicaral motor, donde 1 indica 100 % del ciclo de trabajoen sentido horario y -1 se traduce como 100 % delciclo de trabajo en sentido anti horario.
2.4. Diseno de la Interfaz Grafica
La interfaz grafica se realizo en el GUIDE de Matlab,se planteo en primera medida la comunicacion de lainterfaz con el MBED, luego los procesos de identificaciony diseno de control y finalmente la simulacion (ver figura3).
Figura 3: Diagrama de la Interfaz Grafica.
Fuente: elaboracion propia.
Esta cuenta con un panel de mensajes que permite alusuario saber el estado del proceso y los posibles erroresque se presentan durante el mismo. La comunicacionentre la interfaz y el MBED se realiza a traves del puertoserial.
En el proceso de adquisicion se realiza lacaracterizacion del motor DC (ver figura 4). Lacaracterizacion del motor consiste en leer la respuestadel motor en lazo abierto, a una o varias entradasescalon en un intervalo de tiempo, para el proyecto seusaron tres entradas. Matlab envıa las tres entradasescalon al MBED distribuidas en el tiempo de muestreoseleccionado, el MBED se encarga de transformarlas enun pulso PWM el cual se envıa al motor y al mismotiempo el MBED lee los datos generados por el encodery los envıa a Matlab de forma serial.
Matlab recibe los datos del encoder enviados por elMBED, los traduce en velocidad y realiza la graficacorrespondiente de la entrada y de la respuesta delsistema (Motor DC) ante la entrada correspondiente.
Una vez realizada la caracterizacion de la planta seelige el modelo de la misma al cual se quiere ajustar, estadebe ajustarse de la mejor forma a la caracterizacion delos datos para que al momento de disenar el controlador,la respuesta del sistema sea la mas optima posible y unavez elegido el modelo que se quiere usar, se realiza laidentificacion.
Para realizar el diseno del controlador para la plantaque se ha identificado, la interfaz proporciona una plantaen tiempo discreto. Esta se lleva a la herramienta dediseno de controladores para sistemas una entrada – unasalida (SISO) con realimentacion, llamado SISOTOOL.
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Figura 4: Proceso para identificar la planta.
Fuente: elaboracion propia.
Para el presente proyecto se determino abordar eldiseno de controladores PID sin filtro derivativo. Unavez seleccionado el controlador, SISOTOOL muestra enprimera instancia un controlador estandar poco ideal,a este se le establecen ciertos requerimientos de diseno(sobrepaso maximo y tiempos de levantamiento y deestablecimiento) y se procede a hacer la optimizacionde la ganancia y la localizacion de los polos y ceros(Sintonizacion).
Si Matlab no logra encontrar un controlador quecumpla los requerimientos de diseno, se deben elegirotros parametros y volver a generar la optimizacion;este proceso debe ser repetido tal como se muestraen la Figura 5, hasta encontrar una respuesta estable.
Finalizado el diseno del controlador, este se exportadesde SISOTOOL y se procede a verificar si la respuestade la planta matematica usando ese controlador es lacorrecta. En caso de que el controlador elegido no cumplacon las especificaciones o el sistema matematico noresponda de forma adecuada a las entradas de prueba, sedebe proceder a obtener de nuevo la respuesta del motorDC para una entrada especıfica, (proceso de adquisicion)pero se deben usar diferentes parametros de tiempo demuestreo, tiempo de captura y valores de escalon.
Si Una vez aplicado el controlador disenado a laplanta matematica, y verificado que la respuesta a lasentradas escalon es la correcta, se procede a realizar lasimulacion del controlador con el sistema real: Motor DC.
En la Figura 6 se observa como quedo la interfazgrafica de usuario terminada. Se pueden ver que losprocesos anteriormente descritos estan en orden en laparte izquierda y de arriba hacia abajo. Los botonesque maneja el usuario se van activando a medida que seavanza en los procesos, de esta manera se evitan posibleserrores que detengan la ejecucion del programa. En laparte inferior izquierda se localiza el panel de mensajesque muestra informacion relevante de los procesos y delprototipo mismo como la carga de la baterıa y el estadode la comunicacion entre MATLAB y el MBED.
2.5. Diseno Fısico del Prototipo
Al diseno electronico se le agrego una baterıa selladade 12V y 3.3Ah para proveerle autonomıa y permitir suuso en cualquier espacio que no cuente con fuentes dealimentacion. Tambien cuenta con una entrada para unadaptador de 12VAC que, a traves de un circuito internode rectificacion, se ocupa de cargar la baterıa cuando seanecesario. La cubierta del equipo se fabrico en acrılicosemitransparente que permite ver los componentesutilizados en su fabricacion y facilita el transporte yalmacenamiento del prototipo.
En el panel frontal se encuentran los leds indicadoresde la funcion que se esta realizando en el momento, elinterruptor de apagado y encendido y la entrada del cableUSB para la conexion con el pc (ver figura 7). La Entradade carga para la baterıa se localiza en la parte lateral
derecha.
Figura 7: Imagen frontal del equipo terminado.
Fuente: elaboracion propia.
3. Resultados
• El proyecto cumple con los objetivos propuestos yaque se finaliza con el diseno e implementacion de unsistema didactico de control para un motor dc, quebrinda la posibilidad de aplicar los conocimientosen asignaturas relacionados con Ingenierıa deControl en un sistema real.
• El proceso de diseno y puesta en funcionamientode un controlador PID sin filtro derivativo paraun motor DC, iniciando desde la adquisicion delos datos de entrada – salida, se pudo realizar
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en un tiempo aproximado de diez minutos, loque es significativamente menor al tiempo quetomarıa hacer lo mismo de manera aislada, estoes: llevando los datos a Matlab, identificando laplanta, disenando el controlador, luego hacer laimplementacion en el hardware.
• La interfaz dispone de dos modelos de plantapara ajustar los datos de la respuesta del motor:modelo de sistema de primer orden y modeloARX. El modelo de primer orden es en tiempocontinuo y el de ARX es en tiempo discreto, sinembargo, el controlador que se implementa siemprees digital. El programa se encarga de pasar atiempo discreto la planta si el usuario opta porhacer la identificacion en tiempo continuo.
• Esta herramienta ha permitido a los estudiantes
de ingenierıa electronica de la Universidad de losLlanos, realizar disenos basados en un sistemaestandar, probar dichos disenos y corregir loserrores de un sistema de control en un entorno real.
• Se intento realizar la grafica en tiempo real delproceso de captura de datos y de simulacion, sinembargo, las funciones para graficar en Matlabtardan mas de 10ms en ejecutarse (mayor alperiodo de muestreo) por tanto se ralentizaba todoel proceso haciendo que se perdieran datos de lacomunicacion serial. Por ello, se opto por hacerprimero la captura de datos y luego realizar lagrafica, con esta solucion se obtuvieron resultadosapropiados. La figura 8 muestra la respuesta delsistema con controlador, tanto para velocidad comopara posicion.
Figura 8: Control de velocidad (izq) y de posicion (der).
Fuente: elaboracion propia.
4. Conclusiones
Desde el punto de vista investigativo, la experienciaadquirida en la puesta en marcha de este sistema, permitecontar con una valiosa herramienta para trabajos futuros,tanto desde el punto de vista de hardware (MBED) comode software (MBED PLATFORM y GUIDE).
• La usabilidad de la interfaz y del dispositivo engeneral le brinda al estudiante la posibilidad de
comprobar los conocimientos teoricos a traves depracticas sencillas sobre una planta fısica y no solosobre un modelo de simulacion.
• El prototipo cumple con todos los requerimientosnecesarios para ser utilizado en un laboratoriode control o incluso en una sala de informaticadebido a que cuenta con baterıa incorporada quele proporciona portabilidad.
• El mayor desafıo fue lograr una comunicacionestable entre el MBED y Matlab debido a lacomplejidad en el manejo de los puertos desdeMatlab. Estos problemas que detenıan la ejecuciondel programa fueron sorteados con sentencias try –catch.
• Los valores de las senales escalon que se requierenpara realizar la caracterizacion de la planta, puedenir desde 50 RPM hasta 200 RPM que es la maximavelocidad del motor, para amplitudes inferiores a50 RPM el motor no responde de forma adecuada.
• Para futuros proyectos similares se recomiendautilizar una plataforma soportada por el toolboxde tiempo real de Matlab o el xPC target.
5. Reconocimientos
El desarrollo del proyecto se hizo con apoyo del grupode investigacion MACRYPT, cuyos intereses abarcanarquitecturas computacionales, sistemas digitales ymatematicas aplicadas en la ingenierıa. Acorde con elavance de la tecnologıa aborda la implementacion desistemas digitales en dispositivos logicos reconfigurables,para aplicaciones en criptografıa, procesamiento digitalde senales y sistemas de control. Actualmente, el grupoMACRYPT esta reconocido por Colciencias en categorıaD
Referencias
[1] D. O. Rodrıguez, S. Fernandez, S. Estupinan“Herramienta virtual para la ensenanza de controlautomatico usando Pbl” Encuentro internacional deeducacion en ingenierıa ACOFI 2014. Cartagena deIndias.
[2] L. Feisel, A. Rosa, “The Role of the Laboratoryin Undergraduate Engineering Education”. J. ofEng. Educ. 94, 121-130, 2005. https://doi.org/10.1002/j.2168-9830.2005.tb00833.x
[3] A. Loyarte, M. Blas, “Laboratorio Virtual Remoto:“Una Herramienta para La Ensenanza de ControlAutomatico”. XXIII AADECA, 03-05 de oct. de2012, Buenos Aires.
[4] QNET 2.0 DC Motor Board, QUANSERINNOVATE·EDUCATE, 12 de mayo de 2017,[En lınea] Disponible en: http://www.quanser.com/products/qnet-dcmotor
[5] S. Fadali, A. Visioli “Digital Control Engineering –analysis and design”, Elsevier second edition. 2013.
[6] 50:1 Metal Gearmotor 37Dx54L mm with 64 CPREncoder, Pololu robotics and electronics, 12 de mayode 2017, [En lınea] Disponible en: https://www.
pololu.com/product/1444.
[7] Rapid prototyping for the LPC1768 MCU.“SparkFun Electronics inc” 12 de mayo de 2017, [Enlınea] Disponible en: https://www.sparkfun.com/
datasheets/DevTools/ARM/mbed_LPC1768
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