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8/2/2019 56783921 Lab Oratorio Del Motor Con Encoder Implement Ado

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CONTROL DIGITAL UNIVERSIDAD NACIONAL

PROFESOR JACOB ASTOCONDOR DEL CALLAO

Facultad de Ingeniera Elctrica y Electrnica

Escuela Profesional de Ingeniera Electrnica

CURSO: CONTROL DIGITAL

CONTROL DE UN MOTOR ENCODER POR PWM

ALUMNOS: CODIGO

CARDENAS ROQUE REYNALDO MARCO 062605D

BERNUY ORTIZ YOEL ROGER 062593F

SUYBATE SANCHEZ JOSE JULIO 062045I

KILL VALENTIN CRISTOPHER 070587A

PROFESOR:

ING. ASTOCONDOR VILLAR JACOB

BELLAVISTA CALLAO


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INTRODUCCION

Los motores con Encoders son sensores opticos que generan seales digitales en respuesta almovimiento. Estn disponibles en dos tipos, uno que responde a la rotacin, y el otro al

movimiento lineal. Cuando son usados en conjunto con dispositivos mecnicos tales comoengranes, ruedas de medicin o flechas de motores, estos pueden ser utilizados para medir

movimientos lineales, velocidad y posicin.

Los encoders estn disponibles con diferentes tipos de salidas, uno de ellos son los encoderincrementables, que generan pulsos mientras se mueven, se utilizan para medir la velocidad, o la

trayectoria de posicin. El otro tipo son los encoders absolutos que generan multi-bits digitales, queindican directamente su posicin actual. Los encoders pueden ser utilizados en una gran variedad

de aplicaciones. Actan como transductores de retroalimentacin para el control de la velocidad en

motores, como sensores para medicin, de corte y de posicin. Tambin como entrada paravelocidad y controles de rango.


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CONTROL DE UNMOTORCONENCODER POR PWM

OBJETIVOS

y Obtener el sistema realimentado (motor pic).y Reconocimiento y Anlisis del sistema.y Realizar el proceso de conversin de frecuencia (pulsos) a voltaje con el

lm331.

y Establecer el modelo matemtico del sistema.y Simular el sistema modelado diseando el controlador digital para una

respuesta especfica.

y Implementacin del sistema.

DESCRIPCIN

Uno de los objetivos para el proyecto que se quiere realizar es lograr posicionar con

precisin el motor D.C, para que as, el error de estado estacionario de la posicin del

motor sea cero; adems se desea que el error de estado estacionario debido a una

perturbacin tambin sea nulo.

Otro requerimiento es que el motor alcance muy rpidamente su posicin final. En estecaso, se desea disminuir el tiempo de establecimiento para que sea mnimo y tenga un

sobrepaso considerable. Para lograr esto, dispondremos de un microcontrolador PIC que

incorpora todas las funciones necesarias para realizar el diseo y control.

La eficiencia del sistema va ligada a los parmetros de la planta, debido a que nuestro

sistema es retroalimentado, es necesario disear un controlador digital de tal forma que el

sistema se estabilice en la posicin deseada y en el menor tiempo posible.

La retroalimentacin se har por medio de un encoder acoplado al eje del motor, el cual

enviar constantemente cdigos digitales al microcontrolador indicndole su posicin.

MODELO MATEMTICO DE LA PLANTA

Considerando que nuestro motor tiene un eje rgido, por medio de sus ecuaciones elctricas

y mecnicas, al relacionarlas, podemos obtener el modelo del motor en el cul la entrada es


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la tensin aplicada y la salida es la velocidad rotacional del eje, para esto es necesario

conocer los diferentes parmetros de los que se encuentra compuesto:

y Momento de inercia del rotor J.y Coeficiente de amortiguamiento del sistema mecnico (b).y Constante de fuerza electromotriz K=Ke=Kt.y Resistencia elctrica (R).y Inductancia elctrica (L).y Entrada (V): Fuente de Tensin.y Salida (W): velocidad rotacional del eje.

MARCO TEORICOENCODER INCREMENTAL

Los encoders de incremento proveen un nmero especfico de pulsos equitativamente espaciados

por revolucin (PPR) o por pulgada o milmetro de movimiento lineal. Se utiliza un solo canal desalida para aplicaciones donde el sentido de la direccin de movimiento no es importante

(unidireccional). Donde se requiere el sentido de direccin, se utiliza la salida de cuadratura(bidireccional), con dos canales de 90 grados elctricos fuera de la fase; el circuito determina la

direccin de movimiento basado en la fase de relacin entre ellos. Esto es til para procesos que sepueden revertir, o para mantener la posicin de red cuando se encuentra inmvil u oscilando

mecnicamente. Por ejemplo, la vibracin de la maquina mientras este detenido podra ocasionarque un encoder unidireccional produzca una corriente de pulsos que seran contados errneamente

como movimiento. El controlador no sera engaado cuando se utilice la cuadratura de conteo verfigura 1.

Figura N1


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PIC 16F877A

Se denomina microcontrolador a un dispositivo programable capaz de realizar diferentes

actividades que requieran del procesamiento de datos digitales y del control y

comunicacin digital de diferentes dispositivos.

Los microcontroladores poseen principalmente una ALU (Unidad Lgico Aritmtica),

memoria del programa, memoria de registros, y pines I/O (entrada y/0 salida). La ALU es

la encargada de procesar los datos dependiendo de las instrucciones que se ejecuten (ADD,

OR, AND), mientras que los pines son los que se encargan de comunicar al

microcontrolador con el medio externo; la funcin de los pines puede ser de transmisin de

datos, alimentacin de corriente para l funcionamiento de este o pines de control especifico.

Algunas de estas caractersticas se muestran a continuacin:

Soporta modo de comunicacin serial, posee dos pines para ello. Amplia memoria para datos y programa. Memoria reprogramable: La memoria en este PIC es la que se denomina

FLASH; este tipo de memoria se puede borrar electrnicamente (esto

corresponde a la "F" en el modelo).

Set de instrucciones reducidas (tipo RISC), pero con las instrucciones necesariaspara facilitar su manejo.

Caractersticas

En siguiente tabla de pueden observar las caractersticas ms relevantes del dispositivo:

CARACTERSTICAS 16F877

Frecuencia mxima DX-20MHz

Puertos E/S A,B,C,D,E

Interrupciones 14

Timers 3

Mdulos CCP 2

Lneas de entrada de CAD de 10 bits 8

Canales PWM 2


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Dispositivos perifricos:

Timer0:Temporizador-contador de 8 bits con preescaler de 8 bits Timer1:Temporizador-contador de 16 bits con preescaler que puede incrementarseen modo sleep de forma externa por un cristal/clock. Timer2:Temporizador-contador de 8 bits con preescaler y postescaler. Dos mdulos de Captura, Comparacin, PWM (Modulacin de Anchura de

Impulsos).

Conversor A/D de 1 0 bits. Puerto Serie Sncrono Master (MSSP) con SPI e I2C (Master/Slave). USART/SCI (Universal Syncheronus Asynchronous Receiver Transmitter) con 9

bit.

Puerta Paralela Esclava (PSP) solo en encapsulados con 40 pines

FIGURA N2

PWM

La Modulacin por Ancho de Pulsos (MAP PWM) es una tcnica frecuente que se utilizapara regular la velocidad de giro de motores elctricos. Mantiene el par-motor constante y

no supone un desaprovechamiento de la energa elctrica. Se utiliza tanto en corrientecontinua como en alterna, como su nombre lo indica, controla por un momento alto


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(encendido) y por un momento bajo (apagado), la potencia en el devanado del motor, parael control se usan normalmente relevadores para operar en baja frecuencia con

MOSFET`s para trabajar en alta frecuencia. Otros tipos de circuitos con modulacinAnalgica que se usan para regular la velocidad, modifican la tensin, con lo que

disminuye el par-motor; interponen una resistencia elctrica, con lo que se pierde energaen forma de calor.

Otra forma de regular el giro del motor es variando el tiempo entre pulsos, modulacin porfrecuencia de pulsos de duracin constante. En los motores de corriente alterna tambin se

utiliza la variacin de frecuencia. Ver figura 3.

FIGURA 3: MODULACIN DE ANCHURA DE PULSOS.

EL PUENTE H

Ahora realizaremos el diseo de los puentes H, basndonos en el siguiente circuito.

FIGURA N4: ESTE CIRCUITO NOS MUESTRA EL DISEO DE UN PUENTE H


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CONVERTIDOR DE FRECUENCIA A VOLTAJE LM331

FIGURA 5. LM331

FIGURA 6. ENCODER- CONVERTIDOR

CIRCUITO DE IMPLEMENTACIN CON EL LM331

FIGURA 7. SIMULACION LM331


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PID

Un PID (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control por realimentacin

que se utiliza en sistemas de control industriales. Un controlador PID corrige el error entre

un valor medido y el valor que se quiere obtener calculndolo y luego sacando una accin

correctora que puede ajustar al proceso acorde. El algoritmo de clculo del control PID se

da en tres parmetros distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo. El valor

Proporcional determina la reaccin del error actual. El Integral genera una correccin

proporcional a la integral del error, esto nos asegura que aplicando un esfuerzo de control

suficiente, el error de seguimiento se reduce a cero. El Derivativo determina la reaccin del

tiempo en el que el error se produce. La suma de estas tres acciones es usada para ajustar al

proceso va un elemento de control como la posicin de una vlvula de control o la energa

suministrada a un calentador, por ejemplo.

Ajustando estas tres constantes en el algoritmo de control del PID, el controlador puede

proveer un control diseado para lo que requiera el proceso a realizar. La respuesta del

controlador puede ser descrita en trminos de respuesta del control ante un error, el grado el

cual el controlador llega al "set point", y el grado de oscilacin del sistema. Ntese que el

uso del PID para control no garantiza control ptimo del sistema o la estabilidad del mismo.

Algunas aplicaciones pueden solo requerir de uno o dos modos de los que provee este

sistema de control. Un controlador PID puede ser llamado tambin PI, PD, P o I en la

ausencia de las acciones de control respectivas. Los controladores PI son particularmente

comunes, ya que la accin derivativa es muy sensible al ruido, y la ausencia del proceso

integral puede evitar que se alcance al valor deseado debido a la accin de control.

FIGURA 8. PID


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CONSIDERACIONES E IMPLEMENTACIN DEL CIRCUITO

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAEn los procesos industriales es necesario tener un registro y control eficiente sobre todas lasvariables que intervienen en el proceso, con el fin de conocer el comportamiento de la

misma durante cada una de las fases del proceso, de manera tal que esta informacinrealizar las acciones necesarias para un control seguro y eficiente. Basndonos en esto se

desea disear un controlador de velocidad de motor usando la tcnica de modulacin porancho de pulso (PWM), que bsicamente consiste en dos etapas .la 1era es la obtencin de

un sistema de lazo abierta (pic-punte h-motor) y la 2da fase es el mismo sistema peroadicionndole un conversor de frecuencia a voltaje que se realimentara al pic generando asi

una tensin de referencia.

PROGRAMA PARA EL MICROCONTROLADOR

#INCLUDE

#DEVICE ADC=10#USE DELAY(CLOCK=4000000)

#FUSES XT,NOWDT#USE STANDARD_IO(B)

VOID MAIN(){INT16 valor, control; //Variables para lectura de ADC y seal de Control a modulo CCP

FLOAT a,b,c,m,n,p,q; //Constantes para parmetros de controlador PIDFLOAT VELOCIDAD_LIMITE; //Referencia de velocidad

FLOAT rt,eT,iT,dT,yT,uT,iT0,eT0; //Variables de controlador PIDFLOAT max,min; //Variables para anti-windup

min=0.0;max=1400.0;

iT0=0.0;eT0=0.0;

setup_timer_2(t2_div_by_4,249,1); //Configuracion de Timer 2 para establecer frec. PWM

a 1kHzsetup_ccp1(ccp_pwm); //Configurar modulo CCP1 en modo PWM

setup_adc_ports(AN0_AN1_AN2_AN4_AN5_VSS_VREF); //Configurar ADCsetup_adc(adc_clock_internal);

set_tris_B(0x00);while(true){

output_high(PIN_B0);

delay_ms(500);output_low(PIN_B0);

delay_ms(500);


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set_adc_channel(0); //Seleccionardelay_us(30);

valor=read_adc(); //Leer ADCset_adc_channel(1); //Acquisition canal 0, Ti.

delay_us(30);m = read_adc();a =m/1024.0;

set_adc_channel(2); //Adquisicion canal 1, Td.delay_us(30);

n = read_adc();b =n/1024.0;

set_adc_channel(3); //Adquisicion canal 2, K.delay_us(30);

p = read_adc();c =m/1024.0;

set_adc_channel(4); //Adquisicion canal 3, SP.delay_us(30);

q = read_adc();VELOCIDAD_LIMITE = 50*q/1024.0;

yT=30*valor/1024.0; //Escalizar seal de salida y(kT)rT=VELOCIDAD_LIMITE;

eT=rT-yT; //Calcular senal de error e(kT)iT=b*eT+iT0; //Calcular termino integrativo i(kT)

dT=c*(eT-eT0); //Calcular termino derivativo d(kT)uT=iT+a*eT+dT; //Calcular senal de control u(kT)

if (uT>max){ //Anti-windup

uT=max;}else {

if (uT


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IMPLEMENTACIN DEL CONTROL DE VELOCIDAD DE UN MOTOR

EN LAZO ABIERTO EN DIAGRAMA DE BLOQUES.

SIMULACIN DEL SISTEMA EN LAZO ABIERTO

FIGURA 9. SIMULACION LAZO ABIERTO

PIC

16F877APUENTE H

MOTOR DC

CON ENCODER


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SIMULACION DE CONTROL DE VELOCIDAD DEL MOTOR LAZO CERRADO

Para el desarrollo de este proyecto se realizo el circuito mostrado en la siguiente figura:

FIGURA 10. SIMULACION LAZO CERRADO


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Una vista rpida del proyecto a diagrama a bloques:

FIGURA 11. DIAGRAMA DE BLOQUES

FIGURA 12. ESQUEMA DELCONTROL DEL GIRO

ECUACIONES DE ELEMENTOS:

ECUACIONES DE EQUILIBRIO:


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SUSTITUYENDO LAS ECUACIONES DE ELEMENTOS EN LAS ECUACIONESDE EQUILIBRIO

DESEAMOS OBTENER MI/O()

- CAMBIANDO AL DOMINIO DE LAPLACE:

EN EL DOMINIO DEL TIEMPO ESTO ES:


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EN LAPLACE TENEMOS:

NUESTRA ECUACIN DE TRANSFERENCIA QUEDA:

DONDE:

PARA LAS CONDICIONES INICIALES DEL SISTEMA SE OBTUVIERON LASSIGUIENTES CONSTANTES:

Resistencia 50

Corriente 0.1

Bobina 0.15

Tensin 12

Friccin 0.18

Velocidad 130.9

Kf 0.053475936

Ka 235.62

Momento 0.0000018

- Para el momento de inercia JD=1,2 cm=0,012 m por lo que r=0,006 m; m=50g=0,05 kg

J = mr2

= (0,05 kg)(0,006 m)2

= 1,8x10-6

[kgm2]

J=1,8x10-6 [kgm2]


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B=0,18

- Para la resistencia y la corriente: Para la entrada mxima que es con una tensinde entrada de 12 V el fabricante garantiza 1250 rmp, donde podemos obtener losvalores siguientes valores realizando las operaciones necesarias:

R=50

Y de la corriente:

I=0,1 A

- Para la velocidad Sabemos que 1 rpm=0.10471976

= ; 1250 rpm = 130,9

= 130,9

- Para KfSi ; y

Tenemos , donde Kf=0.053475936

- Para el valor de Ka: se igualan ecuaciones , donde resultaKa*i = J*d/dt + B* ; donde J*d/dt =0 y se reduce a Ka*i = B* y Ka=B*/i

Ka=235.62

- Para la bobina: por el fabricante sabemos queL=0,00185 H

NUESTROS VALORES DE A, B Y C SON:A 872666666.7

B 100333.33333333300

C 46666675.67


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La funcin de transferencia queda:

Realizamos la simulacin en MATLAB con SIMULINK:

FIGURA 13. SIMULACION EN SIMULINK

Una vez simulado en MATLAB en la ventana de configuracin de nuestra seal de entrada,

ver ilustracin 12, cabamos el valor del porcentaje de seal que deseamos tener arriba

(tiempo arriba) y obtenemos, para cada una de las combinaciones mostradas, la grfica de

entrada y de salida, tambin el valor mximo y mnimo de ambas seales.

Para un 90% obtuvimos una grafica como la que se muestra:

FIGURA 14. GRAFICA OBTENIDA


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Los valores obtenidos para la sintonizacin son:

Kp=0,1243

Ti=2

Td=0,5

Para medir las revoluciones que tiene el motor se utiliz un encoder, el cual nos enva una

seal a pulsos el cual lee las vueltas que se generan, este encoder cuenta con 90 ranuras, por

lo que al nmero de pulsos generados se les dividir entre 90 para saber el nmero real.

Esta imagen es un ejemplo de la seal que nos enva el encoder:

FIGURA 15. SEAL QUE ENVIA EL ENCODER

BIBLIOGRAFA

Pginas Web Revisadas

http://es.wikipedia.org/wiki/Revoluciones_por_minuto www.sapiensman.com/control_automatico http://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_por_ancho_de_pulsos http://es.wikipedia.org/wiki/Proporcional_integral_derivativo www.engr.usask.ca/classes/EE/391/notes/PIC16F886.pdf

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