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UNIVERSIDAD TÉCNOLOGICA DE BOLÍVAR.

INFORME DE LABORATORIO – EXPERIENCIA # 1.

FACULTAD DE INGENIERÍA MECATRONICA.

SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICO.

CONTROL DE VELOCIDAD DE UN MOTOR DC POLOLU IMPLEMENTANDO LABVIEW 2017 WITH MyRIO.

PRESENTADO A: JOSE LUIS VILLA RAMIREZ.

PRESENTADO POR: KEVIN MENDOZA VANEGAS. T00045030 ALFONSO PINTO FUENTES

T00040903.

JUAN JOSE JIMENEZ

T00043611.

INTRODUCCIÓN En la siguiente práctica, se trabajará el control de velocidad de un motor DC Pololu haciendo uso del software de LabVIEW incorporado con la tarjeta MyRIO con la finalidad de ver la actuación del proceso en un entorno físico real, se deberán considerar teorías importantes del análisis de control de sistemas y conocimientos acercad de interconexión de dispositivos electromecánicos en un complejo determinado. Esto será importante para post-desarrollos de múltiples aplicaciones que requieren regular correctamente el flujo de movimiento de cualquier vehículo automatizado de la industria global. OBJETIVOS Objetivo General  Diseñar e implementar un sistema de control para un motor Pololu a través de una MyRIO, desarrollando su programación e interfaz en LABVIEW. Objetivos Específicos  Realizar la caracterización de un motor Pololu.  Diseñar un control PID para el control de velocidad del motor.  Implementar el controlador PID en LABVIEW 2017 y MyRIO. MARCO TEORICO Para nuestro laboratorio es necesario tener en cuenta los siguientes elementos:  Motor DC: Un motor DC que ya tenga integrado un encoder. En lo posible el motor debe ser lo más lineal posible, es decir que el comportamiento de voltaje aplicado con respecto a velocidad de salida sea en lo posible lo más lineal permitido.  Encoder: Para medir la posición angular del motor es necesario un encoder, este debe escogerse con buena resolución. La resolución de un encoder está dada por el número de pulsos por vuelta, y en este caso debe contar con dos trenes de pulso en cuadratura para determinar la dirección.  La etapa de potencia: Para poder manipular el motor DC se debe construir una etapa de potencia que permita operar el motor en diferentes velocidades en modo lineal y con diferente polaridad con el fin de manipular la dirección. Existen varias formas de lograr esto, pero la forma más común es utilizando un puente H para controlar de forma eficaz la entrada a la etapa de potencia.  Medición de posición: Para medir la posición y el desplazamiento se deben procesar los pulsos del encoder. Para hacerlo se utilizará la tarjeta MyRIO y LABVIEW.  Driver L298N: controlador de motor, velocidad, posición.  PWM: Modulación por ancho de pulsos de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica.

METODOLOGIA – PROCEDIMIENTO Para el laboratorio se usó el Motor Pololu, el Driver L298N y la MyRIO. Para ello se usaron Las conexiones que veremos a continuación, cabe resaltar que las conexiones del driver hacen referencia a una parte del circuito para el control de varios motores, sin embargo, se utilizará 1 en este caso. Los pines ENB son para controlar la velocidad del motor, en caso de estar asegurado no se podrá controlar esta velocidad, para esto retiramos el seguro del L298N para controlar la velocidad de nuestro motor, los pines IN1, IN2, serán las entradas de la señal y OUT1 e OUT2, serán las salidas, cabe resaltar que las entradas y salidas son correspondientes entre si IN1 con OUT1 y así sucesivamente. En las siguientes tablas veremos cómo deberán ir las conexiones entre los dispositivos del Driver L298N, el Motor DC Pololu y la Tarjeta MyRIO:

Imagen 1 - Tabla de conexiones entre el Motor DC, la MyRIO y el Driver L298N (Descripción: Motor DC).

Imagen 2 - Tabla de conexiones entre el Motor DC, la MyRIO y el Driver L298N (Descripción: Driver L298N).

Tener un excelente conocimiento acerca de teoría de circuitos y revisión de datasheet y sus parámetros es muy importante en esta etapa, ya que cualquier unión o cable mal conectado puede ocasionar un corto circuito o falla que dañe o queme algunos de los controladores internos en cada dispositivo, además, de que una mala conexión también puede generar que el sistema tenga un funcionamiento inoportuno para los intereses del desarrollo de la experiencia práctica que busca regular el nivel de velocidad en nuestro motor DC Pololu.

Imagen 3 - Distribución de pines en la tarjeta MyRIO (entradas, salidas, alimentación, etc.).

Una vez se han realizado todos los esquemas en LABVIEW e interconexiones entre dispositivos necesarias, se procede a montarlo todo y simular el funcionamiento del sistema del control de la velocidad de nuestro motor DC Pololu. El montaje final externo es el siguiente:

Imagen 4 - Montaje Final: Circuitería externa y dispositivos utilizados conectados a el PC con el programa LABVIEW.

ANALISIS DE RESULTADOS En la primera experiencia de laboratorio basada en el control de velocidad de un motor DC, en nuestro caso un motor Pololu de 200 RPM con un encoder incluido, se usó el software computacional LABVIEW 2017 con la tarjeta MyRIO y sus múltiples funciones incorporadas para lograr el desarrollo eficaz de la misión. La primera parte estuvo dirigida a determinar mediante un análisis de la curva de velocidad registrada con el encoder y de un porcentaje variable de PWM que funcionó como voltaje de alimentación al motor. El diseño o código principal implementado en LABVIEW para obtener los parámetros deseados es el siguiente:

Imagen 5 - Configuración del Panel Frontal para medir velocidad con el encoder del Motor DC con LB17 MyRIO.

El código está dividido en 2: la sección del Panel Frontal y la sección del Block Diagram.

Imagen 6 - Configuración del Block Diagram para medir velocidad con el encoder del Motor DC con LB17 MyRIO.

 Descripción del diseño realizado para el control de la velocidad del encoder - MDC

La imagen 5 es la zona de mando o visualización de soluciones, es decir, es la interfaz en la cual el usuario es capaz de controlar las acciones que realiza el sistema y ver sus resultados. Cabe señalar que la velocidad que se desea encontrar se visualiza en la gráfica arrojada, al mismo tiempo que se indica en el medidor (velocímetro) su valor de forma más explícita para cualquier instante de tiempo en que el motor este girando o no. La velocidad buscada depende fundamentalmente del porcentaje de alimentación trasladada al sistema (%PWM) y del tiempo de muestro de la señal que se maneje (Sample Time o Ts en la configuración). Por estos motivos, es importante que se haga un excelente diseño o configuración de los elementos interconectados en la zona de diagrama de bloques especificado en la imagen 6. En ella se puede observar cómo interactúan de manera simultánea los bloques de proceso del PWM, el encoder del motor y las señales enviadas tanto al velocímetro como a la gráfica de velocidad contra tiempo del motor DC. El proceso se encuentra inmerso dentro de un Shift Register o registro de desplazamiento que va anexando nuevos datos al sistema a su vez que desplaza los previos para no perder el hilo del funcionamiento del encoder.  Curvas: Time vs Velocidad del Encoder & Time vs Voltaje de Alimentación (%PWM) Luego de verificar la correcta configuración de los componentes del LB2017 y conectar los dispositivos externos que se emplearon en el desarrollo del ejercicio, los cuales son: MyRIO, Driver L298N y Motor DC. Se realizaron pruebas con el fin de asignar valores de porcentaje de voltaje de alimentación (%PWM) para detallar como variaba la forma de la gráfica y el nivel de la estabilidad de la velocidad registrada del motor, para datos oscilantes entre: 0, 25, 50, 75, 100, 0, -25, -50, -75 & -100. Los datos de velocidad y PWM exportados a Excel fueron graficados para describir el comportamiento del Motor DC a diferentes rangos PWM.

Grafica Velocidad Motor DC vs Time Voltage 160

140 120 100 80

Velocidad (RPM)

60 40 20

0 -20

Velocidad Motor 0

100

200

300

400

500

600

700

800

PWM

-40 -60 -80 -100 -120

-140 -160

Time (Second) Imagen 7 - Curvas de Velocidad del Encoder y %PWM vs Time diseñadas en Excel 2016 en base a los datos tabulados.

Como se puede interpretar en el gráfico de la imagen 7, la velocidad del encoder (en RPM) se logra incrementar a medida que crece el %PWM entregado al sistema, sin embargo, genera una pequeña desviación o interferencia en la señal resultante, aunque muy leve, casi imperceptible. Es importante señalar que se evaluó el funcionamiento del motor en ambos sentidos de giro (por ello valores de %PWM variando en el intervalo de -100 : 100).  Hallar la Función de Transferencia para el control de velocidad del encoder - Motor DC Con los datos obtenidos de la medición de la velocidad del encoder, se utilizó el software computacional de MATLAB R2017a para determinar la función de transferencia de control aprovechando la serie de cifras para él %PWM y la velocidad. Con la teoría de vectores y la aplicación de la herramienta System Identificación se logró determinar con una línea de pasos y acciones de configuración tales como: una función de transferencia con un tiempo de muestro Ts = 0.1, un comportamiento lineal lo que implica 1 polo y ningún cero. Estimar la función de transferencia con datos de entrada (PWM) y salida (Velocidad RPM) nos arrojó la que experimental se ajusta mejor a los valores característicos con un 86.95% de precisión. Luego de esto, finalmente se traslada la función obtenida al workspace de MATLAB con el fin de visualizar en la ventana de comandos el resultado final del proceso:

Imagen 8 - Función de Transferencia que mejor se ajusta a la caracterización de la velocidad del Motor DC.

Con la función de transferencia calculada fue posible determinar la respuesta al escalón del sistema al excitarse, haciendo uso del comando step(TF1) que nos brinda MATLAB.

Imagen 9 - Respuesta al escalón del Sistema de control de velocidad del Motor DC.

Como se puede observar en la imagen 9, el sistema del control de velocidad del Motor DC es estable, es decir, busca un valor fijo para estabilizarse luego de transcurrir un tiempo de funcionamiento. Este parámetro es conocido como el valor de estado estacionario.

Parte 2: Control de la velocidad lineal del Motor DC Pololu en LabView 2017 with MyRIO. En esta etapa, se desarrolló una configuración similar a la de la primera etapa, sin embargo, se anexaron algunos nuevos bloques y funciones necesarias para el desarrollo correcto del controlador. Los esquemas iniciales para realizar las mediciones de velocidad fueron:

Imagen 10 - Configuraciones iniciales en LB2017 para implementar el control de Velocidad Lineal del Motor DC.

 Descripción del esquema para el control de Velocidad Lineal del Motor DC

Funcionamiento similar a la primera etapa, posee unas pequeñas pero marcadas diferencias, por ejemplo, la inclusión de un PID con ganancias de constante proporcional (Kp) y constante de integración (𝜏𝑖 ) pero no posee ganancia por derivador (Td), por tanto, se considera un PI. A su vez, se insertó un Set Point para realizar el control a lazo cerrado del sistema con el fin de buscar la estabilidad del mismo (retroalimentado), así como se mantuvo un botón que al accionarse permite conmutar entre el sistema a lazo abierto y el sistema a lazo cerrado. A lazo abierto la señal transmitida es manualmente la del PWM.  Curvas obtenidas de la caracterización de la velocidad del Motor DC a lazo cerrado

Imagen 11 - Curvas obtenidas experimentalmente en lazo cerrado del sistema de control de velocidad del Motor DC.

Título del gráfico

200 150 100 50 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

-50 -100

-150 -200 Velocidad Motor DC (RPM)

%PWM

Set Point (RPM)

Imagen 12 - Curvas obtenidas con los datos experimentales empleando la herramienta Excel 2016. Velocidad Motor DC

En las gráficas previas se puede apreciar claramente como existe una marcada similitud entre las señales de Set Point y velocidad del motor DC, sin embargo, toma un poco más de tiempo en estabilizarse, pero finalmente lo logra, para aclarar los últimos tramos no alcanzaron a estabilizarse por cuestiones de brusquedad en el cambio de excitación dada por el set point introducido por el usuario. Diseño e Implementación del Controlador: Sintonización del PID En esta etapa se analizará el funcionamiento a lazo cerrado del sistema, contemplando:

Imagen 13 - Diagrama de Bloques del Sistema de control de Velocidad de un Motor DC.

El sistema de control de velocidad del motor DC se expresa en forma gráfica en la imagen previa, considerando una función de transferencia deseada en lazo cerrado de la forma: Gd =

Gc ∙ Gm ; where Gc and Gm are: Controller TF & Motor TF, respectively. 1 + Gc ∙ Gm

Despejando a 𝐺𝑐 de la expresión anterior y considerando las siguientes funciones lineales: Gc =

Gd Kd Km ; Gd (s) = & Gm (s) = , Finally for the Controller: Gm (1 − Gd ) τd s + 1 τm s + 1 𝐺𝑐 =

𝐾𝑑 𝜏𝑑 𝑠 + 1

→ 𝐺𝑐 =

𝜏𝑚 1 ∙ (1 + ) 𝐾𝑚 𝜏𝑑 𝜏𝑚 𝑠

𝐾𝑚 𝐾𝑑 𝜏𝑚 𝑠 + 1 ∙ (1 − 𝜏𝑑 𝑠 + 1) ∶ 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟 𝐹𝑢𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑙𝑒𝑟.

Con el fin de obtener los parámetros deseados para el PID Gains del esquema en LB fue necesario considerar las siguientes expresiones para su computo en base a la función de transferencia determinada con la caracterización del motor DC en la etapa 1. FTMotDC =

3.754 1.42561 → FTMotDC = ; with K m = 1.42561 & τm = 0.39888. s + 2.507 0.39888s + 1

Conociendo los valores de K m & τm es posible determinar los parámetros K p & τi a través: Kp =

τm τm 1 1 = → Kp = & 𝜏𝑖 = → K p = 0.35073 & 𝜏𝑖 = 0.00665. K m τd K m (2τ𝑚 ) 2K m τm

Con estos resultados se da por completado el proceso de sintonización del PID.

CONCLUSIÓN Gracias al desarrollo del trabajo previo se logró analizar e implementar el diseño del control de velocidad y posición del motor DC en LABVIEW y MyRIO de manera satisfactoria. Este procedimiento permitió efectivamente realizar la caracterización del Motor DC Pololu a través del cálculo de su función de transferencia especifica con un ajuste muy preciso (orden superior a 85%). Con estos parámetros dados también se logró desarrollar el mecanismo de control PID para regular la velocidad de nuestro motor, especialmente en lazo cerrado se tuvo la característica de un PI (Proportional & Integrator) desechando la opción de utilizar un derivativo (Derivator). Fue posible la implementación adecuada del controlador PID en LABVIEW with MyRIO, que se verificó al simular en tiempo real y efectuar las pruebas correspondientes al motor DC Pololu en múltiples intervalos de excitación derivando en un funcionamiento óptimo del sistema. Este trabajo es fundamental para la comprensión de las teorías de control automático y posteriores aplicaciones para proyectos del curso. REFERENICAS BIBLIOGRAFICAS  Guía de Laboratorio v1.2: Control de Velocidad de un Motor DC Pololu en LabVIEW with MyRIO. Oscar Ballestas. Universidad Tecnológica de Bolívar. Sistemas de Control Automático.